大震前地震活动平静现象一种可能的机制:断层的蠕滑-匀阻化

许多大地震前地震活动存在明显的平静现象,由于其普遍性,地震平静现象被认为是具有物理意义的地震前兆并被作为地震预报的重要依据.关于大震前地震平静现象的物理机制,国内外学者从不同角度进行了研究,其中包括用破裂强度的双峰式分布、扩容硬化、震前滑动造成的应力松弛、震源体内外介质性质的差异和相互作用等机制解释强震孕育过程中短期地震活动的平静现象.尽管在一些模型中把岩石力学实验结果作为证据之一,但来自与地震活动最相似的岩石变形声发射的实验证据并不多.因为以往大量的实验结果表明,在恒定的加载条件下(等位移速率、等应力速率等),岩石破坏失稳前声发射活动多表现为加速特征,尽管一些岩石破坏前声发射活动加速现象不明显,但也难以观测到平静现象.然而,在我们开展的一系列断层结构和介质不同的中尺度标本的声发射实验中,一些标本破坏失稳前声发射活动表现出明显的相对平静现象,据此我们对大地震前地震活动平静现象的物理机制进行了讨论.     

基岩区断层黏滑与蠕滑的地质标志 和岩石力学实验证据

文中总结了基岩断层带黏滑与蠕滑的地质标志与岩石力学实验证据,分析了控制黏滑与蠕滑的物理机制。断层带内的矿物组成、矿物变形机制、流体作用和断层带变形方式等是控制黏滑与蠕滑的主要因素。富含黏土矿物的断层泥具有速度强化型摩擦滑动,控制着断层蠕滑,而以方解石、石英、长石及辉石等造岩矿物为主的断层泥在大陆浅源地震的震源深度条件下具备黏滑条件。脆性破裂伴随的扩容过程是断层黏滑的必要条件,而压实、碎裂和塑性剪切变形形成的叶理和小褶皱对应于蠕滑。在流体作用下,压溶使孔隙和微裂隙愈合,有利于断层强度的恢复和断层闭锁,既是断层发生不稳定滑动的根源,也是断层带局部存在高压流体的条件,而在流体作用下的退变质反应与水解反应生成黏土矿物和层状及环状硅酸盐矿物,不仅降低了断层带的强度,还导致断层向蠕滑转变。断层带内均匀分布多个剪切面和较宽的变形带对应于蠕滑,局部化的R剪切及Y剪切、窄变形带和摩擦镜面对应于黏滑。     

活动褶皱研究及其识别

通过对发生在活动构造挤压区内的Coalinga、El.Asnam、Spitak等地震实例及新疆活动褶皱的分析研究,提出了活动褶皱的分类、活动褶皱研究的意义、内容、方法及其识别。指出同活动断层相似,活褶皱也有粘滑和蠕滑两种形成机制。年轻而快速增长的活褶皱不仅可能是发生地震的地点,其本身也有可能是连续地震的产物。我们称这些具有粘滑机制的活褶皱为地震褶皱;活动褶皱发育的挤压性构造区具有发生中强地震的潜在危险。地震褶皱则是地震震源的一种“指示构造”。同时作为古地震标志,地震褶皱及其派生的近地表活动弯滑断层和弯矩断层等次生断层,其同震生长和滑动可以提供下伏发震断层的复发间隔及其活动历史;由于逆断型地震其发震道断层的滑动不仅在平面分布上具有不均匀性,而且在剖面分布上也存在不均匀性,其量从震源深处向地表有渐小趋势。故主要根据对第四纪地表变形的分析来进行地震危险性评价的方法。在活动构造挤压区有很大的局限性。而平衡剖面法乃是识别和定量研究活动逆断层,特别是隐伏断层的最好方法。     

确定辽东半岛潜在震源区的断层活动性研究

本文讨论了在地震活动中等或较弱、而又没有发现古地震遗迹的地区(辽东半岛属于这类地区),如何利用断层活动性资料评价该区的地震危险性和确定潜在震源区的问题,并取得以下结果:1.该区发生的5级以上地震基本与晚更新世有过活动的断层有关;2.研究区活断层据其运动特性划分为以粘滑为主、蠕滑为主和粘滑、蠕滑兼有三类。6级地震发生在粘滑断层段;3.利用晚更新世活断层长度和个别断层的位移量估算了一些断层可能的最大震级     

