微小应力对断裂带深部岩体应变能释放的触发过程模拟

1 研究背景 全球地震频发,对人们的生命财产安全造成巨大威胁,但科学家对地震发生机理仍未厘清.100多年以来,科学家们提出诸多地震理论,弹性回跳理论认为地震来源自断层运动,相变说认为在温度和压力作用下的深部岩体应力状态发生改变而激发地震波,板块构造学说认为世界地震活动多发生在地壳运动相对剧烈的板块边界区域(师皓宇,2020),但均有与之相悖的现象.在诱发地震的各种机制中,应力被认为是导致地震发生的直接原因,岩体应力状态改变是地震发生的必要条件,在断层和围岩介质系统的应力达到临界值时,断层突然失稳滑动,储存在断层—围岩介质系统中的弹性能突然释放,但难以解释断层间的慢滑移或深源地震现象.文中以龙门山断裂带为地质背景,采用FLAC3D软件,模拟断裂带在应力触发后的应力状态,探索应力触发和地震能量之间的关系(师皓宇等, 2019),揭开地震发生的力学机理.     

1954年山丹71/4级地震的孕震构造和发震机制探讨

龙首山断裂带位于青藏高原向北东推挤的最前缘,是河西走廊与阿拉善地块之间的分界断裂之一.虽然观测精度有限,1954年发生在该断裂带上的7_1/4级地震是该断裂上少有的有现代地震观测和记录的大地震.本次地震仅在龙首山北缘断裂带两个次级断裂段之间的一条转换断层上形成了长7 km左右的连续地震地表破裂带,以北西向右旋兼正断为主要特征,这与区域上近东西向左旋逆断构造运动特征差异较大.经过多次野外调查和地质填图,发现在主断层上没有形成地震地表破裂带,而地震震害的分布又完全受龙首山南北两条断裂所围限,说明地震的孕震可能与龙首山断裂带主断裂有关,转换断层上的地表破裂仅为局部的应力释放.利用震源机制解资料,通过静态库仑应力变化模拟可以看到,如果主震发生在南缘断裂上,对地表破裂有显著的触发作用.综合考虑北缘断层可能存在的动态触发作用,说明目前所见地表破裂是龙首山断裂带主断裂地震的同震响应.小震精定位也显示,龙首山南北两侧的断裂在约10 km范围内形成一狭窄的倒三角形,并有向北扩展的趋势.     

2014年鲁甸6.5级地震GPS同震位移及反演分析

本文综合GPS流动和连续观测结果，并利用最速下降法（SDM）反演方法，给出并分析了2014年鲁甸6.5级地震同震位移、断层面滑动位移分布特征.GPS同震位移结果表明：此次地震沿北西方向表现出左旋应变释放特征、沿北东向表现出拉张应变释放的同震特征，并且随着离开断裂带距离的增加，拉张变形衰减；受包谷垴—小河断裂控制的左旋剪切应变释放的位移在莲峰、昭通—鲁甸断裂附近较弱，说明该断裂可能没有完全切割昭通—鲁甸断裂，不属于该区域主干断裂；昭通—鲁甸断裂带有一定的右旋应变释放，而逆冲应变释放不明显，表明该断裂带处于受南东向挤压的强闭锁状态.SDM反演结果表明，鲁甸地震以左旋走滑为主并兼有拉张性质，地震矩震级为M_W6.3左右.综上所述，并结合其他研究成果，我们认为莲峰、昭通—鲁甸断裂带仍存在强震危险性.     

