青藏高原应力场演化及地震序列数值模拟

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中国大陆处于环太平洋地震带和欧亚地震带的交汇处,强震频发。其中大部分强震集中在大陆西部的青藏高原及邻区。由于受到印度板块和欧亚板块强烈的碰撞挤压,在青藏高原的南部边缘形成大型的逆冲型断裂带,在高原的内部由于软弱的下地壳差异性地东向流动,拖动脆性上地壳运动变形,形成许多大型的走滑断裂带,以及西部局部区域的拉张型断裂带,导致该地区的地震活动极多。从1904年到2014年,在这个拥有独特构造环境的区域内有30多个震级大于Mw6.5的地震发生。在这110年间,区域地应力场是如何演化的,各个地震之间是如何相互影响的,这些信息对未来的地震灾害评估有什么帮助?本文建立该区域模型,利用有限元数值模拟试图解答,在此之前需要考虑三个问题。  第一个关键问题是,如何选取实际上未知的初始应力状态?通常,对于地震孕育和触发问题,一般假设初始应力为零,仅计算应力积累速率和地震产生的应力变化,在一定程度上,这个假设的方法是非常有效的,可以依据相对变化量来做出评估。但是仍存在很大的局限性,没有初始应力,就不能给出更准确的评估。然而,在考虑初始应力场时,现有的地震序列信息并没有得到充分利用。地震序列至少揭示了某个区域的应力状态。尽管有这些信息是远远不够,但总是有用的。因为对于历史地震破裂区,其震前应力场必然曾接近自组织临近破裂状态或者是亚临界状态,那么根据其强度以及地震的应力降,则可以估计出一个震前初始状态的下限值。对于历史上没有地震的地区,则说明其应力场在临界破裂态之下,可以给出一个应力值的上限。根据这个理论,初始应力场的大致范围是可以做出某种估算。  另一个关键问题是,构造应力的积累速率。本文建立一个青藏高原的准三维有限元弹性模型,利用现今的GPS观测速率作为约束条件,假设GPS观测速率在百年间保持稳定,用有限元等效体力法来模拟下地壳流动对上地壳的拖曳力作用。最终计算得到在边界力和下地壳流动拖曳的共同作用下,构造应力场的年增量,以此结果作为后续计算的基础。  最后一个问题是,同震应力变化的计算。本文讨论了有限元横向各向同性“杀伤单元”法在计算该问题中的应用,经过与解析解的对比,验证了该方法的可行性。同时利用该方法分析了四分量应变/应力仪在观测同震变化中的一个问题,检验了理论计算的同震应力/应变变化是否可以得到观测的证实。  最终,根据前述的对历史地震区和无震区应力估计的原则,基于库仑-莫尔破裂准则和断层的强度,反演估算出一个合理的初始应力场范围。在此基础上,计算从1904年以来应力场的变化。以破裂准则为判断是否发震的依据,在没有单元破裂时,应力场的变化仅来自构造运动的作用;在发生大地震时,加上同震应力变化。这样重现青藏高原上百年以来的大地震序列及其应力场演化。最终得到一个粗略的现今应力场,持续加载构造作用,来估计未来的地震危险性。  当然,估算出的初始应力场只是一种可能的模型,基于这个模型得到的未来地震活动性分布可信度很低。因此,计算了上千种在合理范围内随机产生的初始应力场模型,所有这些都重现历史地震序列有序发生,但对未来应力变化和地震发生会不尽相同。基于这上千种不同的计算结果,统计未来不同时段的发震概率。尽管不能确切给出哪些地方是危险的,但是缩小了估计的范围,给出危险概率较高的地区。  本文论证了初始应力场对于模拟地震序列应力场演化的重要性,对未来地震活动性给出一个概率性的预估。对于初始应力场研究、地震触发、地震序列及应力场演化等问题是一种新的尝试。
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