基于岩石变形声发射实验结果讨论岩石失稳的可预测性

根据室内岩石变形声发射实验结果,计算了声发射序列的地震非均匀度GL值,并以此探讨了岩石破裂失稳的可预测性。在双轴压缩、等速率加载条件下,含障碍体断层、挤压雁列断层和Ⅲ型剪切断层等非连续岩石标本在临近滑动失稳前,声发射活动均出现了显著的均匀—非均匀的状态变化,表现为GL值出现持续大于1的异常变化,GL值异常的位置与破裂成核部位相重合,并与断层走向一致;改变统计窗长、窗内分割数及能级统计下限计算声发射序列的GL值,结果表明,GL值计算结果具有一定的稳定性。综合分析认为,地震非均匀度(GL值)可以较好地刻画岩石失稳前夕因破裂成核导致的声发射活动在时间分布上的状态变化,GL值持续异常是岩石失稳的显著性标志,对预测岩石失稳具有较好的指示意义。     

中国大陆区断层蠕动的若干地质形迹

中国大陆区多数活动断裂虽未见有引起地表变形的明显断层蠕滑运动现象，但仍不乏断层蠕滑运动的种种地质形迹，如区域性有序的地裂运动，沿断裂分布的线性变形带，以及与地质滑动速率相比大大偏低的地震滑动速率等．认识并查明断层蠕滑运动这一重要活动习性，在理论上和实际中均有重要意义．      

结构岩体变形、破坏与地震前兆关系的实验研究

本文主要以岩石试件切口在单轴压缩条件下的扩张来模拟大陆内部断层端部扩张型地震的孕育过程。在实验中观测了试件在外力作用下的应力-应变关系、张裂纹和剪切破坏在时间和空间上的扩展顺序,以及由此引起的声发射和纵波走时变化特征。根据实验结果讨论了由断层端部扩展引起地震的前兆——如断层蠕滑、前震迁移路径、地下水和地形变等各类地震前兆上显示的差异性,对于观测前兆和前震区与主震区的相对位置,具有一定的指导意义     

新疆库尔勒活动断裂和断层破裂段探讨

新疆南疆重镇库尔勒市及附近地区，至少分布着９条颇具规模的活动断裂。尤其斜切库尔勒市区北部的库尔勒断裂，新活动十分强烈。库尔勒断裂东段与兴地断裂西段很可能是连通的一条地震破裂段，两者均存在着丰富的多期次古地震事件的遗迹，为较稳定的断层“破裂单元”。该破裂段上现代地震活动异常平静，但发现了明显的蠕滑错开形迹。这种地震的发生与断层滑动不协调现象，说明断层运动受到了抑制，能量在某处得以积累，有酿成大震的条件和危险。     

海城地震前短期宏观前兆的可能机制

依据黄海、渤海及邻近地区的实测地应力结果,探讨了活动断裂的走向与区域最大水平主应力方向的关系。结果表明:如果活动断裂的摩擦系数基本相同,则在构造应力场逐渐增强过程中地区内走向为N52°E和N64°W附近的断层面上的剪应力将首先达到摩擦强度而产生滑动(粘滑或蠕滑);走向为N33°W至N21°E附近的断层则不易滑动。海城地震前的短期宏观前兆可能是在走向有利于滑动的断层面上剪应力较早达到断层的剪切强度(τ_(12)≥τ)而产生蠕滑的结果。     

岩盐断层带摩擦滑动的速度依赖性转换及其地震学意义

为了深入理解断层带摩擦滑动速度依赖性转换及其机制,利用双轴摩擦实验对干燥及含水条件下岩盐断层带摩擦的速度依赖性进行了实验研究,并观测了摩擦滑动过程中的声发射,分析了断层带的微观结构.实验结果表明,干燥岩盐断层带在0.1~100 μm/s的速度范围内表现为速度弱化,增大σ₂会使断层带向速度强化转变;含水条件下岩盐断层带在1~100 μm/s的速度范围内表现为速度弱化,而在0.1~0.01 μm/s的速度范围内表现为速度强化,速度依赖性转换出现在0.1~1 μm/s,其中断层表现为振荡或应力释放时间较长的黏滑事件;岩盐断层带在干燥条件下表现出很强的声发射活动,每个黏滑均对应一丛声发射事件,而在含水条件下一次黏滑只对应一个声发射事件.显微观察表明,局部化的脆性破裂是速度弱化域的主要变形机制,分布式的碎裂流动是干燥岩盐断层带在速度强化域的变形机制,颗粒边界迁移以及压溶作用的塑性变形是含水条件下岩盐断层带在速度强化域的主要变形机制,而脆性破裂和塑性变形共同控制着速度依赖性转换域断层带的变形.水的存在促进岩盐发生塑性变形,进而导致断层带从速度弱化向速度强化转换.上述结果有助于理解断层带上地震活动的特征和慢地震的机制.     

