三维雁型断层动力学破裂跳跃分析及其上裂纹型和脉冲型破裂模拟研究

Huge damage may occur if rupture jump onto subfaults of strike-slip stepovers, which usually become a large earthquake. However, the largest jumping distance of rupture on strike-slip stepovers and jumping conditions are still in debate. Based on the geological observations, 3-4 km is the largest jumping distance of strike-slip stepovers. However, a few researchers stand on that rupture may jump over a 10 km wide stepover. And nowadays numerical researches focusing on the jumping distance based on the spontaneous rupture on strike-slip stepovers nearly all are under slip-weakening friction law in two dimensional cases. This program plans to investigate spontaneous rupture process under different friction laws on strike-slip stepovers in three-dimensional half spaces, and to unmask the largest jumping distance and influence factors. There are three friction laws used here: slip-weakening friction law, rate-dependent friction law, rate and state dependent friction law. Previous research on planar fault tells us different rupture behaviors, which includes pulse-like and crack-like rupture behaviors, may occur under different friction laws. Researches on the different rupture behaviors on stepovers, the largest jumping distances of stepovers, and comparisons of geological observations of large earthquakes, may enhance the seismic hazard assessment, develop the understanding of non-planar geometry of stepovers and friction laws.

雁型断层上破裂如能跳跃其几何不连续处到子断层上继续传播就会形成大地震，危害巨大。但其最大能够跳跃的距离和跳跃条件一直存有争议。大地震的震后调查显示阶梯距离3-4公里的子断层往往能阻碍破裂，但也有研究者认为10公里以上的破裂跳跃也可能存在。而目前国内国际上采用数值模拟雁型断层破裂过程分析这一问题也集中在二维模型下，采用滑动弱化摩擦准则讨论。本项目计划开展三维半空间雁型断层在不同摩擦准则下的动力学破裂模拟，分析讨论其上破裂最大跳跃距离和影响因素。主要采用三种摩擦准则包括滑动弱化摩擦准则、速率依赖准则和速率状态弱化准则。平面断层上的研究说明不同的摩擦准则可以产生不同裂纹形态，包括裂纹型和脉冲型。通过对它们在雁型断层不连续处的破裂跳跃行为和对最大跳跃距离的影响研究，并和大地震的震后地质调查结果对比解释，可以促进大地震震害速报、提高认识雁型断层几何特性、加深理解摩擦准则。

本项目针对破裂在复杂断层体系上破裂传播影响因素、破裂速率、破裂行为及造成的震害进行科学分析，特别是针对自然界中广泛存在的雁型断层进行了大量的数值模拟讨论。项目依托实际地质调查给出的雁型断层模型，抽象建立三维半空间里的垂直分布的走滑雁型断层，考虑不同动力学参数条件，如初始应力、破裂加速距离、自由地表、和摩擦系数等，利用三维有限差分数值方法解三维断层上的动力学破裂过程，通过改变断层几何找到破裂能成功自发跳跃的临界距离，为地震灾害评估提供了一定依据。项目研究的一个重要成果是发现自发破裂在三维阶梯断层上最大跳跃距离可以达到10公里，但当且仅当发震断层上同时存在自发超剪切和地表超剪切两种破裂，且破裂加速距离足够长的时候才可能发生。而缺乏这两种条件的时候，破裂仅能跳跃4公里以下的阶梯距离。这也较好解释了地质观察中雁型断层上破裂临界跳跃距离一般是4-5公里，且对昆仑山断层可能的10公里跳跃距离提供了一种数值解释。在此基础上，本项目继续开展了破裂速率在雁型断层上的研究，发现雁型断层这种不连续的断层几何会引起子断层上的正应力和剪应力变化，从而使破裂跳跃后可能出现超剪切破裂，这为超剪切破裂的形成机制提供了一种新的解释。项目对比了时间弱化和高应力成核两种成核在动力学破裂过程中的影响，发现时间弱化准则下破裂速率较高应力成核慢，且滑动量小，并给出了二者的等效条件分析，为研究者在动力学模拟中选择两种成核过程提供参考。最后，项目比较了三维阶梯断层破裂对近场峰值速度分布的影响，发现超剪切破裂能沿着马赫锥将强震动带向距离断层垂向更远的地方，而亚剪切破裂在近断层前方会造成更大的峰值速度分布，这项工作为天然地震灾害评估提供了基础。