库仑应力计算及应用过程中若干问题的讨论——以汶川地震为例

大地震发生后,估计后续地震发展趋势是人们关心的问题.目前,学术界经常利用大地震造成的库仑应力变化研讨大震对后续地震的影响,但库仑应力的计算和应用中尚有一些问题被忽视而有待探讨.本文修正了传统的库仑应力计算中沿地震破裂面滑动方向计算剪应力变化的近似方法,考虑震后主应力方向可能改变对剪应力变化量计算的影响,对改进方法和传统方法获得的结果进行了对比分析.本文基于龙门山地区背景应力场测量资料,根据不同研究者反演的地震破裂模型,计算了汶川地震造成的静态库仑应力变化,考察了不同地震破裂模型下库仑应力分布差异.在断层面附近,使用改进方法与传统方法计算的库仑应力分布差异相当大;利用多个地震破裂模型计算大地震库仑应力判断大震后余震发展趋势时,要注意破裂模型不确定性对危险性估计的影响.     

基于准三维有限元方法建立的地震活动模型

基于有限元方法,参照细胞自动机模型,建立了一个地震活动演化的动力学模型.在这个模型中,根据边界条件和单元介质参数的分布,利用有限元方法确定各单元的应力增长速率.每个单元设定初始应力和摩擦因数,利用破裂准则可得到单元破裂所需时间.当单元破裂后,将破裂单元作为内部边界,利用有限元方法计算由于这个单元破裂对系统其他单元造成的应力调整.根据上述规则,建立一个由30×40个节点组成,在定常位移速率边界条件作用下的地震活动模型,探讨了区域应力场的动态演化、地震活动图像和各种参数变化对地震活动的影响.结果表明该模型在研究地震活动方面有一定优势并具有实用价值.     

应力演变方法及其在华北地区河北省的应用

本文研究了库仑应力变化与自1484年以来中国河北省内发生的强震的关系。华北板块在过去的一个世纪里有许多历史地震和一些破坏性的地震发生,其中包括1976年的唐山大地震(M = 7.8)。我们的研究包含了河北省及其邻近区域的最活跃的地震断裂带和频繁遭受过强烈地震的区域。华北板块,包括鄂尔多斯高原和华北平原,是中国太古宙克拉通的一部分,而且是世界上地震最活跃的地区之一。这些地震活动主要发生在东西向的走滑断裂带上。研究区域内的断裂活动导致了复杂的应力场。通过计算库仑破裂函数(ACFF)的变化来得出这个地区的地震灾害评估,这库仑破裂函数的变化是由强震(MS≥6.5)产生的同震滑动和主要区域性大断裂的连续构造载荷产生的应力引起的。在应力演化模型计算的每一步都对下一次可能触发的强震进行了估计,模型最终提出了易于发生即将到来的强烈活动断层段的理由。从而提供了未来地震危险性评价研究依据。在本文中,以张家口断裂,夏垫断裂,廊坊断裂的结果为例,说明通过计算得出的ACFF结果,对未来地震危险性提供依据是可行的。     

强震成组孕育,成组发生过程中相互间影响的研究

中国大陆地震具有成组活动的特征，成组强震活动之间有增震和减震作用，本文应用构造块体成组孕育的理论模型讨论了成组强震活动间的相互影响及其物理机制，通过强震成组孕育，成组发生的理论模型分析了一次地震发生对其它震源区应力变化的影响，对前兆复杂性的影响，及此类模型在地震预报工作中的应用。把强震成组孕育和活动的模型应用到危险性分析和地震长期预报研究领域将对地震预报实践起到一定的指导意义。     

