孕震断层的多锁固段脆性破裂机制与地震预测新方法的探索

通过建立孕震断层中锁固段的临界破坏-断裂力学与其蠕变过程联系,发现每个锁固段断裂点与加速应变能释放起点的累积Benioff应变之比,有着依赖于锁固段个数的指数律关系,指数函数的底数为1.48.在最后一个锁固段破坏以前,每一个锁固段的临界破坏-断裂过程表示一个中等强度或更大震级预震（preshock）的产生过程;在最后一个锁固段破坏之后,主震将发生.通过相当数量地震实例的回溯性预测分析,表明这一指数律能可靠地应用于中等强度预震和主震的预测.该方法能够在地震的中期、短期以及临震预报方面发挥作用.常数1.48很可能是表征中等强度或更大震级的预震和主震产生过程的普适常数.我们还对地震预报研究中某些有争议的问题进行了讨论,从理论和技术层面论证了本方法的适用性.     

一种新的地震预测方法在华南沿海地震带的检验与应用

以华南沿海地震带为例,针对孕震断层多锁固段脆性破裂理论方法应用于中等—弱震构造区的适宜性问题进行了回溯性检验。结果显示:86%的锁固段断裂点通过相对误差γ≤5%置信水平的检验,表明该理论方法基本适用于华南沿海地震带;4个孕震空间区域内各锁固段断裂点与加速应变能释放起点的累积Benioff应变之比ξ略小于1.48,这可能与地壳介质均匀程度、地质环境与实验室条件的差异及地震目录的缺失等因素有关。最后给出了各孕震空间区域未来强震的临界应变值、可能的发震时间和震级。     

基于震例探讨大地震的物理机制

查明大地震物理机制对地震预测和防震减灾具有重要意义.本文评述了当前主流地震机制假说,指出用于描述浅源地震机制的弹性回跳说和粘滑说存在诸多缺陷;前人提出的脱水致裂、相变失稳、剪切熔融和反裂隙断层作用等中-深源地震机制假说,均存在与观测事实不符的情况.本文简要介绍了近些年我们发展的孕震断层多锁固段脆性破裂理论,指出断层运动导致锁固段累进性破裂发生地震,称锁固段在体积膨胀点和峰值强度点发生的显著地震为标志性地震事件.震例分析表明,浅源、中源、深源及其混合型地震区标志性地震事件的孕育规律均遵循该理论.进一步的讨论指出,弹性回跳说和粘滑说均隐含着断层面上存在锁固段的假设;深源地震震源体具有发生脆性破裂的环境条件;该理论能合理解释地震应力降远小于室内岩石破裂应力降、热流佯谬和自组织临界性这些难点问题.这充分说明,大地震物理机制均可统一解释为锁固段脆性破裂.     

前震事件判识方法

我们的研究表明,大多数地震区每轮孕育周期标志性地震事件前,会发生显著前震.本文基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论以及震例分析,提出了前震事件判识方法.研究表明,前震事件的判识只与距CBS临界值的距离有关,而与距标志性地震事件发生的时间和空间距离无关;前震事件并非前人所述的小地震序列,而是较大地震.     

分量钻孔应变潮汐因子各向异性研究

运用多分量的应变固体潮观测结果,可以计算出固体潮的主应变方向、主应力大小数值或剪切应变值,这些参数对研究地震触发、短临信息、断层活动和断层破裂等有重要意义.     

标志性地震事件的断层破裂长度预测模型

锁固段加速破裂过程中,在体积膨胀点和峰值强度点会发生标志性地震事件.本文基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论及地震事件量级匹配原则,提出了标志性地震事件断层破裂长度预测模型,实例分析表明该模型可靠,据此可预测未来标志性地震事件的发震断层破裂长度.     

分量钻孑L应变潮汐因子各向异性研究

运用多分量的应变固体潮观测结果,可以计算出固体潮的主应变方向、主应力大小数值或剪切应变值,这些参数对研究地震触发、短临信息、断层活动和断层破裂等有重要意义。在以往的研究中,考虑到仪器的套筒内径、套筒外径、围岩等效杨氏模量和泊松比、套筒材料的杨氏模量和泊松比有比较复杂的关系。虽然认识到岩石的各项异性会对观测结果的分析产生一定的影响,     

新疆与其边境地区、内蒙古地区及华东、华南与台湾部分地区未来强震预测

运用孕震断层多锁固段脆性破裂理论与有关预测方法,对新疆与其边境地区、内蒙古地区及华东、华南与台湾部分地区各地震区未来的地震趋势进行了分析,给出了未来有大地震发生的地震区地震震级、地点、临界应变(对应发震时间)、震源深度在内的四要素预测结果.得出的结论可供有关部门参考,以制定相应的防震减灾措施.     

云南昭通“9·7地震”的前瞻性预测验证

基于作者提出的孕震断层多锁固段脆性破裂理论与相关预测方法,作者曾在2010年11月就发表文章对昭通孕震区震情进行了分析,并给出了该区域未来强震的震级、震中经纬度、震源深度以及Benioff应变临界触发值.通过与此次2012年9月7号云南昭通发生的MS5.7、5.6级双震进行比较,认为这次双震发生的实际Benioff应变临界触发值与预测值非常接近,表明该理论方法能够可靠地应用于中等强度预震和主震的预测.     

