岩石高速摩擦实验与地震物理过程

简述了最近20年来国内外岩石高速摩擦实验研究领域的进展和动态:岩石高速摩擦实验技术的发展实现了对高滑动速率、大位移的地震过程的实验模拟;其结果揭示了岩石和断层泥在地震滑动速率下的力学性状,深化了对断层滑动弱化机制、临界滑动距离、以及地震发生过程的认识和理解;实验在假玄武玻璃成因方面取得了重要进展,并提出了断层发生地震滑动可能留下的其它地质证据,可望为研究断层滑动性状与地震物理过程提供新的思路和信息.岩石高速摩擦实验今后的发展方向主要包括:发展具有加温系统和孔隙压系统的岩石高速摩擦实验装置,研究水热作用下岩石和断层泥的高速摩擦性状;室内实验和地震资料分析相结合研究断层滑动和地震机制;室内实验和野外地质调查相结合探索断层发生地震错动的地质证据等等.     

龙门山断裂带金河磷矿剖面断层泥的低速至高速摩擦性质研究

本文对龙门山断裂带金河磷矿浅钻岩芯中的三种断层泥开展了低速到高速摩擦滑动的实验研究,并对实验变形样品开展了BET比表面积研究.摩擦实验在干燥和孔隙水压条件下开展,速率范围涵盖20 μm·s^-1~1.4 m·s^-1.实验结果显示,三种断层泥在干燥条件下的摩擦性质差别不大,但在孔隙水压条件下,三者的中低速摩擦强度与层状硅酸盐矿物的种类而非总含量紧密相关,蒙脱石和伊利石相比绿泥石更能有效地弱化断层.三种断层泥在孔隙水压条件下存在中低速率域的速度强化,暗示着对断层的加速滑动存在一定的阻碍作用.孔隙水压下,黄绿色和灰绿色断层泥的初始动态弱化非常迅速并伴随断层泥层的瞬时扩容,凹凸体急剧加热导致的局部热压作用可能是造成这种力学行为的物理机制.在经历高速滑动之后,三种断层泥在干、湿条件下的BET比表面积都显著降低,暗示着可能发生了颗粒烧结.中低速域内,孔隙水的存在使得断层泥呈现分散式的剪切变形,BET比表面积的增加因此比干燥条件下更加明显.对表面能的估算表明,颗粒磨碎所消耗的能量至多不超过摩擦力做功的8%,暗示着断层作用中颗粒磨碎所占的能量比例较低.

     

断裂两盘岩性差异对汶川地震的影响

岩性差异导致层间变形差异是常见的构造变形现象.龙门山断裂带中段北川—映秀断裂虹口至清平段,断裂上盘为坚硬的前震旦系褶皱基底,下盘则为软弱的前陆盆地沉积物,两者之间具有较大的岩性差异.本文利用基于R-minimum的有限元算法对在一个地震复发间隔内的断层活动进行非线性摩擦接触模拟.计算结果显示,上下盘泊松比的差异则对断层破裂时间及快体变形影响不大,但不同的泊松比条件下断层的破裂过程略有不同,而上下盘杨氏模量的差异能够延迟断层的破裂时间,延长破裂过程,扩大地震复发间隔,且扩大了下盘深度10 km以上和10 km以下地层变形的差异.双断坡构造能够通过深部的应力分解来削弱断层下盘深度10 km以上的变形,但是在上下盘岩性一致的情况下,双断坡构造推迟了主断层的滑动时间,延长了破裂过程,而在强硬上盘和软弱下盘共存的条件下,发育于软弱下盘的次级破裂并不能对主断层的破裂时间和破裂过程造成较大影响.北川—映秀断裂上盘强硬的彭灌杂岩和下盘软弱的含碳沉积地层对汶川地震双断坡式破裂的生成具有重要的促进作用.     

