由构造应力场研究汶川地震断层的分段性

采用构造应力场均匀性对断层或板块边界进行分段的方法, 利用ldquo;裁剪-粘贴rdquo;法给出的余震震源机制解资料, 进一步从应力场角度确定汶川地震发震断层南、 北段分界点位置及南、北段震后应力场. 研究结果表明, 发震断层南、北段分界点位于北川附近, 与先前的研究结果较为一致. 南、 北段震后应力场反演结果显示, 南、北段的最大主应力轴方位均呈北东东向, 且近水平. 南、北段应力场反演的平均拟合残差和置信区间均较大, 主要原因可能是因为南、北段内应力场不均匀性造成的. 因为本文仅由大余震给出了震源断层的一级分段, 南、北段内应做进一步的细分.      

应力时空演化揭示出的汶川地震前亚失稳过程

近年来从岩石实验研究针对应力水平进入峰值强度后至断层快速失稳前的短临阶段变形物理场的时空演化过程提出了亚失稳阶段的概念,该阶段的基本特征为应力由峰值前的积累为主转为峰值后稳定释放并加速至最终快速失稳,这一过程伴随着其他变形物理场的相应转变.把握该阶段应力场的转变特征对认识未来地震危险区及其变形阶段至关重要.以2008年汶川地震为例,运用基于区域多个地震震源机制反演定量应力张量的方法对强震前是否存在可观测的亚失稳应力状态进行了研究.获得的震源附近紫坪铺水库区域临震前应力状态时空演化过程显示,水库测震台网开始运行的2004年8月至2007年6月期间该区域归一化有效平均应力水平相对较低且均匀分布,随时间无明显变化;而2007年6月后至汶川主震发生前应力水平局部显著增强.基于不同时段的定量应力进一步获得了随时间演化的增量场,显示2007年6月后除了汶川附近和彭县附近为应力增强区,其他大部分区域表现为幅值相对较低的应力释放,表明研究区在2007年6月后应力水平明显弱化;而在2007年6月之前的应力增量场却显示区域应力随时间以积累为主.根据应力演化特征及分时段的应力增量场可推断孕震区在2007年中期达到强度极限,峰值前区域应力随时间平稳变化并以积累为主,而峰值后则转变为明显的应力释放.该现象显示汶川地震前区域应力存在由积累为主转为释放为主的可观测阶段,符合实验研究中断层由稳态进入亚失稳状态的应力演化特征.结合其他研究结果,推测汶川地震前震源断层及附近区域存在联动加速变形过程,与震前亚失稳应力状态相关.

     

汶川地震前失稳过程的重力场观测证据

文中应用1996—2007年龙门山断裂带上的重力观测资料,分析了汶川地震前亚失稳阶段的重力场变化特征,根据震前失稳过程的重力场观测证据探讨应用重力场识别断层进入亚失稳阶段的证据和方法。研究结果表明:1)汶川地震前沿龙门山断裂带的时变重力场在1996—2001期间呈正常态变化,2001—2004期间出现区域性区重力异常,2004—2007期间出现较明显的反向变化,震前一年变化较弱,呈现闭锁状态。这种变化过程较好地对应了岩石变形实验中由稳态加载阶段到失稳阶段中的线性稳态、偏离线性稳态、亚失稳状态的过程。2)龙门山断裂东侧接近四川盆地上的测点时序变化平缓无序,西侧后山断裂带上的测点在2002年开始出现一致性较好的"同升同降"变化特征。汶川地震发生在后山断裂带上,震后余震的分布和该断裂带的走向一致,说明该断裂带是断层的主要失稳位置,该断层的失稳导致该区域测点的重力场变化一致,符合实验研究中断层由稳态进入亚失稳状态的物理场协同化演化的判定依据。3)重力剖面点的时空变化显示,2008年汶川8.0级地震前在龙门山断裂西侧可观测到一次断层活动协同化过程。     

