应力降、滑动类型、震级和地震危险性的关系

在地震易发区有工业设施和众多民用建筑的大城市中,大地震易于产生巨大的生命和经济损失,因此,必须注意提供可靠的抗震设防。抗震设防不仅需要考虑地面振动,而且也需要考虑地基失效,尤其是地表断裂活动危险。土耳其和中国台湾最近的地震惨痛地说明了这一点。本文目的是对震源参数,如矩震级(M,M_w)、面波震级(M_s)、地震矩(M_o)、应力降(△σ)、破裂长度(L)和断层位移(D)之间理论关系的认识现状进行调查.利用简单的破裂模型,提出了M_s与L和△σ相联系的一个关系:M_s=2logL+1.33log△σ+1.66。利用世界范围的破裂长度、断层宽度(W)、断层位移和面波震级等地震数据,并且结合地质观察(△σ_1)和前面提出的公式(△σ_2),可以计算出每个地震的应力降值。结果表明:直到大约15km深度处(相当于脆塑性的边界处),应力降随着断层宽度(深度)增加而增加。在逆断层情况下,应力降的增加比走滑和正断层的情况下更加显著。用公式△σ=kW~n拟合了这些数据,初步给出了3种滑动类型的k和n值。断层深度超过15km,△σ_1、△σ_2没有显示太大的波动(△σ<100bar)。上述结果和大陆岩石层的一些实验模型所得的结果相一致。虽然需要更多的数据,特别是大地震的数据,来确定是W模型还是L模型能较好符合地震的标度定律,然而应力降的大小似乎不依赖于断层长度,故支持乙模型。地表断裂活动的危险依赖于断层所处的动力环境,即应力降、破裂长度和断层宽度。尽管统计表明,很多情况下出现地表断裂活动的最小震级是6.1,但有时5.5级的超浅地震就伴有地表断裂活动,这说明了标度律有变化。因此可以看到,产生地表断裂活动的临界震级依赖于断层区域材料的流变性以及应力环境。     

具有脆性形变和蠕动变形的复合单断层系模型中的应力、滑动与地震

对弹性半空间中的几个含有不连续断层系的三维弹性连续介质模型，在沿单元垂直走滑断层发生的滑动过程进行了数值模拟，模型的几何形状和所使用的边界条件大致与圣安德烈斯断层中部的情形相符合，数值模拟综合考虑了脆性形变和蠕动变形，断层带的总形变率为蠕变和摩擦滑动率之和。脆性断层的性质由破裂段（数值单元）的不同地震应力降的分布来给定。所假设的分布描述了两种理想化的情形，它们分别对应于不同断层滑动的极限状态：（1）以大尺度范围为特征的强无序状态，表示不成熟的断层带及扩展空间域。（2）相对有序的状态，以小尺度范围为特征，表示成熟的完全滑动断层。假定断层的蠕变特性在所有的情形中都相同。并且是用蠕滑速率与应力的幂次律关系来刻画的。利用这种脆性蠕变过程和模型参数可以得到一个在12．5km深度含有“脆性－延性”过渡带的应力－深度剖面，以及一个在1857年地震破裂西北65km处存在有“脆性－蠕变”过渡带的沿走向的应力剖面。模拟的震源空间分布在统计意义上与观测数据相类似，结果表明，断层强烈不均匀性的特征尺度范围会在断层系统的地球地震响应中显著表现出来，若尺度范围小，则会使震级－频率分布接近于特征地震分布，在时间上会层致如地震空区说所预言的大地震的准周期分布，而大尺度范围的地震活动性符合古登堡－里克特的震级－频度关系以及大地震的随机或是成簇的时间分布特征。数值模拟的结果表明，各种形式的震级－频度关系以及地震时间分布的统计特征都可以通过表征断层带不均匀性的尺度范围统一起来，这可以通过借助一个给定的断层带或是岩石层的结构特征给出一个清晰的物理解释，并且得到地震及断层观测资料的支持。在一些模拟中，小地震的震级－频度关系曲线明显低于自的古登堡－里克特关系曲线。这说明在构造加载过程中，小地震通过平滑应力的长波成分，为大地震的发生创造了条件。这一过程是通过与小地震的大量断裂有关的短波应力的消失过程来完成的，大地震的大尺度破裂的发生正好导致与上述长，短波应力的平滑与消失变化相反的过程。     