断层交汇区附近的变形特点与声发射特点的实验研究

把昌平花岗岩切割成20多种含两组断层交汇情况的模型.断层物质用2毫米厚的石膏模拟.模型受单轴应力的作用.实验中得出四种破裂组合情况:1.滑动破裂型 发生在两组断层与主压应力轴1的交角一组大于45,一组小于45的情形下.其中,当断层物质石膏湿度为10——15%时,先在大角度面上产生剪切破裂,后沿小角度面产生最终磨擦滑动.在应力位移曲线上表现为两次应力降.当断层物质石膏湿度小于5%时,则只沿小角度面上产生磨擦滑动.应力位移曲线为单应力降。2.压楔型 发生在两组断层与1夹角均大于45的情况下.其应力位移曲线为阶梯式上升型.断层位移方向反复.3.张楔型 发生在两组断层与1夹角均不大于30时.应力位移曲线为单应力降.4.双滑或双破型 发生在两组断层与1夹角均在30和45之间.应力位移曲线为连续的两次应力降.根据应力位移曲线和应力声发射累积数曲线的相似性,主破裂前的声发射累积数与主破裂时峰值应力的相似性以及断层组合与声发射组合的关系中,看出声发射过程对构造条件是敏感的.文中还对不同断层组合下可能出现的地震前兆进行了讨论.      

EXPERIMENT STUDY ON ACOUSTIC EMISSION,MICROSEISM AND CHARGE INDUCTION DURING FRACTURE PROCESS OF GRANITE WITH FAULT ZONE UNDER UNIAXIAL COMPRESSION

As the rock samples will produce abnormal signals of acoustic emission, microseismic and charge signals under external loading, the waveform comprehensive monitoring devices are used to synchronously monitor acoustic emission, microseismic and charge signals during the deformation and failure process of granite with fault zone under uniaxial compression. The results show that, the granite with fault zone has obvious synchronous precursory signals of acoustic emission, microseism and charge induction in the elastic deformation stage, and has high amplitude synchronous precursory signals in the instability destruction stage. The influence of fault zone on granite samples strength is remarkable, and the uniaxial compressive strength of samples with the fault zone is greatly reduced. With the angle of the fault zone decreasing, the uniaxial compressive strength of the specimens is reduced, the samples are more liable to instability and the energy of instability destruction is greater. With the fault zone angle of granite samples decreasing, the acoustic emission, microseismic and charge induction signals increase in the deformation and failure process of samples. The samples stress decreases when the acoustic emission, microseismic and charge induction precursory signals appear synchronously. The duration of acoustic emission, microseismic and charge induction precursory signals is increasing in the instability destruction stage. When the angle of the fault zone reaches 30°, the mutability of acoustic emission, microseismic and charge induction signal increases, the time to enter the dangerous stage is much earlier, and the acoustic emission events of large magnitude increase significantly, and the large angle faults of coal mine are more dangerous. The intensive and high amplitude synchronous precursory signals of acoustic emission, microseism and charge induction are produced before the instability destruction, and the signals duration is shorter. The intensive and strongest synchronous precursory signals of acoustic emission, microseism and charge induction are produced in the instability destruction, and the signals duration is longer. Acoustic emission monitoring data can better reflect the micro rupture of rock. And combined with the acoustic emission, microseismic and charge induction precursory signals, the precursory information of rock instability destruction can be obtained more accurately.     

拐折断层黏滑过程的实验研究

采用位移、应变和声发射等测量手段,研究了预置5°拐折断层的房山花岗岩样品的黏滑过程,分析了不同加载速率下5°拐折断层失稳的黏滑特征及相关物理场的演化过程。实验结果表明: 1)5°拐折断层的黏滑周期与加载速率在数值上呈负对数相关关系; 2)在不同的加载速率下,大多数的5°拐折断层失稳是双震事件, 2次子事件的间隔时间大多在100～200ms之间; 3)采用不同的观测手段,即使采样速率一致,其临震响应也存在差异性,如断层失稳前沿断层的应变测量结果呈现明显的应变弱化,断层位移则未见明显的变化; 4)断层黏滑过程中的声发射事件呈现明显的沿断层迁移的特征。认识强震的发生机理和余震特征需要进一步研究断层失稳过程的动力学信息。     

雁列式断层变形过程中物理场演化的实验研究（二）

在双轴压缩条件下对由挤压型和拉张型雁列式断层组合而成的复杂雁列断层系变形过程中声发射、断层位移及应变的时空演化进行了实验研究，结果表明，复杂雁列式断层系的变形过程及相应的物理场演化并非是两种雁列式断层的简单叠加，而是包含着它们之间的相互作用。能量较强的声发射事件成核部位主要集中在应力水平较低的张性雁列区附近的主于断层上，而不是应力水平较高的压性雁列区，但这种事件发生的时间则明显受控于压性雁列区的变形过程     

