基于库仑应力改变和地震活动性研究巴颜喀拉块体周缘强震序列的触发关系及其构造意义

自本世纪以来,青藏高原巴颜喀拉块体周缘密集地发生了7次M_W≥6.5强震事件,包括伤亡惨重的2008年汶川M_W7.9地震和2017年九寨沟M_W6.5地震。本文根据这7次强震事件中先前地震对后续地震的库仑应力改变（dCFS）的计算结果,结合基于ETAS模型得到的背景地震活动性的变化结果,研究了强震间的触发关系,以试图解释发生在环巴颜喀拉块体的几次强震的发震机理并探讨其构造意义。结果表明,各个强震的库仑应力变化与其造成的背景地震活动性变化呈正相关,并且在这7次强震中,汶川地震对芦山地震有显著的触发作用,并造成芦山地区背景地震活动性的显著提高。同时汶川地震对九寨沟地震的发生具有一定的延迟作用,造成九寨沟地区背景地震活动性降低。除此之外,其它地震之间均无明显的触发/延迟作用或显著的背景地震活动性变化。这表明该强震序列的孕震机制主要是巴颜喀拉块体东南向持续挤压的构造运动,推断巴颜喀拉块体目前仍处于构造运动活跃期,因此包括巴颜喀拉块体周缘在内的我国西南地区未来的强震危险性值得持续关注。      

巴颜喀拉块体强震动力学过程数值模拟

以青藏高原为目标采用弹性体本构关系, 模拟印度板块持续向北推进、 挤压对巴颜喀拉块体及邻区的影响. 通过降低强震发生位置处单元弹性模量的方法, 模拟1900年以来发生在巴颜喀拉块体及周缘M_S≥7.0强震, 计算序列中前面地震对后续强震的影响. 模拟结果表明: ① 巴颜喀拉块体背景场应力水平大致与块体西部等效应力同等大小, 自西向东逐渐递减, 巴颜喀拉块体西部和中部等效应力从南向北逐渐递减, 东部地区等效应力比较低; ② 模拟的14次地震序列中, 有8次发生在前面强震所引起的等效应力增大的区域内, 2次发生在等效应力增大和减小的过渡区域内, 3次发生在等效应力减小的区域内; ③ 从强震序列所引起的应力相互作用看, 历史地震对1970年以来发生的地震影响结果为: 历史地震加速了1973年亦基台错、 1997年玛尼和2001年昆仑山口西地震的发生, 昆仑山口西地震对汶川地震的影响较小, 汶川地震对玉树地震的发生不具有加速触发作用.      

