鄧志輝 胡勐乾 周 斌 陸遠(yuǎn)忠陶京玲 馬曉靜 姜 輝 李 紅

1)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

2)中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085

數(shù)值模擬方法在地震預(yù)測(cè)研究中應(yīng)用的初步探討(Ⅱ)

鄧志輝1)胡勐乾1)周 斌1)陸遠(yuǎn)忠2)陶京玲1)馬曉靜1)姜 輝1)李 紅1)

1)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

2)中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085

在地震危險(xiǎn)性分析和預(yù)測(cè)研究中，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)地球動(dòng)力學(xué)過程認(rèn)識(shí)的不斷深入，有可能發(fā)揮越來越重要的作用。數(shù)值模擬一個(gè)區(qū)域內(nèi)部的構(gòu)造變形，在正常時(shí)期與觀測(cè)結(jié)果應(yīng)該是比較接近的，而當(dāng)局部地方處于孕震臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，其實(shí)測(cè)結(jié)果就有可能與模擬結(jié)果不協(xié)調(diào)，據(jù)此有可能為地震的中期至短期預(yù)測(cè)提供有價(jià)值的信息;應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究地震庫侖應(yīng)力變化，可模擬分析各種因素對(duì)庫侖應(yīng)力變化的大小和分布的影響，獲得更接近實(shí)際的結(jié)果;計(jì)算機(jī)模擬合成地震目錄是解決建立區(qū)域地震預(yù)測(cè)概率模型數(shù)據(jù)不足的有效方法，未來的發(fā)展方向應(yīng)該是建立更接近實(shí)際的三維動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)考慮多場(chǎng)耦合作用，模擬斷層活動(dòng)的規(guī)律。

地震預(yù)測(cè) 數(shù)值模擬 庫侖應(yīng)力 發(fā)震概率模型 變形不協(xié)調(diào)

0 引言

在地震危險(xiǎn)性分析和預(yù)測(cè)研究中，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)地球動(dòng)力學(xué)過程認(rèn)識(shí)的深入，研究對(duì)象不斷增加，研究思路不斷創(chuàng)新，研究問題不斷深化。本文在數(shù)值模擬方法在地震預(yù)測(cè)研究中應(yīng)用的初步探討(Ⅰ)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論數(shù)值模擬方法在地震預(yù)測(cè)研究的變形不協(xié)調(diào)分析、庫侖應(yīng)力變化分析和發(fā)震概率模型建立方面的可能應(yīng)用。

1 變形不協(xié)調(diào)分析

地震孕育是一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間過程，在相對(duì)短的觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，很難觀測(cè)到能量積累的顯著變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖石變形進(jìn)入彈性屈服階段以后，系統(tǒng)處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)將可能偏離正常的軌跡，變得復(fù)雜化。對(duì)一個(gè)區(qū)域構(gòu)造變形的動(dòng)力學(xué)模擬，其結(jié)果主要反映正常的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等的時(shí)空變化。如果以區(qū)域運(yùn)動(dòng)背景為邊界條件，模擬區(qū)域內(nèi)部的構(gòu)造變形，在正常時(shí)期與觀測(cè)結(jié)果應(yīng)該是比較接近的，而當(dāng)局部地方處于孕震臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，其實(shí)測(cè)結(jié)果就有可能與模擬結(jié)果不協(xié)調(diào)，據(jù)此有可能為地震的中期至短期預(yù)測(cè)提供有價(jià)值的信息。本文以2006年7月4日發(fā)生在華北地區(qū)的文安5.1級(jí)地震為例說明分析過程。

