华北地区板内大地震时空迁移的数值模拟

The 2008 Great Wenchaun Earthquake came as a surprise, so were the 1966 Xingtai, 1975 Haicheng, and 1976 Tangshan earthquakes, all of them occurred where no unusual seismic activities or fault slip rates were known before the large earthquakes. Indeed the Chinese catalog of historic earthquakes in North China shows complex spatiotemporal migration that cannot be well explained by the current models of earthquakes based on plate boundary faults; instead they indicate long-distance fault interaction within a complex dynamic system. We propose to investigate the mechanics of intraplate fault interaction and its implications for earthquake hazards using the three-dimensional viscoelasto-plastic finite element models we have developed in recent years. These models represent a major improvement over the commonly used elastic or viscoelastic models by introducing plastic yielding on both fault planes and unfaulted crust, allowing better simulations of fault ruptures and strain localization. We will first use a generic model to fully explore the mechanics and controlling parameters of fault interaction, we will then design a more realistic model of the North China block, including all major fault zones, to explore how rupture of some faults affect others. Given the complexity of the fault systems and incomplete earthquake record, we will explore the uncertainties of assessing earthquake hazards in North China, hence to provide much needed information for improving mitigation policies.

最近的研究表明，华北及世界其他地区的陆内地震，有着复杂的时空迁移。陆内地震的这种共性，是陆内广泛分布的断裂带之间相互作用的结果，难以用建立在板间地震上的地震模型来解释。了解陆内地震，必须把陆内众多的断裂带作为一个复杂动力系统 (complex system) 来整体研究。本项目将采用我们近年来开发的三维粘弹塑性有限元模型来研究华北地区板内断层之间的相互作用、板内大地震的时空迁移的机制、及其对地震灾害的影响。首先，将采用最新的华北地区岩石圈参数，建立起华北地区应力应变的三维地球动力学模型。在此基础上，将模拟主要断裂带之间在不同时间尺度的相互作用，着重于由大地震所引起的应力迁移，并和华北地区的大地震序列做对比。同时将模拟陆内大地震的长余震序列，以更好地区分陆内的前兆小震和余震。本项目将有力推动板内地震的研究，并为华北地区地震危险性评估及减灾防灾，提供科学依据。

本项目旨在研究华北及其他大陆内部大地震的时空分布和物理机制。这些地震不符合目前的地震模型 - 它们在长时间间隔内没有在同样的断层上重复发生，而且似乎在广泛的区域和远隔的断层带之间漫游。主要研究工作包括以下几个方面：1）分析了华北地区和世界其他大陆内部大地震的时空分布特征，结果表明陆内地震据有空间偏移和时间丛集的共同特征; 2）提出了复杂动力系统中受断层相互作用控制的陆内地震概念模型，并对这类断层系统中的应力传递和演化进行了数值模拟; 3）重审了这些结果对地震灾害评估的影响; 4）研究了近期中国及邻区大地震的断层力学，包括2011年的日本东北，2013年的庐山，2016年的尼泊尔大地震; 5）研究了中国主要地震带周围的岩石圈结构。研究成果包括在国际一流的研究刊物上发表12篇研究论文，其中包括两篇关于华北地震和世界陆内地震的特邀综述文章。