巴颜喀拉块体东南缘应力演化及鲁甸地震自发破裂模拟研究

巴颜喀拉块体活动导致的昆仑—汶川地震系列,是目前中国大陆唯一一组7级以上地震序列,未来几年该块体仍是发生7级地震的主体地区。巴颜喀拉块体东缘从走滑运动向逆冲运动转换的构造动力学性质使得活动块体两个相邻边界带存在大地震序列的关联性。研究表明近期逐渐加速的块体东边界强震序列是北边界强震活动的响应,巴颜喀拉块体南边界的鲜水河断裂带同样以左旋走滑的方式向东边界挤压,但巴颜喀拉块体东南缘地震呈现以下两个特点,一是强震大都发生在巴颜喀拉块体东边界断裂带,东边界强震序列呈现加速状态;二是南边界鲜水河断裂带在1973年炉霍7.6级地震后,已有40多年没有发生7级以上地震,鲜有6.5级以上强震,在此次地震序列中表现出一种大震缺失的状态。因此,巴颜喀拉块体东南缘主要断裂带的地震危险性值得关注和研究。同震库仑破裂应力及震后粘弹性松弛在解释余震序列分布,分析强震序列相互作用关系及未来地震危险性分析等方面发挥了重要的作用。比如汶川地震之后,一些研究者利用弹性位错模型计算了汶川地震的同震库仑破裂应力变化,并对龙门山区域未来的地震危险性进行了估计。一些研究者分别计算了汶川地震和芦山地震后周边断层的同震库仑应力变化,以及汶川地震和芦山地震引起的同震和震后粘弹性松弛应力场变化,得到了汶川地震可能有效地促进了芦山地震的发生的结论。在应力演化过程中,震间构造应力加载对强震危险性的作用也非常重要,目前比较流行的计算这部分应力积累的做法是采用"负位错"的理论进行计算,这一方法虽然简洁,但假设了断层是完全闭锁的,可能会造成一定误差。本文拟以巴颜喀拉块体区域构造活动作为三维有限元模型的边界约束,综合研究区域介质速度、密度结构最新反演结果计算介质的弹性材料参数,从初始应力场出发模拟在构造应力和重力作用下的现今背景应力场,计算强震序列引起的区域内断裂带震前、震间、震后的应力演化,获得更为准确可靠的应力场结果。利用速率-状态关系计算库仑应力变化对研究区域背景地震发生率的影响,利用泊松概率过程计算研究区域在汶川地震和芦山地震震后未来10年6级以上强震的发震概率及研究区域主要断裂带的6级以上强震发震概率。除以上述准动力学的方法研究巴颜喀拉块体东南缘应力演化及地震危险性,本文还以鲁甸地震为例,研究鲁甸地震从成核区开始破裂,然后扩展直至终止的自发破裂动力学过程,探索影响地震自发破裂位错的主要因素。研究内容:(1)建立巴颜喀拉块体东南缘三维粘弹性有限元模型。(2)模拟巴颜喀拉块体东南缘主要断裂带上1900年以来7级以上强震序列的应力演化过程,并对强震序列对芦山地震的触发作用进行了研究,对比库仑应力场及等效应力场演化结果与背景地震活动的关系。(3)应用速率-状态关系研究库仑破裂应力对汶川地震、芦山地震震后研究区域的地震发生率的影响,应用泊松过程给出研究区域主要断层未来的强震发生概率。(4)应用可以描述断层摩擦机制的FAULTS有限元软件对芦山地震断层错动方式,初始破裂点进行了模拟,研究了汶川地震后,断层强度的变化对芦山地震的影响。(5)应用曲线有限差分方法建立鲁甸地震非平面断层自发破裂模型,模拟鲁甸地震在包谷垴—小河断裂上的自发破裂过程,分析影响鲁甸地震自发破裂过程的主要因素。本文的创新点:(1)以三维速度、密度反演结果建立能反映更真实地下介质的三维粘弹性有限元模型;(2)从初始应力场出发,进行数十万年的应力场演化模拟直至获得与现今构造应力场更为吻合的背景应力场用于地震序列模拟;(3)采用泊松概率模型计算地震发生概率时直接基于三维粘弹性有限元模型得到的库仑应力结果,充分考虑了同震、震间和震后效应的影响。同时,在考虑背景地震发生率时采用了更全面完整的地震目录,这可能使得对未来地震危险性的估计更准;(4)对鲁甸地震自发破裂过程进行了动力学模拟,将震间应力积累过程与同震地震破裂过程的模拟结合起来。     

巴颜喀拉块体强震动力学过程数值模拟

以青藏高原为目标采用弹性体本构关系,模拟印度板块持续向北推进、挤压对巴颜喀拉块体及邻区的影响.通过降低强震发生位置处单元弹性模量的方法,模拟1900年以来发生在巴颜喀拉块体及周缘Ms≥7.0强震,计算序列中前面地震对后续强震的影响.模拟结果表明:①巴颜喀拉块体背景场应力水平大致与块体西部等效应力同等大小,自西向东逐渐递减,巴颜喀拉块体西部和中部等效应力从南向北逐渐递减,东部地区等效应力比较低;②模拟的14次地震序列中,有8次发生在前面强震所引起的等效应力增大的区域内,2次发生在等效应力增大和减小的过渡区域内,3次发生在等效应力减小的区域内;③从强震序列所引起的应力相互作用看,历史地震对1970年以来发生的地震影响结果为:历史地震加速了1973年亦基台错、1997年玛尼和2001年昆仑山口西地震的发生,昆仑山口西地震对汶川地震的影响较小,汶川地震对玉树地震的发生不具有加速触发作用.     

巴颜喀拉块体周缘几次强震对甘肃地区地震形势的影响

以青藏高原为目标,采用黏弹性体本构关系建立3D有限元模型,模拟了在印度板块持续向北推进、挤压下,巴颜喀拉块体周缘强震对邻近地区的影响.通过降低强震发生位置处单元弹性模量的方法模拟了2001年昆仑山口西MS8.1、2008年汶川MS8.0、2010年玉树MS7.1地震,计算了发生这3次MS7.0以上强震后50年内每5年的黏弹性调整过程,讨论了3次强震对祁连地震带及甘东南地区地震形势的影响,尝试开展依据区域应力调整特征判定未来强震危险区的探索试验.     

