青藏高原东北缘断层系统的大地震迁移概率及断层滑动速度的分段特征

青藏高原东北缘是青藏高原隆升、生长及变形前缘.区域地震活动频繁,且地震在其主要断层带之间时空迁移.为了研究区域大地震在主要断层带之间的迁移规律与概率,以及主要断层带大地震破裂的时空分布特征,本文建立了青藏高原东北缘地区的三维黏弹塑性有限元模型,模拟了区域断层系统的地震循环,得到了人工合成的万年时间尺度的地震目录.根据模拟的地震目录,并结合古地震数据,计算分析了大地震(MW≥7)在研究区各个主要断层带之间的迁移概率,探讨了黏度、高程、统计时间长度等因素对大地震在各主要断层带之间的迁移概率和大地震在各主要断层带上的发生概率的影响,并且初步调查了海原断层带和香山天景山断层带的大地震破裂时空分布特征.研究结果显示:继区域最近两次大地震(1920年海原断层带上的M8.5海原大地震和1927年香山天景山断层带上的M8古浪大地震)之后,下一次大地震(MW≥7)发生在海原断层上的概率最大,约为51%～81%;其次是在香山天景山断层上,概率约为9%～37%.模型结果显示,不同的青藏高原中下地壳上地幔黏度大小,对大地震在各个断层带之间的迁移规律和迁移概率的影响较小;而研究区的高程载荷对地震迁移则有显著的影响:高程载荷易于使得海原断层地震活动减弱及香山天景山断层的地震活动增强.研究结果也显示了青藏高原东北缘地区主要断层带的地震活动与断层滑动速率分布的分段性显著;大地震在断层带上的破裂位置并不固定,呈现不均匀性;并暗示了断层几何形状对地震活动、断层滑动速率分布与大地震破裂位置的控制作用.     

华北地区断层形变异常与地震活动

根据断层形变求解的华北地区异常参数和应变累积率, 研究了华北主要断裂带的断层形变异常及其应震特征。 同一断裂带上的形变异常与该带上的地震有较好的对应性。 河套—张家口—蓬莱活动构造带上发生的强震, 北京地区的断层形变异常参数在总体上几乎都有明显的前兆性异常。 山西带北部的断层形变异常参数对山西断陷带及其延伸部位上的强震同样有较好的反映。 断层应变累积率反映了应力的积累程度, 其值相对较大时, 测点所在地区的地震较活跃, 反之亦然。     

有限单元法在地震研究中的应用概述

根据作者自己的工作及在美国工作期间所了解的情况,概述了有限单元法在地震研究中的应用,内容包括:大断层带上应力应变累积、释放及调整过程的计算,断层面上滑动的模拟计算。     

邢台强震区的深部构造对强震孕育影响的三维数值模拟

为了研究地壳结构特征与强震孕育的关系,运用三维有限单元法,计算了邢台地震区壳内应力场的扰动状态。结果表明:地壳内深、浅断裂的存在,造成沿直立断层带的应力相对集中和不同部位的变化。在其上部出现平均应力和水平剪应力的增加,中下部出现平均应力的减小和水平剪应力的增加。前者有利于弹性位能的高度集中和主破裂的发生,后者有利于主破裂前蠕滑的发生。地壳内高速体、低速体、深断裂、莫霍面隆起是孕育强震的主要构造因素,但影响程度,范围、形式不同,高速块体是应力增强的体;直立断层带上及其邻近应力集中程度最高,应力变化梯度最大,是产生震前预滑及主余震发生的有利部位;莫霍面隆起加剧高速体内的应力增强,加大断层带上的应力变化梯度而有利于地震的孕育和发生。     

汶川地震断层带传输性质研究——对地震同震弱化作用的启示

正断层带的流体压力因关系着地震断层滑动强度以及应力释放过程一直倍受重视。断层带渗透率结构对于了解断层带内流体活动状况、断层强度和摩擦稳定性以及同震热压作用等至关重要。本文全面总结了断层带的渗透性,尤其是大的地震断层带渗透性的研究成果。为了开展断层岩传输性质的测量工作,开发了超低渗岩石渗流测量系统。以汶川地震发震断层映秀—北川断层带上两个典型露头剖面为对象,分析了断层带的内部结构,对断层岩进行了成     

三维地震断层模型的动态破裂模拟

提出了一种研究三维动态破裂的４阶交错网格有限差分法。该方法使用了一种适于断层的边界条件,就是允许应用生般的摩擦模型,包括滑动弱化模型与速率有关的模型等。因为交错网格法可确定不同网格点上的应力和质点速度,这里我们采用厚度为２排网格的断层带以保持模型的对称性。在迫使断层上剪切牵引力两个分量在断层带内是对称的情况下,计算了断层带边界点之间的滑动。通过将我们的模拟与已知三维地震破裂特性的比较,来研究数值方     

