动态应力触发研究进展

本文从库仑破裂应力与动态应力触发原理、观测事实与研究现状以及存在的问题与展望等3个方面介绍了动态应力触发的研究进展。其中,在主震对余震活动、强震对后续远场地震活动、不同破裂类型的地震之间及强震对火山(泥火山)的动态应力触发作用、一次大地震中子事件之间的动态应力触发关系以及动态应力触发的时间延迟等方面进行了详细讨论。分析认为,动态应力触发理论在解释震后余震分布、远程触发以及对火山触发性喷发等方面得到了较好的结果;动态应力触发可能会受断层破裂方式和方向的影响;大地震中子事件之间的动态应力触发关系对震源研究有重要意义;动态应力触发现象普遍存在时间延迟。     

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。     

地震应力触发研究

介绍地震应力触发基本理论．从地震静态和动态应力触发、粘弹性模型在地震应力触发中的应用、火山喷发或爆炸与地震触发及地震触发的其它解释等几个方面，综述近年来地震应力触发的研究进展，并对地震应力触发研究近期的发展进行展望．      

流体穿过固体岩石圈上升及其与地震的关系

地球不断地从极深处排出气体和液体——来自地幔和循环变质生成物中的岩浆挥发物。其中有些流体在火山活动过程中通过液态岩石上升,而另一些则利用裂隙和断层作为管道穿过固体岩石圈。这后一过程对地震可能有重要影响,因为处于接近岩石静压力的流体要激活深断裂,要不然这些深断裂本来是保持闭锁状态的。流体能受浮力作用穿过固体岩石圈上升,仅在足够集中以形成占有互相结合的断裂孔隙的大比例尺域时才有可能。一个增长着的流体域,只有当它达到了流体静压力不稳定性所需要的临界垂直尺度时才能变得这样活动。这个取决于岩石极限压缩屈服强度的尺度,可能长达几千米。任何上升的流体柱从丰富的深部源穿过固体岩石圈的裂隙时必然要被流体压力的间断面分割成一个垂直的分散的域序列。这是需要的,因为一个从任意深度的源向地表延伸的连续流体静压力剖面是有限的岩石强度所不允许的。一个垂直堆积的域序列允许内部的流体压力剖面以一种渐进的方式逼近外部岩石应力剖面。在最上层流体静力学域底部以下的压力间断面,可能是一些叫做异常地压发生的原因。一个从深部源向上渗透的上升液体流穿过一个一个的由许多域组成的柱时必然要在两个相继的域之间的过渡处迂到一系列突然的压力降。如果超临界气体起溶剂的作用,则溶质就会在这一压力间断面从溶液里脱出,形成矿物质及其它物质的局部集中。在极大的深度,高温和高压通常会阻止脆性破裂的发生。全部过剩应力由塑性流动来释放。高压流体能够支撑覆盖层并极大地减少了内摩擦,由此裂隙产生和活化了。因而不管怎样,岩层因上升流体域的侵入而弱化了。这一强度的减小,可能引起早先受应力作用的岩石弱化,从而产生水力剪切破裂。这样,地震就可能被深源流体的浮力迁移所触发。导至这样一次地震破裂的实际时间选择,可相应地由一个流体域的快速膨胀来决定,很可能不由慢得多的区域构造应变速率的显著增加决定。许多地震前兆现象可能是孔隙流体压力增加的次生征兆,某些同震现象也可能是由于当断层破裂到地面时高压流体排出而引起,这种流体域迁移的不稳定性还可能控制或引起泥火山、岩浆火山和金伯利矿筒的喷发。     

基于案例分析的库仑应力变化触发地震机理探索

在许多地震触发研究案例中,不少学者都利用大地震造成的库仑应力变化研讨其对后续地震的影响,但众多结果中存在的共同规律尚未得到很好的统计与归纳。基于库仑应力变化理论,通过统计多个地震序列与典型事件中库仑应力研究结果,分别从震级,触发距离,触发地震库仑应力变化(ΔCFS)以及触发时间4个方面进行分析。结果表明,静态库仑应力的最优影响范围在5～50 km间,触发地震的应力条件多在0.01～0.4 MPa,触发地震震级与距离和主震震级无明显对应关系;动态触发的作用范围在100～2500 km间,主震震级通常较高,触发地震的震级都小于主震震级,在几个典型远程触发的事件分析中,主震震级与可触发距离呈正相关,但触发次数与其他所分析因素均无关;震后应力转移的三种机制,从理论上合理地解释了长时间尺度延迟触发的现象,但精确计算应力转移的量值可能对库仑应力变化与触发地震之间关系的更合理解释有推动作用,需引起关注。     

