唐山地震孕育过程的数学模拟——(一)地震前兆变化的时空特征

为了模拟孕育过程,必须先给出孕育过程的特征。本文首先简述了唐山地震的六种主要前兆,在此基础上总结了前兆变化的时间和空间特征。前兆变化在时间上可分为三个阶段:(1)1972年1月—1974年12月,这段时间里发生多种前兆大面积长趋势变化。(2)1975年1月—1976年3月,以唐山为中心100公里范围内出现新的异常,同时外围地区一些测点出现大幅度形变。(3)1976年4月—发震,地形变发生反向或者加速,临震前唐山附近出现地温升高,动物异常集中在唐山周围40公里内。前兆变化的空间特征是,开始在半径200公里范围里出现大面积长趋势异常,后来逐步在半径100公里范围内出现新的异常。根据唐山周围地区的地质构造和上述的前兆时空特征,提出了包含有12条断层和一个硬块体的数学模拟的物理模式,以及进行模拟时的边界条件。     

中国台湾省地质构造层理分布和应力集中区的数学模拟

文中首先介绍了中国台湾省地质构造的大概情况。在此基础上提出了数学模拟的模式。选择北纬21°30′—25°30′,东经119°30′—122°30′范围作为模拟地区。整个模拟区假设分为三种不同介质构造。采用有限单元法,模拟在压应力作用下的层理分布和应力集中区。由于计算机内存所限,整个模拟过程化为二维平面应变模式。主要做了三方面工作:(1)最大主压应力方向与层理分布和应力集中区的关系;(2)差应力大小与层理分布和应力集中区的关系;(3)约束条件与层理分布和应力集中区的关系。本文主要结果是:(1)计算机数学模拟的层理分布与中国台湾省1978年出版的《台湾地体构造图》上绘制的层理分布十分吻合;(2)计算机数学模拟的应力集中区与台湾省强地震分布区基本一致。     

唐山大地震孕育过程的数值模拟研究

根据1976年唐山7.8级地震的前兆资料，结合岩石破裂物理、震源物理、构造物理、地震前兆、地震力源、地壳结构等方面的研究结果，采用含有菱形硬包体的饱和水孔隙介质模型，数值模拟了唐山大地震的孕育过程．首先导出了考虑岩石非弹性体积膨胀和应变软化、孔隙水渗透的固-液两相介质的孕震动力学方程组，提出了用增量形式求解该方程组的有限差分法，然后计算模拟了硬包体内含有断层软弱带时的唐山大震的孕育过程，及其时空变化特征．数值模拟结果表明，唐山大地震的孕育主要经历了弹性积累、早期非弹性体积膨胀、断层第1次加速软化(加速破坏和蠕滑)、天津-宁河一带第2次非弹性膨胀、断层第2次加速软化(临震加速破坏和蠕滑)和发震等过程．这里，与断层的加速破坏相对应，孕震介质的某些部分出现了非弹性膨胀的弹性恢复和二次非弹性膨胀．与前兆观测资料比较分析可以发现，上述模拟结果可以比较好地解释实际观测资料的变化特征．同时，数值模拟还进一步揭示了唐山地震孕育场的时空变化规律和复杂图象，为地震前兆场变化的物理机制的研究奠定了基础．      

地下流体对地震孕育发生过程的影响研究综述

地下流体对地震的孕育、发生过程起着重要作用.本文简述了近年来国内外关于地下流体影响地震的研究进展,对流体诱发地震的物理机制进行了深入介绍,主要有孔隙压的增加对有效应力的降低、流体受热膨胀扩容以及对岩石的润滑和软化作用;同时介绍了一些典型的流体触发地震模式,包括地震泵、断层阀、膨胀—扩散模式等,并讨论了目前存在的主要问题...     

唐山地震孕震过程的数值模拟

本文用二维马克斯威尔粘弹性模型,模拟了唐山地震的孕震过程,探讨了唐山地震的力学背景与某些前兆异常的机理。研究结果表明:唐山地震震源体的形成可能是在定常边界力作用下,由于地壳介质的非均匀性,使弹性应变能在局部地区长期积累的结果。唐山断块区内可能存在坚固体所具有的高强度是造成应力差与应变梯度增大的决定因素,唐山地震前的许多异常现象与应变能积累到后期、地壳内发生岩石膨胀与断层蠕滑(相当于坚固体的软化)密切有关。     

1992年11月份首都圈地区M_L≥2.0地震

1992年11月份在首都圈(38°—41°N,113°—120°E)范围内,共发生 M_L≥2.0地震14次,震级最大为11月9日河北陡河 M_L3.3地震。地震活跃地区仍为唐山老震区。(见下表)     

“应力窗口”的数学模拟

本文采用二维平面应变问题的有限单元法,对唐山地震前华北冀中断块坳陷地区的“应力窗口”进行了数值模拟。初步讨论了模拟区的应力集中部位与介质杨氏模量、压应力值、主压应力取向、边界约束条件变化的关系,根据模拟区地震活动与唐山大震前“应力窗口”的时空分布特征,粗略地模拟了邢台余震区“应力窗口”显示、消失的过程。     