2008年汶川Ms8．0地震发生过程的动力学机制研究

2008年5月12日汶川地震突发在现今并不活动的龙门山断裂带上,该地震发生的动力学机制问题引起广泛关注.文中利用黏弹性接触问题的有限元方法,考虑重力作用,对青藏高原东缘的应力场空间分布及其随时间的演化进行了数值模拟,结果显示应力在空间由分散分布逐渐向龙门山及周边地区转移集中.基于前人的研究成果及计算分析,初步认为汶川地震孕育发生的动力学过程如下:青藏高原的物质东流在向东运动过程中由于受到稳定的四川盆地的阻挡,一部分东流物质在川西地区囤积,造成龙门山隆升;高角度(50°～70°)、犁状的龙门山断层面上的正应力随着川西高原向东运动而不断增大,导致该断层的闭锁性逐步加强,并且分布在断层附近的变质杂岩为存贮高密度弹性应变能提供物质保障.但另一方面随着青藏高原较柔软的下地壳物质的不断向东运动,囤积的东流物质对龙门山断裂带上盘的推挤作用会不断加强,从而导致断裂带上剪应力越来越大;当剪应力超过摩擦强度时,断层解锁产生滑动,发生地震.模拟结果还表明龙门山断层面上的摩擦系数较高,断裂带上地震的平均复发周期约为3163年,这与其他资料结果有一致性.     

2008年汶川MS8.0地震发生过程的动力学机制研究

2008年5月12日汶川地震突发在现今并不活动的龙门山断裂带上,该地震发生的动力学机制问题引起广泛关注.文中利用黏弹性接触问题的有限元方法,考虑重力作用,对青藏高原东缘的应力场空间分布及其随时间的演化进行了数值模拟,结果显示应力在空间由分散分布逐渐向龙门山及周边地区转移集中.基于前人的研究成果及计算分析,初步认为汶川地震孕育发生的动力学过程如下：青藏高原的物质东流在向东运动过程中由于受到稳定的四川盆地的阻挡,一部分东流物质在川西地区囤积,造成龙门山隆升;高角度(50°~70°)、犁状的龙门山断层面上的正应力随着川西高原向东运动而不断增大,导致该断层的闭锁性逐步加强,并且分布在断层附近的变质杂岩为存贮高密度弹性应变能提供物质保障.但另一方面随着青藏高原较柔软的下地壳物质的不断向东运动,囤积的东流物质对龙门山断裂带上盘的推挤作用会不断加强,从而导致断裂带上剪应力越来越大;当剪应力超过摩擦强度时,断层解锁产生滑动,发生地震.模拟结果还表明龙门山断层面上的摩擦系数较高,断裂带上地震的平均复发周期约为3163年,这与其他资料结果有一致性.     

黏性土坡地震失稳机制及其在黄土斜坡地震稳定性分析中的应用

基于地震作用下黏性土坡失稳滑动特点,以土体应力状态及其变化分析边坡失稳过程。通过分析地震作用下边坡不同部位土体应力状态和剪应力变化,结合实际地震边坡失稳破坏特征,提出黏性土坡地震三段式滑动失稳机制。在分析该滑动失稳机制与有限元强度折减法之间应力关联的基础上,将两者结合应用于实际黄土地震滑坡动力稳定性分析。依据此考虑得到的动力安全系数相比较其他方法,与极限平衡法得到的结果更为接近。     

汶川地震中宝珠寺重力坝地震响应的三维有限元模拟

汶川地震中宝珠寺水电站遭受的地震烈度为8°(相当于水平峰值加速度0.2 g),远超过大坝的设计地震水平(0.1 g),震后大坝未见明显震损.为解释大坝在地震中的抗震现象,构建了坝址区三维模型.考虑坝体横缝非线性以及三个方向地震作用的不同组合方式,对汶川地震中大坝的动力响应进行有限元模拟.在此基础上,针对震后提高的抗震设防标准,进一步选取典型坝段,采用二维弹塑性方法对大坝进行抗震复核并分析可能的破坏模式.模拟结果表明:横河向地震分量起主导作用而顺河向地震作用相对较弱是宝珠寺重力坝在汶川地震中免于发生损坏的主要原因.坝顶混凝土发生挤压破碎缘于永久横缝在地震中高频渐开渐合行为引起的剧烈碰撞.宝珠寺重力坝对设计地震0.27 g的强震可以保持整体的安全性,对校核地震0.32 g的强震整体安全性降低,水库正常运行及抵抗余震的能力将受到影响.     

汶川8.0级地震对鄂尔多斯块体西南缘断裂体系影响的数值模拟

利用有限元方法及静态位移解理论,采用前人反演的汶川8.0级地震破裂过程时空参数,定量计算分析汶川地震对鄂尔多斯块体西南缘断裂体系的影响.数值计算表明,具逆冲右旋性质的汶川地震,在汶川-宝鸡-线以东产生顺时针的位移扰动场,以西产生逆时针的位移扰动场,这与该分界两侧附近的活断层整体走滑方向相一致.水平剪切应力场的局部极值区...     

