汶川Ms8.0地震后龙门山断裂带地壳应力场及其构造意义

2008年5月12日在青藏高原东缘龙门山断裂带中段发生汶川8.0级特大地震。大震发生时释放应力并对震源区及外围构造应力场产生影响,受汶川地震断层破裂方式和强度空间差异性的影响,震后龙门山断裂带地壳应力场也应表现差异特征,至今鲜有针对该科学问题深入的分析和讨论。经过系统收集、梳理汶川地震后沿龙门山断裂带水压致裂地应力测量数据与2008年汶川地震中强余震序列震源机制解资料,对汶川地震后龙门山断裂带中上地壳构造应力场进行厘定,通过与震前构造应力场对比,深入探讨了汶川8.0级地震对龙门山断裂带地壳应力场的影响,进而对汶川震后应力调整过程及青藏高原东缘龙门山地区深部构造变形模式进行研究,研究结果表明:受汶川8.0级地震的影响,震后龙门山断裂带地壳构造应力场空间分布具有差异性,近地表至上地壳15 km深度范围,映秀—青川段最大主应力方向为北西西向、地应力状态为逆走滑型,青川东北部最大主应力方向偏转至北东东向、应力状态转变为走滑型;15~25km深度范围,龙门山断裂带最大主应力方向仍为北西—北西西向、应力状态以逆冲型为主。汶川8.0级地震后,龙门山断裂带中地壳北西西向逆冲挤压的构造应力特征进一步支持了青藏高原东缘龙门山地区东西两侧刚性块体碰撞挤压、逆冲推覆的动力学模式。     

山东蓬莱近海岸的地应力状态及断层稳定性评价

为查明蓬莱近海岸的地应力状态,开展了2个钻孔（深度小于200m）的水压致裂地应力测量工作,并与长岛附近海域3个钻孔的地应力状态进行了对比,采用回归分析方法,分析了该地区地应力随深度变化的特征,结合最大剪应力与平均主应力之比（μ_m）和侧压力系数（K'）探讨了研究区的断层稳定性。结果表明:蓬莱近海岸和长岛海域的地应力状态基本一致,最大水平主应力方向主要表现为北东东至东西向,这与华北的区域应力场相一致;水平应力的梯度大于环渤海圈的平均地应力梯度;研究区浅部三向主应力相对大小以S_H > S_h > S_v为主,这有利于逆断层的活动;研究区K'值和μ_m值均较高,分布区间分别为:2.76~3.98和0.47~0.59;陆区断层与区域应力方向均以较大角度相交,处于稳定的状态;海域的北西西向和北东向断层与区域应力场的方向夹角较小,如果区域应力持续增强,将有利于走滑断层的活动,这与震源机制以走滑型地震为主相符。研究结果对研究区内断层稳定性的评价和重大工程的设计及施工都具有重要参考意义。      

汶川地震前后龙门山地区区域构造应力场演化的数值模拟

以龙门山地区为研究对象,采用数值模拟方法,通过模拟强震发生前后以及发生时的构造应力场特征,得到了龙门山地区构造应力场变化规律。结果表明,龙门山地区在汶川地震到地震时到地震后的最大主应力和剪应力的数值和方向均发生了改变,最大主应力方向整体上由NEE变为SEE,但在不同地区这种变化表现有所差异。剪应力在震前和震时均有局部区域出现了集中,特别是在映秀附近; 但在地震后,区域内剪应力相对均匀分布,而且与地震前相比,剪应力在龙门山前山断裂和龙门山中央断裂分布的值明显减小,在后山断裂附近分布的剪应力数值增大。同时地震后剪应力在龙门山中央断裂上集中的区域逐渐向东北方向移动。应力场变化规律与地震时的地表形变规律和震后余震的分布规律一致。     

基于发震断裂位移的汶川地震区地应力场突变特征反演分析

本文采用数值反演分析方法,综合考虑发震断裂位移、地应力实测和区域GPS位移3种基本特征参数,获得了龙门山地区汶川地震前后地应力的突变特征与变化规律。研究表明,汶川地震前龙门山地区构造应力的平均量值为12.6～12.8MPa,最大主应力的方向为NW-NEE向。汶川地震导致龙门山地区的地应力发生复杂变化,具有突变效应、上下盘效应和距离效应。震后发震断层上盘的构造应力平均值为11.30MPa,下盘构造应力的平均值为6.50MPa,最大主应力的方向变化为NWW到NEE向。地震后以发震断裂为界的地应力有明显的突变特征,表现为应力不同程度的释放或局部增高,尤其是下盘地应力释放明显,而上盘既有地应力的释放区也有局部地应力增高区,随着距发震断裂距离的增大,地应力的突变效应逐渐减弱。     