1947年达日M7.7地震对巴颜喀拉块体边界断裂应力影响的数值模拟

1947年达日7.7级地震是发生在巴颜喀拉块体内部的一次强震,该地震在块体边界断裂带应力演化中的作用,在以往的研究中多被忽略.本文通过构建巴颜喀拉块体东部及邻区三维黏弹性有限元模型,考虑达日地震的同震位错与震后黏弹性松弛效应,分析该地震的发生引起巴颜喀拉块体边界断裂带上的库仑应力变化.结果表明:达日地震除造成达日断裂破裂段两端相邻未破裂段显著的库仑应力增加外(>1.0×10⁶ Pa),同时造成龙日坝断裂中-北段、东昆仑断裂中西段、龙门山断裂中-北段、马尔康断裂、鲜水河断裂中-南段和甘孜—玉树断裂西段同震库仑应力的增加,最大达1.4×10⁴ Pa.相反,也造成东昆仑断裂中-东段、甘孜—玉树断裂中-东段、龙日坝断裂南段、鲜水河断裂北西段和龙门山断裂南段库仑应力的减小.达日地震的发生导致后续1955年康定7.5级地震、1963年阿兰湖7.0级地震和2008年汶川8.0级地震等强震震源处累积(同震+震后)库仑应力变化分别为3.58×10³ Pa、1.16×10⁴ Pa、7.68×10³     

巴颜喀拉块体强震活动与2010年玉树7.1级地震的关系

系统地总结分析了巴颜喀拉地块北、东、南边界带的构造特征、各个边界带上的强震活动、部分强震的震源机制解和区域地震活动,从而探讨了2010年玉树7.1级地震发生前巴颜喀拉地块地震活动特征。从2008年玉树地区地震活动变化、巴颜喀拉块体北边界和南边界强震呼应及块体动力学过程进行了地震趋势预测的思考。     

1997年以来巴颜喀拉块体周缘强震之间的黏弹性触发研究

2021年5月22日在青海玛多发生M_W7.4地震,为了探究玛多地震的不同滑动模型对周围地区及断层应力的加卸载作用,本文首先以GNSS数据为约束,结合中国地震局地质研究所公布的玛多地震同震滑动模型（模型A）断层面几何结构反演获得同震滑动模型（模型C）,再分别利用模型A、模型B（USGS）、模型C计算玛多地震对周围地区及断层的应力加卸载作用。结果显示：① 模型C矩震级为M_W7.46,最大滑动量为3.39 m,主体破裂位于0—10 km深度范围,整体破裂东侧大于西侧,滑动分布相对于模型A也更加均匀平滑,反演效果较好;② 不同模型计算的应力分布基本相同,沿破裂段同震库仑应力加载区域面积随着深度的增加而增加,且在发震断裂带西端、东端分别各有两处明显的库仑应力加载区域,在昆仑山口—江错断裂东、西段、甘孜—玉树断裂、东昆仑断裂东段、玛多—甘德断裂、清水河断裂中、西段、达日断裂西段均产生了明显的应力加载,但模型B计算结果有所差异,昆仑山口—江错断裂中段处于应力卸载状态,震后10年断层应力状态变化不大,但清水河断裂东段在震后应力调整中卸载作用较为明显,地震危险性降低;③ 为了探究强震对玛多地震的影响,本文分别计算了2008年汶川地震以后巴颜喀拉地块M≥7.0强震同震及震后效应对玛多地震的应力加卸载,结果表明所有强震均对玛多地震有应力加载作用,但累积库仑应力并未超过触发阈值。

     

基于重力观测的巴颜喀拉块体强震震级模拟分析

以内蒙古乌加河地震台的连续重力观测资料为基础,应用PET重力仪采样率较高的特点,分析了PET相对重力仪与JCZ-1甚宽带地震仪的波形相关关系及同震形变物理特征。通过模拟分析乌加河地震台PET相对重力仪记录到巴颜喀拉块体周围发生的6次7级以上强地震的同震P波、S波及面波与震中距离、震级的相关关系,得出一般震级模型、地应力波模型和S波P波幅度比模型公式。通过计算3种震级模型理论震级与实际震级的误差及相关系数R值,得到理论震级与实测震级标准误差达到0.04,R值达到0.99,验证了模型的可靠性。对比分析理论震级与实际震级的误差与R值,揭示同震形变波形蕴含地球动力特征的物理机制。      