从库仑破裂应力和余震分布角度探讨汶川地震和芦山地震的关系

本文以龙门山及周边地区为研究对象，考虑区域地质构造差异、主要活动断裂带、地表附加重力影响，建立能反映地表起伏和岩石圈分层结构的龙门山地区三维粘弹性有限元模型。以地壳水平运动速率观测值为约束条件重建研究区现今构造背景应力场，在此基础上分别模拟了汶川地震和芦山地震的发生机理。通过分析同震库仑破裂应力变化与余震空间分布的关系，探讨了2次地震主震对余震的触发作用以及汶川地震对芦山地震的影响。研究表明，汶川地震和芦山地震的余震大部分由其主震触发，汶川地震对芦山地震的余震有约6.78%的触发作用。汶川地震的同震库仑破裂应力在芦山地震主震位置的增加值约为0.016MPa，如果龙门山断裂带南段库仑破裂应力年累积速率按照0.4×10-3-0.6×10-3MPa·a-1计算，汶川地震使芦山地震提前了约27-40年。计算还表明汶川地震和芦山地震的发生使鲜水河断裂带南段和虎牙断裂的库仑破裂应力增加，这些断裂带在未来发生地震的可能性增加。     

青藏高原东南缘活动断裂的地震应变能释放系统研究

本文以青藏高原东南缘为研究区域，利用G-R震级能量经验公式和Benioff地震应变能释放曲线，对该区域内1500年以来的历史地震应变能释放进行了系统性的研究。文中给出了各断裂带和断块区的地震应变能释放周期表，及相应的地震危险性。分析发现研究区域地震应变能的释放具有东强西弱，南强北弱的特征，整体上各断层断块区的历史地震应变能释放符合准周期模式，某些断层和断块区上的地震周期具有某种程度上的同步现象。青藏高原东南缘现今处于大释放期中，地震的危险性不能忽视。局部结果显示，安宁河-则木河断裂带、小江断裂带的危险性很高，对于这些危险区要重点跟踪研究。今后仍需结合不同研究方法来提高地震危险性评估的可靠性。     

汶川地震前十年间龙门山区域顾及断层闭锁的地壳应变场

本文利用1997—2008年5月的汶川M_w7.9地震前川滇地区GPS水平速度场数据,采用负位错理论反演了汶川M_w7.9地震前龙门山断裂带的闭锁程度.在顾及断层闭锁影响下,获得了龙门山断裂带区域震前十年间地壳应变率场.结果表明在汶川地震前龙门山断裂带高度闭锁,在地表以下0~25 km范围内其平均闭锁程度为0.972±0.222,滑动亏损速率约为3 mm·a~(-1).震前龙门山断裂滑脱层的高度闭锁为汶川地震深部同震破裂提供了能量基础;在顾及断层闭锁影响下,龙门山断裂带附近应变积累缓慢,断层附近区域最大主应变率约为3.4~9.6 nanostrain·a~(-1),最小主应变率约为-2.5~-7.1 nanostrain·a~(-1);断层西北侧有明显的应变积累.     

云南景谷M_S6.6地震对南汀河断裂带地震危险性的影响

南汀河断裂带是滇西南块体内部的一条左旋走滑断裂带,几乎横切整个块体,总长度达380km,是块体内NE向断裂中最长的一条,也是次级块体的边界断裂.南汀河断裂带晚第四纪活动性非常强烈,但仅南段在1941年记录到一次约7级的地震,其余段落还没有5级以上地震的记录,目前可能正处于应力积累和孕震阶段.2014年10月7日发生的景谷MS6.6地震位于断裂带南东约94km,其地震烈度等震线长轴与余震皆呈北西展布,指向南汀河断裂带.为了解景谷地震对周边构造特别是南汀河断裂带的影响,本文通过数值模拟方法计算了地震触发的同震静态库仑应力变化.利用两种同震滑动分布模型计算获得的结果显示,景谷地震对震中附近的断裂,如澜沧江断裂和景谷断裂影响较大,局部应力增加可达90kPa;对较远的断裂,如南汀河断裂带、龙陵—澜沧断裂带和无量山断裂带的影响较小,应力变化值均小于10kPa.通过设置不同断层参数进一步计算,南汀河断裂带北段两支断裂断层面上的静态库仑应力扰动呈半圆形分布,应力增加的最大值位于24.15°N附近的地表,沿断层的走向和深度都逐渐减小.其中西支断裂上应力变化最大值为0.89kPa,东支断裂上为1.18kPa.此外,在南汀河断裂带北段的古地震研究结果显示,该断裂段全新世以来发生过产生地表破裂的大地震,震级应当不低于7级.放射性碳测年将该次古地震事件的发震时间限定在900—1480AD,离逝时间为535—1115年.结合古地震事件的离逝时间和断裂带的滑动速率,本文计算得到南汀河断裂带北段已经积累的水平滑动量为2.8+1.5/-1.0m,进一步利用滑动量与震级的经验公式可估算出该断裂段目前积累的滑动量如果完全释放将会产生一个7.5+0.1/-0.2级的地震.虽然景谷地震在南汀河断裂带上触发的静态库仑应力变化值表明,该地震可能不会引起南汀河断裂带地震危险性的突变,但仍起到一定的加速作用.再考虑到断裂带北段目前已经积累了约7.5级地震所需的能量,该断裂段在未来具有较高的地震危险性.     