渤海海峡跨海通道工程区海域三维地应力测试

跨渤海通道海域缺乏实测地应力基础数据,而海域钻探原位实测又承担着巨大风险与重重困难,为取得工程区现今地应力场特征第一手资料,利用以水压致裂地应力测量为主,以空心包体、非弹性应变恢复、差应变、声波各向异性法为辅的综合地应力测量技术,对研究区海域开展三维地应力测试与研究,建立了线性回归方程,得到了回归拟合曲线。结果表明,渤海海峡最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h与垂直主应力σ_v均随测试深度的增加呈线性增大规律;海峡南部地应力状态存在σ_H>σ_h>σ_v的关系,处于逆冲应力状态,应力场方向为NE,最大水平主应力大于垂直主应力,区域内构造力处于主导地位;海峡北部应力状态为σ_H>σ_v>σ_h,有利于走滑断层活动,应力场方向为NE,区域内构造力处于主导地位;整个工程区内地应力各分量值之间相差不大,远远小于区内断层活动应力值的下限,表明研究区目前处于稳定状态。研究结果符合一般地应力测...     

原位地应力测量与实时监测在地震预报研究中的作用和意义

当2013年4月20日四川芦山Ms 7.0级大地震发生时,中国科学家已不再像2008年汶川Ms 8.0大地震发生时那样茫然和不知所措。其根本原因在于,2008年汶川大地震发生后,龙门山地区开展了大量的科学研究工作,已超前初步认知龙门山断裂带西南端具有潜在地震危险性,特别是原位地应力测量和实时监测已发现绝对地应力大小高值异常和相对地应力大小临震异常变化。论文简要介绍了地震预报国际主流观点与认识,梳理了地应力在地震预报研究中的作用和认识,探讨了2004 Parkfield earthquake钻孔应变监测结果给予的启示,详细介绍了原位地应力测量与实时监测在地震预报研究中应用的实践与探索。实践证明:地震预报是值得探索和研究的,原位地应力测量与实时监测是地震预报的有效方法之一。      

南迦巴瓦地区地应力场估算与构造稳定性探讨

南迦巴瓦地区是喜马拉雅东构造结新构造活动最为强烈的区域, 晚第四纪活动断裂发育, 地震活动强烈, 嘉黎断裂带、东久-米林断裂带及墨脱断裂带等活动断裂构造稳定性直接影响该地区工程规划建设。地应力是区域构造稳定性评价的关键性参数, 当前, 关于南迦巴瓦地区地应力场研究成果相对缺乏, 难以满足交通廊道地质安全风险评价实际需求。基于震源机制解数据, 采用应力张量反演方法, 揭示南迦巴瓦地区构造应力场最大主应力方向; 依据断层滑动失稳临界地应力条件, 联合应力形因子和断层摩擦系数反演, 估算南迦巴瓦周边不同区域地应力绝对大小。结果表明: 南迦巴瓦地区现今地应力场最大主应力方向为北东至北北东向; 最大、最小水平主应力大小随深度线性增加梯度分别为0.032~0.0355 MPa/m、0.0227~0.0236 MPa/m, 存在非均匀特征, 估测结果与原位地应力实测值一致性较好; 在当前地应力环境下, 南迦巴瓦周边地区主要活动断裂局部段落存在较大的地震危险性。研究成果可为南迦巴瓦地区工程规划建设提供参考。      

青海格尔木-五道梁地区现今地应力测量结果及其构造分析

本文给出了格尔木一五道梁地区近年地应力测量的结果，并据此进行了构造分析。实测结果表明：最大主应力的方向总体上与区域构造应力场的方向基本一致，呈NE向，局部地区主应力的方向受局部断裂的影响而不同于区域应力场的方向。在地震前后，主应力的大小和方向均发生变化。在震后，昆仑山断裂带附近地应力数值降低约三分之二。     