水库蓄水与断层带流体孔隙压时-空分布的数值模拟——以紫坪铺水库为例

通过对汶川地震破裂带上的断层岩及围岩的渗透率测量,获得了研究区岩石的渗透率随深度变化的规律。依据所得到的渗透率实验数据,数值模拟了紫坪铺水库蓄水所产生的流体孔隙压的时空分布。模拟结果显示,渗透率是否随深度变化,其流体孔隙压的模拟结果也相差很大。由于断层带具有高渗的特点,因此与水库底部存在水力联系的断层带及其宽度对流体渗透的模拟结果有明显的影响。断层带越宽,下渗作用越明显,流体孔隙压的分布与断层带的产状越接近。若断层带宽度为100~300m,2008年汶川MS8.0地震发生时,其震源区的流体孔隙压为0.1~0.15MPa,与库体载荷在断层面上产生的附加正应力相当。该模拟结果可以作为进一步分析汶川地震的发生是否与紫坪铺水库蓄水存在关联的重要约束。     

逆冲和消减地震的应力触发及圣安德烈斯南部及其邻区逆冲和走滑断层的相互作用

指出逆冲地震的触发、抑制和丛集的主要特性可以用库仑破裂应力变化来解释。解释中我们采用了一套代表模型及详细实例。虽然地表破裂的逆冲断层使得大部分周围地壳的应力降低，但逆冲盲断层的滑动却使得某些附近区域，特别是震源断层上方的应力增加。这样逆冲盲断层可以触发浅部次生断层的滑动，并产生广泛分布的余震。短逆冲破裂对于触发大小相差不多的邻近逆冲断层特别有效。我们的计算结果表明，在加利福尼亚中部连续的逆冲序列中，1983年Mw6．7级科林加地震使得1983年Mw6．0级努涅斯地震和1985年Mw6．0级凯特尔曼山地震破裂与库仑破裂应力分别接近了10bar和1bar。理想化的应力变化计算与伴随大逆冲事件的地震活动性分布一致，这与前人的研究结果是一致的。俯冲带破裂的计算结果促使了俯冲前缘隆起发生正断层事件，并有利于地震破裂带周围及其下倾延伸区发生逆断层事件。这些特性在1957年Mw9．1级阿留申地震和其他大逆冲地震是明显的。我们进一步研究了能得到详细滑动模型的1960年Mw9．5和1995年Mw8．1级智利地震引起的破裂面上的应力变化。计算的库仑破裂应力增加为2-20bar，与余震地点和震后滑动密切相对应，而应力降低10bar的地区余震缺失。我们也提出主走滑系统的滑动调制了附近逆冲和走滑断层的应力。我们计算得到圣安德烈斯断层上1857年Mw7．9级蒂洪堡地震以及后续震间滑动使得科林加断层接近破裂约1bar，但抑制了全部海岸山岭的逆冲断层。1857年的地震也促使于1952年发生Mw7．3级科恩县地震的怀特沃尔夫逆冲断层接近破裂约10bar，但抑制了自1857年以来从来没有破裂的左旋加洛克断层上的滑动。于是我们有充分理由认为，应力转移在很宽的时间和空间尺度上对逆冲断层的地震活动性有控制作用。     

近断层应力变化快速计算方法及对强余震空间分布的指示意义:以M_w7.9汶川地震为例

构造地震一般由断层摩擦失稳所致.断层内部及周边所累积的剪切形变则通过同震滑动位移得到局部释放.因此,震后断层内部及近断层周边的静态剪切应力变化量的空间分布可通过断层面上的滑动位移分布计算得到.本文采用傅氏变换方法(FTM)计算单一有限断层同震滑移场所形成的静态剪切应力变化分布,近断层两侧的应力变化计算可由波数域内应力近似算法获得.结果表明,FTM快速有效、易于实现,有效地避免了常规应力计算中奇异值的出现.以2008年Mw7.9中国汶川大地震为例,采用前人所得有限断层滑动位移模型,得到了断层面和近断层周边准3D剪切应力分布解,并同主震后中强余震的空间分布特征作了比较.结果表明,大部分的中强余震震源位置处于剪切应力变化值为正的区域,由同震位移所产生的局部应力降峰值和均值大小同应力变化的正值大致相当,从而表明了快速且有效地计算断层内部及近断层附近的应力变化分布可以为主震后强余震发生的潜在区域提供指示意义.需要强调的是,应力变化空间分布特征的获取强烈地依赖于有限断层滑移模型解.有关滑动位移反演解的多解性对应力变化计算结果的影响,本文作了必要的讨论.     

