三维激光扫描技术与断层面形貌量化分析在基岩区古地震研究中的应用

由于对第四纪地层的严重依赖,传统古地震探槽研究方法在基岩区难以发挥作用,导致无法获取基岩区断层的强震活动历史。本研究以山西地堑系的交城断裂为目标断裂,以断裂北段2处基岩断层面为研究对象,通过三维激光扫描技术获取基岩断层面高精度形貌,基于变差函数法结合滑动窗口操作量化断层表面形貌特征,开展在基岩区提取断裂古地震信息的实例研究。结果显示,2处基岩断层面的形貌在高度上具有明显的分段特征,指示了断层面在地震事件作用下的分段出露过程。这种断层面形貌分段特征可以用来识别古地震事件和同震位移量。在思西村基岩断层面上,识别出由老到新的3次古地震事件,同震倾滑位移量依次为2.0 m、1.9 m和2.3 m,在上兰镇基岩断层面上,识别出由老到新的3次古地震事件,同震倾滑位移量依次为1.4 m、2.5 m和2.0 m,指示了交城断裂北、中段具有产生同震位移量大于2 m、震级大于7.5级的破裂型地震的能力。上述研究成果表明,基于三维激光扫描和形貌量化分析方法开展基岩断层面古地震研究,可以准确而高效地识别古地震事件次数和同震位移量,扩展古地震的研究对象,拓宽古地震的研究空间。在未来的研究中,可以适时地开展宇宙成因核素测年以测定断层面的暴露年龄,获得发震年代,给予地震序列年龄框架。     

小型无人机(sUAV)在基岩区古地震研究选点中的应用

随着断层面形貌测量、宇宙成因核素测年等技术的发展,基岩断层面成为在基岩区古地震研究的良好研究对象。但是,受沟谷侵蚀、沉积覆盖和人为改造等非构造因素影响,并非所有出露的基岩断层面都能完整记录和保存古地震信息。因此,必须在基岩断层面上选择合适的研究点。传统的野外测量方法耗时费力,难以掌握基岩断层面的整体信息,即使通过高分辨率卫星影像也无法获得基岩断层面的精细结构。小型无人机航测(sUAV)采用低空摄影测量技术,可快速获取基岩断层面高精度的地表三维结构,为筛选目标工作点提供便利。文中以山西地堑系六棱山北麓断裂的马家窑基岩断坎为例,采用小型无人机航测结合SfM摄影测量技术,获得了基岩断层面的高精度三维地形数据,通过精细地貌解译和断层坎剖面分析识别了沿断层坎分布的崩塌破坏、沉积埋藏和侵蚀剥露等非构造因素,分析了侵蚀、埋藏和构造这3种典型的基岩断层面的形态特征,选取了适合开展古地震研究的基岩断层面点,展现了小型无人机在基岩区古地震研究工作中发挥的重要应用潜力。     

利用基岩断层面形貌定量特征识别古地震——以霍山山前断裂为例

基岩断层面形貌特征的定量分析方法是研究断层活动历史和识别古地震的有效手段,是对探槽技术的有力补充,可以弥补在基岩区开展古地震研究技术手段的严重不足。文中以山西霍山山前断裂上的断层面(崖)为例,采用各向同性变差函数法计算了断层面形貌的2D分维值,并通过沿断层走向逐条平均的方式获得了2D分维值在断层倾向上的分布特征,结果显示断层面形貌在倾向上具有显著的分带性特征,由此获得的每个分带的特征分维值随断层面高度的增加呈阶跃式增加。这种断层面形貌在倾向上的显著分带性特征、特征分维值的阶跃式增加反映了断层面的出露方式不是渐进式,而是不连续的间歇式;这种间歇式分带性出露方式与断层的周期性地震活动相关,每个分带的特征值与每个分带的出露时间相关,即与地震发生时间相关。因此:1)可以通过每一个断层面分带的特征分维值估计该分带出露的时间;2)断层面分带的宽度可以用来估计每次破裂地震的同震位移量。霍山山前断裂带上3个基岩断层面形貌分带揭示出3次地震事件;3个2D特征分维值不仅显示3个分带自上而下由老变新的阶跃特征,而且3个阶跃之间大致相等的特征分维值差显示了3次地震发生间隔是大致相等的;断层面分带的宽度反映出破裂地震的倾向同震位移量大约为3.5m。此外,在阶跃式分带之间还存在宽0.5~1m的较窄分带,这些窄分带的特征分维值是随断层面高度增加而逐渐增大的,显示在间震期基岩断层面被逐渐剥露的特征。     

地下地质结构对地震波传播的影响

通过超声地震模型试验,从能量角度研究地下地质结构(这里主要研究埋藏基岩断层及埋藏基岩面形态)对地震波传播的影响(以北京凹陷为例),同时还讨论了覆盖层对地震波传播的影响.研究表明,埋藏基岩断层的存在改变了地震波的频谱、持续时间及能量分布特征;埋藏基岩地形对地震波传播的影响表现为两方面:一是基岩面高低起伏造成接收从同一震源发射的地震波能量大小不一样:二是埋藏基岩面对地震波产生汇聚与发散作用.这两者共同作用的结果改变了地震能量分布特征.覆盖层对地震波具有吸收与放大双重作用.文中提出了用能量表征地震动强度的初步思想,并与用最大振幅表征地震动强度作了比较,结果表明前者比后者能更好地反映地下地质结构的影响.      

