基于物理过程的地震断层演化/地震触发机制数值模拟

In general, seismic cycle is described by inter-seismic, pre-seismic, co-seismic, and post-seismic stages. Understanding seismic cycle is one of the most fundamental scientific problems in modern seismology. Therefore, earthquake faulting processes related to their deformation mechanisms could provides us the useful information and reliable data for seismic hazard mitigation. Based on the R-S friction law, we intend to develop physics based numerical simulation algorithm to model earthquake nucleation, seismic cycle and aseismic slip, fault interaction and aftershock triggering. The developed numerical model will be applied to investigate the regional seismicity variations caused by the largest (M>=7.0) historical and modern earthquakes in Wenchuan area and surroundings. Our objectives are to determine whether static Coulomb stress transfer contributed to the occurrence of the larger earthquakes since historical time and to identify fault segments that may have been moved significantly closer to failure in future large earthquakes due to the 2008 Wenchuan event and the 2013 Lushan event. The most important scientific issues we will address in this project are: (1) Fault frictional motion versus earthquake nucleation; (2) The mechanism of aseismic slip versus seismic cycle; (3)The effects of static and dynamic stress perturbations to the fault evolution; (4) The triggering mechanisms related to the time dependent fault evolution. We believe such study mentioned above will provide us useful scientific constraints used in the development of physics based earthquake forecasting model and advance our understanding of earthquake faulting mechanism.

断层的时空演化是当代地震学的前沿问题之一，该过程主要包括了断层闭锁、自加速、同震滑移和震后松弛/震后滑移四个主要阶段。对上述问题的深入认识有助于物理地震预测模型的建立。基于R-S 摩擦本构关系，本研究尝试采用数值模拟方法，模拟1D和2D断层的地震成因、地震活动性以及触发地震和非地震滑移的产生，探讨断层相互作用下地震发生过程。研究成果可应用于包括汶川，芦山地震序列在内的我国西南区域地震活动性的定量化评估。研究计划中四个亟待解决的共性问题可概括为：1）摩擦过程如何影响地震成核；2）非地震滑移产生机制及对地震复发周期的影响；3）动/静态应力扰动对断层演化过程的影响；4）地震触发机制的不同成因模式。以上研究可为物理地震预测模型的建立提供理论指导，在地震成因机制方面取得进展。

我们模拟计算了在不同静态剪切应力扰动下，失稳时间的提前和推后量的变化情况，然后将计算得到的时间提前和推后量分别与Dieterich模型和Coulomb模型的相应计算结果进行了定量化对比和差异性分析，并给出了相应的解释。数值模拟结果显示，对于Dieterich- Ruina定律在参数不变的条件下，断层模型失稳时间的提前和推后量的大小强烈依赖于静态剪应力扰动的大小和作用时间，而且绝对值相同的正、负向静态剪应力扰动造成的失稳时间的提前和推后量的变化情况并不完全一致。同时模拟结果也表明，Dieterich模型可以很好地描述一维断层受扰后失稳时间提前和推后量的变化情况，并且体现出正、负静态剪切应力扰动后失稳时间提前量和推后量变化的差异性，而Coulomb模型则不能完整地给出受到静态剪应力扰动后断层失稳时间提前或推后的估计值。. 前震是地震前兆观测中的一个重要物理量，前震的研究对地震预测的发展尤为重要，前震序列的典型特征包括加速发生的小震与古登堡-里克特定律（Gutenberg-Richter Law）中的b值变小。本研究在Dieterich提出的地震发生率模型的基础上，探讨前震发生的力学成因机制及前震-主震-余震时域演化特征。模型分析结果表明，前震震源区断层及其断层周边剪应力加载速率的变化可以是前震发生及地震发生率变化的一个可能的关键原因。由于前震震源区次级断层之间剪应力加载速率受来自主震成核过程中断层自加速滑移的影响升高，从而可导致这些次级断裂的加速失稳，即加速的前震的发生。当震源区内由前震所产生的静态应力扰动不可忽略时，应力扰动和主震成核的共同作用也可对后续前震发生率产生影响。当正向应力扰动出现时，后续的前震序列的地震发生率会出现陡增，随后其地震发生率逐渐下降。而当负向应力扰动出现时，地震发生率会出现陡降，然后再次逐渐上升。基于Kostrov模型，本研究进而获得剪应力加载速率与古登堡-里克特定律中b值的相关性，结果表明前震序列中b值的减小与前震区内的剪应力加载速率的上升有关。