龙门山断裂带断层泥中速-高速摩擦性质的实验研究

为了认识龙门山断裂带在汶川地震中的同震滑动力学性质,我们对龙门山断裂带地表断层带露头上的断层泥及少量WFSD-1断层泥开展了中速-高速摩擦实验研究。主要关注的问题包括：龙门山断裂带高速摩擦性质及其不均匀性、震后断层强度恢复问题、高速滑动可能的主导弱化机制问题和宽速度域内摩擦滑动速度依赖性问题。     

汶川8.0级地震前龙门山地区小震活动与固体潮的关系

通过对汶川8.0级地震前,龙门山地区小震活动与月球上中天、下中天时刻对应关系的讨论,得到龙门山小震活动与月球引潮力的低潮对应关系不明显.另外,对龙门山小震与固体潮理论曲线对应的讨论,得到每组小震的头震在接近固体潮曲线的谷底发生,即地震的发生与固体潮的低潮有关.在临近大震前,地震多发生在固体潮曲线的上升部位,即引潮力增长...     

断层同震滑动的实验模拟——岩石高速摩擦实验的意义、方法与研究进展

岩石摩擦实验是断层力学和震源物理实验研究中主要的手段之一.传统低速率的岩石摩擦实验与以之为基础建立的速率状态变量摩擦本构关系理论体系,对于认识断层摩擦滑动稳定性和地震成核等地震成因机制问题具有重要意义.近20年来,断层力学领域兴起了用于模拟断层同震动态滑动的岩石高速摩擦实验.这种新的实验模拟方法揭示出断层同震滑动存在明显的摩擦生热效应,断层的力学性状主要表现为显著的滑移弱化和速度弱化,断层带物质在断层高速滑移过程中经历了各种复杂的物理化学变化.这些研究成果对于认识和评估断层同震弱化机制、断层带强度、地震能量分配、断层破裂模式、断层愈合等问题均具有重要启示.本文对岩石高速摩擦实验的意义、方法与研究进展进行了总结,提出了目前的前沿性问题和值得开展的工作.     

地震活动时空演化中看到的龙门山断裂带地震孕育的几个现象

龙门山断裂带在先后5年中发生了2008年汶川M S8强震和2013芦山M S7强震。研究龙门山断裂的地震活动特点,分析地震发展形势成为人们关注的焦点。文中从龙门山断裂带40多年的地震时空演化出发探讨了汶川地震孕育过程中的几个现象:1)孕震范围远小于发震范围,说明在有限断层段上孕育的地震在快速失稳过程中可以连接和扩展成规模很大的失稳断层;2)汶川地震前孕震区小震密集,持续了8年以上,而无明显错动和变形,意味着汶川断层段可能经历了强烈的碎裂方式的挤压应变,在碎裂达到一定程度后失稳;3)为进一步了解震前主震区附近的变化,研究了紫坪铺水库专用台网记录的2004年以来主震附近区域的小震活动的时空过程。结果显示,震前主震附近区域的地震活动曾在2005年10月和2006年10月发生过2次沿断层走向的扩展,扩展时间恰巧与紫坪铺水库2次高水位相呼应。其中,2006年10月地震活动的扩展范围大,震级高。这对说明汶川地震最后的失稳过程十分重要。此外,文中还讨论了汶川地震的发生过程与断层几何相关以及芦山地震没有直接发生在汶川地震后,而是发生在多年后的可能原因。研究结果有助于认识逆断层型强震孕育过程。     