巴颜喀拉块体东南缘应力演化及鲁甸地震自发破裂模拟研究

巴颜喀拉块体活动导致的昆仑—汶川地震系列,是目前中国大陆唯一一组7级以上地震序列,未来几年该块体仍是发生7级地震的主体地区。巴颜喀拉块体东缘从走滑运动向逆冲运动转换的构造动力学性质使得活动块体两个相邻边界带存在大地震序列的关联性。研究表明近期逐渐加速的块体东边界强震序列是北边界强震活动的响应,巴颜喀拉块体南边界的鲜水河断裂带同样以左旋走滑的方式向东边界挤压,但巴颜喀拉块体东南缘地震呈现以下两个特点,一是强震大都发生在巴颜喀拉块体东边界断裂带,东边界强震序列呈现加速状态;二是南边界鲜水河断裂带在1973年炉霍7.6级地震后,已有40多年没有发生7级以上地震,鲜有6.5级以上强震,在此次地震序列中表现出一种大震缺失的状态。因此,巴颜喀拉块体东南缘主要断裂带的地震危险性值得关注和研究。同震库仑破裂应力及震后粘弹性松弛在解释余震序列分布,分析强震序列相互作用关系及未来地震危险性分析等方面发挥了重要的作用。比如汶川地震之后,一些研究者利用弹性位错模型计算了汶川地震的同震库仑破裂应力变化,并对龙门山区域未来的地震危险性进行了估计。一些研究者分别计算了汶川地震和芦山地震后周边断层的同震库仑应力变化,以及汶川地震和芦山地震引起的同震和震后粘弹性松弛应力场变化,得到了汶川地震可能有效地促进了芦山地震的发生的结论。在应力演化过程中,震间构造应力加载对强震危险性的作用也非常重要,目前比较流行的计算这部分应力积累的做法是采用"负位错"的理论进行计算,这一方法虽然简洁,但假设了断层是完全闭锁的,可能会造成一定误差。本文拟以巴颜喀拉块体区域构造活动作为三维有限元模型的边界约束,综合研究区域介质速度、密度结构最新反演结果计算介质的弹性材料参数,从初始应力场出发模拟在构造应力和重力作用下的现今背景应力场,计算强震序列引起的区域内断裂带震前、震间、震后的应力演化,获得更为准确可靠的应力场结果。利用速率-状态关系计算库仑应力变化对研究区域背景地震发生率的影响,利用泊松概率过程计算研究区域在汶川地震和芦山地震震后未来10年6级以上强震的发震概率及研究区域主要断裂带的6级以上强震发震概率。除以上述准动力学的方法研究巴颜喀拉块体东南缘应力演化及地震危险性,本文还以鲁甸地震为例,研究鲁甸地震从成核区开始破裂,然后扩展直至终止的自发破裂动力学过程,探索影响地震自发破裂位错的主要因素。研究内容:(1)建立巴颜喀拉块体东南缘三维粘弹性有限元模型。(2)模拟巴颜喀拉块体东南缘主要断裂带上1900年以来7级以上强震序列的应力演化过程,并对强震序列对芦山地震的触发作用进行了研究,对比库仑应力场及等效应力场演化结果与背景地震活动的关系。(3)应用速率-状态关系研究库仑破裂应力对汶川地震、芦山地震震后研究区域的地震发生率的影响,应用泊松过程给出研究区域主要断层未来的强震发生概率。(4)应用可以描述断层摩擦机制的FAULTS有限元软件对芦山地震断层错动方式,初始破裂点进行了模拟,研究了汶川地震后,断层强度的变化对芦山地震的影响。(5)应用曲线有限差分方法建立鲁甸地震非平面断层自发破裂模型,模拟鲁甸地震在包谷垴—小河断裂上的自发破裂过程,分析影响鲁甸地震自发破裂过程的主要因素。本文的创新点:(1)以三维速度、密度反演结果建立能反映更真实地下介质的三维粘弹性有限元模型;(2)从初始应力场出发,进行数十万年的应力场演化模拟直至获得与现今构造应力场更为吻合的背景应力场用于地震序列模拟;(3)采用泊松概率模型计算地震发生概率时直接基于三维粘弹性有限元模型得到的库仑应力结果,充分考虑了同震、震间和震后效应的影响。同时,在考虑背景地震发生率时采用了更全面完整的地震目录,这可能使得对未来地震危险性的估计更准;(4)对鲁甸地震自发破裂过程进行了动力学模拟,将震间应力积累过程与同震地震破裂过程的模拟结合起来。     

