非平面非均匀地震断层的自发动力学破裂过程与高频地震波辐射特征研究

How to adequately determine the source model for a scenario earthquake is vital task for seismic hazards prediction and mitigation, yet it is an unsolved important and open problem. In this proposed study, we will investigate the rupture dynamics of a non-planar and non-uniform fault, and its resultant strong ground motion, based on the earthquake dynamic theory. Through the rupture dynamic simulations, we will establish the relationship between geometrically non-uniform fault model with the equivalent kinematc and dynamic source model, and the relationship with high-frequency seismic waves radiation in strong ground motion.The final goal is to estalish a physically reasonable and practical method of determining the source model. The main research plane includes: 1) to investigate the rupture dynamic behavior of a non-planar and non uniform fault, and try to establish an equivalent dynamic source model; 2) to study the high-frequency seismic waves radiation characristics of a non-planar and non-uniform fault, and try to establish an equivalent kinematic source model; 3) to directly simulate the strong ground motion from the rupture dynamic simulation of a non-planar and non-uniform fault, to naturally include the high-frequency seismic waves radiation; 4) lastly, applying the above methods to several selected significant earthquake events,to check validity of these methods.

如何合理地确定"设定地震"的震源模型对地震灾害预测及评估至关重要，是强地面运动地震学中尚未解决的重要问题。本研究拟从震源动力学出发，通过对非平面非均匀断层的自发动态扩展及其导致的强地面运动的系统模拟研究，建立断层几何非均匀性与等效震源模型之间的对应关系，建立断层几何非均匀性与强地面运动中高频辐射特征的对应关系，从而使"震源模型"的确定具有可循的物理依据。主要研究内容包括：1）断层几何非均匀性对断层动态扩展的影响；尝试图建立"断层几何非均匀性"（真实物理模型）与"平面断层非均匀剪切强度"（震源动力学模型）的等效性；2）断层几何非均匀性对高频地震波辐射特征的尝试建立"断层几何非均匀性"（"真实"震源模型）与"平面断层?非均匀滑动分布"（震源运动学模型）的等效性；3）开展从"非平面、非均匀断层模型"到"强地面运动"的直接模拟，以期更自然地模拟高频辐射；4）开展震例研究检验方法的有效性。

我们利用曲线坐标网格下的有限差分方法（Zhang and Chen 2006; Zhang et al., 2012），发展了能够准确、高效地模拟计算非平面地震断层的自发破裂传播问题。为研究真实地震的复杂破裂过程提供了重要工具。利用该新方法，我们还研究了：.(1) 非平坦地形对地震破裂过程的影响，尤其是对超剪切破裂的影响。基于不同自由表面的动力学模拟，我们发现：起伏地表对地震滑动量有着类似于地震波传播的调制作用，在山峰地区破裂最终滑移量明显比平直地表以及峡谷地表情况的滑移量大，也就是说破裂在山峰地区由于相干叠加，滑移量因汇聚而加强；反之在峡谷地表由于散射作用滑移量变弱。此外，我们还发现：起伏地表的第二个作用就是能影响在地表产生的超剪切破裂。在对照模拟实验中，平直地表中超剪切破裂在地表产生并扩大传播，而在山峰模型中此处的超剪切破裂被削弱、延迟，而峡谷模型中超剪切破裂没有出现。.(2) 非联通阶梯断层的临界破裂传播跨跳距离。破裂的停止和触发问题一直是地震学关心的热点和难点。尤其是对于广泛存在的阶梯断层来说，这两个问题被更紧密的联系到一起。破裂传播到发震断层末端之后，是破裂停止在主断层，还是会触发子断层继续传播，不同的情况会大大影响破裂长度，继而影响地震震级，释放能量的大小，对生产生活的破坏问题等等。因此阶梯断层的最大跳跃距离，即破裂传播到阶梯断层发震断层边界之后，能够触发子断层破裂且继续传播的最大阶梯距离，就成了地震学家关心的热点问题。但受限于计算能力，之前的研究工作都在二维框架下展开。我们设计了三维半空间阶梯断层模型，利用曲线网格有限差分方法开展不同正应力，剪应力，内聚力，摩擦系数等情况下的模拟探讨，发现了最大14km的拉张型断层破裂跳跃，远超过以往认识的5km的理论上限距离，与实际地震所观测到的结果（如，2001昆仑山地震）吻合。.发表论文15篇，培养博士4人，硕士2人。