龙门山断裂带深部构造变形的黏弹性模拟及其与强震活动的关联性探讨

根据龙门山断裂带地区的主要构造特征,建立该地区的有限元模型,同时考虑地下深处的黏弹性蠕动和不同部位间的接触关系,模拟计算了研究区在强震轮回活动中的时间演化历程.模拟结果表明:龙门山断裂带深处的滑动速率比浅表的滑动速率大,龙门山断裂带周围是相对容易发生应变积累的地区,其5~19km深度也是高应力聚集成核区,随时间推移的应力集中程度加剧而引发强震.本模拟分析证实了重复地震观测所揭示的龙门山断裂带存在深浅活动速率差异的现象,这在一定程度上可以解释出乎预料的汶川MW7.9地震的孕育机理.综合分析研究提出:应充分利用重复地震这一天然的"地下蠕变计(subsurface creepmeter)"来探测深部构造变形的活动,为强震危险性分析提供必要的"原位(in situ)观测"约束信息.     

基于重复地震研究川滇地区主要断裂带的深部变形

发生在同一断层部位上0.5～4.0 级的重复地震(也称重复微震)是研究断裂带深部变形的天然(有力)工具.本文系统汇集了川滇地区主要断裂带识别出的 76 组重复地震研究结果,构建了川滇地区重复地震的时空分布图像和断裂带深部变形时空演化特征,结果表明:丽江—宁蒗断裂带在脆韧转换带约23 km深处的滑动速率为4.3～5.4 mm·a－1 ,小江断裂带3.0～12.3 km深处的滑动速率为 1.6～10.1 mm·a－1 ,红河断裂带北段在 6.0～13.4 km深处的滑动速率为2.3～10.0 mm·a－1 ,鲜水河断裂带南段 3.0～18.7 km深处的滑动速率为 3.0～10.2 mm·a－1 ,龙门山断裂带在4.0～17.3 km的汶川 8.0级地震孕育深处的滑动速率为 3.5～9.6 mm·a－1 ,龙门山断裂带南端3.6～18.7 km处滑动速率为 5.8～10.2 mm·a－1 .综合分析认为:川滇地区主要边界断裂带的深部滑动速率较为一致,揭示了川滇地块和巴颜喀拉地块整体协同变形的特征.由重复微震与深部滑动速率变化构建了孕震深处的变形模式,即重复微震与断裂带局部闭锁段在空间位置上存在密切的关联性,强震前孕震闭锁区存在明显的深浅部构造形变差异,震前存在的深部加速变形过程可能是断层亚失稳阶段的具体表征.     

华北地区地震震源机制分区特征

正反映地壳应力状态最常用的方法是对发生在地壳深部地震的震源机制研究。与数量少且分布集中的强震相比,中小地震数量众多,地理分布广泛,为探测区域地壳应力状态提供了可能。华北地区地震活动强度和构造变形强烈,是中国大陆强震活动最强烈的地区之一,加强对该地区应力状态的研究,具有重要意义。     

中国大陆强震孕育深处的变形模式

正地震预测面临着地球内部的"不可入性"和大地震"非频发性"的问题,是极具挑战性且尚待解决的世界性科学难题之一(陈运泰,2009)。地震活动是断裂活动的直接体现,精定位的震源深度客观反映了断裂深部发生地震滑动变形的起始位置。断裂深部发生的慢滑动和重复地震等对揭示断裂深部行为具有重要的指示意义(Harris,2017)。在同一构造部位重复发生并具有高度相似波形的重复地震可作为天然的"地下蠕变计",具有地质地貌和大地测量等浅表观测难得的"原位观测"优势,为探测断裂深部变形信息提供了有效途径(陈棋福等,2018)。     