汶川地震之破裂特性

2008年汶川地震发生在四川盆地西北边缘之龙门山断裂带中的北川-映秀断层,造成约250km地表破裂,断层面往西倾角约30°,以逆冲机制为主、伴有右移分量的错动,最大位移量约9m。龙门山构造机制为印度板块往北挤压欧亚大陆板块造成青藏高原向北及向东位移,但受阻于四川地块,而形成宽大的南北向挤压构造带,所以其构造为由西向东发展,该区域包含典型的逆冲断层与活跃的右移构造。     

Numerical investigation of the response of the Yele rockfill dam during the 2008 Wenchuan earthquake

In this paper the seismic response of a well-documented Chinese rockfill dam, Yele dam, is simulated and investigated employing the dynamic hydro-mechanically (HM) coupled finite element (FE) method. The objective of the study is to firstly validate the numerical model for static and dynamic analyses of rockfill dams against the unique monitoring data on the Yele dam recorded before and during the Wenchuan earthquake. The initial stress state of the dynamic analysis is reproduced by simulating the geological history of the dam foundation, the dam construction and the reservoir impounding. Subsequently, the predicted seismic response of the Yele dam is analysed, in terms of the deformed shape, crest settlements and acceleration distribution pattern, in order to understand its seismic behaviour, assess its seismic safety and provide indication for the application of any potential reinforcement measures. The results show that the predicted seismic deformation of the Yele dam is in agreement with field observations that suggested that the dam operated safely during the Wenchuan earthquake. Finally, parametric studies are conducted to explore the impact of two factors on the seismic response of rockfill dams, i.e. the permeability of materials comprising the dam body and the vertical ground motion.     

2008年汶川地震同震-震后应力演化及其对2017年九寨沟M_S 7.0地震的影响

2017年8月8日四川九寨沟发生了MS7.0地震,距离汶川地震震中约为140km.地震的发生会调整区域应力分布和影响区域地震活动性变化.那么,汶川地震的发生对此次九寨沟地震有何影响?区域应力如何演化?为回答这些问题,本研究基于高性能并行有限元方法和网格自适应加密技术,采用含地形起伏的黏弹非均匀椭球型地球模型,分别计算了汶川地震引起的同震-震后应力时空动态演化及其对此次九寨沟地震的影响.同时,考虑同震静态应力和震后黏弹性应力调整,计算了汶川、芦山和九寨沟地震的发生对周边断层应力积累的影响.计算结果显示汶川地震对九寨沟发震断层的同震库仑应力加载约为0.008 MPa,震后9年的黏弹性应力加载约为0.012~0.016 MPa,可能会使九寨沟地震提前发生.此外,汶川、芦山和九寨沟地震的发生引起龙门山断裂映秀以南段、东昆仑断裂、龙日坝断裂东段和岷江断裂北段及鲜水河断裂康定段应力加载大于0.01 MPa,增加了这些断裂带发生地震的危险性.     

2008年汶川大地震震源机制的时空变化

本文提出了一种基于恒定破裂速度和固定子事件震源时间函数的假定、利用远场地震波形资料获取大地震震源机制的时空变化图像的线性反演方法,并利用这种方法及全球范围内48个台站的长周期波形资料反演建立了2008年汶川MS8.0地震的震源机制随时间和空间变化的图像.根据这个图像可知,汶川大地震断层的西南端震源机制接近于逆冲,随着破裂向东北方向延伸,震源机制的走滑分量逐渐增大,走滑分量超过逆冲分量的转折点在震中东北大约190 km的位置.为了检验反演方法的有效性和反演结果的可靠性,我们特别设计了一个数值试验对反演结果进行了检验.检验结果表明,我们在本文中提出的反演方法是有效的,关于汶川大地震的反演结果也是可靠的（除长周期信号较弱的一段外).通过比较发现,反演结果与震后野外考察的结果也相当吻合.     