青藏高原东南缘活动断裂的地震应变能释放系统研究

本文以青藏高原东南缘为研究区域,利用G-R震级能量经验公式和Benioff地震应变能释放曲线,对该区域内1500a以来的历史地震应变能释放进行了系统研究。文中给出了各断裂带和断块区的地震应变能释放周期表及相应的地震活动性分析。分析发现研究区域地震应变能的释放具有东强西弱,南强北弱的特征,整体上各断层断块区的历史地震应变能释放符合准周期模式,某些断层和断块区上的地震周期具有某种程度的同步现象。青藏高原东南缘现今处于大释放期,地震的活动性不能忽视。对局部地区的研究结果显示,安宁河-则木河断裂带、小江断裂带的地震活动性较强,对于这些地区应重点跟踪研究。     

利用GPS数据分析四川“Y”型构造区地壳运动状态

四川地区地质构造复杂,地壳活动剧烈,为了深入揭示该区“Y”型构造区地壳1999年以来近20年的动态演化规律,基于1999—2017年7期GPS数据,解算各周期网格速度场、应变率场,研究地壳应变场演化过程。结果表明：①2008年以前的3期GPS速度场相对稳定,汶川地震后,速度场变化最大的龙门山断裂带由4.0—5.0 mm/a增至8.0—10.0 mm/a;②汶川震后,“Y”型构造区最大剪应变高值区出现在汶川以东,由2.0×10^-8/a增到22.0×10^-8/a;龙门山断裂带以SE或SEE向主压应变为主,变化速率约5.0×10^-8/a—12.0×10^-8/a,鲜水河断裂由震前NS向主拉应变转为震后EW向主压应变,安宁河断裂东侧由震前SE向主压应变6.0×10^-8/a减至震后的2.0×10^-8/a;面膨胀结果显示,由震前低密度梯度带瞬间变为平行于龙门山断裂带走向的高密度变化区,且存在以金川至都江堰、北川至青川为条带的2个正负交替过渡区;③汶川地震发生压应力释放后,该区SEE向压性特征又逐渐增强,且持续至2017年,释放了龙门山断裂带地壳内部SEE向压应力多年累积能量,但汶川地震对鲜水河断裂与安宁河断裂的整体运动状态则无明显触发作用。     

