走滑地震地表超剪切缺失机制对不同深度应力的约束研究

There are lots of strike-slip earthquakes whose rupture fronts reach free surface, however, only a few of them have supershear ruptures reported, which don’t coincide with the numerical simulation results that free surface supershear rupture can be observed on strike-slip faults in a homogeneous half-space with homogeneous stress distribution and slip-weakening friction law. The absence of free surface supershear may be induce by the shallow layers of lower wave speeds, or velocity-strengthening, or fault zone effect. However, the details of depth-dependent stress effect in controlling the free surface supershear rupture haven’t been well studied. The program tries to construct the depth-dependent stress model based on rock experiments, perform dynamic rupture simulations using the slip-weakening friction law and rate- and state-dependent friction law, respectively, and analyze the relationship between free surface supershear and depth-dependent stress to provide constraints on stress distribution on strike-slip fault planes. The differences between strong ground motions without free surface supershear caused by shallow layers of lower wave speeds or depth-dependent stresses are also studied. And we apply the study to the dynamic rupture simulation process of 2010 Yushu earthquake to have a better understand of its supershear transition mechanism. The study can broaden our insight of free surface supershear and provide a method to analyze the stress distribution on strike-slip faults.

天然走滑地震中破裂传播到地表的很多，其中有超剪切出现的仅是少数。这与均匀半空间均匀应力下，走滑破裂在滑动弱化摩擦准则下传播到地表会形成地表超剪切的数值模拟结果不符。目前关于地表超剪切缺失机制的认识局限于地表沉积层效应，速率强化准则和断层破碎带，而对于更贴近实际的随深度变化应力的影响则没有展开研究。本项目拟基于岩石实验结果建立地应力随深度变化的一般模型，分别结合滑动弱化摩擦准则和速率状态摩擦准则，分析统计地表超剪切缺失机制和随深度变化应力的规律，为难以直接观测的断层应力提供一种约束。考虑随深度变化应力和地表沉积层两种地表超剪切缺失机制对近断层强地面运动影响，分析给出2010年玉树地震的超剪切成因机制，丰富地表超剪切缺失机制理论基础，为分析走滑地震断层应力提供借鉴。

本项目围绕自由地表超剪切破裂影响因素立项，围绕几个核心科学问题：超剪切破裂应该如何判断；之前研究表明破裂在走滑断层上传播到地表会形成超剪切破裂，然而天然发震断层中存在大量的走滑断层，为何仅观测到有限的超剪切地震；实际断层中随深度变化的应力对自由地表超剪切破裂有何影响；针对这些问题，我们通过有限差分数值模拟方法，在三维走滑断层上展开地震动力学破裂模拟，发现不同破裂速率的定义对同一个破裂会给出不同的结果，其中二维破裂速率能真实的反映破裂速率，而一维破裂速率受限于破裂传播方向，往往对应于视速率，考虑到一维破裂速率在实际地震资料分析中广泛应用，这对我们判断超剪切破裂来说有了更高的要求；我们发现并提出走滑断层上不可持续超剪切破裂的存在，即破裂在地表形成超剪切子破裂后，其迅速转为亚剪切破裂传播，由于其按照超剪切速率传播时间较短，其对应的近断层辐射场表现为亚剪切破裂特征，这成功解释了广泛存在的走滑断层仅产生了有限的超剪切地震；考虑贴近真实的随深度变化应力情况，我们发现自由地表诱发超剪切破裂对震级有依赖，7级以下的地震即使破裂传播的地表，也难以形成可观测的自由地表超剪切地震。我们还提出了一种新的历史地震的初始应力的动力学反演方法，并应用在2017年九寨沟地震上；在项目的支持下，共发表SCI期刊论文7篇，参加国内外学术会议并给出报告6次。