铲形逆冲断层地震破裂动力学模型及其在汶川地震研究中的启示

2008年发生了汶川地震的龙门山断层带是典型的铲形逆冲断层带.利用二维线弹性有限元模型,得到关于铲形逆冲断层带一些具普适性的认识:(1)如果断层带强度不随深度变化,则地震从断层带转换层附近开始发动,破裂沿断层向上传播,当地震蓄积能量足够大时,破裂可以冲破到地表,如汶川地震.(2)一旦到达地表,其最大同震位错将位于断层带出露地表处;且在断层带介质弱化或损伤大致相同条件下,铲形断层倾角越缓,地表的同震位错量越大.(3)与最大同震位错位于地表不同,同震应变能释放最大处位于地壳内十几公里深处的断层带转换层附近.(4)在断层带介质软化或损伤度大致相同条件下,铲形断层倾角越缓,地震对震间期积累应变能的释放越多、范围越广,对地表近断层区域造成的破坏可能越大.(5)冲破到地表的逆冲型大地震会进一步增加铲形断层带下盘转换层以下(约在15~22 km)地壳深处和断层上盘距离断层地表出露点约十几公里处地壳浅部的应变能积累密度;汶川地震之后的余震分布,除了沿主破裂面附近的继续破裂外,也体现了以上地区应变能的继续释放.本文得到的这些认识有助于深入理解汶川地震的动力学机制.     

Spatio-temporal rupture process of the 2008 great Wenchuan earthquake

Focal mechanism and dynamic rupture process of the Wenchaun M _s8.0 earthquake in Sichuan province on 12 May 2008 were obtained by inverting long period seismic data from the Global Seismic Network (GSN), and characteristics of the co-seismic displacement field near the fault were quantitatively analyzed based on the inverted results to investigate the mechanism causing disaster. A finite fault model with given focal mechanism and vertical components of the long period P-waves from 21 stations with evenly azimuthal coverage were adopted in the inversion. From the inverted results as well as aftershock distribution, the causative fault of the great Wenchuan earthquake was confirmed to be a fault of strike 225°/dip 39°/rake 120°, indicating that the earthquake was mainly a thrust event with right-lateral strike-slip component. The released scalar seismic moment was estimated to be about 9.4×10²⁰-2.0×10²¹ Nm, yielding moment magnitude of M _w7.9–8.1. The great Wenchuan earthquake occurred on a fault more than 300 km long, and had a complicated rupture process of about 90 s duration time. The slip distribution was highly inhomogeneous with the average slip of about 2.4 m. Four slip-patches broke the ground surface. Two of them were underneath the regions of Wenchuan-Yingxiu and Beichuan, respectively, with the first being around the hypocenter (rupture initiation point), where the largest slip was about 7.3 m, and the second being underneath Beichuan and extending to Pingwu, where the largest slip was about 5.6 m. The other two slip-patches had smaller sizes, one having the maximum slip of 1.8 m and lying underneath the north of Kangding, and the other having the maximum slip of 0.7 m and lying underneath the northeast of Qingchuan. Average and maximum stress drops over the whole fault plane were estimated to be 18 MPa and 53 MPa, respectively. In addition, the co-seismic displacement field near the fault was analyzed. The results indicate that the features of the co-seismic displacement field were coincident with those of the intensity distribution in the meizoseismal area, implying that the large-scale, large-amplitude and surface-broken thrust dislocation should be responsible for the serious disaster in the near fault area. Supported by the National Basic Research Program of China (Grant No. 2004CB418404-4) and the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 40574025 and 40874026)     

2008年汶川大地震对周围断层的影响

2008年5月12日的汶川地震明显地改变了区域地震的应力场．理解这种应力场的改变对周围断层构造加载进程和区域地震危险性的改变非常重要．本文以汶川地震的破裂为驱动源,计算了该地震造成周围断层上的静态库仑破裂应力变化．结果表明,汶川大地震的发生使得龙门山断裂北部和最南端、鲜水河断裂最南端、东昆仑断裂、陇县——宝鸡断裂、鄂拉山断裂、白玉断裂、日月山断裂南端、马边——盐津断裂南部、班公错——嘉黎断裂西部、则木河断裂的库仑破裂应力增加,量值达0.00001——0.06MPa．库仑破裂应力增加尤为显著的断裂量值分别为:龙门山断裂的地震断层南端最大增加0.01MPa、北端0.03MPa,秦岭南缘断裂的西南部最大增加0.03MPa,东昆仑断裂的东南部为0.007MPa,地震破裂断层西南部的鲜水河断裂为0.005MPa,西秦岭北缘断裂的天水——宝鸡段为0.004MPa,陇县——宝鸡断裂为0.0003MPa．该地震还使得龙日坝断裂、怒江断裂、西秦岭北缘断裂西部、秦岭北缘断裂、庄浪河断裂、日月山断裂北部、海原断裂、岷江断裂、玉树——玛曲断裂、金沙江断裂的库仑破裂应力减少;减少尤为显著的断裂为龙门山断裂的断层破裂段、岷江断裂和鲜水河断裂的炉霍段,其库仑破裂应力减少分别达0.04——0.7MPa,0.001——0.1MPa和0.008——0.01MPa．本次地震在小金河、安宁河和大凉山断裂面上产生的库仑应力变化很小,对断层地震活动没有显著影响．      