地震预测方法Ⅲ:固体潮与地震

本文从分析研究固体潮与地震发生的相关性的物理机制出发,探讨了用观测固体潮的方法来预测地震发生的可能性.首先,根据地震发生的物理力学过程,给出了地震产生所需要的应力应变条件.实验室岩石力学实验结果和地震应力的观测以及计算结果给出,完整地壳岩石的强度界于10~103 MPa之间,断层介质的强度界于1~10~2 MPa之间.其次,将固体潮所引起的全球地壳变形在某个活动断裂带附近产生的形变值与地震触发的应变值进行对比,讨论了固体潮触发地震的可能性.计算分析表明:固体潮在地表对应的应变在10~(-8)的量级,对岩石介质所引起的应力最高可以达到1.6×10~(-2)MPa量级,这样的载荷水平不足以引发地震.最后,本文结合固体潮观测资料表明,地震活动性与固体潮的周期性变化无明显相关性,固体潮对于临震前的含有活动断裂的岩体在某个方向发生地震可能有触发作用,但是由于这种触发作用与地震发震的时间、地点和震级关系的不确定性,从而无法用来作为地震预测的方法.     

汶川8.0级地震前发震断裂带地震活动特征研究

设定两个不同研究区域,分别就汶川8.0级地震前地震活动特征进行研究,得出以下结论：①至少在2008年5月11日之前的38年时间中,龙门山断裂带中段出现M5.0以上地震空段,汶川巨大地震就发生在这一空段;②第一研究区域强震释放能量出现阶段性梯次减少现象;③至2008年初,估算出第一研究区域地应力积累量已达5.0136×1016J,相当于一次M7.9强震所能释放的能量;④第二研究区域中小地震在龙门山断裂带中段的南端形成了几乎垂直相交的两条地震带,小震活动明显增多.     

龙门山断裂带重力变化与汶川8.0级地震关系研究

利用成都地区1996~2008年绝对重力和相对重力观测资料获得区域重力场时空动态变化结果,系统分析了龙门山断裂带重力场变化特征及其与汶川8.0级地震的关系.①重力变化与龙门山断裂构造活动存在密切空间联系,重力测量较好地反映了伴随活动断层的物质迁移和构造变形引起的地表重力变化效应.②成都地区重力场动态图像较完整地反映了2008年5月12日汶川8.0级地震孕育、发生过程中出现的流动重力前兆信息.③映秀及北川重力点值时序变化累积量达120×10^-8m·s^-2,较好地反映了汶川地震前映秀和北川两个极震区附近的重力测点随时间的剧烈波动性上升变化.④汶川地震前,龙门山断裂带东侧的四川盆地相对稳定,而较显著的重力变化发生在龙门山断裂带西侧的川西高原上.     

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.     

CHARACTERISTICS OF SATELLITE GRAVITY FIELD AND SEISMOGENIC MECHANISM IN THE LONGMENSHAN FAULT ZONE

Longmenshan fault zone is a famous orogenic belt and seismic zone in the southeastern Tibetan plateau of China. The Wenchuan M_S8.0 earthquake on May 12, 2008 and the Ya'an M_S7.0 earthquake on April 20, 2013 occurred in the central-southern part of Longmenshan fault zone. Because of its complex geological structures, frequent earthquakes and special geographical locations, it has attracted the attention of many scholars around the world. Satellite gravity field has advantages in studying gravity field and gravity anomaly changes before and after earthquake. It covers wide range, can be updated regularly, without difficulty in terms of geographical restrictions, and is not affected by environmental factors such as weather, terrain and traffic. Therefore, the use of high-precision Earth satellite gravity field data inversion and interpretation of seismic phenomena has become a hot topic in earth science research. In order to understand satellite gravity field characteristics of the Longmenshan earthquake zone in the southeastern Tibetan plateau and its seismogenic mechanism of earthquake disasters, the satellite gravity data was used to present the terrain information of the study area. Then, by solving the regional gravity anomaly of the Moho surface, the crustal thickness of the study area was inverted, and the GPS velocity field data was used to detect the crustal deformation rate and direction of the study area. Combining the tectonic setting of the Longmenshan fault zone and the existing deep seismic sounding results of the previous researchers, the dynamic characteristics of the gravity time-varying field after the earthquake in the Longmenshan earthquake zone was analyzed and the mechanism of the earthquake was explored. The results show that the eastward flow of deep materials in the eastern Tibetan plateau is strongly blocked at the Longmenshan fault zone. The continuous collision and extrusion process result in a "deep drop zone" in the Moho surface, and the long-term stress effect is conducive to the formation of thrust-nappe and strike-slip structures. The Longmenshan earthquake zone was in the large-scale gradient zone of gravity change before the earthquake, the deep plastic fluid material transport velocity differed greatly, the fluid pressure was enhanced, and the rock mechanical strength in the seismic source region was weakened, which contributed to the intrusion of crustal fluid and the upwelling of the asthenosphere. As a result, the continuous accumulation of material and energy eventually led to continuous stress imbalance in the deep part and shear rupture of the deep weak structure, causing the occurrence of the thrust-nappe and strike-slip earthquake.     

