不同因素对于断层动力学破裂过程复杂性的影响研究

一、 成果概况

本成果是在国家自然科学基金“半空间三维非平面断层动力学破裂过程数值模拟方法研究”的支持下完成的。

地震的孕育、发生及致灾过程，是空间尺度、时间尺度跨度很大的复杂的物理过程。震源断层动力学破裂过程是当前地震学研究的重要前沿领域之一，有利于揭示震源物理过程，加深对破裂扩展传播和停止的物理机制，以及近场强地面运动特征等的理解，对地震工程、地震机理研究等有重要意义。断层破裂传播过程非常复杂，受多个因素的控制，如断层结构、介质特性、断层面上不均匀应力的分布等都对其有重要影响。深入分析和讨论各因素对于断层破裂传播过程的影响，有助于我们理解地震破裂发生、传播和停止的物理机制，以及近场强地面运动特征。边界积分方程方法是研究断层动力学破裂过程的重要手段之一，尤其在处理复杂断层几何形态问题上有其独特的优势。本项目基于该方法，深入讨论了不同因素对于断层动力学破裂传播过程复杂性的重要影响。

利用边界积分方程方法，以基于三角形网格的全空间格林函数及离散积分核的计算为基础，建立了半空间中三维非平面断层的动力学破裂方程，并进行了自由表面影响下的动力学破裂过程模拟，拓展了边界积分方程方法在震源动力学破裂研究中的应用。进行了2010年青海玉树地震运动学破裂过程反演和动力学破裂过程的数值模拟，验证了震源运动学反演结果及观测所获得的复杂断层滑动过程的主要特征，为深入研究大地震的震源动力学机制提供了帮助。

二、主要创新点

本成果综合考虑系列重要影响因素，运用数值模拟方法，并结合震例分析，取得主要创新成果如下：

1) 选用边界积分方程方法，采用三角形网格离散三维断层模型，对断层面上滑动速率进行箱型离散化，解决了模型和方程离散化过程中兼顾模型离散精度和界面物理参数离散精度问题。

2) 研究了断层不同几何形态对动力学破裂传播过程的影响，通过多参数组合分析，探讨了影响全空间断层破裂传播的控制因素，构建了全空间断层动力学破裂相图。

3) 模拟研究了自由表面影响下，断层埋深、倾角及断层面上应力不均匀分布对断层动力学破裂传播过程的影响，构建了半空间断层动力学破裂相图，探讨了超剪切破裂形成的条件。

4) 首次对2010年青海玉树7.1级地震进行了动力学破裂过程数值模拟，揭示了此次地震的破裂传播过程中可能存在亚剪切波到超剪切波的跳跃，认为断层破裂至地表和高应力凹凸体的存在是产生超剪切破裂的重要原因。

三、应用效益及前景

本研究共发表论文10余篇，其中SCI检索3篇，EI核心检索3篇。本项目的研究，一方面拓展了边界积分方程方法在半空间非平面断层动力学破裂过程研究中的应用，另一方面也为深入研究大震震源破裂动力学，揭示震源物理机制以及开展基于震源动力学模型的近场强地面运动研究提供了帮助。震源动力学在震害防御方面的应用，主要体现在强地面运动预测中，而基于物理原理的强地面预测是强地面运动学的前沿课题与研究方向。更好的了解震源破裂的过程对于未发地震的震害预测评估有很好的应用前景。

图1全空间与半空间积分核对比

(源场距离远大于震源深度，震源深度较浅，半空间中面波发育，与实际观测一致)

图2断层与地表相交时沿走向方向滑动量瞬像图(unit/m,近地表滑动量增大)

图3半空间中倾角为45°的断层沿走向破裂传播的滑动速率瞬像图(unit:m/s,可见超剪切破裂)

图4不同断层模型与地表相交时沿走向方向破裂波前传播速度图像

（模型b,c均可见超剪切破裂现象，模型e和f由于障碍体的存在出现了波传播的绕行现象）

图5断层某单元在全空间及半空间中不同倾角的倾斜断层滑动量和应力变化比较

(图(a),(b)分别代表沿走向方向，图(c),(d)分别代表沿倾向方向)

图6半空间沿断层走向和倾向的破裂传播相图