汶川、芦山地震前龙门山断裂带地壳形变特征对比分析

为研究2008年汶川地震和2013年芦山地震前地壳形变特征,本文利用1999—2015年四期GPS速度场和1990—2017年跨断层短水准资料,对跨断层GPS速度剖面、GPS应变率场、断层闭锁程度和滑动亏损、跨断层年均垂直变化速率等进行了分析讨论,总结了汶川和芦山地震前后龙门山断裂带三维地壳变形演化特征。结果表明,汶川地震前龙门山断裂带中、北段处于强闭锁状态、断层面应力应变积累水平很高,而龙门山断裂带西南段闭锁较弱、变形速率明显高于中北段、依然可以积累应力应变,汶川地震震源位于闭锁相对弱的部位,这可能是导致汶川地震自初始破裂点沿龙门山断裂带向北东方向单侧破裂,而震中西南方向断层并没有发生破裂的原因之一。汶川地震的发生引起龙门山断裂带西南段应力应变积累速率加快、断层闭锁程度增强、闭锁面积增大,这在一定程度上促进了芦山地震的发生,而芦山地震震源位于汶川地震前强闭锁和弱闭锁的高梯度过渡部位。因为芦山地震只释放了龙门山断裂带西南段有限的应变能,并没有显著缓解该段的地震危险性,所以汶川和芦山地震之间的地震空段以及芦山地震西南方向的地震空段,依然需要持续关注。此外,本文还收集和对比分析了多次6～9级地震前地壳变形特征,同样显示地震成核于闭锁高梯度带区域而非完全闭锁区域内部,并且随着震级升高闭锁断层面的长度也在增大,这一现象还需在高分辨率形变数据的帮助下进行深入研究和分析。     

安徽金寨沙坪沟矿区地应力测量与现今应力场研究

安徽金寨沙坪沟钼矿位于秦岭—大别山成矿带东段,是近年来我国发现的世界级特大钼矿,其开采设计和地质安全评价备受重视。为了查明沙坪沟矿区现今应力场特征,指导矿区开采设计,在矿区3个700~1000 m深钻孔中开展了水压致裂法地应力测量工作,测量结果表明:(a)矿区最大、最小水平主应力随深度增加梯度系数分别为0.0226和0.0166,与区域地应力背景值基本一致;(b)矿区实测最大水平主应力优势方位为NE-NEE向,与区域构造应力场方向一致;(c)实测地应力数据揭示的应力结构与区域结果存在差异,分析认为,沙坪沟矿区所在的桐柏—大别构造带特殊的构造位置和构造活动机制可能是造成这种差异的主要原因。进一步,利用库伦滑动摩擦准则评价了实测地应力数据,探讨了其对矿区开采设计的意义,结果表明,矿区现今地应力强度不足以导致以断裂失稳活动或地震为表现形式的地应力状态调整事件的发生,从地应力角度讲,沙坪沟矿区目前总体处于稳定的构造应力环境。本文结果,对于沙坪沟矿区开采设计、地质安全评价及大别山造山带东段构造应力场研究有重要意义。     

Reexamining the Seismological Implications of the Present-day Stress State of the Yingxiu-Beichuan Fault after the Wenchuan Earthquake

The present-day stress state of the Yingxiu-Beichuan fault after the Wenchuan earthquake was re-estimated using measured in-situ stress data obtained after the Wenchuan earthquake. The results reveal that the gradient coefficients of principal stresses versus depth decrease from south to north along the Yingxiu-Beichuan fault, revealing that the stress level decreases from south to north. The consistency between the present-day stress levels and surface ruptures generated during the earthquake indicates that the accumulated tectonic stress beneath the Yingxiu-Beichuan fault before the Wenchuan earthquake was relieved in form of surface ruptures. This resulted in the stress remaining high in the southern section of the Yingxiu-Beichuan fault but relatively low in the northern section. Abnormal high pore pressure conditions and an extremely low frictional coefficient play important role in the interpretation of the stress field adjustment and seismic events observed after the Wenchuan earthquake along this fault, according to the estimation results using the Coulomb frictional-failure theory incorporating frictional coefficients ranging from 0.4 to 1.0. To accurately estimate the seismological hazard of the Yingxiu-Beichuan fault by analyzing fault instability using the Coulomb frictional-failure theory, much attention should be focused on the pore pressure conditions and the evolution state of the frictional coefficient under the present-day stress state.     

