加卸载响应比与震前应力积累模式研究

加卸载响应比是一种中短期地震预测方法.按照该方法,通常在大地震发生之前加卸载响应比时间序列会出现明显的异常高值.早先的研究发现,震前临界区域的选择对加卸载响应比的计算有很大影响.我们发展了一种使用震前应力积累区域取代传统圆形区域计算加卸载响应比的算法,提高了加卸载响应比的地震预测能力,其震前库仑应力场分布采用地震断层位错模型将同震滑移量反向滑移的方法计算.美国南加州近20年来发生的4次M6.5地震以及2008年中国汶川MS8.0地震的研究事实表明,使用库仑应力算法得到的加卸载响应比时间序列,前兆变化相对于圆形区域算法更为明显,且对目标地震的位置、震级预测更为明确.库仑应力算法的这一独特性质,使我们可以针对不同地区的活动构造特征对未来地震发生的地点和大小提供信息和约束.     

断层面上库仑破裂应力变化的相关研究进展

地震的孕育、发生和震后调整被认为是震源区及其邻区的应变积累释放过程.地震引起的静态库仑应力变化可有力地解释余震分布、强震序列等地震观测,并为探索地震发生机制和地震预测提供新的线索.地震学家们多采用弹性位错模型计算同震位错引起的库仑应力变化,以研究余震分布及地震间相互作用;随着流变学的发展,粘弹模型因可以很好的解释大量震后形变观测而被广泛用于断层面上的震后应力调整研究;此外,构造应力加载作用在更长时间尺度上造成断层面的应力积累,基于负位错模型计算震间库仑应力变化为又一研究内容.本文从同震、震后、震间库仑应力变化的角度提炼出断层面上库仑破裂应力变化的大量研究成果,介绍了库仑应力变化的基本计算原理及引起断层面上库仑应力变化的主要原因,论述了通过库仑应力演化来研究地震活动的方法和应用,进一步讨论断层面上库仑应力演化研究存在的问题和近期的进展.     

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。      

1973~1976年四川松潘强震序列的应力触发过程

本文计算和研究了1973~1976年四川松潘4次强震组成的序列引起的库仑应力变化图像,分析了由该序列各次事件引起的近场应力变化及其与后续强震发生以及余震分布的关系,同时分析了该序列引起的远场应力变化与随后25年区域中-强地震活动的关系.结果显示：1973年8月11日松潘黄龙6.5级地震导致虎牙断裂带中段上库仑应力的显著增加并触发了1976年8月16日的7.2级地震;此后,又沿断层向南相继触发了1976年8月22日的6.7级地震和8月23日的7.2级地震.该序列的绝大多数余震主要发生在主震发震断层的近场库仑应力增加区.另外,在该强震序列发生后的25年中、在距该序列发震断层中部约200 km范围内,6次5.0~6.6级地震均发生在由该序列引起的远场、微量的库仑应力变化增加区中.     

从应力演化角度讨论龙门山区域7级强震序列对芦山地震的影响

计算包括同震静态库仑破裂应力变化以及震后黏滞松弛引起的应力变化等,可以更好地解释余震分布、地震序列等地震观测结果。在芦山地震之前,从1900年以来龙门山区域发生了4次7级以上地震,分析这几次地震的同震应力变化以及震后黏弹性松弛对芦山地震的产生的影响,芦山地震以后区域断裂带上的应力伴随强震如何演化,芦山地震与汶川地震的破裂空段呈现何种应力状态,探讨这些问题可能会为了解芦山地震震源处震前的应力状态及该区域未来地震风险评估提供一定的依据。文中采用有限元数值模拟方法,根据地质构造、速度、密度结构深部反演结果以及GPS及应力观测资料等,建立龙门山地区三维黏弹性有限元模型进行研究。模拟结果显示:龙门山断裂带南段及鲜水河断裂带的库仑应力年变化速率在研究区域中相对更高,这与研究区域的地震活动性一致。芦山地震的前4次地震,除叠溪地震外,康定、松潘、汶川等3次地震在芦山地震震中位置产生的同震库仑破裂应力变化大于0,表明这3次地震可能促进了芦山地震的发生,汶川地震的同震库仑破裂应力超过了0.01MPa,同震触发效应十分显著。震间的黏弹性松弛对芦山震源处起加载作用,从1900年以来这种持续的加载作用也超过0.01MPa,因此在模拟应力演化的时候,介质的黏弹性松弛效应不能被忽略。从库仑破裂应力的角度计算龙门山区域断层的应力演化,可以发现龙门山断裂带上汶川地震和芦山地震破裂的空段,在芦山地震之后仍然属于相对应力水平较高的区域。     

