粗糙以及含起伏自由表面断层的地震动力学特征研究

Modeling with numerical methods is an important tool to investigate the rupture dynamics. So many insights about rupture dynamics have come from the numerical simulations. However, the reality of earthquake happening is quite complex, more than a simple planar fault can be represented. It is revealed from observations that fault of earthquake has complexity of some roughness surface more than non-planar fault such as changing of strike and dip angles, stepovers or branching. Moreover, it is has been proved by numerical modeling that the free surface plays import role in spontaneous rupture of earthquake. To investigate the roles of complex structure of fault on earthquake rupture and induced seismic wave radiation, this proposal will investigate the fault with roughness fault plane and irregular free surface. It would provide theory basement of earthquake hazard mechanism analyzing and previewing, and study the originality of high-frequency radiation of seismic wave.

利用数值方法模拟是研究地震动力学的一个重要工具，许多关于地震动力学的新认识都来自于数值计算。然而实际地震所发生的环境非常复杂，并不是简单的断层模型都能胜任实际地震例子。观测表明地震断层除了存在走向、倾角、转折、分叉等非平面结构以外，断层面还存在粗糙不平，另外根据现有模拟结果表明，自由表面的起伏对地震自发破裂起着重要作用。这些复杂成分将影响地震破裂的传播以及由此产生的地震波辐射。为了系统研究这些复杂断层对地震破裂以及辐射场的影响，本研究拟对粗糙断层以及断层触及不规则地表情况的动力学展开研究，为地震灾害机制分析与预测提供理论依据，以及探索地震的高频辐射来源。

破坏性的大地震对人类的生活环境和生命财产造成巨大损失，其发生的断层一般具有复杂几何结构。开展粗糙、不规则地表等复杂几何情况下的地震动力学破裂模拟研究有助于揭示破坏性地震的地震灾害机制。基于基金委资助，本项目主要开展了以下研究：.（1）不规则地表、粗糙断层面对地震动力学破裂影响。地表是地震动力学破裂的一个奇异界面，大量研究表明自由界面对地震破裂形态有非常重要的影响，例如超剪切破裂的产生与消亡等。初步的地震动力学研究大多考虑简单平直地表，真实地表并非简单平面，而是存在不规则起伏。我们利用曲线有限差分方法模拟不同起伏地表情况下断层自发破裂过程，研究其对地震破裂的影响。研究表明不规则地表对地表激发的超剪切破裂有重要调制作用，并造成不同的近断层地震动分布，这对近场地震灾害研究与预防提供参考。我们对地壳地震中常见的其他复杂几何断层面上的地震动力学特征进行了研究，包括粗糙断层、跳跃断层等。这些考虑真实复杂结构的震源物理研究有助于揭示地震物理规律，同时也为地震自然灾害防治提供新思路。.（2）复杂地震动力学及设定地震研究。对于可能发生地震的断层带，模拟其上的设定地震破裂、强地面运动传播可以定量预测未来可能地震所带来的灾害强度与分布，为城市抗震设计、大型工程选址与建设等提供地震科学参考。我们开展关于太原城市群周边设定地震的灾害预测研究，该计算区域包括了众多山脉以及中间的太原盆地。该研究探讨了不同起始成核区所导致的不同破裂形态以及强地面运动分布特征以及对市区造成最大灾害的地震情况。此外还初步讨论了汶川地震的动力学破裂过程，发现汶川地震的断层几何对断层滑动分布花样起着重要的控制作用，汶川地震的复杂几何结构造成了观测到的复杂的滑移过程，为进一步认识汶川地震的破坏机理奠定理论依据，同时也可以得出，动力学模拟中地震的非平面效应必须考虑。