汶川地震强余震触发机制的三维有限元数值模拟研究

After the 2008 Mw=7.9 great Wenchuan earthquake, more than 10 strong aftershocks ( Ms > 5 ) were occurred in the near field of this main event with about 3 months.The coseismic rupturing process of these strong aftershocks are possible to be inverted because their waveforms are well recorded both by the local and the regional earthquake stations. Therefore, the Wenchuan earthquake sequence provides an ideal case to explore the mechanism of how the strong aftershocks were triggerred mechanically by the 2008 Mw=7.9 Wenchuan event. In this proposal, we at first use the waveforms of the main strong aftershocks to inverse their coseismic rupturing process. Then we use the coseismic rupture parameters of the Mw=7.9 Wenchuan earthquake, which has been widely studied by previous researchers, to build a three-dimensional finite element model to investigate how stresses are accumulated along the rupturing vectors of these strong aftershocks.By incooperating the model for its strain-stress relation from elastic, poroelastic, and viscoelastic behaviors,associating with a sequial loading technique both from mainshock and the aftershocks, a key scientific issue of this project is attempt to reveal the triggering mechanism among those strong aftershocks of the Mw=7.9 Wenchuan earthquake.We believe that such a study shuold have important implications on better understanding the earthquake-triggering theory, on exploring the mechanics of Omori law of the aftershocks, on the mechanical interaction of earthquake faults, and on the effect of fluid on earthquake occurrence. Meanwhile, research like this also have its practical meaning on evaluating the potenial of earthquake hazard on active faults around the near field after one strong earthquake was occurred.

2008年汶川Mw=7.9地震发生后不到3个月时间内，在其近场范围发生了十多个Ms大于5.0的余震。这些强余震在地方和区域地震台站均有良好记录，可以用波形来反演余震的破裂过程，从而为探索主地震对余震发生的触发机制提供了十分难得机会。本项目首先用汶川地震强余震波形资料反演其地震破裂的几何学和运动学；基此，结合汶川Mw=7.9地震同震破裂大量研究成果，应用三维有限元数值模拟技术来研究汶川地震在这些强余震破裂面运动方向上产生的应力积累及其积累机制。通过模拟地壳介质为弹性、孔隙弹性、和粘-弹性变形所产生的库仑应力，结合主震和余震在时间序列上加载过程，要解决的核心科学问题是厘定汶川地震对这些强余震触发的力学机制。这对认识地震触发理论、余震序列的Omori行为、地震断裂动力学相互作用、流体在地震发生中的作用等具有重要理论意义；同时对评价强地震发生后其近场范围内活动断裂的潜在地震危险性也具有一定实际意义

本项目以2008 Mw7.9汶川地震为对象，通过对该地震主震和强余震破裂模型反演，结合地震应力场变化三维有限元模拟计算，重点探讨在时间序列上主地震对强余震触发的动力学机制。四年来，课题组系统收集了龙门山及其周边地区Mw>6.0地震的波形和同震地表变形资料；基于有限元自动生成系统（FEPG®），将地震位错用分裂节点（split-node）描述，开发了模拟地震过程的弹性、粘-弹性和孔隙弹性应力分布的三维有限元程序；以地震波形和地表同震变形为约束，应用有限断层模型的非线性反演技术，反演了研究区2000年以来10多个Mw>6地震的同震破裂模型。在上述这些工作基础上，通过建立不同尺度、不同地壳变形行为的三维有限元模型，从多个视角探讨了龙门山及其邻区近代强地震间的应力相互作用、汶川地震主-余震间的动力学触发关系、区域活动断层应力累积特征与地震潜在危险性等问题。一些研究成果在国际SCI学术刊物发表，一些成果在国内外重要学术会议作邀请报告。简略地，项目取得了一下主要进展；1)基于地震波形、同震地表变形（SAR／GPS）等资料，应用联合反演的技术，系统地得到了2008年Mw7.9汶川地震、2008/05/12 M～6.0、2008/05/13 M～5.6、2008／05/18 M～6.0、2008/08/01 M～6.1等10余个强余震的地震破裂模型。这为深入研究汶川地震诸多科学问题提供了重要基础资料。2)以同震破裂模型为约束，首次计算了2008年Mw7.9汶川地震在时间序列上以1s为单位的三维应力变化特征，并根据这一详细的应力变化特征可以揭示北川断裂破裂控制彭灌断裂破裂的动力学机制。3)通过构建粘-弹性三维有限元模型，发现2013年Mw6.6芦山地震、2013年Mw6.1岷县地震、2014年Mw6.1康定地震的发生均受2008年Mw7.9汶川地震触发，并且其触发的库伦应力中地壳粘性蠕变的贡献达大致25%。4)通过模拟汶川地震的周期复发规律和跨龙门山GPS速度变化特征，提出了弹性地壳厚度变化与活动断裂震间变性累积的特征，这暗示了经典的Savage& Burford（1973）震间变形模型的局限性。