Piezomagnetic In-situ Stress Monitoring and its Application in the Longmenshan Fault Zone

The relative change of in-situ stress is an inevitable outcome of differential movement among the crust plates. Conversely, changes of in-situ stress can also lead to deformation and instability of crustal rock mass, trigger activity of faults, and induce earthquakes. Hence, monitoring real-time change of in-situ stress is of great significance. Piezomagnetic in-situ stress monitoring has good and longtime applications in large engineering constructions and geoscience study fields in China. In this paper, the new piezomagnetic in-situ stress monitoring system is introduced and it not only has overall improvements in measuring cell＇s structure and property, stressing and orienting way, but also enhances integration and intelligence of control and data transmission system, in general, which greatly promotes installing efficiency of measuring probe and quality of monitoring data. This paper also discusses the responses of new piezomagnetic system in large earthquake events of in-situ stress monitoring station at Qiaoqi of Baoxing and Wenxian of Gansu. The monitoring data reflect adjustments and changes of tectonic stress field at the southwestern segment of and the northern area near the Longmenshan fault zone, which shows that the new system has a good performance and application prospect in the geoscience field. Data of the Qiaoqi stress-monitoring station manifest that the Lushan Earthquake did not release stress of the southwestern segment of the Longmenshan fault zone adequately and there still probably exists seismic risk in this region in the future. Combined with absolute in-situ stress measurement, carrying out long-term in-situ stress monitoring in typical tectonic position of important regions is of great importance for researchers to assess and study regional crust stability.     

基于GPS速度场的四川地区1999～2018年应变场特征演化分析

基于1999～2018年GPS水平运动速度场数据,解算并分析了四川“Y”形构造区各周期网格速度场、地壳应变率场,并讨论了近20年尺度的地壳应变场演化过程。研究表明：1）2008年汶川地震前1999～2007期GPS速度场相对稳定,整体“Y”型构造区地壳运动变化不大,但汶川地震后龙门山断裂带发生较大变化,由4.0 mm/a增至10.0 mm/a。2）1999～2007年,整个四川“Y”型构造区应变场演化特征微弱,而汶川地震之后的两个周期,最大剪应变自龙门山山前断裂向西到汶川一带,形成了由高到低、平行于龙门山断裂带走向的高密度梯度带。龙门山断裂带以ES或EES向的主压应变为主,其量值变化范围为 5.0×10^-8 /a～12.0×10^-8 /a;鲜水河断裂由震前主拉应变,改为震后近EW向的主压应变特征。面膨胀结果则显示龙门山断裂带由震前低密度梯度带瞬间变为平行于龙门山断裂带走向的高密度变化区。3）2008年汶川地震和2013年芦山地震是最为重要的时刻分割点。近20年的应变率场变化,更似一个“时间—地壳构造运动”的大轮回,目前四川“Y”型构造区整体处于2008年汶川地震前较为稳定的活动周期。龙门山断裂带仍值得我们做出更为深入的研究。     

汶川8.0级地质发震断层逆冲活动的地震地貌与古地震初步研究

与河流阶地相关的地震地貌包括地震阶地和阶地断错两方面。地震阶地是古地震事件的直接反映; 阶地断错则是多次古地震事件的累积效应。文章在汶川8.0级地震破裂带调查的基础上,讨论了平行断裂的河流和横穿断裂的河流两种情况下的阶地发育特征。在此基础上,应用差分GPS测量技术,分别对虹口附近的地震阶地和映秀附近阶地断错现象进行了测量。研究结果表明,虹口附近地震阶地反映了自白沙河Ⅱ级阶地形成以来发生了5次规模基本相当的断错事件; 映秀附近的阶地累积位错量反映了不同级阶地经历了不同数量的地震事件,其中,Ⅱ级阶地形成以来大致经历了5次与汶川8.0级地震位错相当的地震事件。两个地点的地震阶地和阶地位错研究得到了一致的古地震次数。本文进一步讨论了前人对该区阶地的测年数据,从而推测得到汶川8.0级地震发震断层的古地震复发间隔约为4ka。     

地震预测:从芦山地震到大陆地震

自从1990年以来,通过对青藏高原的调查和研究,认识到下地壳流动同步形成盆地和造山带,并受控于相关洋盆地幔软流圈向大陆的顺层流动和底辟作用。下地壳不均匀流动通过韧脆性中地壳热能-应变能转换孕育地震,部分发震能量通过上地壳脆性断层释放。在地震孕育过程中通常会伴生跨年度干旱和异常降雨,构成热灾害链。近5年内青藏高原东部连续发生汶川、玉树、芦山大地震,形成于从亚东流经羊八井、安多、玉树并分支流向汶川和芦山—康定的下地壳"热河"的仰冲式和侧冲式撞击作用。从2008年9月以来连续发表5篇论文,根据地壳热构造和热灾害链的时空结构对芦山地震的三要素进行了长期和中期预测。2008年9月预测从2013年开始可能发生大地震,2012年9月将鲜水河—安宁河—小江异常热流构造带5年内将发生多个7级地震的首个大震锁定在芦山或西昌。芦山地震只释放了亚东—羊八井—安多—玉树—鲜水河—安宁河—小江"热河"剩余热能中的一小部分,在西昌—会理—昭通地区、道孚—康定地区、通海—石屏地区近5年内很可能发生4个7级左右的地震。此外,华北典型的热灾害链结构表明震情严峻,环渤海地区近3年内很可能发生大地震。从地震热流体撞击机理与地震异常之间的关联性出发,提出了动态立体监测及短临预测地震的思路和方法。     