1970年以来中国大陆25次6.8级以上地震前态矢量异常特征研究

利用态矢量方法对中国大陆1970年以来25次6.8级以上地震进行了较为全面的分析研究, 结果表明, 19次地震前3年内态矢量出现明显异常, 其中10次地震发生前60天内态矢量有明显的变化, 只有6次地震前态矢量变化不明显。 由此认为态矢量方法对强震具有一定的中期和短临预测能力。 研究结果还表明, 相对于态矢量增量的模、 态矢量方向的改变等参量, 态矢量的模在震前的变化更为敏感, 此外, 对于相同震级的地震, 最佳扫描区域尺度大小不一, 并对这些现象进行了一定的解释。     

2017年MW6.5九寨沟地震激发的同震库仑应力变化及其对周边断层的影响

2017年8月8日21时19分在我国四川省北部阿坝州九寨沟县发生了M_W6.5左旋走滑型地震.该地震发生在青藏高原巴颜喀拉块体东北缘,东昆仑断裂南东段的塔藏断裂、岷江断裂和虎牙断裂的交汇地带.包括此次地震,近年来在巴颜喀拉块体周缘已发生了九次6级以上强震,表明巴颜喀拉块体周缘主要活动断裂上的应力水平仍处于不断调整之中.本文采用库仑应力模型研究2017年M_W6.5九寨沟地震激发的库仑应力变化、该地震与周边地震的应力触发关系以及强震对周边主要活动断裂的应力扰动.强震序列包括周边区域1536-1975年M≥6历史强震和1976-2017年的M_W≥ 6 gCMT地震目录中的强震,共计32个.研究结果表明：（1）2017年M_W6.5九寨沟地震激发的同震库仑应力变化仅在局部范围内超过0.1×10⁵Pa,且75%的余震（~12.7天）受到该地震明显的同震应力触发作用,而其余25%的余震落在应力影区,采用最优破裂面可以进一步提高同震库仑应力变化与余震分布的空间相关性;（2）2008年M_W7.9汶川地震对2017年M_W6.5九寨沟地震的发生有一定的促进作用,在后者震源处激发的同震库仑应力变化为（0.026~0.263）×10⁵Pa,震后黏弹性库仑应力变化为（0.010~0.032）×10⁵Pa.该库仑应力的变化范围取决于汶川地震源断层参数和九寨沟地震接收断层参数.2013年M_W6.6芦山地震对九寨沟地震的发生几乎没有影响（< 0.001×10⁵Pa）;（3）1654年M8.0甘肃天水南地震对九寨沟地震的发生有明显的促进作用,在九寨沟地震震源处激发的同震库仑应力变化为（0.410~1.266）×10⁵Pa,震后库仑应力变化为（0.147~0.490）×10⁵Pa.1879年M8.0甘肃武都地震可能有比1654年M8.0甘肃天水南地震更强的应力触发作用,但也有可能对九寨沟地震的发生起到抑制作用.在选取的8个九寨沟地震接收断层面上,其中6个接收断层面上该地震所激发的同震库仑应力变化为（0.913~2.364）×10⁵Pa,2个接收断层面上该地震所激发的同震库仑应力变化为（－1.326~－0.454 ）×10⁵Pa;在4个接收断层面上震后库仑应力变化为（0.094~1.072）×10⁵Pa,在另外4个接收断层面上震后库仑应力变化为（－1.593~－0.106）×10⁵Pa.1933年四川叠溪地震对九寨沟地震的发生影响较弱,其所激发的同震库仑应力变化为（0.015~0.080）×10⁵Pa,震后库仑应力变化为（－0.029~0.025）×10⁵Pa;（4）九寨沟地震仅在其附近的岷江断裂北段、塔藏断裂和虎牙断裂南段造成较明显的同震库仑应力变化,其分别为0.09×10⁵Pa、（0.14~2.03）×10⁵Pa和0.25×10⁵Pa.而进一步顾及其余31个强震的库仑应力作用则发现,同震库仑应力增加非常显著的主要活动断裂分段为：岷江断裂北段南侧和岷江断裂南段的库仑应力变化分别升高5.6×10⁵Pa和9.8×10⁵Pa.鲜水河断裂北段南侧库仑应力升高23.0×10⁵Pa,鲜水河断裂南段道孚-康定段的北侧库仑应力升高9.0×10⁵Pa,而最南端库仑应力升高3.0×10⁵Pa;龙门山断裂带中段的北侧库仑应力变化为（6.1~7.4）×10⁵Pa,中段库仑应力增加（2.1~11.5）×10⁵Pa;西秦岭北缘断裂东段库仑应力变化为4.4×10⁵Pa;龙日坝断裂北段最北侧的库仑应力变化为2.0×10⁵Pa;小金河断裂北段库仑应力变化为1.7×10⁵Pa;安宁河断裂北段库仑应力变化为1.6×10⁵Pa;（5）由于下地壳和上地幔的黏弹性松弛作用,所有强震在九寨沟地震震后20年造成的黏弹性库仑应力变化在鲜水河断裂、龙门山断裂中段、塔藏断裂以及秦岭南缘断裂西段比较显著,其分别为：（1.0~3.0）×10⁵Pa、2.8×10⁵Pa、（2.3~2.7）×10⁵Pa和0.9×10⁵Pa.但总体上黏弹性库仑应力变化没有改变各断裂上的同震库仑应力变化空间分布.总的库仑应力变化在鲜水河断裂北段南侧和南段的道孚至康定段北侧、龙门山断裂中段北侧、岷江断裂南段和北段南侧、虎牙断裂、塔藏断裂以及西秦岭北缘东段很显著（均超过4×10⁵Pa）.由于库仑应力明显升高可能预示着地震潜在危险性增强,因此这些断裂分段可能将来需要重点加以关注.     

