利用流体包裹体分析技术研究地震和断层活动的进展

矿物中的流体包裹体记录了地球古流体的形成和演化、矿物的形成环境等各种地质信息。利用微区微量测量技术测定断裂带脉石矿物流体包裹体可以获得断层和地震活动的信息,延长认识地震复发周期的时间,对确定地震活动规律有重要意义。迄今为止,地震流体研究主要是关于宏观区域流体(水和气体)变化规律及其与地震的关系,对微区微量流体的研究很少。本文扼要介绍了地震和构造活动中流体作用与流体包裹体拉曼光谱测量技术,综述了流体包裹体(FI)分析在地震与断裂活动方面的研究进展,并提出了进一步研究的领域,以期促进微区微量地震流体研究和应用。     

土壤气与覆盖层下断层及岩性关系的研究

0 引言 众所周知,地壳深部流体,特别是气体,其运动学特征同地壳构造活动密切相关。地球化学动力研究表明,地壳凡有结构面的地方,如块体界面、断层面等,其物质能量交换活跃,化学、物理作用强烈,往往成为地下流体外泄的通道。这使以研究土壤气体的组分含量空间变化来判定隐伏断层的存在及其走向、方位成为可能。地壳构造活动和岩石破裂运动常伴随化学作用和物理作用,因而地下流体成份及其运动形式必然发生相应的变化。在地下温度与压力差的作用下,发生变化的地下流体成份运移到地表而形成气体地球化学的异常带。一般说来,这种异常带与地下断层的存在有关。研究断层气体组分随时间的变化可能捕捉到地震孕育或断层活动的信息,因而对地震监测预报、判定地震危险区有实际意义。近几年来,国内外对断层气、土壤气的研究成为地震地球化学工作者探索地震前兆新方法的重要方向之一。我们在肥东形     

青藏高原东北缘断层系统的大地震迁移概率及断层滑动速度的分段特征

青藏高原东北缘是青藏高原隆升、生长及变形前缘.区域地震活动频繁,且地震在其主要断层带之间时空迁移.为了研究区域大地震在主要断层带之间的迁移规律与概率,以及主要断层带大地震破裂的时空分布特征,本文建立了青藏高原东北缘地区的三维黏弹塑性有限元模型,模拟了区域断层系统的地震循环,得到了人工合成的万年时间尺度的地震目录.根据模拟的地震目录,并结合古地震数据,计算分析了大地震(MW≥7)在研究区各个主要断层带之间的迁移概率,探讨了黏度、高程、统计时间长度等因素对大地震在各主要断层带之间的迁移概率和大地震在各主要断层带上的发生概率的影响,并且初步调查了海原断层带和香山天景山断层带的大地震破裂时空分布特征.研究结果显示:继区域最近两次大地震(1920年海原断层带上的M8.5海原大地震和1927年香山天景山断层带上的M8古浪大地震)之后,下一次大地震(MW≥7)发生在海原断层上的概率最大,约为51%～81%;其次是在香山天景山断层上,概率约为9%～37%.模型结果显示,不同的青藏高原中下地壳上地幔黏度大小,对大地震在各个断层带之间的迁移规律和迁移概率的影响较小;而研究区的高程载荷对地震迁移则有显著的影响:高程载荷易于使得海原断层地震活动减弱及香山天景山断层的地震活动增强.研究结果也显示了青藏高原东北缘地区主要断层带的地震活动与断层滑动速率分布的分段性显著;大地震在断层带上的破裂位置并不固定,呈现不均匀性;并暗示了断层几何形状对地震活动、断层滑动速率分布与大地震破裂位置的控制作用.     