汶川地震断裂带滑移行为、物理性质及其大地震活动性——来自汶川地震断裂带科学钻探的证据

断裂带物质组成、结构及其物理性质是理解断裂变形机制和地震破裂过程的基础和关键,断裂带地震（黏滑）和非地震（蠕滑）滑移行为不仅对了解地震活动性和山脉隆升过程具有重要意义,而且直接为防震减灾提供科学依据.我们以穿过龙门山映秀—北川和灌县—安县断裂带的汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）岩心和地表出露的断裂带为研究对象,通过对断裂岩组成、结构、显微构造和钻孔物性测井数据进行分析研究,确定了龙门山逆冲断裂带滑移行为和物性特征,初步探讨了大地震活动性和有关断裂带的隆升作用：（1）映秀—北川断裂带倾向NW,浅部倾角~65°,发育的断裂岩厚约180~280 m,由碎裂岩、假玄武玻璃（地震化石）、断层泥和断层角砾岩组成.断裂带具有高自然伽马、高磁化率值、低电阻率、低波速等物理性质以及对称型破碎结构.断层泥普遍具有摩擦热效应的高磁化率值和石墨化作用特征,是古地震滑动的岩石记录.表明映秀—北川断裂带为经常发生大地震的断裂带,晚新生代以来类似汶川地震的大地震复发周期小于6000—10000年,具有千年复发周期特征.（2）灌县—安县断裂带倾向NW,浅部倾角~38°,发育的断裂岩厚约40~50 m,仅由断层泥和断层角砾岩组成,具有典型的"压溶"结构,表现出蠕滑性质.除压溶作用外,定向富集的层状黏土矿物和微孔隙的发育使断层强度变弱.断裂带具上盘破碎的非对称型破碎结构,除具低磁化率值特征外,其他物性与映秀—北川断裂带一致.（3）根据断裂岩厚度与断层滑移量相关经验公式关系,以及断层产状,粗略估算映秀—北川断裂带自中生代以来累积垂直位移量大于9 km,灌县—安县断裂带累积垂直位移量小于3 km.映秀—北川断裂带长期大地震产生的累积垂直位移量是龙门山隆升的主要贡献.     

汶川M_s 8.0地震大震复发周期的研究进展

汶川Ms8.0地震发生在青藏高原东缘NE向龙门山断裂带上,造成以映秀、北川为中心的长达300km的同震地表破裂带.初步研究认为,龙门山断裂带大震复发属于特征地震模式.本文在考虑地形差异影响下,用有限元数值模拟方法对汶川地震的大震复发周期进行研究.初步结果表明:龙门山断裂带大震复发周期为3908～4482a,该结果与古地震、断层滑动法、地震矩率、GPS数据确定等给出的结果具有较好的一致性,为龙门山断裂带的地震活动性及地震危险性研究提供重要的定量依据.     

利用断裂带上的低b值识别凹凸体方法的探讨——以龙门山断裂带和鲜水河断裂带为例

本文对龙门山断裂带和鲜水河断裂带上1970年以来记录的小震数据进行了收集、整理和分析,采用基于Matlab平台的Zmap软件,去除了断裂带上的丛集数据和余震,划定了有效地震数据的时间和震级范围,通过最大似然法求取了断裂带所在区域的b值分布图。基于b值大小与应力高低成反比的原理,通过断裂带上低b值区识别凹凸体的位置。就龙门山断裂带,通过低b值区识别出的凹凸体的位置与汶川地震发生的起始破裂位置和极震区的位置基本保持一致;而鲜水河断裂带由于受到小震数据的限制,部分段缺失b值分布,但整条断裂带仍可清晰识别出凹凸体位置,且1725年以来的历史强震和1970年以来5级以上的历史地震基本上都位于此区域。断裂带的实例分析结果证明,利用小震数据通过最大似然法计算b值分布图,其相对低b值区与历年强震发生的位置存在较大的相关性,为验证利用低b值区识别凹凸体方法的可行性和实用性提供了有力的证据。     

从两个地表破裂点的几何学与运动学特征分析汶川地震的破裂方式

汶川MS8.0地震的地表破裂出现在中央和前山2条断裂上,分别形成了235km和72km长的地震地表破裂带,而且地表破裂表现出复杂的几何学和运动学特征。文中选取了中央断裂上虹口乡桐麻坎和擂鼓镇石岩村2个地表破裂点,通过几何学与运动学特征分析其地表破裂方式。桐麻坎的白沙河河床上4条右阶斜列的主破裂西南侧发育了一条反冲断层坎,精细地形测量反映出了破裂带内的断块特征与破裂过程中的地表掀斜;擂鼓镇石岩村逆冲破裂前缘的2条次级断层形成叠瓦式结构,地貌上表现为挠曲和其上部的地震鼓包。该两点地表破裂的几何学、运动学特征分析表明,本次地震在龙门山中央断裂上的破裂方式以逆冲为主,兼有右旋走滑。这一结果与美国地质调查局、哈佛大学和中国地震台网中心提供的震源机制解基本一致。此外,桐麻坎和石岩村横切破裂带的地形剖面显示出不同的地表掀斜方向,这种不一致主要由于前者位于断裂挠曲后缘,后者位于断裂挠曲前缘     

