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基于差分Ricatti方程的Dieterich地震活动性模型构建及其应用
1
作者 尚园程 史保平 李丹 《地球物理学报》 北大核心 2025年第5期1856-1865,共10页
地震活动性模型(Dieterich模型)对研究地震成因机制及其时空动态发展过程具有重要意义.然而,传统Dieterich模型仅适用于剪切应力按照对数、线性函数规律加载/卸载以及由同震滑移导致的剪切应力阶跃等条件,面对更复杂、更贴近真实情况的... 地震活动性模型(Dieterich模型)对研究地震成因机制及其时空动态发展过程具有重要意义.然而,传统Dieterich模型仅适用于剪切应力按照对数、线性函数规律加载/卸载以及由同震滑移导致的剪切应力阶跃等条件,面对更复杂、更贴近真实情况的力学状态,例如断层上Coulomb应力率函数为谐函数或多段分段函数等函数形式时,传统模型不再适用.为此,本文提出一种新的数学处理方法,构建利用差分法处理后的Ricatti方程形式Dieterich地震活动性模型.该模型相较于传统模型在模拟、探究复杂形态Coulomb应力率函数对地震发生频率特征影响时更有优势,能够更细致再现震源区域内Coulomb应力加载速率随时间演化的细节,提升Dieterich地震活动性理论在应对复杂问题中的适用性和普适性.运用本文改进的模型对2013年前郭震群和2017年长宁诱发地震事件进行模拟与分析,揭示前郭震群阶段震源区域内Coulomb应力加载速率多次变动,辨识出长宁诱发地震期间Coulomb应力加载速率为负值的特殊时段,验证了负向Coulomb应力加载速率对地震活动频率的抑制作用.此外,该模型为深部油气和干热岩勘探开发过程中可能诱发的地震现象提供了理论依据和量化手段,有助于提高资源开发效率和降低开发成本,进一步推动勘探理论的深入发展. 展开更多
关键词 速率-状态摩擦定律 dieterich模型 地震活动性 诱发地震
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数值模拟静态应力扰动下的断层失稳:结果分析兼与Dieterich模型和Coulomb模型的对比 被引量：6
2
作者 解孟雨 史保平 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2016年第2期593-605,共13页
基于大量岩石力学实验,Dieterich和其他研究者(Dieterich,1978;Ruina,1983)首先提出了描述岩石摩擦过程的速率-状态摩擦定律(R-S摩擦定律).如今R-S摩擦定律已成为研究地震成核等地震演化机制的有效手段.Dieterich(1992,1994)最早提出了... 基于大量岩石力学实验,Dieterich和其他研究者(Dieterich,1978;Ruina,1983)首先提出了描述岩石摩擦过程的速率-状态摩擦定律(R-S摩擦定律).如今R-S摩擦定律已成为研究地震成核等地震演化机制的有效手段.Dieterich(1992,1994)最早提出了描述受静态剪应力扰动后断层失稳时间提前或推后的余震触发机制的解析模型.现在Dieterich模型已经成为解释余震随时间衰减规律的Omori定律等地震观测现象的有力工具.与之相对应,广泛使用的Coulomb应力失稳模型也可以给出断层受到静态剪应力扰动后,断层失稳时间的提前和推后量.Dieterich模型和Coulomb应力失稳模型基于不同的物理方法,所以在进行地震危险性评估时,二者均有各自的局限性.本文利用R-S摩擦定律控制的1-D弹簧-滑块模型,模拟计算了理论地震循环以及在不同静态剪切应力扰动下,失稳时间的提前和推后量的变化情况,然后将计算得到的时间提前和推后量分别与Dieterich模型和Coulomb模型的相应计算结果进行了定量化对比和差异性分析,并给出了相应的解释.数值模拟结果显示,对于R-S摩擦定律在参数不变的条件下,断层模型失稳时间的提前和推后量的大小强烈依赖于静态剪应力扰动的大小和作用时间,而且绝对值相同的正、负向静态剪应力扰动造成的失稳时间的提前和推后量的变化情况并不完全一致.在震后松弛/滑移阶段和闭锁阶段,时间提前和推后量是常数,且随静态剪应力扰动绝对值的增大而增大,两者的比值接近于1.0,这与Dieterich模型和Coulomb模型的结果是一致的,相应的差值小于两模型结果的10%.而在自加速阶段,模拟计算结果则存在与Dieterich模型和Coulomb模型结果不同的特征.