2003年十胜近海地震随后的余滑时空分布：断层带摩擦性质变化的推论

2003年9月25日(世界时)十胜近海地震(Mw～8．0)随后的GPS时间序列揭示出了显著形变。我们采用“网络反演滤波”技术，对震后30天内后续断层滑动的时空演变进行了反演。后续断层滑动集中在同震破裂带附近，即在2003年地震断裂带、1968年十胜近海地震和1973年根室近海地震震源区之间的位置。反演表明，2003年地震断裂带中断层滑动速率衰减迅速，而周围地区衰减速度较慢。后续断层滑动地区的应力一速度路径大致遵循dτ／d In(v)～0．6MPa，这暗示着稳态速度强化摩擦。尽管不能排除其他的解释，但在沿走向的方向上，同震破裂和后续断层滑动互补的空间模型还是可能表明了摩擦特征的空间变化。     

海原大地震对古浪大地震的静应力触发研究

根据1920年12月26日宁夏海原大地震(Ms=8.5)地震地表破裂带几何学和位移、震源机制和近代地震活动资料,提出海原大地震震源分段走滑破裂的初步位错模型,计算了在1927年5月23日甘肃古浪大地震(Ms=8.0)逆冲发震断层(NW44°,倾向S,倾角50°和滑动角60°)的滑动方向上,加载的Coulomb静应力变化△CFS为0.009 MPa.古浪大地震可能是被海原大地震触发,提前14a发生的事件.     

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。     

1994年玻利维亚地震破裂过程中的摩擦熔融

１９９４年玻利亚地震的震源参数显示最大地震效率η为０．０３６,最小摩擦应力为５５０ｂａｒ。因此震源过程虽耗散,这与观测到的慢破裂速度相一致。破裂速率仅是局部Ｓ波速度的２０％。在玻利维亚破裂中产生的非辐射能可以与１９８０年圣海伦斯火山喷发的热能相比,或者还大于它,足以融化３１ｃｍ厚的地层。一旦破裂开始,熔融就可能发生,使摩擦力减弱并促使断层滑动。     

鲜水河断裂带上特征地震的初步研究

特征地震是大地震原地重复的重要表现形式.现有资料的初步研究表明,鲜水河断裂带上大地震属特征地震模式,其地震破裂长度、同震位错量以及断层错动方式,在原地保持较长时间的一致性.由于大地震屡屡在原地重复发生,沿断裂特定地段累积位错分布与一次地震的位错相一致,从而导致断层滑动速率的同步变化.本文以1973年炉霍地震为例,研究了鲜水河断裂的特征地震现象.该段的地震活动属特征地震模式,不服从古登堡-里克特的线性震级频度关系.特征地震不仅对断错地貌、滑动速率有重要的影响,由于这种地震模式是以特定震级的大地震为主导,几乎没有中等震级地震发生,这对地震活动性研究也具有重要的意义.      

与苏门答腊-安达曼特大地震相联系的板块边界形变

2004年12月26日的苏门答腊-安达曼地震是自现代空间大地测量和宽频带地震学出现以来发生的第一个巨大地震（矩震级Mw〉9．0）。它为研究这种巨大且罕见的事件的特性提供了前所未有的机会。我们根据在苏门答腊西北部的近场全球定位系统（GPS）的探测结果并结合原地和远处的珊瑚礁垂直运动的观测，对这次事件造成的地表位移进行了估计。结果表明，该地震是由范围长〉1500km、宽〈150km范围内的巽他俯冲巨型逆断层破裂造成的。巨型逆断层在苏门答腊北部的近海滑动超过了20m，大部分的滑动深度不超过30km。对比大地测量学和地震学推断的滑动分布，发现在500秒长破裂发生之后的1．5个月内，断层滑动增加了～30％。在我们再次布设GPS测点之前，有震的和无震的滑动都出现在了巨型逆断层的浅部，那里是亚齐大海啸的源头。滑动在断层东南缘的锡默卢岛之下沿走向突然尖灭，在该处地震成核，并且2002年的晚期在此曾发生过一次Mw=7．2级地震。此外，该边缘也与2005年3月28日Mw=8．7的尼亚斯-锡默卢地震破裂的最北端相邻接。     

