2011年日本东北大地震（M_W=9.0）震间与震前变形场特征及其对强震预测的启示

强震震前(preseismic)动力学过程的研究对于地震预测具有十分重要的意义,但由于观测资料的限制,目前对强震前孕震区力学状态及其演化过程的认识还非常有限.2011年日本东北9.0特大地震(Tohoku-Oki)发生在GPS观测台站最为密集的地区,为研究特大地震震间(interseismic)与震前的变形状态提供了难得的机会.文中将利用日本东北大地震之前连续的GPS观测资料,分别计算震间与震前的速度场与变形场.通过对比分析发现,日本东北地区(Tohoku)震前的应变状态与震间的有很大的不同,震间的变形主要受到太平洋板块向日本海沟北西西向的俯冲挤压作用所控制,其主压应变以近东西向压缩为主,日本东北地区的运动方向与太平洋板块的运动方向大体一致.但是,临近地震前(震前)日本东北地区的运动方向发生了很大变化,震前30天的连续GPS观测结果显示,速度场的优势方向经常变换,间歇性地出现与太平洋板块运动方向相反的情况.这意味着震前孕震区的力学状态发生了很大的改变.这种变化可能与震前破裂成核或慢滑移及慢地震等过程有关,这些过程将加速或促进大地震的发生,从而为大地震的发生准备了力学条件.值得特别强调的是,这些现象都是可以通过直接观测能够发现的大地震之前的异常现象.由此可见,加密GPS站点进行连续观测,寻找震前变形异常区以及探索异常的物理机制对于地震预测预报有重要的科学意义.     

用GPS位移资料计算应变方法的讨论

目前使用相同或类似的GPS资料求应变,不同研究者给出的结果会有显著差别。为此,对用GPS位移(或速度)资料计算应变(或应变速率)的方法进行了研讨。分析后认为,应变计算可以归结成两大类第一类是利用测点附近资料直接求微分或微分的加权平均值的直接计算法;第二类是用解析曲线拟合观测的位移,然后根据该曲线提供的总的趋势求测点的微分值的位移拟合法,这类方法在拟合中又可以分成整体拟合和分片拟合两种。应变计算应该在球面坐标系下进行,根据研究对象和要求,选择适当的方法。     

利用GPS观测的时间序列资料反演地壳地幔黏性结构

地球介质的黏度是地球动力学研究中的重要参数. 在考虑震后震源区介质物性变化的情况下，本文提出利用GPS观测的时间序列资料反演地壳、地幔黏度的方法. 计算中，将遗传算法与Marquardt法相结合，利用遗传算法搜索结果作为Marquardt法反演的初始模型，运用微扰法形成Jacobian矩阵. 根据余震分布及地震波速度变化确定震源区的范围及介质的物性变化情况，利用黏弹性有限单元模型（Maxwell体）及台湾集集地震后GPS观测的时间序列数据，反演了台湾地区地壳、地幔的黏性系数. 反演计算及数值实验表明，该方法反演黏度的效率高，稳定性好. 反演结果初步显示台湾地区的地壳、地幔的黏度分别为12×1018Pa·s和36×1019 Pa·s.     

基于Monte Carlo方法的由GPS观测计算地应变率的误差分析

在利用GPS观测计算地应变率中，应变率的误差分布在地球动力学研究中非常重要. 为解决这一问题，文中提出基于Monte Carlo技术，利用GPS观测的速度计算地应变率进行误差分析的方法；以青藏高原地区为例，利用带有误差的GPS观测数据进行了大量、独立的应变率重复计算，然后运用统计方法给出了应变率分量及其误差的分布. 结果显示青藏高原的喜马拉雅及中东部地区地应变率的东西向、南北向及剪应变率分量的误差相对较大，但整个青藏高原及附近地区应变率结果稳定可靠；研究结果进一步表明，由GPS观测计算应变率的误差主要决定于GPS观测速度的误差， 在变形小的区域（如中国东部地区），目前GPS的观测精度还不能完全满足地应变率计算的要求.     

应力释放模型的改进及其在研究台湾地区地震预测问题中的应用.