重复地震研究综述

一个地区在某一时期内多次发生强震称为重复地震,按空间位置的分布,重复地震可分为原地重复、带内重复和构造重复三种。两次地震的震源区相连,极震区重迭称为强震的原地重复,如1303年山西洪洞地震和1695年的临汾地震。四川鲜水河地震带曾发生一连串强震,如1923年(7)1/4级地震和1973年7.6级地震等可称为带内重复。至于公元前70年山东诸城7级地震和1668年郯城-莒县(8)1/2级地震均发生在郯庐活动构造带内则称为构造重复。强震往往重复发生在某些特殊地质构造部位。如郯庐断裂、怀来-新活动断陷盆地带和在中国的中西部由三个地质孤状带构成的南北地震带等。强震重复在时间上多发生于不同的地震活动期中,如华北第三活跃期内的1679年三河-平谷地震和第四活跃期中的1976年唐山地震即为明显震例。大地震在某些条件下具有原地重演的现象已成为众所瞩目的事实。通过强震重复性研究,可以了解产生重复地震的原因和条件。深入对重复地震发展过程的认识并掌握它的活动规律,不仅可提高中长期地震预报水平,为工程建设提供可靠的科学依据,合理减少抗震设计投资;提出合适的措施避免地震造成的损失。还可以及时较准确地划出中短期的地震危险区,减轻地震灾害,为短临预报提供有发生强震的危险地点或较小的地区。本文综合评述了国内外有关重复地震研究的最新成果及发展动态,全文分三个部分。     

华北地区库仑应力演化与强震活动关系

采用更加符合长期变形和震后短期变形的Burgers流变模型,模拟了华北地区1303年以来6.5级以上地震引起的同震和震后库仑应力演化.结合华北地区历史地震期幕活动特征,分析了不同活跃期之间、同一活跃期内不同地震之间的库仑应力加卸载效应.结果表明：华北地区不同活跃期的强震主体活动区受控于历史强震的库仑应力加载作用;每个活跃期内强震活动主体区在空间上的迁移与该活跃期内首个7.5级以上地震的触发作用有关;华北地区每个活跃期内强震活动在时间上表现出的"平静期—活跃警告期—高潮期—剩余释放期"应该是区域动力加载过程的一种表现.岩石圈流变松弛效应引起的库仑应力变化对华北地区强震活动时空演化有显著的促进作用.本研究讨论了库仑应力变化在华北地区历史地震活动时空演化过程中可能扮演的角色,为探索华北地区强震活动空间迁移和韵律特征蕴含的构造动力学过程,以及与之相关的地震危险性判定提供参考依据.     

华北地区库仑应力演化与强震活动关系

采用更加符合长期变形和震后短期变形的Burgers流变模型,模拟了华北地区1303年以来6.5级以上地震引起的同震和震后库仑应力演化.结合华北地区历史地震期幕活动特征,分析了不同活跃期之间、同一活跃期内不同地震之间的库仑应力加卸载效应.结果表明:华北地区不同活跃期的强震主体活动区受控于历史强震的库仑应力加载作用;每个活跃期内强震活动主体区在空间上的迁移与该活跃期内首个7.5级以上地震的触发作用有关;华北地区每个活跃期内强震活动在时间上表现出的"平静期—活跃警告期—高潮期—剩余释放期"应该是区域动力加载过程的一种表现.岩石圈流变松弛效应引起的库仑应力变化对华北地区强震活动时空演化有显著的促进作用.本研究讨论了库仑应力变化在华北地区历史地震活动时空演化过程中可能扮演的角色,为探索华北地区强震活动空间迁移和韵律特征蕴含的构造动力学过程,以及与之相关的地震危险性判定提供参考依据.     

南北构造带岩石圈结构与地震的研究

南北构造带是中国大陆东西部大地构造的主要分界,也是大陆内部强烈地震发生的主要地区之一.2008年汶川MS8.0地震发生后,在南北构造带及周边地区进行了大量的野外科学考察、深部地球物理探测和流动地震观测,在岩石圈结构与构造、强震发生的深部构造环境和动力学过程等方面获得了重要的进展.本文综述近年来发表的一批研究成果,包括岩石圈结构的深部地球物理探测和成像,地震层析成像,地震各向异性和壳幔变形,与近期发生的强烈地震相关研究,以及与大陆动力学有关的研究等.自2000年以来,我国建成了具有1000多个地震台站的国家和区域地震台网.它们在实时为地震监测服务的同时,其产出的海量数据还提供用于地球科学研究.一批作者在国内外发表了研究成果,大大提高了对南北构造带的认识.我们虽然取得许多共识性的重要成果,但是也存在一些问题,发现不同作者的结论是相互矛盾的.其原因之一可能是,现有台网的数据成像分辨率和精度仍不足以识别在地壳深处的细节,例如在孕震尺度概念下的地震危险区.加强流动地震观测,提高台站分布的密度,取得高可信度的目标模型是解决问题的重要方面.近年来"中国地震科学台阵观测"计划在南北构造带上实施的大型流动台阵观测,结合固定地震台网的资料,加上高分辨率深部地球物理探测,以获得高可信度的地壳上地幔三维精细结构及物性成像,是提高地震科学和大陆动力学研究水平的一个有效途径.     