根據(jù)中國活動(dòng)地塊劃分及活動(dòng)斷裂分布，結(jié)合地殼上地幔的波速結(jié)構(gòu)、地震活動(dòng)和GPS資料等，確定模型的幾何邊界范圍是 99.8°～121.4°E，27.9°～42.3°N，區(qū)域總面積約為3,840,000km2(圖1)。研究區(qū)域包含的斷裂分布非常密集，為了更加準(zhǔn)確地模擬活動(dòng)斷裂的運(yùn)動(dòng)特征，模型中加入了已知的所有活動(dòng)斷裂。由于斷層空間分布復(fù)雜，在建模過程中充分考慮了斷層的走向及延伸的幾何形態(tài)，對(duì)其局部的細(xì)節(jié)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。另外，華北地區(qū)的斷裂大多傾角較大，為了簡(jiǎn)化模型及工作量，將所有斷層按垂直統(tǒng)一處理。

圖1 研究區(qū)活動(dòng)斷裂分布與介質(zhì)分區(qū)圖Fig.1 Distribution of active faults and crustalmedia in study area.

根據(jù)Zhang等(2003)對(duì)中國大陸活動(dòng)地塊的劃分，模型的介質(zhì)參數(shù)在每一層上劃分為8個(gè)區(qū)域:鄂爾多斯地塊、華北平原地塊、魯東-黃海地塊、阿拉善地塊、青藏地塊、燕山地塊、華南地塊以及地塊邊界帶部分(圖1)。模型在沿縱向上分為水平的4層，包括上地殼、中地殼、下地殼以及部分上地幔(嘉世旭等，2005)，總厚度為100km。利用Huang等(2003)計(jì)算得到的1°×1°中國大陸地區(qū)地殼上地幔波速結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，求出平均值，計(jì)算得到上述8個(gè)區(qū)域分別在上地殼、中地殼、下地殼及上地幔4層上的楊氏模量 (表1)。在模型中將斷層處理為軟弱帶，取地塊介質(zhì)的1/10。地塊的泊松比取0.25，斷層帶的泊松比為0.33。

有限元模型的網(wǎng)格劃分采用ANSYS軟件中的solid 187三維實(shí)體單元，為保證模型網(wǎng)格密度和計(jì)算質(zhì)量，單元邊長(zhǎng)＜25km，模型共劃分為單元416,582個(gè)，節(jié)點(diǎn)582,392個(gè)。

利用GPS測(cè)量數(shù)據(jù)作為數(shù)值模型的邊界條件已有眾多研究者進(jìn)行了嘗試，并取得了一定的成果(劉峽，2006;曹建玲等，2009)。本文以1999—2004年 GPS速度場(chǎng)數(shù)據(jù)(地殼運(yùn)動(dòng)第一觀測(cè)中心提供)為邊界條件，它是由1999、2001和2004年3期的觀測(cè)結(jié)果得到的運(yùn)動(dòng)速度。為了得到較好的GPS插值結(jié)果，選取了研究區(qū)及其鄰區(qū)共979個(gè)GPS觀測(cè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，得到有限元模型邊界節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度約束條件。模型的底面在垂向上固定約束。

圖2為以1999—2004年GPS插值結(jié)果為邊界運(yùn)動(dòng)速度約束條件下，模擬得到的地表運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)和GPS站點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果之間的對(duì)比。從圖2中可以看出，數(shù)值模擬運(yùn)動(dòng)速度與GPS觀測(cè)運(yùn)動(dòng)速度大部分比較吻合，反映了比較好的一致性。模擬結(jié)果顯示，地殼運(yùn)動(dòng)速率的整體分布呈現(xiàn)由東向西逐漸減小、自北向南逐漸增大的特點(diǎn)。華北地區(qū)北部、燕山地塊的地殼運(yùn)動(dòng)速率總體較小，＜2mm/a，而在華北地區(qū)中部、南部以及華南地塊，運(yùn)動(dòng)速率逐漸增大。在燕山地塊，地殼運(yùn)動(dòng)速度方向總體為SW向，而在華北地區(qū)及華南地塊地殼運(yùn)動(dòng)速度方向逐漸轉(zhuǎn)為SE向。

模擬結(jié)果與GPS觀測(cè)結(jié)果在個(gè)別區(qū)域也存在明顯的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，其中，差異較大的點(diǎn)主要分布在華北平原塊體的東北部(圖2)，其原因可能與2006年7月4日文安5.1級(jí)地震的孕育和發(fā)生有關(guān)。