逆冲和消减地震的应力触发及圣安德烈斯南部及其邻区逆冲和走滑断层的相互作用

指出逆冲地震的触发、抑制和丛集的主要特性可以用库仑破裂应力变化来解释。解释中我们采用了一套代表模型及详细实例。虽然地表破裂的逆冲断层使得大部分周围地壳的应力降低，但逆冲盲断层的滑动却使得某些附近区域，特别是震源断层上方的应力增加。这样逆冲盲断层可以触发浅部次生断层的滑动，并产生广泛分布的余震。短逆冲破裂对于触发大小相差不多的邻近逆冲断层特别有效。我们的计算结果表明，在加利福尼亚中部连续的逆冲序列中，1983年Mw6．7级科林加地震使得1983年Mw6．0级努涅斯地震和1985年Mw6．0级凯特尔曼山地震破裂与库仑破裂应力分别接近了10bar和1bar。理想化的应力变化计算与伴随大逆冲事件的地震活动性分布一致，这与前人的研究结果是一致的。俯冲带破裂的计算结果促使了俯冲前缘隆起发生正断层事件，并有利于地震破裂带周围及其下倾延伸区发生逆断层事件。这些特性在1957年Mw9．1级阿留申地震和其他大逆冲地震是明显的。我们进一步研究了能得到详细滑动模型的1960年Mw9．5和1995年Mw8．1级智利地震引起的破裂面上的应力变化。计算的库仑破裂应力增加为2-20bar，与余震地点和震后滑动密切相对应，而应力降低10bar的地区余震缺失。我们也提出主走滑系统的滑动调制了附近逆冲和走滑断层的应力。我们计算得到圣安德烈斯断层上1857年Mw7．9级蒂洪堡地震以及后续震间滑动使得科林加断层接近破裂约1bar，但抑制了全部海岸山岭的逆冲断层。1857年的地震也促使于1952年发生Mw7．3级科恩县地震的怀特沃尔夫逆冲断层接近破裂约10bar，但抑制了自1857年以来从来没有破裂的左旋加洛克断层上的滑动。于是我们有充分理由认为，应力转移在很宽的时间和空间尺度上对逆冲断层的地震活动性有控制作用。     

中国新疆北天山和台湾南部陆地泥火山研究进展

在系统介绍中国新疆北天山地区和台湾南部地区泥火山研究进展的基础上, 对其地质特征进行了对比分析。结果显示, 北天山和台湾南部地区的泥火山均沿着断裂带分布, 主要位于背斜轴部, 泥火山分布区地层多出露为含泥岩层。对两个地区泥火山喷出物物理特征进行了对比分析, 固体喷发物的矿物成分相似, 如石英、 蒙脱石等; 液体喷出物的泥浆温度与冒泡频率相近, 但最大气泡直径与气体流量有很大差别。又分别对两地区液体、 气体喷出物的化学特征进行了对比分析, 液体喷出物均盐度高; 甲烷是大多数泥火山喷发气体的主要成分, 一些泥火山喷发的气体主要是二氧化碳。区域构造地质和气候条件不同, 导致两地泥火山喷出物存在差异。从现有研究来看, 两地泥火山的喷发都是岩层的孔隙压力增大造成的。两个地区泥火山与当地地震活动之间表现出良好的对应关系。泥火山的地球化学参数可能是地震活动的潜在指标。     

固体潮应力对大地震前显著地震触发的两个例子

计算了1999年11月29日辽宁岫岩5.4级地震和2001年2月23日四川雅江6.0级地震前发生的几次显著地震破裂面上固体潮应力引起的库仑破裂应力变化ΔCFS。计算结果表明,这些ΔCFS均大于零,显示固体潮应力引起的库仑破裂应力变化有利于显著地震破裂。     