唐山大震前后震区构造应力场的光弹性模拟实验

本文根据唐山震区的地质构造模拟制作光弹模型,以N60°E方向加压进行唐山震前应力场的光弹性模拟实验。用打孔的方法模拟强震的应力释放。实验结果表明:1.在N60°E方向压缩时,唐山—丰南一带、滦县、野鸡坨和卢龙等地区是最大剪应力集中区,与唐山7.8级、滦县7.1级地震及强余震的震中分布基本吻合。说明唐山大震及余震的发生是近东西向压应力场作用的结果。2.当唐山7.8级地震应力释放后,震前具有高应力背景值的其它地区,应力进一步加强。说明唐山地震的发生导致了应力场的重新调整,增强了强余震发震的动力条件。3.实验结果证明,在断裂带两侧、端部或几条断裂的复合部位,其主应力方向与区域应力场的总体方向比较,大致有10°～25°的偏转。强震的应力释放导致震中区附近的主应力方向与震前相比也发生约10°～20°的偏差。     

宁夏及其邻区地震活动带与小区域构造应力场

本文利用宁夏及其邻区地震台网记录的18099个初动符号,以单个地震震源机制解和小震综合解的平均解,求得7个小区的区域构造应力场。全区主压应力场的平均方位为39°左右。各小区的平均主压应力方位为:西(吉)、海(原)、固(原)地区60°;银川平原及石咀山地区42°;石咀山以北、以西地区26°;(中)卫、(中)宁地区17°。各区均以来自西南方向的压应力为主。并认为当弱震活动带走向与主压应力方位成25°—30°夹角时,未来在这些条带上发生中强地震的可能性较大     

四川省铜街子水电站库坝区出现诱发地震活动

铜街子水电站位于四川省乐山市沙湾区境内,是国家重点建设工程,设计库容量为2亿多立方米,装机容量为60万千瓦。 库坝区地质构造较为复杂,规模较大的大旋断层距大坝上游约5km,牛溪沟断层离大坝很近,库坝区的玄武岩垂直裂隙比较发育。距大坝下游5km处的福禄及大坝上游的红星、铜茨等地为石灰岩地层,溶洞较多。 库坝区及其周围历史上地震记载不多,最大为1967年5月5日福禄4.8级地震。库坝区(103°30′—103°40′E、29°10′—29°20′N)在1970年1月至1992年3月共记录到地震36次,最大为1972年7月5日福禄2.9级地震。     

1992年4月份首都圈地区M_L>2.0地震

1992年4月份在首都圈(38.5°—41.0°N,113.0°—120.0°E)范围内,共发生 M_L≥2.0地震17次,其中2.0—2.9级地震16次。震级最大的是4月24日渤海 M_L3.0地震。地震活跃地区主要集中在唐山、大同两个老震区。参见下表。     

岩石层断块系中地震孕育过程的模拟

地震活动区地面缓慢运动观测表明，地震前存在地倾斜和地形变异常。虽然这些异常的存在毫无疑问。但迄今仍没有理论解释。为此，根据地震孕育过程的唯象学概念提出了地面缓慢运动的理论模型，把介质（岩石层）模拟为被裂缝弱化带分隔的绝对刚性断块系，用标准线性体的流变模型描述这些地带中应力和形变的关系。断块运动从一块到另一块的传递是靠过渡带中物质形变而实现的。雪崩式不稳定裂缝形成模型是地震孕育过程模型的依据。地震孕育过程 的不同阶段断裂带中介质特征的变化与雪崩式不稳定裂缝形成模型是一致的，可用标准线性体模型参数的时间变化来描述。断块位移和过渡带应力的时间变化函数由线性微分方程组来确定数值解。垂直和水平的断块运动模拟结果证明，地震在断块间介质中孕育时发生地倾斜和断块相对位移异常。所得结果在性质上与地震前观测到的地倾斜和地形变异常特征相当一致。     

2004年阳江MS4.9地震震源参数分析

利用广东数字地震台网的资料计算了2004年9月17日广东阳江Ms4.9地震的震源机制为:节面走向57°,倾角47°,滑动角69°,主压应力方向342°,倾角0°,主张应力方向252°,倾角75°,属逆断层性质;地震矩为1.69×1015N·m,应力降为1.7 MPa,震源半径为876 m.根据阳江地区震前22个ML＞2.5的中小地震震源参数,得到一些经验关系.S波拐角频率随时间的变化显示出Ms4.9地震前有下降趋势;阳江序列P轴方位角的变化显示出震前4个月应力开始趋于一致.     