首先,在自加速阶段模拟计算结果均偏离Coulomb模型,而且时间提前和推后量的比值小于1.0,相异于Coulomb模型的论断.不过当受到正向静态剪应力扰动后,Dieterich模型的结果和模拟计算结果是一致的,最大相差量不超过Dieterich模型结果的7%,可接近0.对于负向静态剪应力扰动,当其绝对值较小时,Dieterich模型的结果很接近模拟计算结果,相差量不超过该结果的14%.但对于绝对值较大的情况,模拟计算结果远大于Dieterich模型的结果,最大可达Dieterich模型结果的35倍,这是由于负向静态剪应力扰动后使得Ω=δ·θ/dc1的条件不再成立,进而使得Dieterich模型不再成立.总的来说,与模拟计算相比Dieterich模型可以很好地描述1-D断层受扰后失稳时间提前和推后量的变化情况,并且可以体现出正、负静态剪切应力扰动后失稳时间提前量和推后量变化的差异性,而Coulomb模型则不能完整地给出受到静态剪应力扰动后断层失稳时间提前或推后的估计值. 展开更多
关键词 速率-状态摩擦定律 静态剪应力扰动 Coulomb应力失稳模型 dieterich模型 失稳时间提前量 失稳时间推后量
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基于Dieterich地震发生率模型分析前震成因的力学机制 被引量：4
3
作者 尚园程 史保平 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第9期3355-3369,共15页
前震是地震前兆观测中的一个重要物理量,前震的研究对地震预测的发展尤为重要,前震序列的典型特征包括加速发生的小震与古登堡-里克特定律(Gutenberg-Richter Law)中的b值变小.本文在Dieterich提出的地震发生率模型的基础上,探讨前震发... 前震是地震前兆观测中的一个重要物理量,前震的研究对地震预测的发展尤为重要,前震序列的典型特征包括加速发生的小震与古登堡-里克特定律(Gutenberg-Richter Law)中的b值变小.本文在Dieterich提出的地震发生率模型的基础上,探讨前震发生的力学成因机制及前震-主震-余震时域演化特征.模型分析结果表明,前震震源区断层及其断层周边剪应力加载速率的变化可能是前震发生及地震发生率变化的一个关键原因.由于前震震源区次级断层之间剪应力加载速率受来自主震成核过程中断层自加速滑移的影响升高,从而可导致这些次级断裂的加速失稳,即加速前震的发生.当震源区内由前震所产生的静态应力扰动不可忽略时,应力扰动和主震成核的共同作用也可对后续前震发生率产生影响.当正向应力扰动出现时,后续的前震序列的地震发生率会出现陡增,随后其地震发生率逐渐下降.而当负向应力扰动出现时,地震发生率会出现陡降,然后再次逐渐上升.基于Kostrov模型,本文得到了剪应力加载速率与古登堡-里克特定律中b值的关系式,结果表明前震序列中b值的减小与前震区内的剪应力加载速率的上升有关. 展开更多
关键词 速率-状态摩擦定律 dieterich模型 前震 B值 台湾花莲地震
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基于经验模型和物理模型研究2013 M_S7.0芦山地震余震序列 被引量：7
4
作者 米琦 申文豪 史保平 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2015年第6期1919-1930,共12页
基于中国地震台网中心2013 MS7.0芦山地震余震数据我们首先确定了余震空间分布范围并根据G-R关系计算了主震后半小时内的完备震级Mc=3.5,并且得到了ML≥3.5和ML≥3.0的地震在2001年至芦山地震前的背景场地震发生率.通过Omori-Ustu经验... 基于中国地震台网中心2013 MS7.0芦山地震余震数据我们首先确定了余震空间分布范围并根据G-R关系计算了主震后半小时内的完备震级Mc=3.5,并且得到了ML≥3.5和ML≥3.0的地震在2001年至芦山地震前的背景场地震发生率.通过Omori-Ustu经验定律和两种Dieterich模型对芦山地震余震发生率的拟合,我们发现阶梯型Dieterich模型只能模拟p=1的情况,从而造成了模拟曲线与观测数据的差别;前人研究表明震后滑移同样是产生余震的原因,如果假设余震序列由主震静态剪应力Δτ和震后滑移共同作用所产生,我们数值模拟得到的对数型Dieterich模型能够较好地推断余震发生率R随时间t增加而衰减的趋势,能够从物理机制上解释MS7.0芦山地震余震序列衰减指数大于1这一现象.通过对数型Dieterich模型的拟合并结合Andrews的方法,我们还得到MS7.0芦山地震Aσ约为0.155 MPa,ta约为8.4年,这一值与前人研究结果十分接近. 展开更多