2 庫侖應(yīng)力變化分析

Chinnery(1963)對(duì)走滑斷層相應(yīng)位移場(chǎng)的應(yīng)力分布的研究，拉開了地震應(yīng)力觸發(fā)研究的序幕。應(yīng)用靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力模型研究地震間應(yīng)力觸發(fā)作用是當(dāng)前地震研究的熱點(diǎn)問題。國內(nèi)外許多學(xué)者在強(qiáng)震對(duì)后續(xù)地震的觸發(fā)作用、靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力與余震發(fā)生、靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力與區(qū)域地震活動(dòng)的關(guān)系等方面做了大量工作，取得了很多研究成果，大地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化對(duì)后續(xù)地震活動(dòng)影響的研究受到廣泛關(guān)注(Harris，1998)。許多震例表明，大地震后庫侖應(yīng)力的變化與后續(xù)地震活動(dòng)有促進(jìn)作用，很小的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化就可能對(duì)地震活動(dòng)性、地震的時(shí)空分布產(chǎn)生較大的影響(Deng et al.，1997)。大多數(shù)庫侖破裂應(yīng)力增加的地區(qū)地震活動(dòng)增強(qiáng);而庫侖破裂應(yīng)力減小的地區(qū)，地震活動(dòng)減弱(Reasenberg et al.，1992;Hardebeck et al.1998;Toda，1998;劉桂萍等，2002)。Stein等(1997)計(jì)算了在1939—1992年發(fā)生在土耳其North Anatolian斷裂帶10個(gè)6.7級(jí)以上地震的庫侖破裂應(yīng)力演化過程，發(fā)現(xiàn)其中90%的地震是被先前地震觸發(fā)的。庫侖破裂應(yīng)力變化起觸發(fā)作用的典型值是0.1～1MPa，也有一些地區(qū)庫侖破裂應(yīng)力增加量＞0.01～0.03MPa就有可能觸發(fā)地震活動(dòng)(Parsons，2002)。陳連旺等(2008)通過建立川滇地區(qū)的三維有限元模型，數(shù)值模擬了川滇地區(qū)1981—2000年MS≥6.5的地震序列，結(jié)果顯示，后續(xù)地震全部位于已發(fā)生地震所引起的庫侖破裂應(yīng)力正值區(qū)。庫侖應(yīng)力對(duì)地震的觸發(fā)作用有一個(gè)延遲時(shí)間，延遲時(shí)間可為幾秒到幾十年。

圖2 數(shù)值模擬地表速度場(chǎng)與GPS觀測(cè)速度場(chǎng)對(duì)比圖①胡勐乾，2010，并行計(jì)算三維數(shù)值模擬在華北地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造變形分析中的應(yīng)用研究，碩士學(xué)位論文。Fig.2 Comparison of the numerical simulation speed and GPS velocity.

水庫誘發(fā)地震也是庫侖應(yīng)力變化觸發(fā)地震的很好例證。這里以四川紫坪鋪水庫為例，說明庫侖應(yīng)力變化對(duì)地震活動(dòng)的影響。在垂直于庫區(qū)主構(gòu)造線的方向，選用二維地質(zhì)剖面作為有限元數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的地質(zhì)模型，共劃分出12,513個(gè)三角形單元，6,434個(gè)節(jié)點(diǎn)。12種地質(zhì)體力學(xué)參數(shù)與物性參數(shù)的選取主要參考了中石化南方勘探開發(fā)分公司在龍門山地區(qū)及四川盆地開展的巖石力學(xué)參數(shù)與物性參數(shù)測(cè)試成果，以及巖石力學(xué)手冊(cè)中研究區(qū)附近的映秀灣水電站和四川“紅層”地層的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(葉金漢等，1991)(表2)。地質(zhì)構(gòu)造主要參考中石化CX-NW-03-167、CX-NW-03-161和CX-NW-05-26地震解釋剖面(金文正等，2007)。