雁列式断层变形过程中物理场演化的实验研究（一）

在双轴压缩条件下对挤压型和拉张型雁列式断层变形破坏过程中声发射、断层位移及应变场的时空演化进行了实验研究。研究表明，两类雁列式断层具有类似的变形破坏过程，即前期以雁列区的破裂贯通为主，后期以沿断层的滑动为主。但挤压型雁列区内可积累较高的应变能，有较强的应变释放和声发射活动，雁列区对滑动始终起着阻碍作用；而拉张型雁列区内难以产生快速的应变释放和较强的声发射活动，雁列区对后期的滑动也无明显的阻碍作用。两类雁列区贯通所引起的失稳均有明显的前兆，而在随后滑动过程中失稳前兆的出现，取决于断层不同部位或段落之间是否有应变传递     

愈合断层再破裂的实验研究

将济南辉长岩岩柱沿不同角度锯开,再用环氧树脂粘接后加工成标准园柱形样品以模拟愈合断层。将样品置放在单轴压机下加压,使愈合断层再破裂。实验表明:愈合断层再破裂的前兆变形、破裂前的声发射率变化规律和声发射b值变化规律在某些条件下类似于完整岩石的破裂,而在某些条件下又类似于既存断层的错动。断层面与主压应力的交角以及断层愈合程度是影响愈合断层再破裂的前兆特征的主要因素。本文还指出,在地震活动性的研究中,地震断层在一定程度上愈合后再发生破裂这一问题是不容忽视的重要问题。     

不同结构岩石标本声发射b值和频谱的时间扫描及其物理意义

对几种不同结构的岩石标本在变形过程中声发射b值和频谱随时间的变化特征进行了对比研究 ,其中包括完整花岗岩标本、含有天然愈合节理的花岗岩标本、含有拉张型和挤压型雁列式断层以及平直断层的标本等。研究表明 ,声发射b值和频谱的特征不仅会受标本结构的影响 ,而且在同一标本的不同变形阶段也可能表现出不同的特征 ,其机制与变形方式以破裂为主或以摩擦为主有关。当变形以破裂为主时 ,声发射b值和频谱在失稳前会出现明显的下降 ;当变形以摩擦为主时 ,声发射b值和频谱在失稳前变化相对较小 ,且上升或下降均可能出现。实验结果意味着b值和频谱特征作为失稳前兆 ,在不同的构造环境下可能会有不同的特征 ,而强震孕震区内不同断裂构造的存在会造成前兆时空分布的非均匀性     

中等地震活动增强作为强震标志的研究

通过对(1990~1996年)发生在我国大陆及边境地区24次6级以上地震的分析研究表明,80%的强震主震前在震源区及附近有中等地震活动增强的过程。异常表现出共同的基本特征,即长期平静→增强活动→震前平静→发震。震前平静至发震大约经历几个月到2年时间(平均10个月左右),可以作为中短期地震预报判据。用岩石蠕变声发射实验来解释这一现象,可把中等地震活动增强看作是稳态蠕变阶段后期发生的广义前震。     

莱州湾海域郯庐断裂带活断层探测

利用浅地层剖面仪对郯庐断裂带莱州湾段进行了活断层探测,发现郯庐断裂带主干断裂在第四纪晚期以来具有明显的活动,继承了晚第三纪以来的主要构造活动特点,仍是这一区域的主导性构造. 西支KL3断裂由多条高角度正断裂组成,最新活动时代为晚更新世晚期至全新世早期,受到一系列错断晚更新世晚期沉积的北东或近东西向断裂的切割;东支龙口断裂由两段右阶斜列的次级断层组成,沿断裂带不但有明显的晚第四纪断错活动,而且还发育北北东向晚第四纪生长褶皱,表现出明显的晚更新世晚期至全新世活动特征. 在山东陆地区也发现了与龙口断裂相对应的安丘——莒县断裂,安丘段由一系列右阶斜列的次级断层组成. 从安丘向北至莱州湾凹陷,郯庐断裂带东支活断层构成了一条右旋单剪变形带,每一个次级活断层段相当于带内理论上次级压剪面,在第四纪晚期以来仍以右旋走滑活动为主要特征.      

5°拐折断层在黏滑过程中物理场演化与交替活动的实验研究

在实验室利用96通道应变记录采集系统和分布式多通道瞬态信号采集系统,观测了预切5.拐折断层的标本在变形失稳过程中应变场和声发射事件的时空演化.实验在双轴伺服加载系统上进行.在Y方向按位移控制方式加载,位移速率先后取0.5μm/s、1μm/s、0.5μm/s和0.1μm/s.观测得到:1)标本沿断层发生周期性的黏滑失稳,...