几次复杂地震中不同破裂事件之间的应力触发问题

很多地震都具有复杂的震源破裂过程,作为一个近似,可以用两次或两次以上子破裂事件来描述,子破裂事件之间的时间间隔从几秒到数十天．为探讨不同的子破裂事件之间的关系,计算了邢台地震、唐山地震、青海共和地震和云南丽江地震的第一次子破裂事件所产生的静态库仑破裂应力变化．与断层滑动有关的静态应力的计算采用Okada（1992）给出的公式．结果表明:上述地震中第一次子破裂事件所产生的静态库仑应力变化均对后续的子破裂事件有触发作用,即后续的子破裂事件落在第一次子破裂事件引起的库仑破裂应力增加的区域中．      

阿拉斯加迪纳利M=7．9级地震瞬时变形引起的地震成核

推断导致地震触发的永久和动态(瞬时)应力变化常比地震本身释放的应力数量级小，这意味着触发发生在应力处于临界状态的断层上(Hill et al，1993；Gomberg et al，2000；Huc and Main，2003；Belardinelli et al，2003)。所以，触发的地震活动速率增加可能出现在加载速率最高以及可能由高温流体引起孔隙压力升高，使孽擦力减小促使断层破裂的区域(Coccoand Rice，2002；Streitand Cox，2001；Sturtevant et，al，1996)。本文说明2002年阿拉斯加州迪纳利M=7．9级地震在整个不列颠哥伦比亚省和美国西部触发了广泛的地震活动速率增加。地震波引起的动态触发应该沿着辐射能集中的破裂方向增加，我们利用迪纳利主震的地震波和新的高精度GPS记录证实了这个结论。这些观测结果和1992年加利福尼亚州兰德斯M=7．4级地震(Hill et al，1993)引起的触发仅在震级上具有可比性，并说明兰德斯地震的触发没有反映该地区的特性和地震活动性。可是，由迪纳利地震触发的地震活动速率增加的地区构造活动并不明显，意味着即使在周围应力加载速率低的地区，断层可能仍然处于应力临界状态，动态的触发很可能是普遍存在和无法预测的。     

最新研究发现地震晃动导致火山喷发的机理

正2016年5月16日,日本广岛大学的研究人员通过模拟震后地面晃动与火山房中岩浆气泡的运动学关系,发现火山的内部形状、位置、大小和气泡数量均会影响震后火山的行为,导致一些地震可能在数周之内引起火山喷发,而一些地震可能需要几年时间。众所周知,如果剧烈的摇晃玻璃杯中的酒,酒会不断的碰壁,并从杯口溢出。这种晃动常发生于卡车或船舶运输液体时。因     

新疆北天山艾其沟泥火山强震前显著喷涌现象及其变化机理分析

泥火山形成于特定的水文地质及构造环境,其喷发活动是内部大量气体聚集引起异常高压的一种释放,可以将大量地下信息携带到地表,被称为"天赐钻井"。新疆乌苏艾其沟泥火山实时观测始于2011年8月,自观测以来,在其周围200m范围内,共发生了4次6级以上地震,分别是2011年11月1日新疆尼勒克M_S6.0、2012年6月30日新疆新源M_S6.6、2016年12月8日新疆呼图壁县M_S6.2及2017年8月9日精河M_S6.6地震。在4次地震前后,艾其沟泥火山喷发活动均出现了"背景值—上升—转折—下降—背景值"的宏观异常变化现象,地震则发生在泥火山喷发活动由强到弱的过程中,尤其是在2017年精河M_S6.6地震时,乌苏艾其沟泥火山的喷发活动异常变化现象为新疆地震局做出震情形势判定提供了一部分依据,具有一定的减灾实效。     

