青藏高原东部断层相互耦合、地震时空迁移、以及多时间尺度应力应变演化的探讨：三维粘-弹-塑性有限元模拟

Earthquakes in eastern Tibetan Plateau occur within the continental interior with diffusive deformation. These big earthquakes migrate temporally and spatially along major faults in eastern Tibetan Plateau. The intra-plate earthquakes and their spatial and temporal characteristics can not be explained by inter-plate earthquake model. To understand mechanisms of intra-plate earthquakes and a fault mechanical system, we propose to develop a three-dimensional (3D) visco-elasto-plastic parallel finite-element model. We simulate earthquakes and earthquake cycles on faults in a complex fault system, and include changes of fault mechanical and rheological properties, change of non-fault seismogenic upper crustal strength and its plastic deformation, crustal and lithospheric rheology structure, and other physical processes and factors. We systematically explore stress field and its changes, fault interactions and mechanical coupling, mechanisms of temporal and spatial migration of earthquakes in eastern Tibetan Plateau, and their control and influence factors. The geodynamic model in this study investigates that during different periods (different timescales) of earthquake cycles, how strain near and along these major faults in eastern Tibetan Plateau is accumulated, released and adjusted, and how plastic strain is accumulated (geological long-term tectonic deformation). This study can help us understand fault interactions and mechanical coupling, temporal and spatial migration of earthquakes and seismicity, and linkage and evolution between short-term crustal deformation and long-term geological deformation. This project can advance the study of intra-plate earthquakes, offer scientific insights and information into earthquake hazard assessments, and provide evidence on the argument of eastern Tibetan Plateau mountain-building mechanisms.

青藏高原东部地震广泛分布在扩散变形的大陆内部，并且其大地震在各个主要断层带上时空跳跃迁移。为了探索和理解这种板内地震与断层系统的基本力学机制，本项目将开发一套三维粘-弹-塑性并行有限元程序，模拟断层系统各个断层的地震和地震循环，考虑断层的力学流变性质变化、非断层带的上地壳强度变化及其塑性变形、地壳岩石圈流变结构等等物理过程和因素，综合探讨青藏东部区域应力场及其变化、主要断层之间的相互作用相互耦合关系、地震时空迁移力学机制，以及他们的控制影响因素。本项目的地球动力学模型也研究了青藏东部各个主要断层在地震循环的各个时期各个时间尺度，应变的累积、释放、调整与演化，以及永久变形的形成（即地质构造作用）。本研究有助于深入理解断层动力系统中断层相互耦合关系、地震时空迁移、短期长期变形之间的联系与演化。本项目推动了板内地震的研究，对青藏东部地震灾害评估提供科学根据，对青藏东部造山机制的争论提供研究证据。

本项目开发并使用了一套并行的三维粘弹塑性地球动力学有限元模型，在区域地质、地震、流变、地壳运动变形、高程等数据约束下，研究青藏东部应力应变场、地震在多条断层带上的迁移机制与概率、断层相互作用、地震循环中不同阶段的应力应变累积、释放、调整与其演化，以及他们的控制影响因素。本项目的重要研究结论如下。在青藏东部多断层系统中，各个断层是相互力学耦合的，他们共同承担了远场的构造加载。因此，断层系统中各个断层的地震活动、地震矩释放率和滑动速度通常是相互依赖、相互影响的。断层系统中的一些地震会加速或诱发另一些地震的发生，从而导致区域地震在短时间内集中发生，形成地震丛集；另外，区域经过多个地震循环的长期演化，断层系统中各个断层的应力并不均匀，在一些断层上的应力状态可以恰好同时达到屈服的临界状态附近，从而地震在这些位置上集中发生，产生地震丛集。青藏东部断层的地震易于丛集发生，而每两个地震丛集期由地震平静期分开；地震平静期的时间长度与断层滑动速度成反比；地震丛集期的时间长度受到断层滑动速度、断层结构和断层流变性影响。青藏高原东北缘的断层中，海原断层中段地震发生概率最大；在区域1920年海原大地震和1927年古浪大地震后，下一次大地震将会发生在海原断层上的概率很大。海原断层带与香山天景山断层带都表现出地震活动与断层滑动速率的分段特征，揭示了断层几何对地震活动、地震破裂、断层滑动速率分布的重要作用。通过对比青藏东部有无中下地壳流的模拟结果，我们发现他们在震间地表垂向速度变形样式和大小都存在较大差异；存在地壳流的地表垂向抬升速率显著大于无地壳流的情况；而中下地壳流流动参数不同也会导致不同的地表和地壳变形特点。本项目有助于深入理解青藏东部断层的力学耦合关系，地震的丛集机制与迁移概率，及短期与长期变形之间的联系与演化；对青藏东部地震灾害评估提供科学依据；对青藏东部造山机制的争论提供一种方法和研究证据。