基于有限元方法的2015年Mw7.8尼泊尔地震震后形变动力学模拟

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大地震发生时引起的应力扰动会使地下岩石产生形变响应,从而导致长期的地表震后变形。目前认为,控制地震震后形变的主要动力学机制包括断层面上的无震蠕滑、区域下地壳上地幔粘弹性松弛效应和孔隙弹性回弹等。因此,可以通过研究大地震引起的地表变形来探测震后动力学过程,从而有效约束区域岩石圈流变结构和发震断层的摩擦特性。2015年4月25日,Mw7.8尼泊尔地震发生在青藏高原南缘的喜马拉雅主逆冲断裂带上,是过去80年喜马拉雅区域发生的最大地震,造成了大量的人员伤亡。此次地震伴随着大量强余震,其中最大的余震矩震级为Mw7.3,发生在主震震中东南约150km处。地震发生后,布设在尼泊尔及藏南的大量GPS台站记录到显著的震后形变,这为我们认识该地震的震后动力学过程和探测青藏高原南缘的岩石圈流变结构提供了很好的机会。本文基于有限元方法,采用尼泊尔地震震后5年的GPS观测资料模拟分析其震后形变机制动力学进程,为认识青藏高原南缘的岩石圈流变结构以及发震断层的摩擦特性提供重要参考。本文收集尼泊尔连续站的原始观测资料,并新增藏南7个流动站数据,采用GAMIT/GLOBK软件进行数据处理并提取尼泊尔地震震后5年的地表形变时间序列。然后构建印度弹性俯冲带有限元模型进行震后形变机制模拟,首先采用单一的粘弹性松弛模型和应力驱动的震后余滑模型进行模拟,结果发现,粘弹性松弛模型虽然能够拟合远场观测数据,但难以解释近场形变,而震后余滑效应则恰好相反,能够较好地解释近场形变,模拟的远场位移却严重偏大。因此顾及粘弹性松弛和震后余滑效应的共同影响,本文同时约束包括青藏高原下地壳稳态粘滞系数(ηm)、初始滑动速率(v0)和摩擦本构参数(aσ)的三个参数。通过格网搜索的最优结果为:ηm=3 × 1018 Pa s,v0=150 mm/yr,aσ=0.15 MPa。联合机制非常好的解释了近场和远场形变,并且揭示出震后余滑主要控制近场形变,而粘弹性松弛则主导着远场位移并具有长期影响,在距离破裂带150km左右的青藏高原中场GPS站点,其5年的累积位移中粘弹性松弛和震后余滑的贡献大致相等。震后余滑主要分布在同震破裂的下倾以及主震和Mw7.3余震之间未破裂的空区内,断层浅部没有滑动揭示了未来发生地震的风险性。从时间变化来看,尼泊尔地震震后余滑可能持续超过5年,但在5年内基本衰减90%以上。本研究对发生在青藏高原南缘的尼泊尔地震震后形变进行系统的模拟与分析,对进一步认识大地震震后动力学机理、了解该区域的地震活动性及青藏高原的隆升等具有重要的意义。
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