昆仑山口西8．1级地震的应力触发作用及对周边断层的影响

采用可变滑动震源模型,计算Ms8．1昆仑山口西地震产生的库仑破裂应力变化,解释余震的空间分布特征。以此为基础,分析了此次大地震在周边断层上产生的应力变化及其对地震活动性的影响。结果表明,两个模型和两种方法计算得到的应力变化均呈现相似的分布特征。应力增加区与后续地震活动的对应关系,反映昆仑山口西地震对后续地震活动的触发效应。玛尼断裂带和东昆仑断裂带受应力变化影响最明显。     

唐山地震序列应力触发的粘弹性力学模型研究

根据前人对唐山地震破裂分布、地壳波速和粘性结构的研究,考虑局部应力场、孔隙流体压力和断层附近软介质的影响,计算了唐山地震产生的,投影到后续大余震断层面和滑动方向上的库仑破裂应力变化。结果表明,随后发生的滦县地震和宁河地震均发生在唐山地震产生的库仑破裂应力变化为正的区域。为研究唐山地震、滦县地震和宁河地震对后续小震的触发作用,根据前人对该地区构造应力场和地震破裂分布的研究,假定构造应力量值为10 MPa,求得了震源附近各处可能的小震震源机制。将上述3次地震产生的应力变化投影到可能的小震破裂面和滑动方向上,发现唐山地震、滦县地震和宁河地震产生的正库仑破裂应力变化的ldquo;蝴蝶rdquo;形分布与后续小震发生的空间分布具有较好的一致性,95%的余震发生在库仑破裂应力变化增加的区域,说明唐山地震序列中前面的大震对后续小震的发生起到了调制作用。该研究结果对大震后余震的危险性快速评估具有一定意义。如果大地震发生后能够快速确定详细的破裂分布和震源区域详细断层及滑动特性资料,本文方法可用来预测未来大余震的发震位置。      

华北地区700年来地壳应力场演化与地震的关系研究

目前地震断层相互作用问题已引起地震学家的广泛关注。许多研究表明一条断层的破裂可以影响附近其他断层趋于破裂的进程，两条断层间的确切作用取决于它们的相对位置、破裂机制、错动量和介质力学性质。本研究给出了华北地区700年来由于长期构造加载及地震断层错动导致的累积库仑破裂应力变化(ACCFS)的演化过程。长期构造加载场由GPS观测得到的地壳平均应变率场给出。关于历史地震断层破裂参数的估算，根据的是华北地区有现代仪器记录的大震资料归算地震烈度与断层破裂长度、震级和地震矩的统计关系；根据地质调查得到的地震断层走向、倾角以及本地区的构造应力场方向估计滑动角。考虑粘弹性成层介质地壳模型，计算长期构造加载和地震形变(同震及震后介质粘弹性驰豫变形)造成的累积应力场变化。将累积应力场变化投影到后续地震断层面和滑动方向上得到△CCFS，并研究其对后续地震发生的触发作用。对1303年以来华北地区发生的49个M≥6．5地震研究结果表明：ACCFS对48个后续地震中的38个有触发作用，触发率达到79．2％。应用当今累积应力场变化于华北地区1303年-2003年发生的M≥5地震，我们发现触发率达到75．5％，于1976年以来发生的M≥5地震触发率达82．1％。未被触发的地震中有些是发生在断层破裂区附近的余震，很可能是由于历史地震破裂参量估计的误差落入影区中，若排除这些影响，触发率会更高。研究表明ACCFS与发生的后续地震有很好的相关性。当前ACCFS显著上升的地区包括渤海及其邻域地区、西秦岭北缘断裂带、张家口-渤海地震带西端和太原盆地，其地震危险性应引起重视。     

