地表和断层几何形态对浅源大地震超剪切破裂转化的影响研究

In recent years, inversion studies on earthquake source processes have confirmed that supershear transition may occur in rupture propagation of seismic sources in certain cases. Rupture velocity will change abruptly in the process of changing from sub-Rayleigh to supershear, which is the origin of high frequency component of radiation wavefield, an important factor responsible for destructive strong ground motion. Therefore, mechanism of supershear has become a hot issue of seismology in the past decade. Investigation on the mechanism of supershear.transition of rupture velocity will not only helpful to gain insight into the physical process of seismic sources, but also important to protection of.earthquake disasters. Many factors contribute to the supershear transition, and free surface and fault geometry are two important factors for large shallow-focus earthquakes. However, detailed studies on these two factors are rare. In this study, based on our proceeding works, we plan to apply the boundary integral equation method we developed for complex fault system buried in half space to investigate the effects of free surface and fault geometry on the supershear transition, and try to find out the condition controlling the supershear transition. Taking the 2001 Mw 7.8 Kunlunshan earthquake for an example, we shall study the dynamic mechanism for the supershear transition in this earthquake.

近年来的震源破裂过程反演研究证实了在地震破裂过程中可能出现超剪切波速传播的情况。破裂速度由亚Rayleigh波速向超剪切波速的转化伴随着传播速度的突然改变，这将导致辐射波场中高频分量的产生，而这是造成破坏性强地面运动的重要因素。因此近十几年来有关超剪切现象的研究成为地震学研究的一个热点。探讨破裂速度向超剪切转化的机制对于深化震源破裂物理过程的认识，并进而对防震减灾工作具有重要的理论和实际意义。影响超剪切速度转化的因素有很多，对于浅源大地震而言，地表和断层几何形态是两个重要因素，而目前国际上对这两个因素的研究很少。本项目拟在前期研究的基础上，运用地表影响下的复杂断层系统的边界积分方程方法，通过对地震动力学破裂过程的模拟计算，重点探讨地表和断层几何形态如何影响地震破裂速度的超剪切转化，总结得出超剪切转化的出现条件；以2001年昆仑山地震为例，深入探讨此次地震出现超剪切破裂的动力学机制。

浅源破坏性大地震震源过程与断层几何形态密切相关，现有的有限元和有限差分等方法在研究复杂断层系统的动力学过程方面具有技术上的限制。为了研究复杂断层系统的动力学破裂过程，特别是超剪切的出现条件，为进一步开展基于定量的数值计算的预测研究，在本研究中我们构建了非结构化网格的边界积分方程，利用它进行了弯折、分叉等基本的复杂特征的断层系统的动力学破裂行为研究，同时为了考虑地表对于动力学过程的影响，我们从理论上导出了第二和第三类Lamb问题Green函数的闭合形式表达，为后续的研究奠定了基础。本项目主要取得以下成果：1. 基于全空间Green函数，得到了闭合形式的积分核，结合三角形离散化方案，构建了适于求解包括弯折和分叉断层在内的复杂断层系统的动力学破裂过程的边界积分方程；2. 运用发展的方法，针对分叉断层，开展了参数敏感性研究，并对结果进行理论分析，推进了关于分叉断层的动力学破裂行为的认识；3. 研究了弯折断层在初始应力和临界滑动弱化位移参数空间内的破裂行为，得到了“相图”，获得了超剪切转化条件的认识，并研究了2013年芦山地震的破裂过程；4. 深入研究了第二和第三类Lamb问题Green函数，得到了闭合形式的表达，将Lamb问题的研究往前推进一大步。本项目的研究成果为进一步揭示浅源破坏性大地震的动力学破裂过程，以及预测未来可能发生的破坏性地震提供了有效的工具。