共軛斷層破裂過(guò)程地震動(dòng)模擬——以云南魯?shù)榈卣馂槔?/h1>
2015-05-13 11:09:05郭金萍陳學(xué)良王建龍中國(guó)地震局地球物理研究所北京100081
地震科學(xué)進(jìn)展 2015年9期
郭金萍 陳學(xué)良 王建龍（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081）
共軛斷層破裂過(guò)程地震動(dòng)模擬
——以云南魯?shù)榈卣馂槔?/p>
郭金萍 陳學(xué)良 王建龍
（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081）
針對(duì)魯?shù)榈卣穑壳耙呀?jīng)有一些較為成熟的研究理論和結(jié)果。但是最新研究結(jié)果表明，由于主震和余震呈現(xiàn)出復(fù)雜分布特征，余震分布在南北向和東西向兩個(gè)方向都有一定尺度的延伸。并且斷層近東西向和近南北向都發(fā)生了破裂，震源破裂過(guò)程可能帶有共軛斷層的性質(zhì)。因此根據(jù)北京大學(xué)張勇最新得出的魯?shù)榈卣鸬墓曹棸l(fā)震斷層，進(jìn)行地震動(dòng)模擬研究。將模擬結(jié)果與實(shí)際烈度圖進(jìn)行對(duì)比，探討震源破裂過(guò)程及方式對(duì)魯?shù)榈貐^(qū)地震動(dòng)及烈度的影響。
張勇關(guān)于魯?shù)榈卣鹛岢隽?組破裂模式，分別是近南北向單一斷層，近東西向單一斷層，以及兩條交叉的共軛斷層。交叉共軛斷層表示南北向斷層與東西向斷層均發(fā)生了一定尺度的破裂，共同作用形成了新的震源機(jī)制。震源參數(shù)主要包括子斷層的經(jīng)度、緯度、深度、走向、傾向、傾角、地震矩、破裂時(shí)間，以及上升時(shí)間，這些參數(shù)能夠較為全面地表達(dá)地震的震源破裂過(guò)程（表略）。
由實(shí)際烈度分布圖可以判斷，單一的近東西向斷層明顯不能描述實(shí)際的發(fā)震斷層；實(shí)際烈度分布的長(zhǎng)軸兩側(cè)式不對(duì)稱(chēng)分布，西側(cè)強(qiáng)于東側(cè)，故單一的近南北向斷層也不能完全符合實(shí)際。因此，研究主要模擬的是共軛斷層地震動(dòng)變化情況。地震動(dòng)模擬主要利用日本防災(zāi)研究所提供的GMS（Ground Motion Simulator）軟件。該軟件在日本進(jìn)行了大量的模擬研究，較為成熟。其核心算法是三維有限差分算法，僅能模擬低頻地震動(dòng)。由于魯?shù)榈卣鹫鹬兴诘拇ǖ岬貐^(qū)是地震多發(fā)區(qū)域，地下三維速度結(jié)構(gòu)對(duì)地震動(dòng)模擬具有重要影響。模擬采用了由中國(guó)地震局地球物理研究所李永華提供的三維速度結(jié)構(gòu)模型，該區(qū)域模型的分辨率高達(dá)0.5°×0.5°。
選定模擬的震中位置為（27.1°N，103.3°E），研究區(qū)域大小為：南北向102 km，東西向72 km，深度為30 km。將研究區(qū)域劃分為1 021×721個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的距離是100 m。為了保證網(wǎng)格劃分是符合低頻地震波條件，同時(shí)也避免高頻成分的發(fā)散。首先驗(yàn)證安定條件。
公式（1）是安定條件，Δt表示時(shí)間間隔，選取Δt=0.00833 s；VP表示最大P波速度，VP=6 600 m/s；Δx、Δy、Δz分別表示南北方向、東西方向、及豎向的網(wǎng)格間距，Δx=Δy=Δz=100 m。驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)滿(mǎn)足條件，即可進(jìn)行地震波模擬。
在選定的研究區(qū)域上，設(shè)置相應(yīng)的輸出場(chǎng)點(diǎn)，模擬結(jié)果會(huì)依次輸出各場(chǎng)點(diǎn)的速度。僅考慮Vx方向和Vy方向的速度值，Vz方向可以忽略。公式（2）給出了每個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的總速度時(shí)程V。根據(jù)每個(gè)點(diǎn)的總速度時(shí)程，做出相應(yīng)的烈度圖以及波場(chǎng)快照?qǐng)D。
研究結(jié)果表明：共軛斷層的模擬地震烈度圖和現(xiàn)場(chǎng)考察得到的地震烈度圖具有相似的尺度，長(zhǎng)軸方向基本一致。地震動(dòng)分布有較大的向西延伸的分量，反映出了烈度分布在長(zhǎng)軸兩側(cè)不對(duì)稱(chēng)的特征，故判斷魯?shù)榈卣鸫嬖诠曹棓鄬悠屏涯Ｊ剑⑶疫@種模式是導(dǎo)致復(fù)雜余震分布的主要原因。
另一方面，地震波傳播能夠表達(dá)震源破裂過(guò)程中能量輻射的過(guò)程。由波場(chǎng)快照?qǐng)D得到，共軛斷層的南北向地震動(dòng)能量要高于東西向的地震動(dòng)能量，但是在東西向也能看到地震動(dòng)能量的傳播過(guò)程。驗(yàn)證了張勇提出的南北向斷層發(fā)生的破裂規(guī)模在共軛斷層中呈現(xiàn)主要優(yōu)勢(shì)，而東西向斷層也發(fā)生了破裂的說(shuō)法。