依據(jù)2005年3月31日至2008年4月14日期間壩前水位變化資料，將相對(duì)于2005年3月31日基準(zhǔn)水位(海拔高度約754.5m)的水位變化，用分段直線加載函數(shù)在庫體處施加動(dòng)水頭邊界和動(dòng)荷載邊界 (圖3)。

圖3 水位變化分段直線加載方式①周斌，2010，水庫誘發(fā)地震時(shí)空演化及其機(jī)理研究，博士學(xué)位論文。Fig.3 Load-unloaded process in different period of reservoir water change.

圖4 是數(shù)值模擬2005年3月31日水庫開始蓄水，60d、570d、990d和1,140d后有效附加應(yīng)力(ΔCFS)水平分量和垂直分量的剖面圖。從圖4中可以看出，隨著水庫蓄水時(shí)間的延長(zhǎng)，孔隙壓擴(kuò)散對(duì)有效附加應(yīng)力場(chǎng)的影響可逐漸擴(kuò)大到地下10km以上的范圍。圖5為紫坪鋪水庫水位變化與各分區(qū)地震頻次統(tǒng)計(jì)。在4個(gè)典型的區(qū)域(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)有效附加應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)出不同的特征:

圖4 紫坪鋪水庫(位于Ⅰ區(qū)上方)蓄水不同階段有效附加應(yīng)力(ΔCFS)水平分量(左圖)與垂直分量(右圖)剖面圖①同674頁①。Fig.4 Distribution of additional effective stress field at different stages of impounding.a 60d后;b 570d后;c 990d后;d 1140d后

(1)Ⅰ區(qū)位于庫底正下方、通濟(jì)場(chǎng)滑脫斷裂面以上的區(qū)域，巖體破碎程度高，次級(jí)斷裂發(fā)育且與水庫有直接的水力聯(lián)系。該區(qū)地震活動(dòng)對(duì)庫水加卸載過程的時(shí)間響應(yīng)表現(xiàn)出伴隨著庫水位的高低變化，小震發(fā)生頻度呈同步變化的特點(diǎn)。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間以后，該區(qū)的水平向和垂向有效附加應(yīng)力分量逐漸由壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺垜?yīng)力狀態(tài)，該區(qū)可能會(huì)誘發(fā)新的微震活動(dòng)。

(2)Ⅱ區(qū)位于安縣－灌縣斷裂的上盤，發(fā)育三疊系須家河組陸相碎屑巖和雷口坡組—嘉陵江組膏巖，巖性軟弱，滲透條件差。ΔCFS(特別是其垂直分量)總體上在負(fù)值區(qū)間變化，庫體荷載作用對(duì)巖體和斷層的穩(wěn)定起到了決定性的作用，因而該區(qū)小震活動(dòng)非常之少。

圖5 紫坪鋪水庫水位變化與各分區(qū)地震頻次統(tǒng)計(jì)①同674頁① 。Fig.5 Relationship between the water level change and earthquake frequency in different areas.

(3)Ⅲ區(qū)位于安縣-灌縣斷裂與通濟(jì)場(chǎng)斷裂在地腹的交會(huì)區(qū)域，主要發(fā)育泥盆系—下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組海相碳酸鹽巖，巖性堅(jiān)硬，裂隙相對(duì)發(fā)育，滲透條件好。該區(qū)遠(yuǎn)離庫體覆蓋區(qū)，庫體荷載作用對(duì)斷層穩(wěn)定性的影響已不占主導(dǎo)地位。由于NW向張扭性斷裂的溝通使該區(qū)深部的斷裂與地表水體之間建立了良好的流體運(yùn)移通道。在2005年9月30日至2006年11月30日壩前水位高幅、快速上升時(shí)段，無論是有效附加應(yīng)力場(chǎng)的水平向分量還是垂向分量都快速地從壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺垜?yīng)力狀態(tài)，表明了附加水頭壓力擴(kuò)散對(duì)該區(qū)有較大的影響，該區(qū)小震活動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)象說明了孔隙壓力擴(kuò)散作用對(duì)該區(qū)誘發(fā)地震活動(dòng)的促進(jìn)作用。

