接触问题的粘弹性LDDA方法及其在震后变形机制研究中的应用

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1999年台湾集集地震震后450天的GPS观测资料显示了较大的(几十到几百毫米)地表震后位移,尤其是在断层的上盘,并且多数台站的位移一时间曲线呈现出大致相同的变化趋势.目前用于这次地震震后变形的两种可能的机制分别是:下地壳的震后粘弹性松弛以及断层面上同震破裂缺失区域的震后滑动. 本文在二维动态弹性接触问题的有限元方法(LDDA方法)的基础上,将其修改为用于求解准静态接触问题的Maxwell体粘弹性LDDA方法,并以GPS观测数据作为约束,对集集地震的震后变形过程进行了动力学模拟,分别探讨这两种机制对震后变形的影响. 粘弹性松弛机制的研究结果表明:该机制可以解释集集地震震后地表的GPS观测数据;以观测资料为约束,采用试错法反演的台湾地区下地壳粘度为1017Pa·s;地震之后,断层的上盘仍然向西向上运动,而下盘却在上盘的摩擦力作用下向东向上运动;断层面上滑动量的大部分主要集中在靠近地表的一侧,在地表处最大,而且随着深度增加,在断层尖端附近迅速减小;震后滑动量随时间呈现整体上增大的趋势,但滑动速率减小;震后应力松弛导致的显著可观测的地表断层滑动可以持续大约4691天(12.9年),其间所积累的断层上盘相对于下盘在地表处的位移总量,向西和向上分别可以达到同震时的25.5%和14.7%;断层面上的剪切应力降分布不是均匀的,除断层尖端附近以外,断层上的其它区域剪切应力降随深度增加而减小,其平均值约为4MPa。 对一个粘弹性正断层理论模型的震后过程的模拟结果显示,正断层与逆断层(集集地震)的震后变形特征的最大区别在于,正断层震后的最大滑动量不出现在地表,这导致了地表的最大水平位移和垂直位移也不发生在断层出露点处. 运用结合了速率一状态摩擦定律的LDDA方法,可以研究集集地震震后滑动机制的影响.基于速度强化模型的计算表明,震后滑动只在震后的最初50天左右内对震后变形有影响,仅用该机制难以解释观测数据;但是,它可以反映地表震后位移的非光滑性,在一定程度上体现了真实地质问题的复杂性. 以上关于不同类型的地震断层和不同力学机制的研究,将有助于更全面地认识震后变形问题.
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