可可托海—二台断层陡坎的坡角变化、年龄和大地震重复时间间隔

本文通过研究沿新疆可可托海—二台断层1931年发生地震时所形成的断层陡坎和以前古地震形成的基岩断层坡角的陡坡变化,探讨了位于山坡上的地震断层陡坎与形成年代之间的关系,并进一步讨论了该断层上大震重复发生的时间间隔。 断层陡坎按其构成物质可分为松散碎屑的和基岩的两类。松散碎屑陡坎的平均剥蚀速率为0.19°/年;基岩陡坎的平均剥蚀速率为0.036°/年。对于松散碎屑陡坎来说,逆向陡坎(其倾向与山坡倾向相反)比顺向陡坎(其倾向同山坡倾向)较易保存,前者为 200多年,后者为60—70年。 根据基岩陡坎脊部受剥蚀的两种坡度,求得1931年以前两次古地震的年代分别为公元1264年和公元681年。最后求得该断层大震重复发生的平均时间间隔为625年。     

安徽霍山地区断层活动习性研究的新进展

通过霍山地区地震地质调查和研究，发现晚第四纪以来该地区丰富的构造变形现象：盆地边缘断裂构成断层三角面；隆起区发育一系列的北东向断裂，含断层泥；盆地内中更新统中发现多期变形遗迹，共同显示晚第四纪以来构造变形的继承性和统一性.文中结合各观测点变形物质的微观、超微观变形分析和断错物质系统测龄结果分析，对研究区构造新活动期次、断层滑移特性、古地震事件等进行了有意义的探讨.结果表明，该区断裂在晚第四纪曾有过多期粘滑活动.最后结合地震层析成像等深部探测成果对研究区地震的深部介质条件进行了讨论.     

隐伏逆断层破裂扩展特征的实验研究及其地震地质意义

通过模拟实验研究了逆断层活动过程中上覆沉积层的破裂扩展特征,采用投影条纹测试方法分析了沉积层表面离面(即垂直)位移场的演化过程。结果表明,在沉积层厚度和断层倾角一定的条件下,基岩中的逆断层逐渐向上扩展,并在沉积层表面围绕基岩断层上断点的投影线形成一个离面位移梯度带(即形变带),基岩断层的位移越大,沉积层中的形变带越宽、变形越强烈;但当断层扩展至沉积层表面后,形变带宽度将保持稳定,只是变形随断层位移增加而更集中。对于同样的基岩断层位移和断层倾角,沉积层厚度越大,受基岩断层控制的形变带越宽,即基岩断层的影响范围越大;当沉积层厚度超过某一临界值时,沉积层中会发育因隆起引起的表面拉张破裂。在沉积层厚度和基岩断层位移量一定的情况下,基岩断层倾角的增加将会使表面形变带的宽度减小,但会使变形破坏程度更强烈。实验结果意味着,临界断层位移、临界沉积层厚度以及断层倾角对于确定隐伏逆断层发震产生的地表变形和破坏特征具有重要意义。文中的研究结果有助于进一步认识汶川MS8.0地震的地表变形特征     

地震断层错动时基岩上覆土层中软夹层的影响研究

地壳内断层的突然破裂错动产生的强烈地震引发基岩上部土层运动、开裂,地表变形与破裂.当地面破裂穿过建筑物地基、地面构筑物或地下管线时会直接造成严重破坏.研究发震断层上覆土层的地震反应能帮助我们了解实际工程场地的地震危险性以及建筑物、构筑物和其他工程地震失效的机理与原因,为进一步分析穿跨越断层工程结构在断层错动时的反应打下基础.另外,断层运动引起的土层反应与土体震陷产生的不均匀沉陷、大地构造性上升或下陷、土体的侧向扩散等有许多相似之处,这方面的研究可以为其他土体运动形式的研究提供参考.     