(4)Ⅳ區(qū)位于廣元-大邑?cái)嗔押蜕畈吭財(cái)鄬咏粫?huì)的區(qū)域。由于該區(qū)距離庫底較遠(yuǎn)，在庫體荷載作用下產(chǎn)生的彈性附加應(yīng)力場(chǎng)本身很微弱，有效附加應(yīng)力場(chǎng)的變化主要受控于孔隙壓擴(kuò)散過程，在2008年2—4月期間，ΔCFS上升到0.1MPa左右，該區(qū)相繼發(fā)生了都江堰震群活動(dòng)，依此判斷該震群活動(dòng)可能與水庫蓄水有一定的關(guān)系。

隨著研究的深入，不同的作者也發(fā)現(xiàn)了地震應(yīng)力觸發(fā)模型存在許多問題，1989年Loma Prieta地震發(fā)生后，Beroza等(1993)的研究表明，余震大部分出現(xiàn)在主震產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力變化的影區(qū)中，即庫侖應(yīng)力變化為負(fù)的區(qū)域。萬永革等(2002)從全球角度出發(fā)，研究了不同類型斷層的靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)非走滑斷層地震具有明顯的觸發(fā)效應(yīng)，而走滑斷層地震觸發(fā)效應(yīng)不明顯。王凱英(2009)也得到相似的結(jié)果。Heaton(1982)的研究發(fā)現(xiàn)，潮汐應(yīng)力對(duì)淺源(＜30km)的傾滑型地震和斜滑型地震具有明顯的觸發(fā)作用，而對(duì)走滑型斷層沒有觸發(fā)作用。

有的作者還研究了影響計(jì)算結(jié)果的因素。王瓊等(2006)分析了不同震中定位精度對(duì)靜態(tài)庫侖應(yīng)力觸發(fā)的影響，得到了定位精度直接影響判定結(jié)果的結(jié)論，認(rèn)為選擇定位精度高的資料才能提高判定的客觀性和正確性。近年來，不少學(xué)者致力于更精確地確定地震斷層面參數(shù)的研究，如萬永革等(2008)研究了利用小震密集程度求解主震斷層面走向、傾角和位置，研發(fā)了根據(jù)小震位置確定斷層面走向、傾角和位置，以及根據(jù)局部應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)進(jìn)一步確定斷層上滑動(dòng)角的程序。并將所研究方法應(yīng)用到具有一定線性分布的叢集地震實(shí)際震例中，取得了較好的效果。石耀霖等(2010)也發(fā)現(xiàn)震后主應(yīng)力方向可能改變，對(duì)剪應(yīng)力變化量的計(jì)算結(jié)果有影響。

數(shù)值模擬可在地震預(yù)測(cè)研究的地震庫侖應(yīng)力變化分析中發(fā)揮重要作用。在建立三維動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，可模擬分析各種因素對(duì)庫侖應(yīng)力變化的大小和分布的影響，獲得更接近實(shí)際的結(jié)果。

3 地震發(fā)生概率模型建立

美國南加州地震中心發(fā)展了一個(gè)叫“主模型”的新概念，也可稱為地球巖石層的模型，希望能像氣象學(xué)家通過觀測(cè)氣壓、溫度、風(fēng)速等，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)一樣，使用“主模型”能夠依據(jù)各種地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算構(gòu)造應(yīng)力的時(shí)空分布，并以此來預(yù)測(cè)地震的發(fā)生。就目前的工作而言，南加州地震中心把建立區(qū)域地震預(yù)測(cè)概率模型(RELM-Regional Earthquake Likelihood Models)作為研究目標(biāo)?！爸髂Ｐ汀备拍畹淖饔檬亲鳛橐粋€(gè)框架來整合南加州地震研究的多學(xué)科資料，盡其所能給予科學(xué)家在創(chuàng)造性科學(xué)中的領(lǐng)導(dǎo)權(quán)，同時(shí)會(huì)給公眾帶來最好的結(jié)果(Aki，2002)。這一模型和工作方式值得中國地震研究工作借鑒。