郭金萍 陳學(xué)良 王建龍（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081）
共軛斷層破裂過(guò)程地震動(dòng)模擬
——以云南魯?shù)榈卣馂槔?/p>
郭金萍 陳學(xué)良 王建龍
（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081）
針對(duì)魯?shù)榈卣穑壳耙呀?jīng)有一些較為成熟的研究理論和結(jié)果。但是最新研究結(jié)果表明，由于主震和余震呈現(xiàn)出復(fù)雜分布特征，余震分布在南北向和東西向兩個(gè)方向都有一定尺度的延伸。并且斷層近東西向和近南北向都發(fā)生了破裂，震源破裂過(guò)程可能帶有共軛斷層的性質(zhì)。因此根據(jù)北京大學(xué)張勇最新得出的魯?shù)榈卣鸬墓曹棸l(fā)震斷層，進(jìn)行地震動(dòng)模擬研究。將模擬結(jié)果與實(shí)際烈度圖進(jìn)行對(duì)比，探討震源破裂過(guò)程及方式對(duì)魯?shù)榈貐^(qū)地震動(dòng)及烈度的影響。
張勇關(guān)于魯?shù)榈卣鹛岢隽?組破裂模式，分別是近南北向單一斷層，近東西向單一斷層，以及兩條交叉的共軛斷層。交叉共軛斷層表示南北向斷層與東西向斷層均發(fā)生了一定尺度的破裂，共同作用形成了新的震源機(jī)制。震源參數(shù)主要包括子斷層的經(jīng)度、緯度、深度、走向、傾向、傾角、地震矩、破裂時(shí)間，以及上升時(shí)間，這些參數(shù)能夠較為全面地表達(dá)地震的震源破裂過(guò)程（表略）。
由實(shí)際烈度分布圖可以判斷，單一的近東西向斷層明顯不能描述實(shí)際的發(fā)震斷層；實(shí)際烈度分布的長(zhǎng)軸兩側(cè)式不對(duì)稱(chēng)分布，西側(cè)強(qiáng)于東側(cè)，故單一的近南北向斷層也不能完全符合實(shí)際。因此，研究主要模擬的是共軛斷層地震動(dòng)變化情況。地震動(dòng)模擬主要利用日本防災(zāi)研究所提供的GMS（Ground Motion Simulator）軟件。該軟件在日本進(jìn)行了大量的模擬研究，較為成熟。其核心算法是三維有限差分算法，僅能模擬低頻地震動(dòng)。由于魯?shù)榈卣鹫鹬兴诘拇ǖ岬貐^(qū)是地震多發(fā)區(qū)域，地下三維速度結(jié)構(gòu)對(duì)地震動(dòng)模擬具有重要影響。模擬采用了由中國(guó)地震局地球物理研究所李永華提供的三維速度結(jié)構(gòu)模型，該區(qū)域模型的分辨率高達(dá)0.5°×0.5°。
選定模擬的震中位置為（27.1°N，103.3°E），研究區(qū)域大小為：南北向102 km，東西向72 km，深度為30 km。將研究區(qū)域劃分為1 021×721個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的距離是100 m。為了保證網(wǎng)格劃分是符合低頻地震波條件，同時(shí)也避免高頻成分的發(fā)散。首先驗(yàn)證安定條件。
公式（1）是安定條件，Δt表示時(shí)間間隔，選取Δt=0.00833 s；VP表示最大P波速度，VP=6 600 m/s；Δx、Δy、Δz分別表示南北方向、東西方向、及豎向的網(wǎng)格間距，Δx=Δy=Δz=100 m。驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)滿(mǎn)足條件，即可進(jìn)行地震波模擬。
在選定的研究區(qū)域上，設(shè)置相應(yīng)的輸出場(chǎng)點(diǎn)，模擬結(jié)果會(huì)依次輸出各場(chǎng)點(diǎn)的速度。僅考慮Vx方向和Vy方向的速度值，Vz方向可以忽略。公式（2）給出了每個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的總速度時(shí)程V。根據(jù)每個(gè)點(diǎn)的總速度時(shí)程，做出相應(yīng)的烈度圖以及波場(chǎng)快照?qǐng)D。
研究結(jié)果表明：共軛斷層的模擬地震烈度圖和現(xiàn)場(chǎng)考察得到的地震烈度圖具有相似的尺度，長(zhǎng)軸方向基本一致。地震動(dòng)分布有較大的向西延伸的分量，反映出了烈度分布在長(zhǎng)軸兩側(cè)不對(duì)稱(chēng)的特征，故判斷魯?shù)榈卣鸫嬖诠曹棓鄬悠屏涯Ｊ剑⑶疫@種模式是導(dǎo)致復(fù)雜余震分布的主要原因。
另一方面，地震波傳播能夠表達(dá)震源破裂過(guò)程中能量輻射的過(guò)程。由波場(chǎng)快照?qǐng)D得到，共軛斷層的南北向地震動(dòng)能量要高于東西向的地震動(dòng)能量，但是在東西向也能看到地震動(dòng)能量的傳播過(guò)程。驗(yàn)證了張勇提出的南北向斷層發(fā)生的破裂規(guī)模在共軛斷層中呈現(xiàn)主要優(yōu)勢(shì)，而東西向斷層也發(fā)生了破裂的說(shuō)法。