内蒙赤峰南部楼子店韧性剪切带应变与剪切作用类型

赤峰南部楼子店韧性剪切带北东-南西向, 低-中角度倾向南东. 韧性剪切带主要为花岗质糜棱岩, 向上依次逐渐变为绿泥石化糜棱岩带、微角砾岩带、脆性断层面及断层泥带, 这些带具有相似的面理产状, 但相关线状构造产状及运动学标志存在明显差异. 基于长石碎斑进行的Fry法有限应变测量得出, 初糜棱岩对数付林参数、罗德参数和应变强度系数分别为1.25~3.30, -0.535~-0.112和0.41~0.75, 付林图解及霍赛克图解上处于视收缩应变区; 糜棱岩对应的参数分别为0.99~1.43, -0.176~-0.004和0.63~0.82, 付林图解及霍赛克图解上处于靠近平面应变的视收缩应变区. 极莫尔圆法、双曲线法、斜交面理法三种方法求得初糜棱岩和糜棱岩的运动学涡度在0.67~0.95之间, 变形为单剪为主的一般剪切变形. 有限应变和运动学涡度综合分析表明在韧性变形的初始阶段, 变形为加长剪切, 产生了L构造岩; 随着剪切带的抬升和应变的积累, 变形逐渐变为加长-减薄剪切, 形成L-S构造岩. 这些剪切作用类型只能形成a(平行剪切)线理/ab(平行剪切)面理的应变相, 递进变形过程中线理不会发生90°转向.     

五莲拆离断层带的结构、应变及运动学涡度特征

五莲拆离断层带发育于胶东半岛,作为五莲变质核杂岩的重要构造单元,分隔了作为下盘的苏鲁造山带超高压变质岩与上盘的早白垩世诸城盆地与盆地基底.断层带走向由南向北总体由NNE转为NE向,倾向W或WNW,平面上具有"波瓦状"延伸特征,主要由断层角砾岩、糜棱岩组成,向下过渡为糜棱岩化片麻岩.拆离断层带总体具有上盘向W或WNW向伸展运动.调和平均值法计算获得断层带中弗林指数K取值范围0.98～2.0,平均值约为1.35.极摩尔圆法、伸展褶劈理法、Rs/θ法、石英光轴法等多种方法获得糜棱岩、初糜棱岩的平均运动学涡度值分别为0.64～0.97、0.76～0.93、0.6～0.92、0.63～0.98,均值分别为0.83、0.80、0.78和0.86;应变测量与运动学涡度估算的结果共同说明五莲拆离断层带是在伸展拉伸条件下形成的一般型韧性剪切带.运动学轨迹显示,从NW向SE方向运动学涡度值总体存在递减的趋势,在剪切带的中上部,简单剪切作用更为明显,表现为较高的涡度值(涡度值>0.75,最大可达0.98)、低的减薄率和较低的K值;向下盘方向,纯剪切应变的成份明显增加,表现为较低的涡度值(涡度值<0.70,最小可达0.64)、相对高的减薄率和较高的K值.结合大地构造背景,五莲拆离断层带的形成与演化是华北克拉通岩石圈减薄与破坏作用在其东部边缘的一种反映.五莲断层带可以被厘定为形成于地壳伸展环境的减薄型一般剪切带,是地壳伸展引起断层带简单剪切、下盘快速抬升及岩浆上涌引起垂向施加在断层带的纯剪切联合作用的结果.     

什么类型的地震能被预测?

每当一次严重破坏性地震发生后,关于其能否被预测一直是备受争议的话题.本文基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论,分析了能被预测的地震类型,指出:(1)在特定地震区地震目录完整且准确的情况下,除第1锁固段在体积膨胀点发生的标志性地震不能被预测外,后续标志性地震均能被预测;(2)利用次级锁固段破裂在"时间域"或"空间域"的自相似模式,可预测某些标志性预震.本文的研究结果表明,特定地震区内某些标志性地震与标志性预震,因其发生的物理机制明确且有规律可循,故能被预测;这些可预测地震仅与锁固段破裂对应的地震事件类型有关,而与其地震震级无关.     

用钻孔应变观测研究北京地区活断层的现今活动

研究断层活动性的主要目的之一是了解地震危险性,与地震危险性最直接相关的是现今的断层活动情况.如果对当地断层分布和性质有比较清楚的了解,那么就可以根据位错理论用钻孔应变仪观测资料反演断层活动.用遗传算法进行这种反演可以在进行全局搜索的同时大大提高计算效率.北京地区的活断层研究程度比较高,同时有比较密集的钻孔应变观测台站.利用2003-2005年钻孔应变观测资料对北京地区活断层活动的初步尝试性反演表明,在此期间顺义-良乡断层北段和南口-孙河断层东南段的活动可能起主导作用,活动程度与小震活动有关系.     