地震預(yù)測(cè)概率模型是基于“彈性回跳理論”的有關(guān)物理模型(特征地震模型、準(zhǔn)周期模型、時(shí)間可預(yù)報(bào)模型等)，采用隨離逝時(shí)間增長(zhǎng)的發(fā)震概率和預(yù)測(cè)的震級(jí)共同描述斷裂段的地震危險(xiǎn)性，與現(xiàn)階段人們對(duì)地震復(fù)發(fā)機(jī)理的普遍理解一致，因此在國內(nèi)外都得到廣泛應(yīng)用(WGCEP，1995，2003;聞學(xué)澤，1990;張培震等，1996;聞學(xué)澤，1998;冉洪流等，2006;張效亮等，2009)。當(dāng)然，目前的地震預(yù)測(cè)概率模型仍然存在不少問題，需要不斷檢驗(yàn)和完善，而數(shù)據(jù)的不完備是進(jìn)行這些工作的最大難題。

應(yīng)用地震預(yù)測(cè)概率模型計(jì)算某一研究區(qū)的復(fù)發(fā)條件概率時(shí)，關(guān)鍵問題是平均復(fù)發(fā)間隔的確定精度(聞學(xué)澤，1990)。而解決這一問題的關(guān)鍵是資料的完備性，以往地震復(fù)發(fā)間隔的計(jì)算大都是基于活斷層地質(zhì)學(xué)定量資料，包括歷史地震資料、古地震、滑動(dòng)速率、GPS觀測(cè)結(jié)果等，然而，對(duì)于歷史地震資料缺乏和活斷層定量研究程度較低的地區(qū)，歷史地震資料大震記錄太少，一般不能完全反映出大震的復(fù)發(fā)規(guī)律，古地震事件的揭露往往具有不完整性，滑動(dòng)速率受野外地質(zhì)條件和測(cè)年精度的限制，GPS觀測(cè)資料時(shí)間太短或站點(diǎn)密度不夠。

為了解決大震統(tǒng)計(jì)樣本不足的問題，Ward(1996，1997，2000)利用計(jì)算機(jī)模擬合成加州地區(qū)5 000a的地震目錄。Ward(2000)在編制南加州斷層系統(tǒng)地震概率分布圖時(shí)，針對(duì)資料完備性的差異問題，分4類資料計(jì)算了4種結(jié)果，它們分別是完全基于形變測(cè)量、地質(zhì)調(diào)查、歷史地震和計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)計(jì)算的。計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)在地震概率分析中發(fā)揮了重要作用。周仕勇(2008)改進(jìn)了分析模型，也模擬了中國川西地區(qū)長(zhǎng)達(dá)10 000a的理論地震目錄，計(jì)算出了強(qiáng)震在各斷層間的轉(zhuǎn)移概率。

絕大多數(shù)構(gòu)造地震是沿著板塊邊界或者已經(jīng)存在的斷層發(fā)生的，一些地震可能是斷層上黏滑摩擦的不穩(wěn)定性的結(jié)果(Brace et al.，1966)。為了模擬斷層黏滑運(yùn)動(dòng)，Burridge等(1967)提出了模擬斷層滑動(dòng)的彈簧滑塊模型，隨后許多學(xué)者進(jìn)行了斷層黏滑現(xiàn)象的模擬研究，模擬結(jié)果可以用來討論和解釋黏滑過程和一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。洪漢凈(1994)認(rèn)為斷層摩擦阻力的大小不是決定因素，而具有較長(zhǎng)的勻阻段才是發(fā)生大震的首要條件。但是滑塊不是連續(xù)巖石體，滑塊本身不能變形等問題，難于與實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造類比。