汶川、芦山和鲁甸地震滑坡分布规律对比研究

汶川M_S8.0级地震、芦山M_S7.0级地震和鲁甸M_S6.5级地震均引发了大量的滑坡灾害。由于震级差异和地质地形条件的不同,地震滑坡分布情况有较大区别。本文综合已有的研究成果,从地震、地质和地貌3个方面,对比分析了地震滑坡的分布规律。结果表明:（1）3次地震滑坡数量和密度随着PGA和震级的增加而增加。汶川和鲁甸地震随烈度的增加,滑坡数量呈现递增的趋势。但芦山地震在较低烈度区也发育着大量滑坡。（2）断层影响滑坡分布的最大距离随着震级的增加而增加。在最大影响距离0.2倍的范围内,汶川地震分布有80%的滑坡,而其他两次地震仅30%。此外,汶川地震滑坡数量随断层距离呈指数衰减关系。（3）地震滑坡的分布受到地形的强烈影响。Ⅶ度及以上烈度区地形切割深度越大,地震触发的滑坡集中分布区域相对高差越大。同时,滑坡集中发育的坡度会随之增加。切割深度越大,地震滑坡更易发生在地势较陡的山脊或者上坡处,这可能与地形放大效应有关。     

Spatial and Temporal Stress Variations before and after the 2008 Wenchuan Mw 7.9 Earthquake and its Implications: A Study based on Borehole Stress Data

In situ stress measurement data was analyzed to estimate the temporal and spatial stress variations at shallow depths in the Longmenshan fault zone(LMSF), prior to and following the 2008 Wenchuan earthquake(WCEQ). Analysis of the stress field related to fault strength and behavior is useful for understanding geodynamic processes and conducting hazard assessments. The shallow stress changes after the WCEQ show clear along-strike variations. Degrees of stress orientation rotations have a negative ...     

Reactive Transport Process of Earthquake-induced Hydro-chemical Changes in Guanding Thermal Spring, Western Sichuan, China

Earthquake-related hydrochemical changes in thermal springs have been widely observed; however, quantitative modeling of the reactive transport process is absent. In the present study, we apply reactive transport simulation to capture the hydrochemical responses in a thermal spring following the Wenchuan Ms 8.0 and Lushan Ms 7.0 earthquakes. We first constrain deep reservoir geothermal fluid compositions and temperature by multicomponent geothermometry, and then a reactive geochemical transport model is constructed to reproduce the hydrochemical evolution process. The results show that the recharge from the shallow aquifer increases gradually until it reaches a peak because of the permeability enhancement caused by the Lushan earthquake, which may be the mechanism to explain the earthquake-related hydrochemical responses. In contrast to the postseismic effect of the Wenchuan earthquake, the chemical evolution can be considered as hydrochemical anomalies related to the Lushan earthquake. This study proves that the efficient simulation of reactive transport processes is useful for investigating earthquake-related signals in hydrochemical time series.     

芦山地震的红外增温异常分析

地震三要素的短临预测对抗震减灾意义重大,但实现的难度很大,仍是个世界难题。笔者应用卫星红外异常增温时空演变规律对2013年4月20日芦山地震作了研究,并在2013年4月21日全国天灾预测委员会学术研讨会上作出了分析。文中简要剖析了芦山地震的构造背景和成因机理。芦山地震是我国西部地震构造区新发生的MS 7.0级大地震,其成因同汶川地震相似,主要受到印度板块NE向对青藏地块推挤,南北压缩挤出断块向SEE滑动,受到四川盆地以西龙门山断裂带强烈阻挡,积能释放后发震。文中重点介绍了红外增温时空演变规律进行短临地震预测的过程。震前红外增温异常的动态变化是地震构造活动的反应,时间上一般经历初始增温-加强增温-高峰增温-衰减到发震的4个阶段。