天山古地震遗迹

近年来,在我国天山境内发现了许多古地震遗迹(图1),现就几个古地震剖面介绍如下: 1.莫会察汗沟口古地震断层陡坎在和靖县城以西,焉耆盆地的西北隅的莫会察汗沟口西侧(拔海约1800米),发育着三条大致平行的古地震断层陡坎。每条之间相距200—300米,延伸约2公里,由一系列呈雁行     

跨断层形变观测显示的断裂活动特征分析研究

系统分析了全国不同地区和断裂带的活动特征及其与地质构造和强震的关系,着重从逆断层、正断层和基岩标、土层标两方面讨论了断层活动速率。研究结果表明:断层形变活动速率的大小和方向与形变场地所处的地质构造位置有关;断层现今垂直和水平运动既具继承性也具有一定的新生性,既具阶段性又具有时空差异性;断裂活动与地震活动在时空上具有一致性;断层活动水平形变量大于垂直形变量;正断层的活动水平较逆断层高,它们对监测地震孕育过程引起的断层活动都是有效的,没有本质上的区别;土层标石场地的垂直和水平形变平均活动速率均比基岩标石场地的高,但两者均可监测到地震前兆异常。     

IDENTIFICATION OF PALEO-EARTHQUAKES OF LUOYUNSHAN PIEDMONT FAULT BY QUANTITATIVE MORPHOLOGY OF LIMESTONE FAULT SURFACES

The quantitative analysis of morphologic characteristics of bedrock fault surface is a useful approach to study faulting history and identify paleo-earthquake. It is an effective complement to trenching technique, specially to identifying paleo-earthquakes in a bedrock area where the trenching technique cannot be applied. This paper focuses on the Luoyunshan piedmont fault, which is an active normal fault extending along the eastern boundary of the Shanxi Graben, China. There are a lot of fault scarps along the fault zone, which supply plentiful samples to be selected to our research, that is, to study faulting history and identify paleo-earthquakes in bedrock area by the quantitative analysis of morphologic characteristics of fault surfaces. In this paper, we calculate the 2D fractal dimension of two bedrock fault surfaces on the Luoyunshan piedmont fault in the Shanxi Graben, China using the isotropic empirical variance function, which is a popular method in fractal geometry. Results indicate that the fractal dimension varies systematically with height above the base of the fault surface exposures, indicating segmentation of the fault surface morphology. The 2D fractal dimension on a fault surface shows a ‘stair-like’ vertical segmentation, which is consistent with the weathering band and suggests that those fault surfaces are outcropped due to periodic faulting earthquakes. However, compared to the results of gneiss obtained by the former researchers, the characteristic fractal value of limestone shows an opposite evolution trend. 1)The paleo-earthquake study of the bedrock fault surface can be used as a supplementary method to study the activity history of faults in specific geomorphological regions. It can be used to fill the gaps in the exploration of the paleo-earthquake method in the bedrock area, and then broaden the study of active faults in space and scope. The quantitative analysis of bedrock fault surface morphology is an effective method to study faulting history and identify paleo-earthquake. The quantitative feature analysis method of the bedrock fault surface is a cost-effective method for the study of paleo-earthquakes in the bedrock fault surface. The number of weathered bands and band height can be identified by the segment number and segment height of the characteristic fractal dimension, and then the paleoearthquake events and the co-seismic displacement can be determined; 2)The exposure of the fault surface of the Luoyunshan bedrock is affected and controlled by both fault activity and erosion. A strong fault activity(ruptured earthquake)forms a segment of fault surface which is equivalent to the vertical co-seismic displacement of the earthquake. After the segment is cropped out, it suffers from the same effect of weathering and erosion, and thus this segment has approximately the same fractal dimension. Multiple severe fault activities(ruptured earthquake)form multiple fault surface topography. The long-term erosion under weak hydrodynamic conditions at the base of the fault cliff between two adjacent fault activities(intermittent period)will form a gradual slow-connect region where the fractal dimension gradually changes with the height of the fault surface. Based on the segmentation of quantitative morphology of the two fault surfaces on the Luoyunshan piedmont fault, we identified four earthquake events. Two sets of co-seismic displacement of about 3m and 1m on the fault are obtained; 3)The relationship between the fault surface morphology parameters and the time is described as follows:The fractal dimension of the limestone area decreases with the increase of the exposure time, which reflects the gradual smoothing characteristics after exposed. The phenomenon is opposite to the evolution of the geological features of gneiss faults acquired by the predecessors on the Huoshan piedmont fault; 4)Lithology plays an important role in morphology evolution of fault surface and the two opposite evolution trends of the characteristic fractal value on limestone and gneiss show that the weathering mechanism of limestone is different from that of the gneiss.     