近年來，細(xì)胞自動(dòng)機(jī)被許多學(xué)者用來計(jì)算人工合成地震目錄，取得了一些有意義的結(jié)果(Bak etal.，1989;張國民等，1995;劉桂萍等，1995;Liu etal.，1998;Shi et al.，1998;朱守彪等，2006)。但是到目前為止，細(xì)胞自動(dòng)機(jī)在模擬復(fù)雜的斷層系統(tǒng)，比如刻畫復(fù)雜的斷層結(jié)構(gòu)、復(fù)雜加載等方面，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

更加接近地質(zhì)過程的有限元分析可能是未來數(shù)值模擬地震活動(dòng)性的發(fā)展方向，特別是隨著超算系統(tǒng)、并行計(jì)算、多場(chǎng)耦合模擬技術(shù)的完善，復(fù)雜的地質(zhì)、地球物理過程的有限元模擬分析已經(jīng)成為可能。Xing等(2002，2004)利用有限元程序模擬了走滑型斷層系統(tǒng)活動(dòng)和走滑型地震的孕育、發(fā)生過程，取得了一些有意義的結(jié)果。朱守彪等(2008)模擬了2004年蘇門答臘地震所在俯沖帶上俯沖板片與上伏板塊之間的閉鎖、解鎖、滑動(dòng)到再閉鎖這一準(zhǔn)周期性過程。朱守彪等(2009)通過模擬2008年汶川MS8.0地震發(fā)生的動(dòng)力學(xué)過程，計(jì)算了龍門山斷裂帶地震的平均復(fù)發(fā)周期約為3 163a，與其他手段的研究結(jié)果比較一致。薛霆鳩等(2009)利用Ansys有限元軟件模擬了在斷層摩擦系數(shù)非均勻分布時(shí)，斷層黏滑運(yùn)動(dòng)的時(shí)空分布特征，分析了地震觸發(fā)、震中遷移、大震重復(fù)和斷層位錯(cuò)分段特征。

未來的發(fā)展方向應(yīng)該是建立更接近實(shí)際的三維動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)考慮熱、流體等的多場(chǎng)耦合作用，改進(jìn)硬軟件條件，縮短計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，獲取更完整的斷層運(yùn)動(dòng)信息，為建立地震預(yù)測(cè)概率模型服務(wù)。

4 結(jié)論與討論

巖石變形進(jìn)入彈性屈服階段以后，系統(tǒng)處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)將可能偏離正常的軌跡，變得復(fù)雜化。如果以區(qū)域運(yùn)動(dòng)背景為邊界條件，模擬區(qū)域內(nèi)部的構(gòu)造變形，在正常時(shí)期與觀測(cè)結(jié)果應(yīng)該是比較接近的，而當(dāng)局部地方處于孕震臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，其實(shí)測(cè)結(jié)果就有可能與模擬結(jié)果不協(xié)調(diào)，據(jù)此有可能為地震的中期至短期預(yù)測(cè)提供有價(jià)值的信息。研究結(jié)果顯示，在2006年7月4日文安5.1級(jí)地震前，華北地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬速度與GPS觀測(cè)運(yùn)動(dòng)速度大部分比較吻合，而在個(gè)別區(qū)域也存在一定差異，特別是在華北平原塊體的東北部，兩者表現(xiàn)出非常不協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，其原因可能與文安5.1級(jí)地震的孕育和發(fā)生有關(guān)。

庫侖應(yīng)力變化觸發(fā)地震是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。數(shù)值模擬可在地震預(yù)測(cè)研究的地震庫侖應(yīng)力變化分析中發(fā)揮重要作用。在建立三維動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，可模擬分析各種因素對(duì)庫侖應(yīng)力變化的大小和分布的影響，獲得更接近實(shí)際的結(jié)果。通過數(shù)值模擬四川紫坪鋪水庫蓄水庫侖應(yīng)力變化對(duì)地震活動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著水庫蓄水時(shí)間的延長(zhǎng)，孔隙壓擴(kuò)散對(duì)有效附加應(yīng)力場(chǎng)的影響可逐漸擴(kuò)大到地下10km以上的范圍。在幾個(gè)典型的區(qū)域有效附加應(yīng)力狀態(tài)和地震活動(dòng)表現(xiàn)出不同的特征。