印度科依纳—瓦尔纳地区的断层相互作用与地震触发

印度半岛上科依纳—瓦尔纳地区的地震被认为是由水库引发的。但是，通过对可用地震资料的分析表明，该地区持续高发的地震活动还有可能受到断层带的几何形态及其通过应力传递的相互作用的影响。从地震分布及其震源机制推断的这些明显的断层带的取向表明，在一个断层带内发生的地震事件会增加另一个断层带上的静应力，使该地区频繁而且连续地发生地震。本文的结果表明，虽然水库作用的效应确实会促使断层滑动，但是应力触发机制似乎是持续高发地震活动的一个重要原因，因为它会使一些稳定的断层变得不稳定，这与我们所推断的运动方式是一致的。     

断层粘滑摩擦增温的理论分析及其对TL,ESR测龄的意义

采用断层位错模式,考虑了具有一定宽度的断层在其粘滑过程中,断层摩擦应力和滑动速度随粘滑过程的变化情况,由此计算了粘滑所产生的摩擦增温,并将结果与不考虑摩擦应力变化、不考虑滑动速度变化或忽略断层宽度时的情况作了比较。结果表明:断层滑动时,摩擦应力和滑动速度随时间的改变及断层的宽度将对断层摩擦增温产生较大影响。由于岩石中孔隙和孔隙流体的存在,摩擦应力在断层粘滑过程中有较大变化。取断层滑动速度为Brune 震源时间函数形式,考虑摩擦应力的变化及一定的断层宽度,计算得到的摩擦增温值较以往的计算结果偏小。这个结论对测定断层活动年代的热释光(TL)和电子自旋共振(ESR) 法具有一定的理论指导意义     

云南普洱-宁洱地区变形及应力场的有限元模拟

为研究普洱-宁洱地区强震频发与构造应力场和变形场的相关性,以1997—2007年GPS数据计算得到的云南普洱-宁洱块体年运动量为边界约束,建立云南普洱-宁洱地区包含红河断层及澜沧江断层等10个断层的三维摩擦接触有限元模型,计算在GPS年运动速率约束下棋盘式构造格局的变形位移场、应变场及应力场分布,并将计算结果与GPS计算结果进行比较。通过计算发现:普洱-宁洱断层群会使澜沧江及红河断层包围区域变形及应力场更复杂,普洱-宁洱地区复杂变形及应力场可能是该地区中强地震频发的主要原因;镇远-普洱断层可能是影响普洱-宁洱地区变形及应力场的主要断层;普洱-宁洱地区走向共轭断层交汇处,存在较大变形及应力值;变形场与应力场会随断层走向变化而发生变化,在断层走向变化剧烈部位有较大值。     

库仑应力变化与余震对应关系的初步探讨——以集集地震为例

本文以集集地震为例,讨论了在多个小断层的位错模型,分层地质结构这种更加接近实际的情况下的库仑应力变化,计算结果表明有必要考虑这些符合实际的模型.本文分别讨论了走滑断层上库仑应力变化与走滑地震、逆冲断层上库仑应力变化与逆冲地震空间分布的对应关系,计算结果表明集集地震所引起的库仑应力变化确实有利于本地区余震的发生.     

库仑应力变化与余震对应关系的初步探讨一以集集地震为例

本文以集集地震为例,讨论了在多个小断层的位错模型,分层地质结构这种更加接近实际的情况下的库仑应力变化,计算结果表明有必要考虑这些符合实际的模型．本文分别讨论了走滑断层上库仑应力变化与走滑地震、逆冲断层上库仑应力变化与逆冲地震空间分布的对应关系,计算结果表明集集地震所引起的库仑应力变化确实有利于本地区余震的发生．     

远场地震波辐射能计算以及对近断层地面运动的约束

从圆盘断层模型出发,根据地震波能量表象定理推导出了滑移弱化过程中远场S-波辐射能量表达式,并同已有的动力学模型作了比较.结果表明,得到的模型能量值或视应力的取值强烈地依赖于断层上的动态、静态应力降和破裂传播速度,而破裂速度则对应了断层带模型中断层破坏过程所耗散的能量.动摩擦应力上调和应力下调力学机制在能量求解中得到了充...     