孔隙流体作用对地震活动影响的计算机模型研究

研究了孔隙流体对地震活动的影响．首先讨论了含有多个断层的地壳中流体的传输方程,并将该方程离散化,以期更有效地将流体的作用加到弹簧 滑块 阻尼器模型中;然后应用含有6个断层、每个断层含有8个震源的构造模型（简称68模型）,在给定镜像边条件的情况下,对孔隙流体的传输方程求显式和隐式解．通过分析有水源的情况,认为进行多步迭代时用隐式解法比较合理．利用隐式解法得到的结果,根据镜像边条件及无水源的初条件,对地震发生后破裂元件上孔隙流体压与周围未破裂元件上孔隙流体压,按某种比例进行了计算,并对所得结果进行了初步讨论．计算表明,有孔隙流体作用的系统中,地震活动明显增强,地震的频度和强度都有所增强．孔隙流体对模型系统地震活动的增强作用是不均衡的,因而流体压对地震系统的作用更增加了地震预测的复杂性．      

印度科依纳—瓦尔纳地区的断层相互作用与地震触发

印度半岛上科依纳—瓦尔纳地区的地震被认为是由水库引发的。但是，通过对可用地震资料的分析表明，该地区持续高发的地震活动还有可能受到断层带的几何形态及其通过应力传递的相互作用的影响。从地震分布及其震源机制推断的这些明显的断层带的取向表明，在一个断层带内发生的地震事件会增加另一个断层带上的静应力，使该地区频繁而且连续地发生地震。本文的结果表明，虽然水库作用的效应确实会促使断层滑动，但是应力触发机制似乎是持续高发地震活动的一个重要原因，因为它会使一些稳定的断层变得不稳定，这与我们所推断的运动方式是一致的。     

不同时期水库地震活动主要影响因素讨论以三峡库区微震活动为例

结合微震活动的流体作用强度检测及孔隙压扩散模拟,讨论了三峡库区不同时期微震活动的主要影响因素。以2008年9月蓄水季为界划分前、后期,前期流体渗透导致的孔隙压力增加,使裂隙或断层面强度降低,是库区微震活动的主要影响因素,这一时期微震频次及ETAS模型参数μ值有起伏地缓慢增大,与库水位加卸载过程关系不明显; 后期由于流体渗透引起的孔隙压力变化趋于零,在新的流体平衡条件下,库水位加卸载过程所导致的裂隙或断层面上的应力变化,成为库区微震活动的主要影响因素,这一时期微震频次及μ值显示出与水位变化明显的关联特征。库区小震震源深度的时间变化支持上述观点。在此基础上,进一步讨论了水库“诱发”和水库“触发”地震的力学差异,认为前者主要缘于流体渗透导致的裂隙或断层面强度的“主动”降低,后者则主要与库水加卸载所导致的裂隙或断层面上应力增强有关。进一步推论认为,流体对小地震“诱发”、“触发”皆可能发生,但中强地震缘于流体“诱发”的可能性非常小,对水库区发生的中强地震,流体仅可能对处于临界状态的断层系统起到“触发”作用。     

深大活动断裂地球化学特征:以1783年2月5日意大利南部卡拉布里亚地震为例

1783年2~3月期间卡拉布里亚南部发生了5次大地震。大部分学者认为该次地震发震断层西倾、断层倾角较陡,断层在位于平原ESE部地区的结晶基岩上发生错动(Aspromonte断层)。而另外一些学者则认为发震断层为东倾且倾角较缓的隐伏断层(G ioia Tauro断层),和与其相邻的墨西拿海峡断裂相似。为了寻找发震断层方面的证据,1999—2000年期间,我们在G ioia Tauro平原共开展了4次地球化学调查。调查的目的是通过识别断层作用(或破裂),加强和深部水文循环有关的地球化学异常,得到关于地震成因方面的新的认识。深部流体特征用温度、盐度、碳总量与氡异常表征。共划分出三个主要的深部流体释放带:N icotera-Galatro地区(沿着NW向N icotera-G ioiosa-Jonica区域断裂线的N icotera-Galatro段);G ioia-Tauro与Sem inara之间的NW-SE向小区域及Rosarno与Palm i之间的海岸线。其中Rosarno与Palm i之间的海岸线正好位于推测的G ioia Tauro断层上界。绝大部分地球化学异常发生在Rosarno周围,该地区位于G ioiaTauro断层与N icotera-G ioiosa-Jonica区域断裂线的交汇部位。而在Aspromonte断层带没有发生明显的地下水侵蚀和压裂。基于以上发现我们提出了地球化学活动断裂带和地球化学交互作用断裂带的概念,从而进一步认识断层带的水力学特征及地壳中促使裂隙渗透性增强的断层作用机制。     