美國南加州地震中心把建立區(qū)域地震預(yù)測(cè)概率模型作為研究目標(biāo)的工作方式值得中國地震研究工作借鑒。計(jì)算機(jī)模擬合成地震目錄是解決數(shù)據(jù)不足的有效方法。未來的發(fā)展方向應(yīng)該是建立更接近實(shí)際的三維動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)考慮熱、流體等的多場(chǎng)耦合作用，改進(jìn)硬軟件條件，縮短計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，獲取更完整的斷層運(yùn)動(dòng)信息，模擬斷層活動(dòng)的規(guī)律。

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PRELIM INARY STUDY ON APPLICATION OF NUMERICAL SIMULATION METHODS TO EARTHQUAKE PREDICTION RESEARCH(Ⅱ)

DENG Zhi-hui1)HU Meng-qian1)ZHOU Bin1)LU Yuan-zhong2)TAO Jing-ling1)MA Xiao-jing1)JIANG Hui1)LIHong1)
1)Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing 100085，China

With the advances in simulation techniques and understanding of geodynamic processes，numerical simulation is likely to play an increasingly important role in the research of seismic hazard analysis and earthquake prediction.In this paper，on the basis of the paper“A preliminary study on the application of numerical simulation methods to earthquake prediction research(Ⅰ)”，the possible application of uncoordinated deformation analysis，Coulomb stress changes and earthquake probability modeling to the study of earthquake prediction is further discussed.

When rock deforms from the elastic into the yield stage，the system is in a critical unstable state，the rockmovementmay deviate from the normal track and become complicated.The study results show that，before Wenan earthquake(MS5.1)on July 4，2006，GPS velocity was well consistent with the numerical simulation speed in most areas of North China，while there were some differences in some regions，especially in the northeast of the North China Plain block，where big inconsistency in movement characteristics occurred，resulting perhaps from the preparation ofWenan earthquake.

Research on earthquakes triggered by Coulomb stress change is a focus problem now.Numerical simulationmay play an important role in the analysis of Coulomb stress changes.By constructing threedimensional dynamic model，the effect of various factors on the value and distribution of Coulomb stress change can be simulated，and more realistic results can be obtained.By numerical simulation of Coulomb stress changes to seismic activities beneath Sichuan Zipingpu reservoirs，it is found thatwith the increase of reservoirwater storage time，the pore pressure diffusion in the effective additional stress field will be gradually expanded to the range ofmore than 10km underground.The regional effective additional stress field and seismic activities show different characteristics in several typical regions.

The United States Southern California Earthquake Center has tried to study the earthquake probability as research objectives.It isworthy of referencing in China's earthquake research.Computer simulation of synthetic earthquake catalog is an effective way to solve the lack of data.The future direction of development should be a more realistic three-dimensional dynamic model，taking into account the multi-field coupling between heat，fluid and etc.，improving hardware and software conditions and shortening the calculation time step，obtaining more complete information on fault movement，and simulating the fault activities.

earthquake prediction，numerical simulation，Coulomb stress，earthquake probability modeling，uncoordinated deformation

P315.61

A

0253-4967(2011)03-0670-14

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.03.016

2011-06-01收稿，2011-08-22改回。

中國地震局地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(IGCEA1001)和國家自然科學(xué)基金(40841016、40372131、40702056)共同資助。

鄧志輝，男，1962年生，1992年在國家地震局地質(zhì)研究所獲得大地構(gòu)造物理專業(yè)博士學(xué)位，研究員，現(xiàn)主要研究方向?yàn)闃?gòu)造物理、地震預(yù)測(cè)方法研究，電話0106-2009089，E-mail:deng 6789@163.com。