山西地堑系强震的活动规律和危险区段的研究

山西地堑系是我国著名的历史强震活动带之一。作者系统地分析了山西地堑系历史强震的重复和迁移现象、M≥7级地震前中强地震的活动特征、蠕变曲线的线性分段性,并根据近期地震活动的特点,判断了现今地震活动暂态和未来地震活动性;最后,在现有的形变测量资料、历史地震和古地震研究成果的基础上,确定了山西地堑系内可能发生强震的危险区段     

中国大陆活动地块与强震活动关系

研究了中国大陆各Ⅰ级活动地块区强震活动特点, 包括强震活动的总体水平、地震应变能释放速率、震级频度关系、震源破裂特性和地震应力场特征等, 以及由GPS资料给出的各活动地块运动变形特征, 如各地块运动的速度、地块变形的应变速率、最大主压应变方向、地块运动变形中的张、压状态等. 在此基础上, 对中国陆区Ⅰ级活动地块区的强震活动特点和地壳运动变形性状进行对比研究, 给出各活动地块的构造动力环境及其运动变形的性状决定其地震活动的总体状况, 包括: 活动地块现今地壳运动变形的应变速率与地震应变能释放呈线性相关; 由震源机制给出的各活动地块的地震应力场与由GPS观测给出的现今地壳运动应变(应力)场的同一性, 以及震源破裂类型与地壳形变张、压状态的一致性等. 这些结果显示了中国大陆活动地块及其运动性状对强震孕育发生的控制作用.     

深部流体在地震孕育和发生过程中的作用

提出了几个难以用断层弹性回跳模型解释的地震实例，指出必须重视地壳上地幔结构的探测和深部流体的研究。然后用简单型说明，没有流体在存在，则不可能发生岩体间快速的错动。重点探讨发生在地壳内10-25km深处的强震孕育和发生机理，分析了深部流体的迁移和岩体的错动。最后结合实例，给出了在发生深部流体迁移的条件下，一次强震释放的能量和岩体错动的最大加速度。     

安宁河断裂冕宁以北晚第四纪地表变形与强震破裂行为

安宁河断裂作为川滇活动地块东边界的主要活动断裂,研究其晚第四纪地表变形和强震破裂行为是认识断裂带乃至川西地区未来地震危险性的重要基础工作．通过详细地质地貌调查、数字影像分析、全站仪实测、组合探槽开挖和年代测定,对安宁河断裂冕宁以北段几个晚第四纪变形遗迹保存较好的地段进行断错地层地貌序列的研究,获得了一些新认识：紫马跨和野鸡洞两地点都反映出距今约1634～1811,1030～1050和280～550a左旋位移量在3m左右的强震事件,重复间隔为520～660a;大海子-干海子最年轻的事件应该是公元1536年的地震,其他事件别发生在距今1768～1826,2755～4108和4108～6593a．复发间隔为约1300～1900a．强震活动存在群集现象．安宁河断裂北段未来一段时间内有发生强震的可能性．     

云南地区近期强震重复发生时地震学的动态演化特征

通过地强震重复发生的滇西北、滇东北、滇西南澜沧江以西３个地震区多项地震活动性和地震波参数的动态追踪，发现在同一地震区重复发生的强震，震前的异常形态可以具有相惟性，反向变化的特征。如滇东北地区中小地震在１９８５年禄劝强震前的活跃和１９９５年武定强震前的平静；澜沧地震叶波速比月均值在１９８８年澜沧－－耿马大震前的低值异常和１９９５年孟连西中缅边境大震前的高值异常。本同时以ｂ值和波速比为例，讨论了强震     