特征地震现象和机制分析

本文介绍了断层活动的一种重要现象--特征地震现象.特征地震是指某些断层长期活动过程中,重复发生的多次大地震往往表现出相似的破裂长度、位错分布、和震级大小,而有些活动断层在多次地震中表现出局部的相似.对断层地震活动的统计分析中,有两种模型,一种就是为大家熟知的G-R经验公式,还有一种就是特征地震模型.到底哪一种模型能够代表断层的活动,用哪一种模型进行地震危险性分析较为合理?南加州断层历史地震的统计资料和一些数值模拟分析的结果表明对于一条成熟的单个断层,用特征地震模型进行解释是更为合理的,而对包含多条断层的较为广阔的地域,断层活动应该仍用G-R公式进行分析.文章的后面对特征地震的机制进行了分析,特别地,我们认为断层的位错分布主要是由断层破裂面处地震前后的应力降决定的.所以对成熟断层而言,断层上发生的多次重复地震由于地震孕育的条件相似,导致断层活动中表现出特征地震这种现象.     

张北6．2级地震前断层活动特征研究

运用变化率分析了张北6．2级地震前山两地区跨断层流动短水准资料变化特征,发现：在张北6．2级地震孕育过程中,特别是地震孕育中短期阶段,断层活动存在明显的异常变化且一致性好,主要表现为：①断层异常活动集中在震前3．5-0．5年且存在阶段性,断层异常恢复后发生地震;②断层异常活动性质发生剧烈快速的变化,离地震发生越近断层异常活动幅度越大、变化率越快;③山西地区跨断层流动水准异常特别是前中短期异常变化主要集中在山西带的北部地区,范嗣主要集中在震中周围500km左右范围内。     

基于加密地震观测讨论红河断裂带北段维西-乔后断层的地震活动性特征

文中基于滇西北地区临时加密台站和区域固定台站地震观测资料,利用波形相关方法对2018年2月25日—2019年7月31日记录的连续波形进行高分辨率地震检测和高精度地震定位,据此分析红河断裂带北段维西-乔后断层的地震活动性特征.研究表明,目前维西-乔后断层除了一些特殊的断层部位(交会区、阶区等)外,地震活动微弱,但在其西侧可能存在一条隐伏的陡倾角右旋走滑断层,沿该断层小地震活动活跃.地震频度、能量释放率、b值等统计参数及其随时间的变化表明,维西-乔后断层及其附近地区的地震活动相对稳定,区域应力增强不明显;空间上大部分区域的b值较高,低b值区主要分布在一些特殊的断层部位(如断层交会区、阶区等),但尺度一般较小.ETAS模型统计结果表明,40％以上的地震活动受外部因素触发,包括深层流体扰动和远程强地震触发等.由此我们认为,维西-乔后断层主断层目前的地震活动性较弱,但其西侧的隐伏分支断层小地震活动丛集且有增强趋势,需要综合分析主断层及其西侧隐伏分支断层的活动性,以评估其地震危险性.     

汶川地震区的流变结构与发震高角度逆断层滑动的力学条件

本文利用龙门山地区的地质、地球物理剖面、弹性波速和流变实验数据等,建立了汶川地震相关构造单元的地壳流变结构.川西高原和龙门山构造带的地壳流变结构中存在多个塑性流变层,而四川盆地地壳基本没有出现塑性流变层,这种复杂的流变结构是汶川地震孕育和发生的基础.岩石破裂-黏滑-摩擦实验表明,以二长花岗岩为代表的震源区岩石具有很高的破裂强度和摩擦强度,能够承受极大的差应力和积累巨大的能量,这是高角度逆断层能够滑动和汶川地震强度大的原因之一.高流体压力是高角度逆断层滑动和触发汶川地震的另一个必要条件,而龙门山断层带内可能存在这种比较高的流体压力.     

