断层岩石的粘弹塑性模型及其在地震研究中的应用

根据地壳岩石所具有的流变特性以及地震发生的一些特点,本文提出了一个模拟断层岩石的流变模型,并对其在地震机制研究中应用的可能性进行了探讨.结果表明、用该模型对断层岩石的物理理想化是较合理的,并能推广至平面问题的数值模拟计算中.      

新丰江水库诱发地震极限深度的实验研究

新丰江水库诱发地震是在什么深度发生的？通过对该水库基底断裂内岩石的三轴实验,获取了该岩石较完整的三轴强度包络线。利用强度理论、孔隙水压力并结合地震资料,对水库诱发地震的极限深度进行研究后得出：①具有诱发地震条件的水库,存在一个诱发空间,若岩体深度超过某一值（极限深度）后,将不再有诱发地震;岩石不同,极限深度也不同;②新丰江水库区的诱发地震,只在约14km深度的岩体内发生,震源深度≥14km的地震,均为普通的构造地震。     

由含断层岩石非均匀性产生的地震前兆的数值模拟研究

使用新开发岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)，通过一系列模型实验，研究岩石中预制断层面几何特征和力学非均匀性对地震前兆产生的影响。模型使用5个具有不同均质度的岩石样本进行数值模拟研究。数值模拟结果表明，不同均质度岩石破坏在地壳中会产生不同的地震前兆现象。在一些区域，可以观测到明显的前兆，而在另一些地区却很难观测到明显的前兆现象。模拟结果与实验观测和自然界实际观测结果由很好的一致性。     

裂缝诱导双相HTI介质地震波场错格伪谱法模拟与波场特征分析

裂缝诱导的双相具有水平对称轴的横向各向同性(HTI)介质模型是由一组平行排列的垂直裂缝嵌入到统计各向同性的流体饱和多孔隙岩石中而组成的,它综合考虑了裂缝型储层岩石的各向异性和孔隙性.高精度的地震波场数值模拟技术是研究该介质中地震波传播规律的主要方法.本文结合错格伪谱法和时间分裂法,求解描述该介质中地震波传播的一阶速度-应力方程.模拟了单层和双层模型中的地震波场,并对其进行了特征分析.研究结果表明:错格伪谱法能有效消除标准网格伪谱法波场模拟结果中出现的数值伪影现象,与时间分裂法结合能够获得稳定的、高精度的模拟结果;裂缝诱导双相HTI介质中的地震波场兼具裂缝各向异性介质和双相介质中传播的地震波的波场特征.     

岩石非均匀性对地震活动状态影响的数值模拟研究

地震的孕育、发生与震源位置及其岩石力学性质有着密切的联系,本文借助数值模拟方法研究了岩石均质度在岩样变形直至破裂过程中对声发射事件活动状态的影响。数值模拟结果表明,岩石非均匀性对岩样声发射活动状态的时间演化过程有着较大影响,所得结论进一步支持了分区研究强地震前兆异常的必要性。     

数字岩石物理中弹性参数的有限差分计算方法

数字岩石物理利用三维成像技术和数学方法,建立数字岩心,开展多场物理响应模拟,计算岩石的等效弹性参数,为岩石物理学研究开拓了新的领域.本文发展了一种基于高阶有限差分的岩石模量数值计算的新方法,该方法便于理解,容易实现,占用内存相对较少,计算效率高,结果合理,弥补了常规岩石物理实验周期长,成本高,误差大等不足.该方法将三维数字岩心样本嵌入一个具有与岩心样本骨架颗粒相同弹性性质的区域中扩充成一个新模型,测量由数字岩石样本非均匀结构带来的纵波或横波峰值振幅的时间差,利用该时间差(相对参考模型)估算纵横波的等效速度,进而求取等效弹性模量.理论模型和实际岩心的计算结果表明,数值模拟结果与实验结果有较高的吻合度,验证了该方法的合理性.     

高孔隙岩石变形的离散单元模型

实验和野外观测表明颗粒破碎显著影响高孔隙岩石的变形特征.为建立高孔隙岩石变形的数值模型,我们以弹性理论为基础并根据问题的特征进行合理简化,给出了一种颗粒破碎机制,并根据此颗粒破碎条件改进传统的离散单元模型.利用改进的离散单元模型,研究了不同压力条件下高孔隙岩石变形的宏观和微观特征.数值模拟结果表明考虑颗粒破碎的模型能重现高孔隙岩石在不同围压下变形的应力-应变关系、声发射特征、应变局部化和剪切增强压缩等特征.我们还发现,与野外观测结果一致,在高孔隙岩石脆性阶段剪切带内部及附近伴有显著的颗粒破碎.     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

构造地震是岩石破裂的非平衡热力学过程

引进岩石破裂的热力学机制,使人们对构造地震震坏处以破裂方式突然释放能量时的物理过程本质有新的认识.     

岩石摩擦与地震

切口岩石的摩擦滑动是脆性岩石力学实验研究领域的一个重要分支。多年来,岩石摩擦的研究仅仅引起岩石力学工作者的重视。自布雷斯(Brace)和贝尔利(Byerlee)提出发生在岩石摩擦中的粘滑现象可作为浅源构造地震一种可能的机制以后,地震学家对岩石摩擦的实验研究给予广泛的兴趣和注意。因为断层无论作为地震的结果,还是作为地震的成因都和断层两侧岩石的摩擦性质密切相关。     

用断裂力学的方法研究地震断裂的扩展方式

本文基于断裂力学的实验结果和理论,结合地震资料及其研究结果提出了关于地震断层扩展的一种新的模式--地震断裂扩展的曲面模式;并用数值的方法计算了在二维情况下地震断层沿曲面（线）扩展的途径。根据这类地震的特点,指出对于这种地震可由其总体破裂的方向确定其发震地区的最大构造主压应力方向。并对唐山等地震实例提出了解释。 在计算方法上,本文对流行的有限单元方法进行了改进,使存贮减少,并提高了计算速度。     