亚失稳阶段雁列断层热场演化的实验研究

寻找地震前兆是国内外地震预报的难点.在实验室开展岩石变形实验,观测相关物理量的演化特征和规律,是前兆探索中重要的基础工作.本文对压性雁列断层进行变形实验,根据应力时间曲线将具有前兆意义的变形阶段分为强偏离线性阶段、亚失稳阶段和失稳阶段,利用红外热像仪记录各个阶段的热场变化,特别是亚失稳阶段的热场表现.研究结果显示:强偏离线性阶段,岩桥区挤压升温;亚失稳阶段,断层带增温,且高温点扩展连通,断层带内侧卸载降温,断层带上的协同化增温和断层带内侧(包含岩桥区)的协同化降温是失稳前的重要信号;失稳阶段,应力释放,标本整体降温,只有断层带因摩擦升温.总之,亚失稳阶段的热场具有明显特征,利于识别出亚失稳态;不同变形阶段、不同构造部位温度变化不同,在寻找与构造活动相关的热异常时,应考虑变形所处的阶段及异常所处的构造部位.     

定常边界力作用下断层应力应变积累的模拟与地震危险区讨论

本文讨论了(1)区域应力场和震源应力场随时间的变化,提出在前兆机制研究的模拟计算中,可将前者看作是定常的,而后者是随时间不断变化的;(2)地震危险区的判别,认为在应变梯度较高同时应力又较集中的区域附近可能易发生中强地震。 作者通过用Max well粘弹性模型对一含壁垒的走滑断层的应力、应变积累过程进行有限元模拟,探讨了震源体发震前形成高应力差和高应变梯度的原因和过程。主要结论是:即使区域应力场是定常的,由于断层内外物质力学性质的不均匀分布,中强震的危险区终将出现在壁垒处及断层端部;断层内软弱带上可能仅发生小震或蠕滑。     

大灰厂跨断层形变资料的地震信息识别

利用具有明显物理意义的断层蠕动模型在充分考虑可能存在的干扰因素影响的基础上，对大灰石台跨断层地形变资料在１９８９年大同地震前后出现的较大幅度变化进行了异常属性分析。结果表明，这个时期的异常变化尽管叠加有一定的降雨影响，但蠕动模型计算得出的地表变化理论值与实际变化有一定程度的符合，显示出在区域应力场作用下，八宝山断层局部地段在大同地震前后可能存在着与区域应力场应力增强及应力调理有关的构造活动。     

从同震和震后形变分析日本东北Mw9.0级大地震对近场地震活动性的影响

2011年日本东北大地震后,不断有报道认为日本南海海槽可能会发生强震,日本东北大地震对南海海槽断层活动有何影响?本文采用粘弹性半无限空间模型,利用反演得到的日本东北大地震的断层模型,计算了岛内部分断层的同震和震后形变以及库仑应力变化.结果表明:2011年日本东北大地震,使得平行于日本海沟的岛内逆冲断层应力释放明显,5km深度,库仑应力降低值都在50 kPa以上,按照该地区每年应力积累1～10 kPa计算,相当于释放了5～50年的应力积累;平行于南海海槽的岛内逆冲断层,同震库仑应力增加了1 kPa左右,相当于0.1～1年的正常构造运动应力积累;对于岛内的走滑断层,若其滑动方向与同震或震后形变方向一致,则库仑应力增加,反之则降低,如1948年福井地震发震断层库仑应力增加10 kPa左右,相当于1～10年的正常构造运动应力积累,地震危险性明显增加.同时,分析了不同软流圈粘滞性对震后形变和库仑应力的影响,发现对于不同的软流圈粘滞性系数,震后的形变和库仑应力相比同震都会有所增加.因此,对于平行南海海槽的岛内逆冲断层和岛内部分滑动方向与同震形变一致的走滑断层,震后地震危险性相比同震会进一步增强.     

由地震反射波剖面研究圣安德烈斯断层带的结构

1978年,在美国中加利福尼亚完成了一条横跨圣安德烈斯断层带的地震反射波剖面.由于断层带存在着强烈的侧向非均匀性和低速结构,观测结果极为复杂.这种断层带上的侧向速度急剧变化还有其它表征,诸如震中定位的偏移、地震节平面的变形等等.在这种情况下,处理反射波资料的常规计算与解释方法,已经难以实施.本文采用 May 和 Covey(1981)[11]的射线反演方法,根据其它地球物理资料建立初始模型,再利用真实振幅的迭加剖面,推断出其阻抗对比的分布,通过反复迭代反演,获得了速度模型.反演计算的非唯一性固然存在,但该结果与断层带地区的各种地球物理证据是一致的,并揭示了圣安德烈斯断层带的细致结构.