利用统计地震模型从地震活动参数中获得流体信号

根据众所周知的库伦破裂准则,应力或孔隙压力的变化都会导致地震破裂。余震活动一般认为是地震应力变化引起的,它服从大森定律。而地震群则认为是通过地下流体侵入岩层所致。应力触发可以通过在地壳单独构建三维弹力应变模型分析,而地震引起的地下流体流动情况必须通过空隙压力变化和地震之间相互作用应力场的改变这样复杂的地震活动图像研究。我们看到ETAS模型是从复杂地震活动图像获得最初流体信号的一种适当工具。我们主要分析2000年发生在欧洲中部的波西米亚西北部Vogtland地区的大地震群。通过拟合随机的传染型余震序列模型(ETAS)我们发现应力触发在创建观测地震活动图像和解释观测事件破碎时间分布时起支配性作用。外力在直接触发引起地震活动中起到的作用是很有限的,这种外力被认为是由于流体入侵导致孔隙压力变化而产生的。然而时间上的反褶积表明显著的流体信号源于地震群。这些结果已被我们的仿真模型模拟研究证实,在这个研究中,流体侵入和应力在三维弹性半空间中沿断层面转移时触发地震。基于ETAS模型的反褶积过程能够揭示地下孔隙压力变化。     

汶川地震断裂带水岩相互作用及其对断裂带演化影响

汶川地震断层岩的矿物学和地球化学特征揭示出地震断层经历了漫长时间演化和复杂的水岩相互作用.间震期水岩相互作用导致断层岩中的破碎矿物蚀变,尤其是长石等矿物含量渐渐减少甚至消失,而黏土矿物（蒙脱石、伊利石、伊/蒙混层、绿泥石等）含量逐渐增高,以及如黄铁矿、石膏、重晶石、坡缕石等热液系统中常见的矿物大量出现;Mg、P、Ti、Mn、Fe等元素倾向富集在断层带中,而Si、K和Na等出现明显的亏损;元素的大量迁移导致断层带的体积巨量亏损.实验结果表明,黏土矿物的亲水性引起水渗透率比干燥气体渗透率明显偏低,并且二者偏差无法通过Klinkenberg校正消除.蒙脱石吸水膨胀和黏土矿物颗粒表面吸附孔隙流体造成孔隙度降低是导致水渗透率偏低的重要原因.断层岩碎屑结构使得其中的孔隙可能在600 MPa围压下得以保存,从而有助于流体沿断层带下渗,并在断层带深部形成高流体孔隙压.地震断层的主要矿物学及粒度分布特征并非在地震破裂过程中形成,因此利用断层岩粒度分布资料估算地震破裂能并不合适.     

华北地区断层现今活动速率与特征

系统分析了华北地区跨断层形变资料,计算了断层活动平均速率,研究了断层活动年变率的动态演化。结果表明,华北地区现今断层活动水平较低,平均速率为０．１７ｍｍ／ａ;山西—延怀地区断层活动水平高于华北地区平均水平;山西带及郯庐带北端活动速率呈上升趋势,这与现今及近期的地震活动有密切关系;强烈地震发生前,存在大范围断层活动平均速率的增加;大范围断层活动方式的转折,可能是地震活动分期的重要标志之一     

龙门山断层脆-塑性转化带流变结构与汶川地震孕震机制

汶川地震发震断层为高角度逆断层,这种断层滑动和发生强震需要断层深部具备特殊的力学条件。发震断层地区地表出露若干韧性剪切带,其中不同类型石英变形具有不同的变形温度。细粒糜棱岩中的石英表现为高温位错蠕变,变形温度为500~700℃;含残斑初糜棱岩中的石英表现为中温位错蠕变,其变形温度为400~500℃;早期石英脉中的石英表现为低温位错蠕变,变形温度为280~400℃;晚期石英脉以碎裂变形为主,其变形温度为150~250℃。石英的这些变形特征显示出断层带经历了多期脆-塑性转化。根据糜棱岩中的重结晶石英的粒度估计的断层塑性流动应力为15~80MPa。石英和长石内的微量水以晶体缺陷水、颗粒边界水和流体包裹体水的形式存在,水含量随岩石的应变增加而升高,变化范围为0.01~0.15wt%。断层脆-塑性转化带内石英含有大量与裂隙愈合相关的次生流体包裹体,其捕获温度为330~350℃,流体压力为70~405MPa,估计的流体压力系数为0.16~0.9,代表强震发生后,断层带内产生的大量微裂隙逐渐愈合过程中的流体特征。在考虑断层带流体压力和应变速率变化条件下,利用石英流变参数建立了从间震期到地震成核阶段断层脆-塑性转化带流变结构和震后快速蠕滑阶段断层脆-塑性转化带流变结构。结果表明,在间震期、地震成核阶段、震后快速滑动阶段,断层强度和脆-塑性转化深度随应变速率和流体压力变化而变化,且脆-塑性转化特征与石英的变形机制、断层速度弱化和强化转化深度、汶川地震震源深度等吻合,显示映秀-北川断层具备摩擦滑动速度弱化和地震成核的基础,而断层带内存在高压流体可能是触发高角度逆断层滑动和汶川地震发生的主要机制。     