汶川地区区域构造应力场特征及汶川MS8.0地震对周围主要断层面的影响

为剖析2008年汶川M_S8.0地震对后期地震的影响及发震区域构造应力场特征,首先利用2008年5月12日—2013年4月19日汶川地震及其邻区的1660条震源机制解,同时采用同一地震多个震源机制中心解的方法筛去重复地震事件的震源机制解,最终获得911个震源机制解。其次,通过网格搜索法分段反演出区域构造应力场。结果显示:东北区主要受WNW-ESE向的挤压,西南区受W-E向的挤压,中区受WSW-ENE向的挤压。西南到东北主压应力轴方向有所变化,这可能与龙门山地区受到来自印度板块北北东方向的俯冲推挤、四川盆地的阻挡和巴颜喀拉块体东南向挤压的联合作用有关。然后,基于USGS给出的汶川M_S8.0地震的破裂模型,计算出该地震对附近强震的触发关系,结果表明,本次汶川地震对同属龙门山断裂西南端的芦山地震触发作用明显,对位于东昆仑断裂上的玛多地震也有一定的触发作用。最后,计算汶川M_S8.0地震对周围断层的同震库仑应力变化,发现本次地震造成龙门山断裂南北两端、秦岭南缘断裂、鲜水河断裂东南端、东昆仑断裂、白玉断裂的库仑破裂应力增加,龙门山断裂南北两端和秦岭南缘断裂增加最为明显,对分析地震危险性有一定的参考意义。      

龙门山和鲜水河断裂带对区域构造加载作用的动态响应

为了研究汶川地震和鲜水河断裂带上的地震之间是否有触发作用及区域构造加载作用在这些地震发生过程中对应力场的影响.我们以汶川地震和鲜水河断裂带所在区域上的共7次地震为研究对象,区域构造加载作用由GPS速度边界近似,用分裂节点技术模拟上地壳地震的发生,并采用三维黏弹性有限元方法,模拟库仑应力的演化.研究结果表明:鲜水河断裂带上的地震震前积累的库仑应力的17%~38%来自区域构造加载的持续作用,其他的地震形变引起的库仑应力的积累约占49%~67%,故地震触发作用明显(除1948年理塘地震和1973年炉霍地震外);而汶川地震震前1893—1981年发生的地震释放了该区部分库仑应力,不可能对汶川地震有触发作用.汶川地震的库仑应力积累可能主要来自区域构造加载作用,地震发生以后几乎释放了所在区域的所有库仑应力,形成新的格局.     