2008年汶川大地震的时空破裂过程

利用全球地震台网（GSN）记录的长周期数字地震资料反演了2008年5月12日四川汶川Ms8．0地震的震源机制和动态破裂过程,并在反演所得结果的基础上定量分析了汶川大地震同震位移场的特征,探讨了汶川大地震近断层地震灾害的致灾机理．反演中采用了单一机制的有限断层模型,使用了从全球范围内挑选的、方位覆盖较均匀的21个长周期地震台垂直向记录的P波波形资料．通过反演得出：汶川大地震的发震断层走向为225°、倾角为39°、滑动角为120°,是一次以逆冲为主、兼具小量右旋走滑分量的断层;这次地震所释放的标量地震矩为9．4×10^20～2．0×10^21 Nm,相当于矩震级Mw7．9～8．1．汶川大地震是在破裂长度超过300km的发震断层上发生的、破裂持续时间长达90s的一次复杂的震源破裂过程．整个断层面上的平均滑动量约2．4m,但断层面上滑动量（位错）的分布很不均匀．有4个滑动量集中且破裂贯穿到地表的区域,其中最大的两个,一个在汶川-映秀一带下方,最大滑动量（也是本次地震的最大滑动量）所在处在震源（初始破裂点）附近,达7．3m;另一个位于北川一带下方,一直延伸到平武境内下方,其最大滑动量所在处在北川地面上,达5．6m．其余2个滑动量集中的区域规模较小,一个在康定以北下方,最大滑动量达1．8m;另一个位于青川东北下方,最大滑动量达0．7m．汶川地震整个断层面上的平均应力降约18MPa,最大应力降约53MPa．由反演得到的断层面上滑动量分布计算得出的汶川大地震震中区地表同震位移场表明,汶川大地震地表同震位移场的分布特征与该地震烈度分布的特征非常一致,表明了汶川大地震的大面积、大幅度、贯穿到地表的、以逆冲为主的断层错动是致使近断层地带严重地震灾害在震源方面的主要原因．     

古登堡—里克特分布还是特征地震分布？

古地震和断层滑动速率数据结合加州理工学院和美国地质调查局（ＣＩＴＵＳＧＳ０地震目录（１９４４－１９９２）用于检测沿南加州地区主要走滑断层的震级－频度分布的形态。对于纽波特－英格尔伍德断层、埃尔西诺断层、加洛克断层和圣安德烈斯断层，得到的分布是符合断层行为的特征地震模式的。沿圣哈辛托断层观测到的分布满足古登堡－里克特关系。如果仅注意圣哈辛托断层上由大的历史地震的破裂带或由断层线的清晰阶距标记的断层段     

利用 Yabuki＆Matsu'ura 反演方法计算2011年日本东北地区太平洋海域Mw9.0级地震同震滑动分布

Yabuki & Matsu'ura反演方法是利用ABIC最佳模型参数选取方法和平滑的滑动分布作为约束条件,由形变观测数据计算发震断层滑动分布.本文基于日本列岛同震GPS观测数据和发震断层曲面构造模型,利用Yabuki&Matsu'ura反演方法计算2011年日本东北地区太平洋海域Mw9.0级地震的发震断层同震滑动分布.反演结果表明,断层面上的最大滑动量为35 m,较大滑动分布在浅于30 km的震源中心上部,最大破裂集中在20 km深度的地方,其地震矩约为3.63×1022N·m,对应的矩震级为Mw9.0.模拟结果显示Yabuki&Matsu'ura反演方法更适用于倾角低于40°的断层模型反演.最后,本文基于上述方法获得的发震断层滑动模型,利用地球体位错理论正演计算该地震在中国及其邻区产生的远场形变,正演计算结果基本可以解释由中国GPS陆态网络观测到的同震形变.     