云南耿马7.2级地震地表破裂带研究

根据野外考察的实际资料,本文介绍了耿马7.2级地震地表破裂带的展布,结构要素及组合、位移分布等情况。同时依据位错资料对破裂带的应力活动及断裂两盘的运动状态进行了初步分析。认为本次地震发震构造以右旋走滑为主兼具张性,主压应力优势方位为N5°—10°E。断层两盘相对运动的总体方向为N55°W左右,断层运动的滑移角在30°—40°之间     

在地震孕育和发生过程中共轭断层活动的作用

根据海城、唐山和松潘—平武地震的地震前兆、地震序列和地质构造资料,提出了在地震孕育和发生过程中,不仅主震断层面有明显的活动,与之共轭的另一组断层面也有重要作用。在震中区,前震和余震可能分布于一对共轭断层面上,而不只是局限于主震断层面。地震前兆的分布范围存在于比震中区更为广大的一个区域内,该区内共轭断层网络中的某些断层带常成为前兆异常分布带或集中区。其形成原因可以用区域应力场中应力集中和沿共轭剪切网络所产生的破裂及滑动来解释     

山西地震带北端晋、冀、蒙交界地区的地震活动特征

晋、冀、蒙三省交界地区,被国家确定为地震重点监视地区。本文通过对山西带北端局部地区的历史地震及现今地震活动分析,对该区的地震趋势作一初步估计。一、资料的选取 (一)地区范围根据文献[1]对华北地区现代构造应力场研究的结果以及北三省地区震情监视的需要,本文选取东经112°30′—116°00′,北纬39°00′—41°00′的山西带北端,作为讨论范     

1976年唐山地震震源动力过程的数值模拟

用新LDDA(Lagrangian DiscontinuousDeformation Analysis)方法模拟了唐山地震断层的破裂、错动和应力释放的整个动力过程．模拟结果表明,唐山地震的震源滑动过程在发震断层上各处不一样．近场位移受断层的曲率影响,断层凹侧的位移大于断层凸侧的位移．滑动过冲现象在震中处最大,并向断层两端衰减．我们发现,唐山地震断层的破裂速度和应力降与断层上的初始剪应力大小有关．唐山发震断层的最大动态、准静态位错量和剪应力降均发生在中间部位,分别是7.1 m、6.2 m和8.1 MPa、5.4 MPa,发震断层的平均准静态位错量和剪应力降分别为4.5 m和3.3 MPa,断层破裂的传播速度从震中向东南和西北方向分别为3.08 km/s和1.18 km/s．      

唐山地震前后的异常变化及孕震过程初探

本文概括了唐山地震前后各阶段异常变化的情况,指出了现象的复杂性及异常时空变化的图象和异常类型变化与强震事件之间的联系。唐山地震的实际观测资料给地震成因和前兆规律研究提出了一系列有待解释的问题。资料表明:应综合研究震源及源外更大范围内地壳深部和浅部的应力、地球物理、地球化学场的变化机制,建立符合观测实际的孕震过程和前兆成因理论,综合解释大地震前后震源及更大区域内异常变化的全过程,提取地震前兆信息。综合分析唐山地震的各种现象及地质构造条件,比较不同的理论,实验结果,可得出的重要认识是:产生异常复杂性的原因可能来源于前兆成因的多样性,并与复杂的地体环境有关。构造地震前在较大地区内显示的复杂前兆图象,可能是非均匀不连续地质体中多种局部力学过程的综合反映。文章分析了不同研究者室内实验的几种基本结果,认为可用非均匀不连续地质体在低应力状态下显示出相对均匀性及高应力状态下显示的不均匀性来解释唐山地震孕育和异常的发展过程。这可能是大陆内部构造地震孕育的一种基本过程。     

基于唐山7.8级地震探讨动态应力作用

运用三维非线性动态有限元方法(Non-linear Dynamic FEM)仿真模拟研究了菱形模型的动态应力作用,分析了1976年唐山7.8级地震.结果表明:(1)唐山地震前增强的中强地震产生的冲击力形成的应力波反射后发生半波损失, 成为动态的拉伸应力,通过减小内摩擦而引起岩石产生裂纹、局部破裂并发生串通,一方面触发地震,另一方面为孕育唐山地震积累能量,表现为正反馈过程.(2)唐山地震产生的冲击力加卸载存在时间差,造成加卸载冲击波相位不同,结果产生的动应力和围压叠加致使围压波动和下降,导致抗剪切强度降低,使初始破裂分别向北东、西南方向传播.(3)冲击力的卸载,相对于产生拉伸性的应力波,反射后发生半波损失,成为动态的压缩应力,致使围压增大并导致破裂停止;而动态应力在传播过程中衰减.因此,余震的发生是一个负反馈过程.     

小金地震的构造破裂特征及破裂条件讨论

1989年、1991年四川西北高原上的小金县两河口地区相继发生了震级分别为5.0级、6.6级和5.0级的三次地震,其后,只有数量很少的余震。在6.6级地震的震中区内发育了一组与北30°西方向的地震断层,地震等烈度线长轴呈近于直交的北50—60°东张扭性地裂缝带。在对震区地震地质,宏观破坏进行实地调查的基础上分析判译了该区航、卫图象后发现,1)该震区的最新构造格架是由北30°西和北50°—60°东的两组相互交叉的断层或线性构造构成的网格状基本构造格局。2)但控制该区地震孕育,迁移和发生的却只是经历过多次构造作用的北30°西方向断层带;3)北50°—60°东向的地裂缝只是追踪同方向的晚期断层或线性构造生成的地裂缝带。因此今后对震区及附近作地震预报,烈度区划及防震、抗震等工作时,应注意的重点仍然是北北西方向的断层带及断层带延伸的端部地区。