地震断层带流体作用的岩石物理和地球化学响应研究综述

断层活动导致断裂带裂隙广泛发育,成为地壳中流体运移与聚集的有利通道和场所.流体在地震过程中具有重要作用.流体与地震破裂带内的岩石相互作用导致其具有与其他完整岩石不同的性质,包括矿物-化学组成、粒度分布及传输性质(渗透率、孔隙度)等.这些特性可以视为流体与地震断层带岩石相互作用的响应.一方面,较高的孔隙流体压力导致断层的有效正应力降低.另一方面,流体会与断层岩发生一系列水-岩反应导致矿物蚀变、分解,生成大量摩擦系数较低的粘土矿物,同时一些不稳定元素可能会随流体发生迁移,导致大量物质流失.在地震周期过程中,伴随着流体运移,断层带的物理性质(渗透性、流体压力等)也随之发生变化.同震快速摩擦生热会导致流体产生热压作用,促进同震滑动.另外,同震破裂导致断层带的渗透性快速上升,较高的流体压力会很快释放.在间震期过程中流体会使破裂趋向于缓慢变形,矿物溶解-沉淀、重结晶及压溶等作用胶结并愈合裂隙,断层强度恢复的同时断层带渗透性逐渐降低,孔隙压力又逐渐积累.研究流体的这些物理化学行为对理解地震成核、同震滑动及震后断层愈合等过程有重要意义.本文介绍了有关流体对断层带物理化学性质的改造及流体的动力学意义等方面的研究进展,总结了流体在地震周期过程中所产生的一系列岩石物理化学效应及其对地震过程的影响.     

2014年四川康定MS6.3和MS5.8地震的应力触发研究

以2014年四川康定M_S6.3和M_S5.8地震为研究对象,计算了2次主震在近场和周围断层造成的库仑破裂应力变化,研究主震与余震的触发关系,以及2次主震对周围断层施加的应力负荷作用。结果表明:2次主震的共同作用控制了后续地震活动的演化趋势,其中康定M_S6.3地震产生的库仑破裂应力变化对后续余震事件的触发占主导作用。鲜水河断裂带南段和安宁河断裂带受到了一定的应力加载作用,未来地震活动的趋势可能会加强。     

唐山地震由应力减小引起的可能性

唐山地震城源周围的水压致裂资料的分析表明,震前最大水平应力和最小水平应力均处于减小的过程中。过去认为观测到的应力减小过程反映了地壳更深部位的应力增加,从而导致地震的发生。近年来进行的岩石力学实验表明,减小最小主应力或中等主应力均有可能导致岩石破裂。由此引入了应力减小引起地震的概念。根据这一概念重新分析了唐山地震的成因。既然震前已观测到应力的减小过程,则唐山地震就有可能是由应力减小引起的。     

溧阳、邢台、菏泽、南黄海地震的相互关系

1977——1984年,华北南部连续发生了溧阳、邢台、菏泽、南黄海四次六级左右地震。分析表明: 1)这些地震均位于华北块体南边界构造网络的节点上; 2)唐山大震的发生引起块体南边界断裂带的活动加剧,并伴随应力重新分布,导致上述地段应力加强和周围广大区域应力下降,形成了有利于这些地震孕育的应力场背景; 3)当网络上某一个薄弱点发生破裂后,会引起应力再分布,从而影响着下一次地震的发生,这种快速的应力调整过程,对于中强地震的能量积累和它们的成组发生起了重要作用。研究地震现象在时空上的相互作用过程,对于地震的中短期预报具有重要意义。      

动态应力触发的余震

通常认为断层永久位移产生的小“静态”应力变化可以改变附近断层上发生地震的可能性或者说可触发地震(Harris，1998)。许多近场的触发地震，特别是触发余震的研究(Dieterich，1994；Toda，et al，1998；King，et al，1994)，将这种静态变化视为触发因素，并认为它与断层上负载的变化是等价的(Toda，et al，1998；King，et al，1994；Jaume and sykes，1992；Harris and Simpson，1992)。这里我们报道矩震级Mw=7.3的兰德斯地震的余震图象与应力变化的比较，不仅与静态应力做对比，而且与地震波传递的瞬态、振荡应力变化(即，“动态”应力)做对比。动态应力不会永久地改变加载情况，仅能通过改变断层区的力学状态或性质来触发地震。这些被动态弱化的断层在地震波通过后可能破裂，甚至能导致如果没有动态应力就不会发生的地震。我们发现余震和动态应力图象都具有类似的不对称性，动态应力来自于破裂的传播，而静态应力变化没有这种不对称性。先前的研究表明，动态应力在远距离处可促使破裂(Anderson，et al，1994；Gomberg and Bodin，1994；Gomberg，1996；Gomberg and Davis，1996；Hill，et al，1993，1995)，然而本文表明在近处也是如此。     