用强震记录的近场谱快速测定中强地震矩震级M_w的方法(MWSYNTH)

地震矩和相应的矩震级Mw一般由远场体波频谱得出。近场记录,特别是大地震的近场记录,一般不用来获得地震矩和相应的矩震级Mw,原因在于不同类型的波同时到达,无法定义地震矩与频谱之间的简单关系。我们给出了一种新方法,可以通过近场记录的位移谱测定矩震级Mw。把实际记录到的低频谱振幅与用Mw来衡量运动破裂模型算出的合成谱振幅进行了比较。在不同的断层方位上计算出了震中距在1～100km范围内的合成记录和平均值。频谱的初始部分受到加速度记录中基线变化的影响,用各台站的截止频率,通过高通滤波器可以自动识别和消除这种影响。合成谱值、震中距和只经过一次计算并存入表格中的滤波器是矩震级的函数。实际记录的谱振幅被简单地插入合成数据的表格中,这样可以快速测定Mw。用震级在3．9～7．7之间的22个浅源地震对这种方法进行了验证。我们给出,地震发震时刻后80S的信号窗对所考虑的整个震级范围提供了可信的Mw值。也可以用更短的窗长,但会低估大地震的矩震级Mw。这种方法非常适用于近实时的快速测定Mw。     

安宁河断层地震成核条件研究——来自天然花岗岩断层泥摩擦实验的启示

安宁河断层历史上发生过多次强震,现存的地震空区反映了其断层中部近30年来的断层闭锁和应变积累情况,是潜在的大地震危险区.本研究采用断层带内的新鲜花岗岩断层泥样品,在水热条件下开展了摩擦滑动实验,以研究安宁河断层摩擦特性和地震成核条件.实验有效正应力200MPa,孔隙水压30 MPa,温度25～600℃,剪切滑移速率在1...     

地震滑动加速和减速过程中的摩擦作用

在地震滑动过程中,断层动态摩擦是地壳内控制地震破裂的决定性因素。天然地震的脆性裂纹理论[1-3]使得以下观点被普遍接受:在地震断层快速滑动的过程中,断层摩擦力减弱,即所谓的滑动弱化[1]。高速断层泥实验[4-5],以及最近关于热增压[6-7]和摩擦熔化[8]的试验都支持该理论。但是,这些研究均仅针对固定的断层滑动速率。在本文中,我们的实验展示了不同滑动速率下断层物质的摩擦行为——这一模型的设置更接近天然地震的特征。实验结果表明,在断层滑动加速和减速的过程中,断层摩擦经历了增长、弱化和再增长。这种摩擦变化可能可以由低滑动速率下和更现实的滑动速率之下的速率-状态摩擦行为[9-10]来解释,但包含了不同的物理机制和不同的规模。最初的摩擦增强可能会阻碍小破裂向大地震的发展。断层滑动减速过程中的摩擦增强可能导致地震破裂呈脉冲状[11-14],并使得静态应力下降到与动态应力变化相比较低的水平[15]。     

广东及其邻近区域中小地震应力降研究

分析了广东及其邻近地区1999至2004年9月间86个ML≥2.0级地震的应力降值,结果表明,应力降随震级的增大而出现不同尺度的变化,lg△σ的分布大致分为两个阶段:①ML≤4.0级地震,随着震级增大,lg△σ呈增大的趋势;②ML≥4.0级地震,lg△σ不随震级的增大而增大,稳定在一范围内。统计结果表明,本区ML2.0～2.9级地震应力降平均值为4.5bar,ML3.0～3.9级地为7.6 bar,ML4.0～4.9级地震为10.7 bar。2004年阳江ML5.2级地震前1年左右,曾发生多次应力降高于阳江地区平均值的地震事件,而在临震前几个月应力降总体水平则是偏低的,这一特征在其他地区的中强地震前亦曾出现。应力降平面等值线分布图显示北部湾地区是广东及其邻区应力降背景最高的地区。     

1999年土耳其Izmit Mw7.6地震的持续成核过程

实验室和理论研究表明,地震之前会出现一个渐进性的滑动不稳定阶段,在此期间,断层缓慢滑动,而后突然加速并最终导致动态破裂.本文中,我们报道了迄今记录最为完整的大地震之一,即1999年土耳其Izmit Mw7.6地震之前出现了持续时间很久的源自震源的地震信号.这种信号包含一连串的地震破裂,破裂随时间和低频地震噪声的增加而加...     