云南景洪电站水库库区断层与地震危险性分析

通过对景洪电站水库周围区域地震地质环境,包括主要活动断裂、库区周围地震活动、库区断层性质及其与水库关系的分析,认为景洪电站水库地震地质环境复杂,水库周围地区不仅发育有澜沧江断裂带、澜沧-勐遮断裂带、无量山断裂带等规模较大的活动断裂,而且位于耿马-澜沧地震带、思茅-普洱地震带之间;库区发育一系列NW向断层,主要包括澜沧江断裂、酒房断裂、白马山断裂、打洛断裂、勐养河断裂、大水缸-茨通断裂、安马山断裂、三达山断裂、育种队断裂等,这些断层形成一条以水库为中心的10～20 km宽的NW向断层带.因此,景洪电站水库具备发生水库诱发地震的基本条件,发生水库诱发地震危险性较大的是澜沧江断裂近坝址段、安马山断裂南段、白马山断裂.     

喀喇昆仑断层与塔什库尔干地震形变带

喀喇昆仑断层位于我国新疆、西藏和阿富汗、克什米尔之间,是亚洲大陆中部一条巨型的右旋走滑断裂带,长约1000km,呈北西向展布,十分醒目。喀喇昆仑断层和阿尔金断层形成一个巨大的挤出构造,使青藏高原向东运动,对东亚的新构造和地震活动具有重要的控制作用。木吉-塔什库尔干盆地是公格尔山和慕士塔格山西侧一条串珠状断陷盆地带,东西两侧发育系列山前活动断裂,主要表现为正断层。这里曾发生多次强震活动,3条地震形变带(地震断层)已被发现。塔什库尔干断裂带呈北北西走向,是喀喇昆仑断层北部的一条分支     

龙泉山断裂带地震活动性浅析

通过对龙泉山断裂带东坡断裂和西坡断裂的地震活动性研究,表明该带是一条活断层。历史地震记载和现今地震活动均呈现沿断裂带分布,地震活动呈现周期性和南北跳迁的特点,近10年来地震监测资料表明该带地震活动在增强。     

水库蓄水与断层带流体孔隙压时-空分布的数值模拟——以紫坪铺水库为例

通过对汶川地震破裂带上的断层岩及围岩的渗透率测量,获得了研究区岩石的渗透率随深度变化的规律。依据所得到的渗透率实验数据,数值模拟了紫坪铺水库蓄水所产生的流体孔隙压的时空分布。模拟结果显示,渗透率是否随深度变化,其流体孔隙压的模拟结果也相差很大。由于断层带具有高渗的特点,因此与水库底部存在水力联系的断层带及其宽度对流体渗透的模拟结果有明显的影响。断层带越宽,下渗作用越明显,流体孔隙压的分布与断层带的产状越接近。若断层带宽度为100~300m,2008年汶川MS8.0地震发生时,其震源区的流体孔隙压为0.1~0.15MPa,与库体载荷在断层面上产生的附加正应力相当。该模拟结果可以作为进一步分析汶川地震的发生是否与紫坪铺水库蓄水存在关联的重要约束。     

我国断层形变观测在地震研究中的进展及问题

已获得的主要成果有：区域断层活动特点，断层活动性与强震发生的关系，应用断层形变确定活动块体的边界，依据断层形变提出地震危险性的估计，断层活动监测方案的完善等。目前存在的主要问题是观测规模萎缩，观测方法落后，研究工作滞后。