巴颜喀拉块体东缘形变及九寨沟地震孕震环境数值分析

2017年8月8日四川发生九寨沟M7.0地震,是继2008年汶川M8.0地震后发生在巴颜喀拉块体东部的又一强震.现今GPS速度观测数据显示,2008年汶川地震前后的1999-2007年和2011-2016年两个时间段内巴颜喀拉块体东部地表速度场存在明显的差异.本文以实际GPS速度观测资料为约束,构建三维有限元地球动力学模型,分别计算分析了两个时段内震源区及周边现今地壳形变、弹性应变能和应力积累特征,进一步探讨汶川地震的发生对九寨沟地区变形及应力的影响.数值模拟结果显示,汶川地震之后（2011-2016年）巴颜喀拉块体东部的地壳形变、弹性应变能积累及应力积累速率均明显大于震前,增加量值达1.5~3倍;九寨沟地震发震断裂上库仑应力增长率在1999-2007年约为0.7 kPa·a^-1,2011-2016年间增至1.2 kPa·a^-1.上述结果表明,现今巴颜喀拉块体东部地壳应力积累过程有利于左旋走滑型九寨沟地震的发生,汶川地震的发生调整了区域应力状态,加速了九寨沟地震的孕育过程.

     

基于Monte Carlo方法数值反演区域初始构造应力场——以巴颜喀拉块体为例

构造应力场往往对地震活动性具有控制作用,应力快速集中的地方常常是地震频繁发生的地方.本文以巴颜喀拉块体及其边界断裂带近20年来的7次中强震为例,结合区域历史地震震源信息、地质背景及GPS等观测数据,利用Monte Carlo方法和库仑-摩尔破裂准则为计算依据,反演该块体的震前初始构造应力场.通过将初始应力场反演中不确定部分限定在一个合理的上下限范围内进行独立的重复性随机试验,并运用统计学方法得到了巴颜喀拉块体1997年玛尼M_W7.5地震震前区域初始应力场.计算结果显示：（1）巴颜喀拉块体10 km深度处最大水平主应力方向自西向东呈顺时针旋转趋势,由NS向转变为近EW向,与浅部实测地应力数据、历史地震类型和板块运动方向吻合较好.（2）最大/最小水平主应力和二者差值自西向东均逐渐增加,最大水平主压应力值~400 MPa,最小水平主压应力值~250 MPa.差应力在昆仑山断裂带与阿尔金断裂带交汇处及甘孜—玉树断裂带西段较低（~150 MPa）;在昆仑山断裂带东端和甘孜—玉树断裂带的东南段局部地区较高（~220 MPa）.

     

基于库仑应力变化分析巴颜喀拉地块东端的强震相互关系

本研究基于分层黏弹介质模型,考虑同震位错效应和震后黏滞松弛效应,分析巴颜喀拉地块东端1976年松潘地震序列、2008年汶川8.0级地震、2013年芦山7.0级地震和2017年九寨沟7.0级地震等多次大地震的可能存在的触发关系,计算大地震引起的周边各主要断裂的库仑应力变化.结果显示,1976年松潘地震序列各次地震间关系密切,存在明显的相继触发作用;综合考虑同震和震后效应,汶川8.0级地震对同属于龙门山断裂带的芦山7.0级地震有触发作用,且震后效应影响不可忽略;1976年地震序列,特别是1976年8月16日7.2级地震促进了2017年8月8日九寨沟7.0级地震的发生;汶川地震对九寨沟地震的影响研究中,采用不同的汶川地震同震位错模型,计算结果有差异.综合考虑多次大地震对周边断裂带的影响,龙门山断裂带南段、鲜水河断裂带中南段、平武-青川断裂北段、灌县-安县断裂北段、文县断裂的累积库仑应力增加显著,巴颜喀拉地块东端的东昆仑断裂带东段、迭部-白龙江断裂带西段以及金沙江断裂带库仑应力亦有所增加.综合考虑各重要断裂带已有的大地震危险性分析结果和库仑应力变化计算结果,龙门山断裂带南段、鲜水河断裂带中南段、东昆仑断裂带玛沁-玛曲段和金沙江断裂带的发震紧迫性有所增强,需引起关注.