用大地测量法探测南加州的活动断层

最近对跨越南加州圣安德烈斯断层系的大地测量点位的速度进行了分析,分析结果揭示出震间形变沿12条剪切应变率较高的近乎平行的狭窄带发生。这些高剪切应变带与活动地质断层段对应很好,与微震活动集中带局部对应。从圣安德烈斯断层大弯处向北和向南都观测到了较高的剪切应变率(0.3～0.95微应变/a),而大弯处本身则表现出分散且量级低的剪切应变率。扩散性形变分散且量级较低(<0.2微应变/a),压缩性形变在文图拉和洛杉矶盆地最高。由于以前在该地区从未作过地质、构造和地震活动的假设,因此,我们的分析可以证明大地测量可单独用来探测活动断层段。     

西藏地区未来强震预测

运用孕震断层多锁固段脆性破裂理论与有关预测方法,确定了西藏地区各地震区分区的合理方案,对各地震区未来的地震趋势进行了分析,给出了未来有大地震发生的地震区地震震级、地点、临界应变(对应发震时间)、震源深度四要素在内的预测结果.结果表明,日土以北、聂荣以北、昌都与当雄地震区都将有破坏性地震发生.建议有关部门加强这些地区的地震活动性检测与震情跟踪,并制定相应的防震减灾措施.     

山东、河北、河南、山西、辽宁海城与京津地区未来中强地震预测

运用孕震断层多锁固段脆性破裂理论与有关方法,对山东、河北、河南、山西、辽宁海城与京津地区各地震区未来的地震趋势进行了分析,给出了未来有中强地震发生的地震区地震震级、地点、临界应变(对应发震时间)、震源深度四要素在内的预测结果.研究表明:导致海城Ms7.3级地震发生的最直接原因是发生在1944年的丹东Ms6.75级地震事件,该6.75级地震是引发海城大地震的直接导火索.     

从跨断层短基线观测计算地应变的方法探讨——以唐山台地形变数据为例

跨断层测量是研究断层活动特征的重要手段之一.本文介绍了一种利用台站短基线观测,通过刚体模型、弹性体模型和组合模型确定断层或断裂带附近应变的方法,并以唐山地形变台资料为例进行对比分析.通过对比同时间段的位移和应变时间序列的变化幅度和趋势特征,认为组合模型更符合实际情况.同时,分析了多条测段不同组合情况下的模型计算结果,探讨了跨断层观测资料与区域GPS数据计算结果之间差异的原因.并提出了基线过渡桩更可能位于断层东侧的认识.     

单轴压缩煤样三种应变的变异系数的统计分析

开展了相同加载速度条件下单轴压缩煤样最大剪切应变、最小主应变和最大主应变的变异系数随纵向应变和纵向应力的演变规律.利用基于粒子群优化算法及牛顿-拉菲逊迭代方法获得煤样表面测点的位移,利用中心差分方法获得应变.研究发现,在煤样应变局部化启动(单轴抗压强度的56%)瞬时,最大剪切应变和最大主应变的变异系数发生了突增(分别为0.16~0.32和0.12~0.53);在煤样应变局部化启动至应力峰之间,两种变异系数总体上先不断提升,当应力峰被达到之时,其已从高值回落.与应力的演变规律和最大剪切应变以及最大主应变的时空分布规律相比,在识别煤样应变局部化启动和破坏前兆方面,最大剪切应变和最大主应变的变异系数有明显的优势,最大剪切应变的变异系数更具优势,最小主应变的变异系数不具优势.     

穿越走滑断层海底管道局部屈曲研究及应变响应预测

海洋地震频繁且海底土体环境复杂,当地震导致断层土体发生永久变形后,穿越断层的海底埋地管道也将受迫发生变形。为确定变形后的管道能否正常工作,需根据实际工况对其进行应变响应预测。首先通过有限元计算软件ABAQUS建立管道与走滑断层的三维实体模型,模拟管-土间的接触作用并通过等效边界方法修正模型,得到管道局部屈曲破坏形式及应变分布情况。然后,通过调整有限元模型参数对断层交角、管道工作内压、管道径厚比对管道极限塑性应变的影响进行敏感性分析,定性分析不同敏感性因素对穿越走滑断层海底管道应变响应的影响。最后,在数值模拟数据的基础上通过MATLAB软件利用基于遗传算法优化的BP神经网络实现对管道应变响应的精确预测。结果表明:穿越走滑断层管道在发生局部屈曲时,可根据轴向压缩应变突变现象确定管道局部屈曲时对应的断层位移,并且断层交角、管道工作内压和管道径厚比都会对跨断层管道应变响应产生影响。     

安徽地区M_S≥4.0中强震趋势分析

以孕震断层锁固段脆性破裂理论为基础,对安徽地区1970年以来发生的M_S4.0及以上中强震趋势做回溯性检验分析,在1°×1°(100 km)的空间尺度下,选择36个月的时间长度,安徽地区M_S≥4.0中强震震前有明显应变加速起始点,且震前时间间隔和震时累积Benioff应变值有明显分档、分组规律。