2008年和2014年于田地震对周边断层发震概率的影响

大震后区域静态库仑应力变化直接影响地震活动性速率的变化、主震断层外余震和即将失稳断层的发震概率的变化.利用滑移速率和状态相依赖的摩擦定律,结合2008年3月21日于田地震前后的地震活动性水平,定量计算了2008年于田地震后该地区周边断层发震概率的变化,着重解释了2014年于田地震发震的可能根源.此外,本文还对库仑应力明显变化的周边三条断层进行了发震概率的定量计算.贡嘎错断裂中段、贡嘎错断裂西南段和康西瓦断裂中段分别经历了发震概率先降后升、先升后升和先降后降两个阶段,充分显示了库仑应力的细微变化造成的周边断层的危险性的变化.这三条断裂发生7.0级以上地震的发震概率超越95%均需要500年左右;贡嘎错断裂西南段发生中强地震的可能性较大,而康西瓦断裂中段活跃度较低.     

2008年汶川Ms8.0地震在2013年芦山Ms7.0地震和2014年康定Ms6.3地震破裂区引起的库仑破裂应力

2008年5月12日四川汶川发生M_S8.0地震发生之后, 先后于2013年4月20日和2014年11月22日分别在汶川M_S8.0地震震中西南约80 km的芦山县和约178 km的康定县发生了M_S7.0和M_S6.3地震。 芦山地震位于龙门山前主边界处, 康定地震位于鲜水河断裂带上。 芦山地震发生前有几位作者先后计算了汶川M_S8.0地震引起的库仑破裂应力, 分析了其对周围断层的影响。 本文对这些研究结果进行了简要回顾, 并根据芦山地震和康定地震的实际发震断层面参数, 计算了汶川M_S8.0地震在芦山地震和康定地震震源深度处的水平面上以及其发震断层面上产生的库仑破裂应力, 还给出了其震中处库仑破裂应力随深度的变化。 结果表明, 汶川M_S8.0地震发生使芦山地震震源断层面上有利于其错动发震的应力大面积增加而使康定地震震源断层面上有利于其错动发震的应力大面积减小。 在芦山地震初始破裂点处引起的库仑破裂应力达0.245 MPa, 在康定地震初始破裂点处引起的库仑破裂应力为-0.00063 MPa。 因此, 汶川M_S8.0地震的发生对芦山地震具有明显的促进作用, 而对康定地震的作用不明显。 在目标断层面参数已知的情况下, 根据库仑破裂应力在目标断层面上的分布, 可能为未来地震发生的地点提供线索, 进而对地震发生的危险性进行预测。 若一次地震的发生使目标断层面上有利于其错动发震的应力大面积显著增加, 这种情况下库仑破裂应力对未来地震具有预测意义。     

基于黏弹性模型的苍山地震库仑应力变化研究

采用多层黏弹性模型,计算郯城地震和苍山地震引起的同震及震后黏弹松弛库仑应力变化,讨论这两个地震之间的触发关系、苍山地震对余震分布及周围地区应力变化的影响。结果表明:(1)郯城地震对苍山地震的发生有一定的抑制作用;(2)苍山地震的大部分余震分布在库仑应力增加区域,库仑应力变化值为0.08~0.12bar,且余震主要分布在8~14km处的断层面上;(3)安丘—莒县断裂的东北部、苍尼断裂的中段、凫山断裂的东段以及韩庄断裂、峄城断裂位于库仑应力增加区,均存在较强的地震危险性。