断层破碎带对断层破裂演化及震源频谱特征的影响

Earthquake rupture always occurred on the faults. The dislocation on the same fault caused by repeatedly rupture broken the rock near the fault and generated a fault zone. There are many geological observation and trapped wave results which prove the existence of fault zone. Meanwhile, fault zone will influence the earthquake rupture and seismic wave field. There are some theoretical researches and kinematical forward modeling on the influence of the fault zone, but, the dynamic mechanism of the generation of fault zone during rupture and how the fault zone influences the rupture and the seismic wave is not very clear. Therefore, this project will try to introduce a proper elasto-plastic yield criterion, and use an adaptive grid finite difference method to do some forward simulation. Those simulations focus on how the geometry and depth of fault zone influence the procedure of earthquake rupture and the spectrum of seismogram. The results are very important for understanding the effect of fault zone on seismic hazard and provide reference for protection against and mitigation of earthquake disasters.

地震破裂一般都发生在断层上。破裂反复在断层上发生会导致断层面周围的岩石发生破裂从而形成断层破碎带。大量的地质观测和围陷波探测都已证明了断层破碎带的存在。而且断层破碎带的存在会对地震破裂以及地震波场产生很大影响。虽然已对断层破碎带的影响从运动学正演模拟的角度做了大量的理论研究和数值模拟。但对地震破裂产生断层破碎带的动力学机制以及断层破碎带的存在如何影响地震破裂及其激发的地震波仍不是十分清楚。因此本项目拟从弹塑性动力学的角度，引入合适的弹塑性屈服准则，利用变网格尺度有限差分方法进行数值模拟，对断层破碎带的几何形状及埋藏情况对断层破裂过程及其激发的地震波频谱的影响进行研究。从而了解断层破碎带的存在对地震灾害的影响，为防震减灾提供重要依据。

大量的观测结果已证明断层破碎带的存在。研究断层破碎带如何影响地震破裂的演化和传播，以及生成的地震震源频谱特征，对进一步认识和理解地震破裂这一复杂物理过程有重要意义，对预测特定区域未来地震震级大小和破裂尺度有一定帮助，同时可以加深未来地震对近场区域的地面破坏情况的认识，为地震危险性区划和工程抗震设防提供一定依据。通过本项目的研究，我们发现断层破碎带中的破裂过程介于均匀高速介质（围岩）和均匀低速介质（断层破碎带）中的破裂过程之间。此外，在有断层破碎带存在的情况下，断层的埋藏情况对破裂过程影响不大。同时进一步验证了fmax和断层破碎带宽度成反比这一关系。这为利用fmax估算断层破碎带宽度提供了理论依据。在本项目的资助下，我们还对动力学参数和地震记录频谱特征的关系进行了研究。失稳破裂模型和自停止破裂模型中的动力学参数和拐角频率，以及拐角频率和标量地震矩的关系完全相反。而实际观测得到的拐角频率和标量地震矩的关系和自停止破裂时一致，这就意味着对中小地震而言其破裂机制更接近自停止破裂而不是失稳破裂。另外，在模拟中我们发现，拐角频率和标量地震矩的关系曲线受动力学参数控制。那么这可能是一种可行的从实际观测直接反演同一地区中小地震的动力学参数的方法。