2010年青海玉树地震（Ms=7.1）产生超剪切破裂的动力学机制研究

Based on previous studies, the 2010 Yushu earthquake occurred supershear rupture, giving rise to grave seismic hazards. Although earth scientists have been paying attention to the physical mechanism of the supershear rupture, but so far, no satisfactory explanation is given. To this end, we perform simulation of dynamic fault spontaneous rupture in the Yushu earthquake by means of finite element modelling, in which the initial stress is obtained through inversion by Genetic Algorithms based on geophysical, geodesy observations, and something like that. The fault geometry and material properties in the model are chosen according to results by previous workers. At the same time, frictional constitution relations are different in different sections of the faults and in different depth, respectively. In the study, we will focus on the locations of supershear rupture occurrence, rupture propagation speeds and their variations, and strong ground motion. Based on trial and error method, we will finally acquire the most optimum dynamic model of the fault ruptures for the Yushu event by fitting the kinematic rupture model by means of adjusting the model parameters such as frictional coefficients. Moreover, we will conduct sensitivity tests to some model parameters and quantitatively analyze effects of frictional constitution relation, fault geometry, stress field, physical properties of medium, and the free surface on supershear rupture propagation, and try to explore the dynamic mechanism for supershear rupture generation of the 2010 Yushu earthquake.

根据前人的研究，2010年玉树地震产生了超剪切破裂，导致地震灾害十分严重。尽管地震学界对此非常关注，但其发生超剪切破裂的物理机制至今不太清楚。为此，本项目利用有限单元方法对玉树地震的断层自发破裂动力过程进行模拟。为使模型更符合地质实际，研究中先根据地球物理、大地测量等观测数据为约束反演研究区的构造应力场，并将此视为产生破裂的初始应力场。模型中断层几何、介质物性等参数根据前人研究结果来选定；断层面上的摩擦本构关系在不同的断层段、不同深度部位是变化的。研究中将特别考察断层发生超剪切破裂的部位、破裂传播速度及其变化、强地面运动加速度等。通过不断调节摩擦本构关系等模型参数、利用试错法来拟合断层破裂的运动学模型特征，直至最后获得最佳的断层破裂动力学模型。据此考察模型参量（如：摩擦关系、初始应力、断层几何、介质物性、自由表面等）对产生超剪切破裂过程的影响，探索玉树地震发生超剪切破裂过程的动力学机制。

玉树地震由于产生了超剪切破裂，所以震害特别严重，为研究超剪切破裂形成的机制，项目中基于对玉树地震发震断层几何、地表破裂、大地测量资料等进行的综合考察和分析之上，首先建立了内含发震断层的有限元数值模型；并由此模型计算了玉树地震的断层破裂动力学过程。计算结果显示，由于发震断层的特殊几何形状，地震破裂过程非常复杂，在破裂开始的初始阶段，断层破裂为亚剪切破裂，但当破裂前锋通过弯曲的断层段时，破裂速度逐渐增大，最后加速至超剪切破裂。计算结果还显示，由于超剪切破裂的产生，形成了马赫波，导致地震动幅度被显著放大，强地面运动加速度的幅值也大大提高，这样导致了玉树地震的震害比相同震级的其他地震要严重得多。同时，经过大量的模型检验还发现，若发震断层几何不是弯曲的而为平直，或其他铲状，则玉树地震就产生不了所观测到的破裂特征。此外，通过三维有限元模拟还发现，当近地表断层为摩擦强化的本构关系时，地球自由表面无法促使破裂由亚剪切转换为超剪切破裂，这改变了学术界多年的传统认识。所以，玉树地震产生的超剪切破裂不是由于自由地表造成的，而是由于其特殊的发震断层几何形成的。同时，还模拟了断层上存在障碍体、反凹凸体及断层阶区对破裂传播过程的影响，发现尽管这些因素在一定条件下可以将亚剪切破裂转化为超剪切破裂，但破裂传播过程中都要发生时间暂停现象，这样整个破裂传播的平均速度仍为亚剪切破裂。此外，研究中还发现若要产生一个能够持续的、可观测的超剪切破裂地震，需要的条件非常苛刻，项目首次定量给出了对“为什么自然界中超剪切破裂的地震是如此之少？”的科学问题之解答。此外，项目中进一步模拟了汶川大地震三维破裂动力学过程，给出了不同的断层破裂速度对地震灾害造成的影响；还模拟了鄂尔多斯地块及周边地区变形场分布特征及未来强震复发的潜势及危险性分布。可见，本项目对于深入认识超剪切破裂的形成、地震灾害评估等有重要的科学意义。