青藏高原北缘三危山断裂东北段的古地震事件

三危山断裂位于青藏高原北缘,为阿尔金断裂带的一条重要分支,研究其晚更新世以来的活动特征,可为全面地把握青藏高原北缘的地震活动规律提供基础资料。在对三危山断裂东北段(十工口子西-双塔)进行遥感资料解译、野外地质地貌调查和探槽开挖,并分析探槽内揭露的断层、地层和楔状堆积三者之间关系的基础上,结合相关堆积物的光释光断代研究,最终利用逐次限定法分析了古地震事件发生的年代。研究发现该断裂段上晚更新世以来发生了3次古地震事件:距今最远的一次事件E1发生在约5.3万年前,接近5.3万年;第二次事件E2发生于距今约4万年之前,5.3万年之后,更接近4万年;最近的一次事件E3发生于距今7.42—2.47ka。由于晚更新世以来探槽开挖地点地层沉积的不连续,或地层沉积之后发生的侵蚀作用,导致探槽内揭露出的古地震事件存在严重缺失。但可以确定的是,在晚更新世中晚期和全新世,三危山断裂东北段上确有破裂地表的古地震事件发生。     

镇江地区主要NW向断裂的第四纪活动性

五峰山-西来桥断裂和丹徒-建山断裂是镇江地区2条主要的NW向断裂,可能与镇江多次破坏性地震相关。文中通过浅层地震勘探和钻孔联合剖面探测方法,对五峰山-西来桥断裂和丹徒-建山断裂的展布特征及第四纪活动性进行了系统研究。五峰山-西来桥断裂在浅层地震剖面上倾向NE,倾角约为60°,断距约为5~9m,以正断活动为主;大路镇场地上,该断裂断错的最新地层为中更新统底部,位错量为2m,判断五峰山-西来桥断裂的最新活动时代为中更新世早期。丹徒-建山断裂在浅层地震剖面上倾向SW,倾角约为50°~55°,断距约为2~7m,以正断活动为主;访仙镇场地上,中更新统之上的地层没有被断错的迹象,中更新统底部可能被断层影响,判断丹徒-建山断裂的最新活动时代为早更新世—中更新世早期。     

埋藏基岩断裂对地震波动影响的超声模拟研究

地球表层的地质构造对地震波动有不容忽视的影响，研究其规律，对于探查地壳结构乃至了解地球表层动力学特征具有重要意义。应用超声模拟方法，从基岩断裂对波传播和波场分布的影响以及基岩断裂倾向对地表地震动频率的影响三个方面研究了埋藏基岩断裂对地震波动的影响，揭示了一系列现象和规律。     

郯庐断裂南段走滑和伸展断裂的深部结构及位置关系

郯庐断裂带是亚洲东部著名的断裂活动带,经过多年的研究,取得了一系列重要成果,但涉及断裂带内部精细结构、走滑与伸展断裂体系的研究成果较少.本文以其中的嘉山-庐江段为对象,依据高精度大地电磁（EMAP）和人工地震剖面及航磁异常资料,剖析了断裂带内部精细结构,明确了伸展和走滑断裂体系组成和平面位置,认为该段由多条主干断裂组成,具有断裂属性横向分区的特征：以池河-太湖断裂为界,东侧主要发育池河-太湖(隐伏)、嘉山-庐江和古河-散兵等断裂,组成正花状构造样式,主要呈现压剪性走滑活动特征;西侧主要发育五河-合肥、石门山和池河-太湖（浅部）等断裂,呈现半地堑结构,其中2条断裂往南伸入合肥盆地而消失,只有池河-太湖断裂继续南延为合肥盆地的东部边界,主要呈现伸展活动特征.本文提出的断裂带横向分区等认识,既融合了前人有关“裂谷论”和“平移论” 的重要成果,又弥合了二者的认识分歧,为今后精细研究郯庐断裂带提供了一条新思路.     

基岩区断层活动特征和时间的研究——以康定-磨西断裂段为例

为了探讨基岩裸露区断层的活动特征、期次和时间,在鲜水河断裂带东南段的康定-磨西断裂段采集了一系列断层岩和断层泥样品,运用TL、ESR、K-Ar、石英形貌分析和变形显微构造分析法进行了综合测试。结果表明,断裂段经历了多种机制(韧性剪切和脆性断裂)、多期次、多种运动方式(左旋和右旋)的活动,最新一次较强烈活动的下限时间是晚更新世末或全新世初     

青藏高原北部活动地块内部的活断层定量资料

文中定义了祁连山活动地块的边界,列表给出了近十几年来在青藏高原北部活动地块内部的活断层定量资料。其内容主要包括:活断层的编号、名称、产状、主要的地质地貌标志、活动年代、断层分段、断层滑动速率、古地震及其年代、地震破裂带的主要特征等。这些资料表明:青藏高原北部活动地块的8级大地震集中在它的边界活断层上,断层的滑动速率都在5~12mm/a左右;7级左右的地震发生在其内部规模较小的断层上,断层的滑动速率都在1~3mm/a左右;青藏高原北部活动地块内部的活断层,可以将该活动地块划分为几个次级地块,这些次级活动地块以变形为主,没有发生旋转;我们的结果支持青藏高原"连续变形"的假说