云南禄劝地震对余震有触发作用吗——静态应力触发地震的讨论

采用Okada（1992）计算地震产生的静态应变场的解析表达式，对云南禄劝地震的15次余震，计算了主震在余震节面上产生的正应力和静态库仑破裂应力。分析了正应力和静态库仑破裂应力是否对余震有触发作用。结果表明，主震产生的正应力和库仑破裂应力变化并没有明显的证据“有利于”余震的发生。另外，还比较了运用与主震相同的余震机制和反演得到的余震机制在库仑破裂模型中计算结果的差异。使用反演的余震机制得出的结果稍优于假定余震与主震有相同震源机制得到的结果。     

大震地震波对云南地震活动的远场动态应力触发作用

基于云南数字地震台网记录,计算了印尼大震、昆仑山口西大震和古吉拉特邦大震的地震波在云南地区产生的远场动态库仑破裂应力变化,研究了大震产生的动态库仑破裂应力变化对云南地震活动的远场动态应力触发作用及其特征。结果显示,印尼大震产生的库仑破裂应力对云南地震活动有明显的触发作用,昆仑山口西大震产生的库仑破裂应力对云南地震活动有触发作用,但不显著,古吉拉特邦大震在云南地区产生的库仑破裂应力没有触发作用。最后分析和探讨了这3次大震触发作用差异的原因。     

基于相似系统理论的地震危险性分析

不同地区地震危险性的产生机制具有相似性，地震危险性可由若干地震活动指标（要素）加以描述，因此，这些指标特性的相似性反映了地震危险性大小的差异。为此，给出了一种计算相似度的新方法，并用这一方面对若干地区的地震危险性进行了评价，结果令人满意。     

地震危险性评价中余震活动的影响--以邢台余震区为例

目前通用的地震危险性模型在确定有关地震活动性参数时都强调删除余震,其理由是因为所应用的地震活动模型是泊松模型。但是在现实的地震灾害中,有些是因为余震活动所引起的。忽略余震活动的影响,可能会低估某些区域的地震危险。本文提出考虑余震活动的地震危险性分析模型,并从此模型出发,以邢台地震为例,对余震区内、余震区边界和余震区外等场点计算了考虑余震活动的地震危险性结果,同时,在原有模型的基础上,只改变余震区所处的潜在震源区的地震年发生率,计算相同场点的地震危险性结果,并把这两个结果与不考虑余震活动的结果进行比较,在此基础上讨论在某些区域考虑余震活动的必要性。     

基于非线性自激振动指数自回归模型与地震活动研究

地震活动表现出平静和活跃相互轮回的特征，发震频度和震级则表现出在活跃期维持相对较高的水平，而在平静期维持相对较低的水平。为了探索这种活动机制，本文用基于非线性自激振动的指数自回归模型来研究这些特征。结论指出，指数自回归模型较好地反映了地震活动的前述特征，同时体现了本世纪以来地震活动的衰减趋势。借助非线性振动的思想和方法揭示地震活动的动力机制是有可能的。     

亚欧大陆地震活动的空间谱分析

本文将谱分析方法应用于亚欧大陆地震活动的空间序列分析,发现本大陆地震活动在南北向和东西向上均存在等间距分布特征,并得到以4°、7.4°、12.8°、27.6°左右为主周期的空间谱结构。根据Wagner大地水准面资料得出了地幔对流模式,结果表明亚欧大陆正处在四面受压的力学对抗环境中。用板壳与柱壳模型所作的简化计算表明,上述主周期谱系可能是大陆上部厚度分别为15km、40km、120km和600km左右的地层受压屈曲产生的。     

地震区划原则和方法的研究——以华北地区为例.