从地堑扩展速率估算强震重复间隔兼论华北地震危险性

新生代地堑构造是华北地区最普遍和最有特征的构造。它与强震活动有着十分密切的关系。根据活动构造参数估计地质地震活动性,能克服历史地震记载时间短的局限性。 文中首先计算了三条地堑带的扩展速率,并据此计算了该地堑带上的强震重复间隔。结合强震活动周期和迁移特点,对每个地堑带的强震危险性作出了判断。     

松散浅层结构的地震噪声探测综述

地表松散的浅层结构是造成地震场地作用、加剧强震破坏的主要因素。通过探测了解浅层结构是评估场地作用、进行场地分类、预防和减轻地震灾害的重要环节。地震噪声随时随地存在,其能量分布在很宽的频带范围内,故近几年地震噪声探测被广泛应用于深层和浅层结构研究。在地表浅层结构研究中,相对于主动源探测,利用地震噪声可以比较廉价地实现较深范围的探测,并适用于更多的场地。本文将概述地震噪声浅层探测的数据采集方式和几种常用的数据处理方法,及其最近几年的发展趋势。     

小江西支断裂的滑动速率与强震重复周期

本文通过对各种断错地质地貌现象及被错体年龄的分析,估算出小江西支断裂在第四纪、晚更新世及全新世以来的滑动速率分别为6.7毫米/年、7.0毫米/年及6.4毫水/年。在此基础上,结合历史地震及古地震活动讨论了强震的重复周期和断裂的活动特征,结果表明小江西支断裂的活动以重复错动发生强烈地震为主要特征,强震在断裂带上同一地段的平均重复周期为900年左右,沿整个断裂带的重复周期大于330年     

强震前后地壳形变场动力学图象及其参量特征研究

依据地壳形变动态监测数据,应用图象动力学方法,研究了唐山（１９７６）、丽江（１９９６）等强震前后地壳形变场动力学图象及分数维和多断层整体活动水平等参量的演化．结果表明：“震前形变场降维有序”和“震前多断层加速运动”两种时空特征,可能是孕震过程进入非线性阶段后变形局部化和断层软化所致．它们在几次强震前重复出现,具有重要的地震前兆价值．     

强震前后地壳形变场动力学图象及其参量特征研究

依据地壳形变动态监测数据,应用图象动力学方法,研究了唐山（1976）、丽江（1996）等强震前后地壳形变场动力学图象及分数维和多断层整体活动水平等参量的演化．结果表明:震前形变场降维有序和震前多断层加速运动两种时空特征,可能是孕震过程进入非线性阶段后变形局部化和断层软化所致．它们在几次强震前重复出现,具有重要的地震前兆价值．      

中国大陆与周边板块边界强震活动的互动关系探讨

分析中国大陆与周边板块边界、尤其是西部地震“大三角”地区强震活动的关系认为,中国大陆与周边板块边界带的强震活动之间存在互动关系,而不完全是后者对前者的触发作用。进而根据中国大陆地震构造环境、大尺度地壳运动变形动态与强震活动状况,研究和探讨了这种“互动关系”可能的构造动力机理和我国大陆未来地震活动的发展趋势。     

中国及邻域强震震后变形监测及岩石流变性质研究

大地测量技术观测的震后变形是地壳和地幔岩石对同震应力扰动的变形响应,震后变形的强度及时空演化特征主要受断层面的摩擦性质、下地壳及上地幔岩石的流变参数等控制。震后大地测量被广泛用于研究断层及深部岩石的流变性质及其动力学过程,是对岩石力学实验、冰后回弹等手段探测结果的检验和补充。本文回顾性地总结了中国及邻域中强地震震后变形监测成效,这些震例主要集中在青藏高原内部和边界带。通过对包括昆仑山口西地震、汶川地震和尼泊尔地震在内的发生在青藏高原及周缘的强震震后变形机制、岩石圈流变参数约束等方面的研究,大大提升了对青藏高原不同区域深部岩石流变结构和性质的认识,为研究地震周期变形、地震危险性、青藏高原的形变模式、高原演化动力学提供了观测依据和定量参数。同时,指出进一步约束青藏高原深部岩石流变参数,一方面需要进一步提高西部地区连续GNSS监测能力,另一方面需要与地球物理成像技术进行融合。