复杂构造环境下的超剪切破裂地震的动力学研究及其地面辐射特征研究

Many large earthquakes have been observed to be supershear earthquake on which the fault rupture speed is larger than the shear wave speed. The rupture speed and changes in rupture speed is one of the important parameters controlling earthquake damage. The changes in rupture speed generate high-frequency damaging wave. Besides, analogous to the 'sonic boom' from supersonic jets, the supershear rupture earthquake could generate Mach wave of the shear wave and Rayleigh wave since rupture speed is larger than shear wave speed. Such Mach wave are characteristics and their amplitudes decrease more slowly with distance than usual waves do, therefore are more damaging to the building. Thus the research about supershear and its strong ground motion and high-frequency radiation is essential for the knowledge of earthquake source physics and earthquake hazard assessment. By now, researches about supershear are mainly based on homogeneous model, and a more realistic and complex model is needed to explore. Based on the results in homogeneous model, this project will explore the dynamic rupture of supershear with heterogeneous media, heterogeneous stress distribution and complex topography and the problem of occurring and termination of supershear. And the consequent ground motion will be explored.

地震断层破裂的扩展速度大于剪切波速度的现象称为超剪切破裂，目前已有多个大地震被观测到超剪切现象。现有研究显示地震破裂速度的变化是地震波高频能量的来源之一。此外，研究发现由于超剪切地震的破裂传播速度高于剪切波速度，在超剪切破裂区域形成剪切波以及瑞利面波的马赫锥效应，使得地震波衰减慢，对建筑物、基础设施造成巨大的破坏。因此研究超剪切破裂及其强地面运动特征与高频辐射特征不仅能对震源物理过程提供一个新的认识，同时对防震减灾工作也有着重要的实际意义，已经成为地震学研究中的关键问题之一。目前关于超剪切破裂研究主要是基于简单的均匀模型，我们需要开展更加细致的模型下的研究。本项目计划在均匀模型的超剪切破裂研究基础上，开展在非均匀介质、非均匀应力分布以及复杂地形条件下的超剪切破裂的动力学表现，探讨超剪切破裂的起始以及终止问题，并在此基础上研究超剪切破裂的强地面运动特征。

超剪切地震的破裂传播速度高于剪切波速度。在超剪切破裂区域形成剪切波以及瑞雷波的马赫锥效应，使得地震波衰减慢，对建筑物等基础设施造成巨大破坏。基于基金委的资助本项目主要开展了以下的关于超剪切地震的研究工作：.[1] 非均匀介质、应力条件下的超剪切破裂传播问题。之前的研究表明走滑断层一旦破裂到地表就会极易发展成超剪切破裂。然而实际地震观测中发现超剪切的地震却并不是特别多。我们推断原因可能是实际地震所处的构造环境可能是十分复杂的，并不是一个均匀的模型。因此我们研究了非均匀的速度结构以及非均匀的应力条件下的走滑断层的破裂情况。我们发现当速度结构存在沉积层和非均匀应力时，超剪切破裂得到极大的遏制。相对低速的沉积层越厚越不容易发生超剪切；而相对高速的沉积层越薄越不容易发生超剪切。研究成果有助于我们对震源过程的认识和对判断特定地区是否能发生超剪切破裂提供有效依据。.[2] 超剪切破裂的强地面运动及辐射特征研究。我们研究对比了较高应力下产生的超剪切破裂（BAM）以及自由地表引起的超剪切破裂（FSI）的地表震动特征。我们发现超剪切破裂前锋的形态和不同的超剪切破裂速度使得两种不同机制超剪切破裂的地表震动有着不同表现。近乎垂直的超剪切破裂前锋和越高的超剪切破裂速度能够激发更强的马赫波以及更强的高频地震波。对比观测数据，我们推断2002年的Denali地震的超剪切机制可能是自由地表激发的，并且破裂速度相对不是特别快。研究成果为超剪切破裂的机制提供了一个可能的判断手段。.