汶川8．0级地震后龙门山断裂地震波速异常的讨论

通过对2008年四川省汶川8．0级特大地震时天水台记录到的地震波形进行分析,结果发现：龙门山断裂带在汶川特大地震后,天水台记录到的余震出现了3—4秒的地震波速异常,认为与此次特大地震后龙门山断裂带的破碎有关。     

THE VITRINITE REFLECTANCE OF FAULT ROCKS FROM THE WENCHUAN EARTHQUAKE FAULT ZONE: CONSTRAINTS ON FRICTIONAL PROPERTIES OF THE FAULT DURING THE EARTHQUAKE

The temperature rise caused by frictional heating during seismic slip is able to indicate dynamic frictional properties of the seismic fault,which provides an approach to understand the dynamic process and energy budget of an earthquake.The residual indicators of frictional heating within the fault zone also can be taken as an evidence for seismic events.The vitrinite reflectance is a commonly-used geothermometer in the coal,oil and gas industries.It also has some potential applications in the studies of fault rock and fault mechanics.We studied vitrinite reflectance (VR) of fault rocks collected from surface outcrops of the Wenchuan earthquake fault zone in this paper.The measured data reveal that the VR of fault rocks are affected by fault motion,and there is a trend that the VR increases towards the fault core,which indicates the effects of frictional heating.The VR of fault rocks from the Bajiaomiao outcrop is much higher than those from the Shenxigou outcrop,which probably suggests the difference in fault activity at the two outcrops.Our study also suggests that systematic measurement of VR across the fault zone is helpful in identifying slip zones and determining their widths.From the VR measurement on an oriented specimen containing the slip surface of the Wenchuan earthquake from the Shenxigou outcrop,we observed anomalous high VR values in two black-colored slip zones of about 2mm in width near the slip surface.The numerical calculation shows that the maximum temperature rise on the fault plane near Shenxigou was probably less than 162℃ during the Wenchuan earthquake,which means the dynamic fault strength was quite low.These estimations are roughly in accord with the results from the high-velocity frictional experiments.     

汶川8.0级地震陡坎(北川以北段)探槽的记录特征

汶川8.0级地震在龙门山中央断裂(北川-映秀断裂)上形成了长度约240km的地震地表破裂带,同时在前山断裂(灌县-江油断裂)上形成了长约72km的地震地表破裂带。我们在中央断裂北段(北川以北)的地震陡坎上开挖探槽,揭露了本次地震的构造变形特征,同时通过对探槽内所揭露地层的相互关系的讨论,以及邻近区域内地貌面的对比,认为该段断裂在本次汶川8.0级地震之前可能还存在一次震级相当的地震事件,其发生时间至少早于该区域内T1阶地形成的最新年龄3000 a     

汶川8.0级地震发震断层的累积地震位错研究

2008年5月12日,四川省汶川县内发生MS8.0地震。此次地震沿龙门山中央断裂产生1条长达200km的同震地表破裂带。文中选择位于地震地表破裂带北段的南坝镇、凤凰村以及南段的映秀镇这3个地点,以被断层错断的河流阶地为研究对象,对多级阶地面上的地震地表破裂及断层陡坎地貌进行了野外实测工作。经过测量数据的计算和分析,得到了各级阶地上断层陡坎的高度,该值即为该阶地记录的地震断层的累积垂直位错量。若以本次地震的垂直位错量作为古地震位错量的均值,则可计算得到每级阶地累积的地震次数。研究结果表明,各点T1阶地形成以来仅经历过1次事件,即本次地震事件;T2阶地形成以来约经历了5次事件;T3阶地形成以来约经历了9～11次事件;T4阶地形成以来约经历了20次事件。在本文研究的基础上,结合前人的阶地测年数据,则可获得古地震复发间隔的可靠数据     