应力释放模型过去主要用于研究大范围历史大地震活动规律．本文对应力释放模型进行了改进，对其能否运用于区域更小、时段更短、震级更低的情况进行了探讨；以台湾地区近百年6级以上地震为例的研究结果表明，应力释放模型仍然适用．在回溯性的地震预测检验中，用改进的应力释放模型计算出台湾地区地震发生的条件概率强度，并用其预测6级以上地震的发震时刻．结果表明，其预测精度优于泊松模型．      

强震孕育、发生及其复发循环过程的有限单元法模拟

强震孕育发生及其复发过程的定量研究对于预测预报地震有着重要的科学意义;合理连续地计算地震孕育、同震破裂过程及其复发循环特征将有助于我们更好地认识强震发生的时空分布规律.为此,本文基于Newmark隐式时间积分法,根据模拟孕震-同震循环过程的特殊要求,发展了一种新的有限单元计算方法.新方法具有以下特点:(1)在不改变时间积分方法的情况下,实现对时间步长进行自动平滑地缩放,进而可以连续的模拟准静态、动态不同力学状态下的孕震-同震循环过程;(2)模型的初始应力场非人为指定,计算时通过施加重力及缓慢的构造加载获得;(3)地震破裂的成核区域及成核方式等亦非人为给定,模拟中破裂成核是自然形成的,这样更加符合实际地震地质情况.通过大量的模型计算,其结果表明,新的计算方法可以连续稳定的模拟断层孕震-同震及其循环过程,计算结果不仅可以给出强震的复发间隔,同时还可以给出地震时断层破裂行为的详细过程.此外,本文还考察了摩擦系数对地震准周期性的影响,发现断层上的静、动摩擦系数差值直接影响着断层的强震复发周期,两者差值越小,复发周期越短;差值越大,复发间隔越长.     

水库诱发地震讨论及其动力学机制分析

本文介绍了几个典型水库地震事件,总结了目前对水库诱发地震的分析方法及其依据,重点从地震发生的时间、空间、强度、活动特征、震源深度5个方面介绍了水库诱发地震的特征,最后简要分析了水库诱发地震的动力学机制,认为通过人为调整库水载荷大小等因素来研究水库地震活动性,对于研究地震触发及地震预报等有重要的社会价值和科学意义。     

台湾碰撞带现今地壳变形场特征及其动力学成因的有限单元法模拟研究

台湾是菲律宾海板块与欧亚板块会聚、碰撞的产物,区内地质构造复杂,地震频发,变形强烈.为定量研究台湾地区变形特征及其动力学成因,文中运用二维不连续变形体弹性力学的有限单元计算方法,利用台湾地区1995—2005年GPS的观测结果作为边界约束,对台湾地区地壳变形场进行了模拟.计算结果显示,台湾中部地区主要呈压缩状态,但在台湾的东北部及南部地区出现了拉张的变形环境.变形程度最大的区域位于台湾东部海岸山脉及其附近海域,同时,计算给出台湾纵谷断裂滑移速率约为13.8~23.5mm/yr,由于纵谷断裂对变形的吸收,因此变形在纵谷断裂以西及西北地区迅速衰减.此外,计算结果还发现,计算给出的台湾岛上的速度值与GPS观测结果吻合得较好;计算给出的主应力方位与地应力观测及震源机制解结果也颇为一致.由此说明文中的有限元模型是合理的.此外,计算结果还表明,菲律宾海板块向北西方向的推挤,板块边界形状,观音、北康高地的抵阻,冲绳海槽扩张及琉球海沟的向南后撤以及断裂作用等,共同造成了台湾地区现今变形场的主要格局.     

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对破裂过程进行动态数值模拟.模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型（pulse-like）破裂模式,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型（crack-like）破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

断层阶区对震源破裂传播过程的控制作用研究

地震破裂能否穿越断层阶区（stepover）引发更大震级的地震是震源动力学研究的重要内容.本文利用不连续变形体接触力学的动态有限单元方法,模拟断层阶区对地震破裂传播的控制作用.通过改变断层周边初始应力场、断层面上的摩擦本构关系以及断层阶区的间距大小来分析各个因素对破裂传播的影响,并定量分析产生这些影响的力学机制.模拟结果表明：断层面上的摩擦系数减小或断层周边区域内的初始剪应力增大,都将增加断层破裂跳跃阶区传播的可能性;此外,若断层阶区间距越小,断层破裂也越容易跳跃阶区传播.计算结果还显示：断层上的摩擦系数大、初始剪应力小、断层阶区间隔大,那么此阶区所在之处将可能是断层破裂的终止位置;相反,当断层面上的摩擦系数较小、初始剪应力较大、断层阶区间隔较小,破裂就容易穿越阶区而出现较大的地震.同时,从模拟结果可以看出,在发震断层破裂停止后,应力将继续向四周传播;当应力积累达到破裂极限时,触发断层阶区中的另一断层产生破裂,因此在破裂跳跃断层阶区的过程中存在一个时间延迟.最后,破裂能否跳跃断层阶区,可以利用库仑应力在空间的分布进行合理的解释.