1999年台湾集集地震转移的静态应力：由三维断层滑动模型得出的对周围断层系稳定性和余震触发的影响

研究了1999年ML7．3级集集地震引起的静态应力变化对台湾周围断层系的影响。我们从两个角度对这个问题进行了研究。首先，我们通过比较主震前后震源机制节面上的库伦破裂应力变化的分布对静态应力触发假说进行了统计检验。由于前震显然没有受到主震的影响，这些分布的差异决定了静态应力触发的显著性程度。然后，我们计算了触口断层和梅山断层特定滑动方向的库伦破裂应力变化，从而估计集集地震后这两个活断层的稳定性。静态应力变化是通过将弹性半空间中的位错理论应用到由集集地震的地表位移导出的三维破裂模型得到的。结果表明，集集地震前后库伦破裂应力变化的分布显著不同，但与静态应力触发假说一致。我们还发现，触口和梅山断层都在浅于10km的深度处于应力影区中。然而，由于大量的余震发生在这些应力影区中，其他的机制，如动态应力，可能是引起这些事件的原因。     

华北地区700年来地壳应力场演化与地震的关系研究

目前地震断层相互作用问题已引起地震学家的广泛关注。许多研究表明一条断层的破裂可以影响附近其他断层趋于破裂的进程，两条断层间的确切作用取决于它们的相对位置、破裂机制、错动量和介质力学性质。本研究给出了华北地区700年来由于长期构造加载及地震断层错动导致的累积库仑破裂应力变化(ACCFS)的演化过程。长期构造加载场由GPS观测得到的地壳平均应变率场给出。关于历史地震断层破裂参数的估算，根据的是华北地区有现代仪器记录的大震资料归算地震烈度与断层破裂长度、震级和地震矩的统计关系；根据地质调查得到的地震断层走向、倾角以及本地区的构造应力场方向估计滑动角。考虑粘弹性成层介质地壳模型，计算长期构造加载和地震形变(同震及震后介质粘弹性驰豫变形)造成的累积应力场变化。将累积应力场变化投影到后续地震断层面和滑动方向上得到△CCFS，并研究其对后续地震发生的触发作用。对1303年以来华北地区发生的49个M≥6．5地震研究结果表明：ACCFS对48个后续地震中的38个有触发作用，触发率达到79．2％。应用当今累积应力场变化于华北地区1303年-2003年发生的M≥5地震，我们发现触发率达到75．5％，于1976年以来发生的M≥5地震触发率达82．1％。未被触发的地震中有些是发生在断层破裂区附近的余震，很可能是由于历史地震破裂参量估计的误差落入影区中，若排除这些影响，触发率会更高。研究表明ACCFS与发生的后续地震有很好的相关性。当前ACCFS显著上升的地区包括渤海及其邻域地区、西秦岭北缘断裂带、张家口-渤海地震带西端和太原盆地，其地震危险性应引起重视。     

2005年8月瑞士阿尔卑斯山脉中部暴雨触发的局部地震活动

2005年8月,瑞士中部在12小时时段内出现了包含47次事件的异常地震序列。这些地震出现在降雨量超过300mm的持续3天暴雨结束的时候,最强的地震活动分别丛集在瑞士穆奥塔塔尔和里曼斯塔登地区,它们都是降雨量特别大的著名喀斯特地貌地区。与背景活动相比明显增加的地震活动,以及在突降暴雨与地震活动之间的短时延迟,有力地证明了地震是由降雨所触发。在我们的模型中,由大量降雨引起的地表流体压力的增加,导致深处局部孔隙压的增加。孔隙流体压力的增加会通过抵消正应力来减少渗水介质的剪应力,最终引发地震。瑞士中部的触发地震序列出现在以往地震活跃的地区,显示了相似的震中位置和震级。这表明这些地震发生在处于临界应力状态的已有断层上。我们将降雨模拟为地表流体压力逐步递增,且向深部传播满足均匀无限半空间一维扩散的过程。这使得我们可以依据触发地震震源深度的时间变化估计水压扩散率。结果表明,研究区域的水压扩散率数值在0．01～0．5m^2S^-1范围内。这些数值很好地吻合了前人流体触发地震的研究结果,并支持已观测到的地震序列由大量降雨所触发这一认识。