关键词 余震衰减 芦山地震 dieterich模型 震后滑移
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利用应力加载速率变化与地震活动性模型探讨2013年吉林前郭震群成因的力学机制 被引量：2
5
作者 尚园程 史保平 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第1期26-36,共11页
理解震群的成因机制是地震科学的重要挑战.本文基于速率-状态摩擦定律,利用Dieterich断层失稳模型探讨了流体运移、慢滑移和震群触发三者之间的关系,研究结果表明:(1)断层内部或周边流体流动所导致的孔隙压力升高可诱发断层发生慢滑或... 理解震群的成因机制是地震科学的重要挑战.本文基于速率-状态摩擦定律,利用Dieterich断层失稳模型探讨了流体运移、慢滑移和震群触发三者之间的关系,研究结果表明:(1)断层内部或周边流体流动所导致的孔隙压力升高可诱发断层发生慢滑或非地震滑移,慢滑或非地震滑移可使区域内临近断层上库仑应力加载速率升高,进而导致震群产生;(2)基于Dieterich地震活动性模型所给出的慢滑或非地震滑移触发的震群的地震发生率表达式可定量描述时间域内震群发生率上升、平稳以及快速下降的过程;(3)活动断层可能在震群期间重复失稳.针对2013年前郭震群的分析表明,前郭震群序列的产生与序列中b值(古登堡-里克特定律)的降低可能同整个震源区域内库仑应力加载速率的突然上升相关,而孔隙压力上升所诱发的断层慢滑或非地震滑移则可能为导致该区域内库仑应力加载速率上升的关键原因之一. 展开更多
关键词 速率-状态摩擦定律 dieterich模型 震群 慢滑移 流体运移 2013年前郭震群
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基于经验模型分析2018年2月台湾花莲地震序列特征及其前震的成因机制 被引量：1
6
作者 尚园程 史保平 《地震学报》 CSCD 北大核心 2020年第1期1-11,120,共12页
利用地震学的三个经典经验模型(古登堡-里克特定律、修正的大森定律和巴特定律)和描述前震活动的Dieterich前震模型对2018年2月中国台湾花莲地震序列的特征进行了分析.将该地震序列分为M_L5.5前震序列、M_L5.5余震序列和M_L6.0余震序列... 利用地震学的三个经典经验模型(古登堡-里克特定律、修正的大森定律和巴特定律)和描述前震活动的Dieterich前震模型对2018年2月中国台湾花莲地震序列的特征进行了分析.将该地震序列分为M_L5.5前震序列、M_L5.5余震序列和M_L6.0余震序列等3段子序列进行研究,结果显示:利用古登堡-里克特定律得到的M_L5.5余震序列和M_L6.0余震序列的b值近似为1,M_L5.5前震序列的b值近似为0.5;利用修正的大森定律得到的M_L5.5余震序列和M_L6.0余震序列的p值近似为0.9;利用修正的巴特定律得出M_L5.5余震序列和M_L6.0余震序列的推定最大余震震级分别为M_L5.0和M_L5.5,与实际数据相比,其误差值约为0.1.通过拟合M_L5.5前震的发生率,分析可得M_L5.5前震序列的地震发生率N正比于1/(t_m-t),其中t(t<t_m)为前震发生时刻,t_m为M_L5.5地震发生时间,与Dieterich前震模型对前震现象的描述一致,表明其成因机制可能为主震成核过程中区域断层的次级断裂. 展开更多
关键词 花莲地震 B值 P值 巴特定律 dieterich模型
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2008年汶川M_S 8.0地震对周边断层地震活动的影响 被引量：96
7
作者 邵志刚 周龙泉 +2 位作者 蒋长胜 马宏生 张浪平 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2010年第8期1784-1795,共12页