本文基于对我国华北地区地震活动在时间和空间不均匀分布的认识,吸收了近20年来地震预测方面的科研成果,采用目前国际通用的地震危险性概率分析方法,通过对华北区划的试验,对地震区划的原则和方法提出了如下改进: 1.以地震带作为地震活动性参数的统计单元.引入地震活动趋势估计因素,评定表征地震活动水平的年平均发生率,以使区划结果同预测未来时间段地震活动水平相适应; 2.采用按震级挡次分配各潜在震源区的年平均发生率,可以合理地评估高震级地震的危险程度; 3.采用以震级挡次为条件概率的空间分布函数,刻画地震带内各潜在震源区之间发生相应震级挡次地震的相对危险程度,使区划结果更好地反映地震活动在时间和空间上不均匀性分布的特点; 4.在地震危险性分析计算中,引入了方向性函数项,使得分析模型更接近我国地震震源的实际情况.      

Crustal thickness in southeast Tibet based on the SWChinaCVM-1.0 model

Extensive geophysical research has been carried out in southeast Tibet due to the complex geological structure and high seismicity. The study of the Moho interface can provide useful information for the geophysical research. SWChinaCVM-1.0 is the first version of a regional community velocity model for the Sichuan-Yunnan region and aims to provide a reference for seismological research in the region. Based on this model, a high-precision community Moho interface model can be obtained using common conversion point (CCP) stacking, to further expand the applicability of SWChinaCVM-1.0. Before CCP stacking, it is necessary to check the fit of the practical and theoretical travel times of the Ps phase and its multiples under the constraints of the model. Using this method, referred to as Hκ0 stacking, we determined the Moho interface. However, the multiples were poorly fitted with the theoretical travel times at many stations, and the crustal thickness obtained was inconsistent with previous findings. Therefore, we speculate that the SWChinaCVM-1.0 model has some limitations that render it incompatible with the CCP stacking method. To further verify this hypothesis, we performed H-κ stacking using the vP-vS model, vP model, vS model, and the regional average velocity vP0 and compared the results with those of Hκ0 stacking. The results of the comparison indicate that the SWChinaCVM-1.0 model requires improvements. In addition, by analyzing the SWChinaCVM-1.0 inversion process, we found that the vS model was more reliable than the vP model. Finally, we adopted the crustal thickness obtained using H-κ stacking based on the vS model as the initial version of a community Moho interface model for the Sichuan-Yunnan region (SWChinaCVM-MOHO-1.0).     

Estimating non‐linear site response by single period approximation

Site effects characterize the filtering mechanisms within the soil sedimentary layers overlying bedrock. In regions of high seismicity such as California where strong motion records are relatively abundant, site coefficients can be developed by regression of recorded ground shaking parameters. In regions of low‐to‐moderate seismicity or of high seismicity but with a paucity of recorded strong motion data, such empirical models cannot be obtained in the same way. This study describes the theoretical development of a simple, rational manual procedure to calculate site coefficients, based on a single period approximation (SPA), and to construct displacement response spectra (RSD) for soil sites. The proposed simplified model, which takes into account the non‐linear behaviour of soil that is dependent on the level of shaking, impedance contrast at the soil–bedrock interface and the plasticity of soil material, has been verified by comparison with results obtained from non‐linear shear wave analyses and data recorded during the 1994 Northridge earthquake. The proposed model is believed to be a convenient tool for calculating non‐linear site responses and constructing site‐specific response spectra, which has the potential of being incorporated into code provisions. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

临界加速地震矩释放模型的网格计算

根据临界加速地震矩释放模型的基本原理,根据研究目的的不同,采取两种不同的方式进行基于网格的并行处理,即按时间分解和按空间分解.如果要根据历史地震目录资料预测某地区未来的地震活动,可以采用空间分解的方式;如果要根据某地区历史上特定时间段的地震活动情况来检验地震加速破裂模型,则可以采用时间分解的方式.最终,能够在同样计算精...