汶川地震序列早期特征及成因探讨

地震序列的特征和震型判定工作有助于抗震救灾工作的开展,对其发生成因的研究是解决地震预报难题必须面对的科学问题。汶川8．0级地震序列的初步研究表明：①余震沿龙门山断裂带分布于宽100km,长约330km的带状区域内,并侧向于主震震中的北侧;②序列发展初期有2个快速衰减过程;③序列类型为主震一余震型,最大强余震6．4级;④序列的空间演化过程,强余震震源机制结果和地震精确定位结果分析表明,序列具有分段特征;⑤8．0级地震的发震构造是龙门山断裂带,发震构造在剖面上呈现出“犁形”或“铲形”。地球物理勘探和壳、幔结构反演结果表明,自青藏高原穿越龙门山到四川盆地存在地幔阶梯,上地幔阶梯的阻挡作用使得物质东移速率减慢,并蕴积了汶川8．0级地震所需能量。地震的产生正是东西向应力平衡被打破的结果,余震沿龙门山断裂的分布是高原地壳在印度板块的推挤作用下向北北东方向的运动得以继续的表现。整个龙门山断裂带都参与了活动,龙门山断裂带北端作为断裂带的止裂端与南段同期活动。     

龙门山断层地震周期及其动力学过程模拟研究

在断层面上引入速率-状态相依摩擦本构关系、考虑铲形逆冲断层几何结构特征、断层下盘和上盘中下地壳及上地幔为黏弹性介质、上盘上地壳为弹塑性介质，本文用二维有限元动力学模型模拟了龙门山断层上大震准周期复发行为、分析了断层上地震孕育位置、地震周期不同阶段的应力/应变场演化特征.不同于近垂直走滑断层上的地震周期行为，大陆铲形逆冲断层上的构造应力的积累和释放过程更复杂、有其独特性.我们得到如下认识：（1）铲形逆冲断层上的地震复发是准周期行为.（2）龙门山断层最大库仑应力位于断层17~20 km深处，应力长期积累和同震释放都在此深度最大，说明地震会在此处孕育、发动.（3）在断层破裂的深部和浅部，同震滑动大小和构造应力释放大小并非同步，而是差异悬殊.（4）地震仅部分释放区域积累的应变能，断层上盘上地壳顶部和底部的褶皱、破裂等永久变形形式也是释放应变能的重要形式.（5）应变能密度增量的演化图像分为：震间、同震、震后期，清晰反应了龙门山断层附近的地震动力学过程.（6）地震发生除释放能量外，同时也对近断层的中地壳和断层底部有很大的应变能加载；这些加载，在震后期可能通过震后滑移、余震或中下地壳乃至上地幔的驰豫形变用几十年时间释放.以上对大陆内铲形逆冲断层上变形特征的了解，有助于我们在其地震周期行为中评估地震危险性.     

The seismicity and tectonic stress field characteristics of the Longmenshan fault zone before the Wenchuan MS8.0 earthquake

The seismicity of Longmenshan fault zone and its vicinities before the 12 May 2008 Wenchuan M_S8.0 earthquake is studied. Based on the digital seismic waveform data observed from regional seismic networks and mobile stations, the focal mechanism solutions are determined. Our analysis results show that the seismicities of Longmenshan fault zone before the 12 May 2008 Wenchuan earthquake were in stable state. No obvious phenomena of seismic activity intensifying appeared. According to focal mechanism solutions of some small earthquakes before the 12 May 2008 Wenchuan earthquake, the direction of principal compressive stress P-axis is WNW-ESE. The two hypocenter fault planes are NE-striking and NW-striking. The plane of NE direction is among N50°?70°E, the dip angles of fault planes are 60°?70° and it is very steep. The faultings of most earthquakes are dominantly characterized by dip-slip reverse and small part of faultings present strike-slip. The azimuths of principal compressive stress, the strikes of source fault planes and the dislocation types calculated from some small earthquakes before the 12 May 2008 Wenchuan earthquake are in accordance with that of the main shock. The average stress field of micro-rupture along the Longmenshan fault zone before the great earthquake is also consistent with that calculated from main shock. Zipingpu dam is located in the east side 20 km from the initial rupture area of the 12 May 2008 Wenchuan earthquake. The activity increment of small earthquakes in the Zipingpu dam is in the period of water discharging. The source parameter results of the small earthquakes which occurred near the initial rupture area of the 12 May 2008 Wenchuan earthquake indicate that the focal depths are 5 to 14 km and the source parameters are identical with that of earthquake.