汶川M_S8.0地震地表破裂带及其发震构造

震后应急野外考察表明,2008年5月12日汶川MS8.0地震在青藏高原东缘龙门山推覆构造带上同时使北川-映秀断裂和灌县-江油断裂两条倾向NW的叠瓦状逆断层发生地表破裂。其中,沿北川-映秀断裂展布的地表破裂带长约240km,以兼有右旋走滑分量的逆断层型破裂为主,最大垂直位移6.2m,最大右旋走滑位移4.9m;沿灌县-江油断裂连续展布的地表破裂带长约72km,最长可达90km,为典型的纯逆断层型地表破裂,最大垂直位移3.5m;另外,在上述两条地表破裂带西部还发育着1条NW向带有逆冲垂直分量、左旋走滑性质的小鱼洞地表破裂带,长约6km。这一地表破裂样式是近期发生的特大地震中结构最复杂的一次逆断层型地表破裂,地表破裂的长度也最长。利用已有的石油地震剖面,结合余震分布和地表破裂带特征等资料构建的三维发震构造模型表明,龙门山推覆构造带现今和第四纪时期以地壳缩短为主,斜滑逆冲型地震表明青藏高原中东部的水平运动在华南地块与巴颜喀拉地块之间的龙门山推覆构造带上转化为地壳的缩短和隆升     

Internal structures and high-velocity frictional properties of Longmenshan fault zone at Shenxigou activated during the 2008 Wenchuan earthquake

This paper reports internal structures of a wide fault zone at Shenxigou, Dujiangyan, Sichuan province, China, and high-velocity frictional properties of the fault gouge collected near the coseismic slip zone during the 2008 Wenchuan earthquake. Vertical offset and horizontal displacement at the trench site were 2.8 m (NW side up) and 4.8 m (right-lateral), respectively. The fault zone formed in Triassic sandstone, siltstone, and shale about 500 m away from the Yingxiu-Beichuan fault, a major fault in the Longmenshan fault system. A trench survey across the coseismic fault, and observations of outcrops and drill cores down to a depth of 57 m revealed that the fault zone consists of fault gouge and fault breccia of about 0.5 and 250–300 m in widths, respectively, and that the fault strikes N62°E and dips 68° to NW. Quaternary conglomerates were recovered beneath the fault in the drilling, so that the fault moved at least 55 m along the coseismic slip zone, experiencing about 18 events of similar sizes. The fault core is composed of grayish gouge (GG) and blackish gouge (BG) with very complex slip-zone structures. BG contains low-crystalline graphite of about 30 %. High-velocity friction experiments were conducted at normal stresses of 0.6–2.1 MPa and slip rates of 0.1–2.1 m/s. Both GG and BG exhibit dramatic slip weakening at constant high slip rates that can be described as an exponential decay from peak friction coefficient μ _p to steady-state friction coefficient μ _ss over a slip-weakening distance D _c. Deformation of GG and BG is characterized by overlapped slip-zone structures and development of sharp slickenside surfaces, respectively. Comparison of our data with those reported for other outcrops indicates that the high-velocity frictional properties of the Longmenshan fault zones are quite uniform and the high-velocity weakening must have promoted dynamic rupture propagation during the Wenchuan earthquake.     

从震源模式讨论2008年汶川8级地震的回顾性预测

大地震的成因与预测是很复杂的,很难用一个模式把它们全面概括起来,所以文中用4个模式来描述。这4个模式分别是叠加模式、组合模式、立交模式和调制模式。它们在震源孕育和发震过程中各有各的功能。叠加模式是讨论孕震力源问题的,组合模式是讨论震源结构问题的,立交模式是讨论孕震断层面上的凹凸齿合是如何形成的问题的,调制模式是讨论临发震前震源处的不稳定与外因的关系问题的。文中用以上4个模式讨论2008年汶川8级地震的回顾性预测