     

1997年以来巴颜喀拉块体周缘强震之间的黏弹性触发研究

本文利用考虑黏弹性地壳结构和精确震源参数的震后形变模型,计算了玛尼、昆仑山口西、汶川地震所形成的同震和震后形变场的变化过程与特征,结果显示玛尼地震的震后形变场有利于昆仑山口西地震的能量积累,玛尼地震与昆仑山口西地震的震后形变场对汶川地震的作用不明显,而这三次地震总的震后形变场在玉树断裂带附近形成了一个明显带有左旋性质的形变,有助于玉树地震的发生.将计算出的应力值投影到断层的滑动方向上,得到了这些地震震前的库仑应力变化过程,结果显示玛尼地震对昆仑山口西地震的库仑应力值呈现一个从负转正的过程;玛尼地震和昆仑山口西地震对汶川地震的库仑应力改变量较小;这三次强震对玉树地震的库仑应力作用为0.012 MPa左右,大于地震触发的阈值0.01 MPa.最后利用断层应力积累与滑动速率的关系,计算出断层应力的年积累量,得到这些地震之间的影响值相对于年积累量的大小,结果表明仅昆仑山口西地震对玉树地震的影响在1年左右,其他地震之间的影响都很微小.由此我们认为即便是考虑地壳的黏弹性应力作用,对于较远的断层来说影响也较弱,自身的能量积累是短时间内地块边界带上较远距离强震连发的决定性因素.     

九寨沟M_S7.0地震对巴颜喀拉块体东北缘活动断裂影响的有限元模拟

在详细调研地震地质资料的基础上,构建了巴颜喀拉地块东北缘三维有限元模型。以九寨沟M_S7.0地震同震位错为荷载,模拟计算了九寨沟地震的发生对巴颜喀拉块体东北缘主要活动断裂加卸载效应的影响。模拟结果显示,九寨沟地震的发生对龙日坝断裂、虎牙断裂、青川-平武断裂西段、迭部-白龙江断裂西段和东段、临潭-宕昌断裂东段,以及处于甘青川交界危险区内的东昆仑断裂东段、塔藏断裂西段,处于六盘山南-西秦岭东危险区的西秦岭北缘断裂东段表现为库仑应力加载;对岷江断裂、塔藏断裂东段库仑应力卸载效应显著。     

汶川和芦山地震前后巴颜喀拉地块中东段红外亮温分析

基于MODIS卫星遥感红外数据,用小波方法提取并分析了汶川和芦山地震前后巴颜喀拉地块中东段红外亮温低频信息。结果显示,1在汶川8级地震前,巴颜喀拉地块中东段红外亮温升温异常多次出现(5次),震后近5年无升温异常出现,在芦山7级地震前2个月再次出现升温异常;2汶川地震前升温异常的高值区在空间上有逐渐往龙门山断裂带方向迁移的特点;3在全部6次升温异常中,只有2008年4~6月和2013年2月~4月19日2次临近地震的异常,巴颜喀拉地块中东段内部亮温出现大幅度均衡升温,这可能是该地区强震的临震信号。     

重力与地形数据揭示的巴颜喀拉块体东缘垂向构造应力场

利用基于消去-恢复原理的最小二乘配置方法,对2009—2013年相对重力/GPS联合观测数据与EGM2008模型数据进行融合,更新了巴颜喀拉块体东缘地区的自由空气与布格重力异常场.基于该布格重力异常数据,以CRUST1.0地壳密度模型为初始条件,使用二维多边形棱柱体正演与非线性最小二乘反演方法,获取了巴颜喀拉块体东缘地壳分层密度结构.基于地壳不可压缩和均衡调整原理提出了计算垂向构造应力新方法,并结合上述地壳分层密度结构和地形数据计算了巴颜喀拉块体东缘垂向构造应力分布.结果表明,龙门山断裂带中南段蓄积了较高的正向构造应力（约40 MPa）,马尔康周边地区蓄积了较高的负向构造应力（约-30 MPa）.对研究区域1970年以来5级（M_S）以上地震进行统计发现,地震多发生在垂向构造应力梯度带上,垂向构造应力为正的地区易触发浅源地震,为负的地区易触发深源地震.在地壳横向变形强烈的区域,垂向构造应力与地震深度的对应关系减弱.

     

龙门山地区历史强震数值模拟

考虑区域地质构造差异、主要活动断裂分布特征和地表附加重力影响,建立反映龙门山地区地表起伏和岩石圈分层的三维粘弹性有限元模型。以GPS为约束重建研究区现今构造应力场,依次模拟龙门山地区1900年以来发生的5次M_S 7.0以上地震,从库仑应力和等效应力角度,分析应力场演化对强震的影响以及强震间的相互作用关系。研究结果表明:从库仑应力角度,有3次地震对后续地震有促进作用,其中汶川地震对芦山地震有触发作用;从等效应力角度,有4次地震对后续地震的发生具有加速作用。