地震物理学展望

1998年 6月在美国南加州地震中心学术会议期间 ,曾举行过一次关于地震与断层行为的物理本质的讨论会 ,内容包括地震成核 ,断裂传播及抑制 ,地震活动的时空模式 ,断层的相互作用 ,断层系统的演化等。加深对地震物理过程的理解有助于提高对未来地震发生地点、震级、时间的概率估算能力 ,改善地震灾害的评估方法。它使科学家能把动态破裂与地震波传播的模拟结合到地震危险性分析模型中 ,从而合成设定地震的强地面运动时间过程 ,这是动态结构抗震设计的基础。这一问题牵涉到诸多领域 ,如连续介质力学、统计物理学、室内实验与野外观测等。来自各大学、美国地质调查局、国家实验室与政府机构的 5 3名代表参加了讨论会 ,对比各自的研究结果 ,讨论未来研究的关键性问题。以下是会议发言要点。Ｂｅｎ -Ｚｉｏｎ综述了在断裂力学、损伤流变学、颗粒力学 (ｇｒａｎｕｌａｒｍｅｃｈａｎｉｃｓ)、统计物理学方面的进展。当不存在一个统一的地震物理学框架时 ,连续固体材料的运动方程也许是一个好的选择。这些方程与尺度无关 ,即变形过程产生幂律统计学上的自相似模式。这种模式在地震现象中比比皆是。然而 ,在流变学与构造研究中 ,尺度效应会导致与自相似模     

2011年4月11日日本东北福岛县浜通Mw6．6地震的地表断层破裂和滑动分布

2011年4月11日日本东北福岛县浜通地震于2011年3月11日东北地方太平洋海岸近海地震之后1个月发生在一地震活动区。这次浜通地震在北北西一南南东走向的系浞断层上造成14km长向西的正滑破裂,同时在西北西～东南东走向的汤野岳断层造成16kin长向南的正滑破裂。沿系浞断层的滑动从南端到中部突然增加,其中测量的最大位移近2m;该断层的中段到北西端的滑动逐渐降低。汤野岳断层也有不对称的滑动分布,在其北西段附近峰值约为0．9m。从破裂沿这两条断层扩展的方向来考虑,显然测量到的地表断错在走向上不对称,在更靠近破裂起始的断层末端观测到最大断错,而在破裂终止的方向显现出逐渐减小。滑动分布和震中位置的地表观测结果与滑动反演模型得出的地震破裂的总体特征一致。浜通地震断层超过60％的破裂长度以及其他历史正断层地震,滑动位移量小于或等于最大滑动的30％。根据破裂长度、最大和平均位移估计的该地震的矩震级（Mw）在6．5～6．8之间,与地震学确定值6．6相一致。     

由地面运动峰值速度估算环境应力值

本文使用滇西地震实验场区近场微震观测中的洱源、脉地、松挂地区的三次微震序列资料，研究了地面运动峰值速度ｖｍ与地震矩Ｍ０和环境应力τ０的关系，利用ｖｍ∝Ｍ０１／３τ０４／３的关系，估算了这三次微震序列的环境应力参数τ０值和应力降△σ。结果认为，地面运动峰值速度参数（ｖ·ｒ）是环境应力参数τ０或△σ的函数，且τ０或△σ与地震构造背景及介质状态相关，表现为处于不同构造背景的三次微震群测定的τ０和△σ值存在明显的差异。脉地震群为高应力序列，应力参数在（０．５～５．０）ＭＰａ，松桂震群为中等应力序列，在（０．３～１．５）ＭＰａ；洱源震群为低应力序列，在（０．０１～０．５）ＭＰａ。由此而讨论了不同构造背景与环境应力参数的依赖性及其前兆意义。     

华北地区构造应力场,断层滑动速率与强震的关系

在华北地区选择了１８个震例（Ｍ≥６．０），以断层滑动速率，应力主轴方向，断层走向为因子对震级作了二元线性回归分析。同时又作了震级与滑动速率之间的一元分析，并将这两种分析作了对比。结果表明：（１）二元回归分析优于一元分析；（２）断层滑动速率，应力主轴方向与断层走向之间的夹角α是决定震级大小的两个主要因素，（３）Ｍ≥３．５级的地震与断层活动与否无关；（４）运用二元分析公式可以进行震级预测，并可以对历史