Numerical simulation of strong ground motion for the M_s8.0 Wenchuan earthquake of 12 May 2008

The Wenchuan earthquake of 12 May 2008 is the most destructive earthquake in China in the past 30 years in terms of property damage and human losses. In order to understand the earthquake process and the geo-morphological factors affecting the seismic hazard, we simulated the strong ground mo-tion caused by the earthquake, incorporating three-dimensional (3D) earth structure, finite-fault rupture, and realistic surface topography. The simulated ground motions reveal that the fault rupture and basin structure control the overall pattern of the peak ground shaking. Large peak ground velocity (PGV) is distributed in two narrow areas: one with the largest PGV values is above the hanging wall of the fault and attributed to the locations of fault asperities and rupture directivity; the other is along the north-western margin of the Sichuan Basin and caused by both the directivity of fault rupture and the ampli-fication in the thick sediment basin. Rough topography above the rupture fault causes wave scattering, resulting in significantly larger peak ground motion on the apex of topographic relief than in the valley. Topography and scattering also reduce the wave energy in the forward direction of fault rupture but increase the PGV in other parts of the basin. These results suggest the need for a localized hazard as-sessment in places of rough topography that takes the topographic effects into account. Finally, had the earthquake started at the northeast end of the fault zone and ruptured to the southwest, Chengdu would have suffered a much stronger shaking than it experienced on 12 May, 2008.     

汶川大地震震害特点与成因分析

2008年5月12日汶川地震造成巨大人员伤亡和财产损失.本文从工程抗震角度分析了震区房屋倒塌的原因,指出地震时房屋倒塌与否与诸多因素有关.在此基础上,分析了汶川地震震害严重的四个主要因素:震级大,烈度高,断层破裂长;震区人口稠密,房屋、路桥等人工工程多;抗震设防水平低;地震诱发地质灾害严重.最后,将汶川地震震害与1976年唐山地震震害作了对比.所得结论可供理解汶川地震震害、改进结构抗震设计参考.     

汶川MS8.0地震余震震源机制时空分布特征

本文利用CAP波形反演方法,获取了汶川M_S8.0地震序列中312个具有较高信噪比波形资料的4级以上余震的震源机制解和震源深度. 基于震源深度空间分布与震源机制时空分布,分析了主震后余震区断层行为特征与应力场时空变化,并对龙门山断裂带中北段的发震断层面几何形态进行了初步探讨. 获得的主要认识如下:(1)余震震源深度分布存在显著的空间分段差异. 绵竹以西的余震区南段与平武以东的北段余震深度范围大于中段(绵竹-平武段),但深度小于5 km的5级以上超浅源地震主要分布在明显偏离龙门山断裂带走向的理县NW向分支与余震区北端NNE向分支,而中段余震主要分布在7~19 km深度. (2)余震机制类型存在明显的时空差异. 余震区中段逆冲型地震占绝对优势,理县NW向分支余震则以走滑型为主,机制类型随时间变化不显著. 沿龙门山断裂带走向的余震区南段,早期(2008年8月底前)逆冲型地震比例高于走滑型、晚期走滑型地震比例显著升高并超过逆冲型;而余震区北段早期走滑型地震占绝对优势、晚期逆冲型地震比例大幅上升且超过走滑型. 南、北两段余震机制类型比例的显著变化,可能是余震区两端断层调整性运动的表现. (3)节面走向及P轴方位优势方向均存在显著的空间差异. 南段NWW向P轴方位与区域应力场一致,中段及理县NW向分支P轴优势方向NEE,而北段具NWW和NEE两个优势方向,这种差异反映了余震活动除了受区域应力场控制外,还受到主震引发的局部应力场的控制. 节面走向的多方位分布则反映不同走向的构造参与了主震后的余震活动. (4)沿龙门山断裂带走向,余震区南段具深部缓倾角、浅部高倾角的铲形断面特征;中段深部倾角均值较稳定、浅部倾角均值随深度减小而增大;北段倾角均值相对稳定,显示其断面几何形态相对简单. 上述不同区段倾角均值随深度的变化揭示龙门山断裂带中北段断层面几何形态复杂.