由震源机制解推断唐山地震序列发震断层的分段特征

使用唐山地区2002年1月—2015年11月M_L≥2.5地震的255个震源机制解, 采用构造应力场均匀性的分段方法对唐山地震序列的发震断层进行分段． 在已有唐山地区震源机制解分区特征的基础上, 给出了5个参考应力张量, 并通过差异显著性的z值检验计算将唐山地震序列的发震断层分为宁河、 唐山、 滦县和卢龙等4个子段, 进而分别对4个子段的应力场进行反演． 结果显示: 4个子段的最大主压应力方向均呈近EW向, 且唐山、 宁河和卢龙子段的应力场均表现出较大的拉张分量; 唐山、 宁河子段的最佳应力张量与唐山主震对唐山断裂带两端点所产生的引张应力场的作用方式一致． 此外, 唐山子段的应力场符合基于接收函数给出的上地幔物质隆升模型, 滦县子段走滑型的应力状态反映了该区的共轭构造运动, 卢龙子段的最佳应力张量为正断兼右旋走滑． 从当前唐山地震序列发震断层分段的应力场特征可以推断, 现今唐山地区的地震活动具有继承性, 主要受区域构造应力场和该区深、 浅共存的断裂构造体系控制．      

唐山地震深浅构造关系研究

地表观察和浅层高分辨率地震探测表明 ,唐山断裂与地震地表主破裂带的位置、产状均一致 ,且具有高角度西倾的逆冲走滑性质 ,发生过右旋水平错动和向东逆冲的垂直活动 ,而次破裂带与褶皱构造活动引起的其他断裂直接相关。根据瞬变磁场和深地震探测结果分析 ,唐山地区存在莫霍面斜坡和地壳“背斜”、中地壳水平滑脱和扩展断裂、上地壳高角度逆冲走滑断裂和背向斜构造 ,它们组成 1幅多层次、多级序的复式逆断裂 -扩展背斜构造图像 ,控制了唐山地震的孕育和发生     

唐山地震序列的应力释放调整过程

本文搜集了1976年7月28日至1979年12月31日期间唐山地震序列中所有M_s≥4.0地震的初动资料。这些资料来自于68个地震台的记录图和其它14个地震台的数据。其中,167次地震得到可靠的断层面解。对这些断层面解的分析表明,震源区介质中的应力经历了一个由震前紧张平衡态,经主震后的极不稳定态,逐渐向松驰平衡态演变的释放调整过程;对于余震区的不同部分,该过程存在着细节上的差异。两种平衡态下应力主轴的空间取向基本相同,这意味着制约唐山地区构造应力场的周围环境因素没有因发生唐山地震而改变。因此,该地区的构造运动将有继承性,而地震活动将会间歇性地重现。     

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。     

华北4次中、强地震前震源区及其附近应力场的变化

使用小震机制解资料 ,分析了 1975年海城 7 3级和 1976年唐山 7 8级强震及 1983年菏泽 5 9级和 1995年苍山 5 2级中强震前 ,震源区及其周围不同构造部位应力场的时、空变化 ,证实震前震源区附近应力场曾有某些异常改变 ,如唐山强震前震源区周围出现长达 4a多的小震机制解主应力轴一致性取向的现象 ,菏泽地震前小震机制解P轴“集中—转向” ,苍山地震前P轴偏转且一致性增强。同时还发现 ,唐山地震前应力场异常变化开始时间可能早于 1972年 ;震源区内的陡河台与源外区的昌黎台小震综合机制解反映出震前的受力差异 ;震源断层附近不同应力区内震源机制解和地震活动有时空动态差异。这些现象一定程度上提供了不同构造条件和应力背景下 ,中、强震前震源区不同构造部位力学状态的改变或地震孕育过程的信息 ,对研究不同地震的孕震过程及差异有一定意义。     

唐山地震前后的应力变化

在距唐山地震震源约百公里的大港油田,以水压致裂法,在深度1000——4000米之间,测定了69次地应力值,对比了1973——1980年大地震前后八年内的应力值变化.在主震前,构造应力场出现明显变化:(1)水平应力梯度降低,即在最大与最小水平主应力方向呈现应力松弛;(2)水平应力与深度的相关系数降低,即构造应力场受到扰动;(3)断层滑动系数增高,断层出现无震蠕动.此外,结合地质构造与应力测量结果,对唐山地震发生过程中的一些异常现象,如无震蠕动、地下水位变化、浅层和外围地区的应力松弛,以及应力沿断层面向深层和闭锁区的转移等,进行了分析和讨论.      

唐山地震与全新世构造应力场

全新世构造应力场作用在唐山震区留下土层节理、沟槽网络系统、水系格局、地壳形变和地震破裂带等,成系列的自然现象痕迹.证明全新世以来,该区至少出现过NEE和NE向两次区域应力场的转向.唐山地震就发生在NEE向构造应力场作用的时候.      

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     

2020年7月12日唐山5.1级地震分析

对2020年7月12日唐山5.1级地震的发震特点、地震的性质、发震构造以及破裂机制进行初步分析,推测唐山断裂可能为其控震断裂。地震前唐山地区和震中所处的华北构造区的地震活动性异常以缺震和显著平静为主,表明该区域地壳应力积累到了一定程度。分析认为：此次唐山5.1级地震属于1976年7月28日唐山7.8级大震震区内的地震起伏活动;此次地震的序列本身并不丰富,震区烈度偏低、有感范围大。