为分析2008年5月12日四川汶川M_s 8.0级地震对周边断层地震活动的影响,本文首先基于Burgers体黏滞松弛模型计算汶川M_s 8.0级地震引起的库仑应力动态演化,分析认为2008年汶川M_s 8.0级地震在周边断层上引起的库仑应力显著增加的主要有... 为分析2008年5月12日四川汶川M_s 8.0级地震对周边断层地震活动的影响,本文首先基于Burgers体黏滞松弛模型计算汶川M_s 8.0级地震引起的库仑应力动态演化,分析认为2008年汶川M_s 8.0级地震在周边断层上引起的库仑应力显著增加的主要有四个断层段,分别为鲜水河断裂道孚康定段、东昆仑断裂东段玛曲段、青川断裂和龙门山断裂南段.而且震后4年内黏滞松弛引起的库仑应力变化量可能与同震变化相当,相当于再发生一次汶川地震所造成的影响,因此震后效应在分析强震影响时不应忽略.本文基于强震引起的库仑应力变化动态演化,结合背景地震发生率、由Dieterich(1994)模型给出地震发生概率,结合相关构造地质、历史地震、余震活动等方面资料的综合分析认为,上述4个断裂段地震危险性由高到低依次为鲜水河断裂道孚—康定段、龙门山断裂南段、东昆仑断裂东段玛曲段和青川断裂. 展开更多
关键词 汶川地震 库仑应力变化 黏滞松弛 dieterich(1994)模型 地震发生率
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基于平稳非高斯结构响应前四阶矩的首次穿越概率计算 被引量：1
8
作者 张龙文 卢朝辉 赵衍刚 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2018年第1期128-135,共8页
发展了一个平稳非高斯结构响应的首次穿越概率解析方法。在该方法中,基于已得到的平稳非高斯结构响应的前四阶矩(均值、标准差、偏度和峰度),分别利用Winterstein(1994)模型与Ding和Chen模型的等效高斯分位数,以及平稳非高斯结构响应的... 发展了一个平稳非高斯结构响应的首次穿越概率解析方法。在该方法中,基于已得到的平稳非高斯结构响应的前四阶矩(均值、标准差、偏度和峰度),分别利用Winterstein(1994)模型与Ding和Chen模型的等效高斯分位数,以及平稳非高斯结构响应的界限水平,将软化与硬化非高斯结构响应映射为标准高斯过程;进而利用考虑初始条件与群超效应的平稳高斯结构响应的Poisson模型来实现平稳非高斯结构响应的首次穿越概率计算。算例对比分析验证了该修正方法的有效性和准确性,同时相比蒙特卡洛模拟提高了计算效率,为计算平稳非高斯结构响应的首次穿越概率提供了高效合理的工具。 展开更多
关键词 首次穿越概率 非高斯结构响应 统计矩 Winterstein(1994)模型 Ding和Chen模型
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9种土样高吸力下的持水特征 被引量：7
9
作者 周葆春 赵鑫鑫 +1 位作者 马全国 郎梦婷 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第2期236-244,共9页
持水特征曲线(SWRC)是非饱和土重要的本构关系。大部分SWRC由轴平移方法获得,其所能控制的吸力范围较小;然而工程实践中相对湿度常低于95%(吸力高于7.1 MPa);因此采用动态露点法测定Wyoming膨润土、宁明膨胀土、荆门黄褐色膨胀土、Denve... 持水特征曲线(SWRC)是非饱和土重要的本构关系。大部分SWRC由轴平移方法获得,其所能控制的吸力范围较小;然而工程实践中相对湿度常低于95%(吸力高于7.1 MPa);因此采用动态露点法测定Wyoming膨润土、宁明膨胀土、荆门黄褐色膨胀土、Denver黏土岩、荆门棕褐色膨胀土、武汉黏土、三门峡粉质黏土、郑州粉土、开封黄河砂相对湿度3%~95%范围的吸脱湿过程SWRC。采用相对湿度95%下吸湿质量含水率w95量化高吸力下持水能力,采用吸脱湿SWRC间滞回区域面积HHA量化高吸力下SWRC滞回效应强弱,采用同一吸力下吸脱湿SWRC含水率之差最大值Δw_(max)量化水力滞回导致的含水率偏差范围。获得了w95,HHA,Δw_(max)与液限、塑性指数、阳离子交换量、比表面积等土性参数间的量化关系,建议了w95作为膨胀潜势判别标准并验证其可行性,改进了Fredlund-Xing(1994)模型以描述高吸力下上述9种土样吸脱湿过程SWRC,以期为高吸力下相关土力学工程实践提供依据和参考。 展开更多
关键词 持水特征曲线 高吸力 动态露点等温线方法 水力滞回 膨胀潜势 阳离子交换量 比表面积 Fredlund-Xing(1994)模型
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