断层内闭锁区及其附近的应力分布

本文用三维有限单元法计算了在外应力场作用下,断层深部闭锁区及其附近的附加应力分布,用以模拟震源体在孕震过程中对断层两侧地质体的作用。计算结果表明,在断层因局部发生闭锁而孕育地震的过程中,断层闭锁区有着明显的应力集中,其应力值比非闭锁区高几百倍。闭锁区内的高应力分布有明显的端部效应,闭锁块体各个端部的主应力值、断层面上的正应力和剪应力值以及主应力方向,均与其内部有很大差异。对比分析断层内不同深度上的应力分布,可见深、浅部附加应力状态明显不同,并随深度增加而呈现某些有规律的变化。     

唐山、汶川地震地壳形变特征综合研究

通过对比分析1976年唐山7.8级和2008年汶川8.0级地震前后的区域水平和垂直形变场及跨断层形变的时空特征,归纳总结了与大地震孕育物理过程相关联的地壳形变共性特征.主要认识如下:(1)在中国大陆复杂的构造孕震环境下区域地壳形变场充分表现出非稳定态的起伏消长和复杂变化,在强震前孕震区地壳形变经历先增强后弱化的动态特征,剧烈形变局部化可能出现在震源区边缘附近;(2)震源区在震前数年主要表现为弱变形状态,可能是孕震晚期发震断层强闭锁、断层近场应力应变积累趋于极限的表现;(3)两次大地震前发震断层区域形变均显著偏离长期构造应变积累的变形方式,反映在大陆内部小尺度多块体的复杂构造孕震环境下局部应力应变场更容易出现扰动,且小块体边界临近发震的断层响应更为显著;(4)震源区边缘或外围可能出现显著的断层形变异常,而震源区内部由于发震断层处于强闭锁状态而不易观测到断层形变异常.     

水平层状粘弹性介质中震源应力-应变场的三维边值问题及相应的地电阻率前兆变化的数值模拟

本文应用关于粘弹介质的弹性力学三维有限元方法,研究了定常速率加载边界条件下以断层闭锁模拟震源的“孕震”过程,並将所求得的层状介质应力—应变场与视电阻率的“前兆”变化相关联,以此给出该“孕震”过程中地表视电阻率“前兆”变化的时空分布,从而揭示水平层状介质视电阻率的变化与震源区应变场之间的关系。计算结果表明,粘弹性介质的存在,对孕震过程起着相当重要的作用。介质中应力集中程度与材料粘弹性有着密切的关系。另一方面,对于视电阻率前兆而言,其时空分布不仅与大范围的应力—应变场有关,而且还与台站探测范围内介质的力学、电性结构条件相关联。     

汶川地震前失稳过程的重力场观测证据

文中应用1996—2007年龙门山断裂带上的重力观测资料,分析了汶川地震前亚失稳阶段的重力场变化特征,根据震前失稳过程的重力场观测证据探讨应用重力场识别断层进入亚失稳阶段的证据和方法.研究结果表明:1)汶川地震前沿龙门山断裂带的时变重力场在1996—2001期间呈正常态变化,2001—2004期间出现区域性区重力异常,2004—2007期间出现较明显的反向变化,震前一年变化较弱,呈现闭锁状态.这种变化过程较好地对应了岩石变形实验中由稳态加载阶段到失稳阶段中的线性稳态、偏离线性稳态、亚失稳状态的过程.2)龙门山断裂东侧接近四川盆地上的测点时序变化平缓无序,西侧后山断裂带上的测点在2002年开始出现一致性较好的"同升同降"变化特征.汶川地震发生在后山断裂带上,震后余震的分布和该断裂带的走向一致,说明该断裂带是断层的主要失稳位置,该断层的失稳导致该区域测点的重力场变化一致,符合实验研究中断层由稳态进入亚失稳状态的物理场协同化演化的判定依据.3)重力剖面点的时空变化显示,2008年汶川8.0级地震前在龙门山断裂西侧可观测到一次断层活动协同化过程.     

基于1973年炉霍MS7.6地震震后跨断层变形的地震轮回特征

1 研究背景 地震活动断层不同区段和时段均具有不同的力学特性,主要是表现在活动断层上发生地震的断层段所呈现的震前、同震、震后和震间4个时域范围内的滑动行为.换言之,地震活动断层的滑动行为分为震前、同震、震后和震间4个滑动阶段.通过研究活动断层地震破裂段震前、同震、震后和震间滑动,可深入破解沿活动断层破裂段的应力、应变的积累和释放的时空信息变化(Reilinger et al,1999;Yagi et al,2001;Ozawa et al,2004).     

简单断层带上缓慢应力累积及松弛过程的有限单元模拟

分别用三维有限元弹性及粘弹性模型计算板块间相对运动在转换断层闭锁带上的应力累积及软水圈和断层深部低粘度物质产生的大震后应力松弛,从而给出断层带上应力变化过程。 本文以土耳其北部北安纳托里亚断层带为模型。计算结果表明,西部“围空区”有最高剪切应力水平并已达到临界状态,今后几年若无小震或蠕变将会有较大地震;断层带的下一个活动期将从公元2000—2020年开始。     

地震断层的位移分布与发震断层破裂状态之关系初探

本文对国内外10条地震断层实测位移分布特征进行了分析,并将不同形态的实测位移分布曲线与有限元计算曲线对比.结果表明:破裂状态不同的地震断层,其位移曲线不同;位移的分布与发震断层闭锁区强度及闭锁区的破裂程度有关.      

2011年日本MW9.0地震相关研究综述

2011年3月11日, 日本海沟发生的9级地震造成重大人员伤亡, 受到社会普遍关注, 本文基于此次日本9级地震相关研究结果, 尝试从不同侧面分析此次地震的观测、 现象和认识, 主要包括如下几点: ① 此次地震发生在太平洋板块西北边界上日本海沟俯冲带上, 同震破裂可能存在深浅两个位错集中区, 较深的位错集中区位错量相对较小, 但历史上7级地震多发; 而较浅的位错集中区位错较大, 但历史上强震活动相对较弱; ② 基于GPS观测资料为约束的相关断层运动研究结果表明, 日本海沟断层运动背景以大范围稳定闭锁为主(闭锁区空间尺度与同震破裂尺度相当), 自2003年日本北海道8级地震后日本海沟地区断层运动开始出现扰动, 2008年以后有几次7级左右地震震后余滑分布明显比主震位错量要大, 之后分别于2008年和2011年观测到显著慢滑移事件, 最后分别于2011年3月9日和3月11日发生7级前震和9级主震, 震前日本海沟俯冲带断层运动变化过程比较清楚; ③ 可能是由于监测的原因, 传统上的前兆观测并未出现显著异常, 其震前异常主要为: 部分地震活动参数表明强震震源区震前应力状态相对较高、 区域地表运动速率的短期异常等; ④ 对于震源区物理性质的分析引起了更多的科学问题, 例如, 震源区介质物性是否与周边存在显著差异、 断层摩擦性质是否决定了发震能力和破裂过程、 震前断层运动是否存在预滑、 震前深部流体是否影响到震源区断层运动等。 他山之石可以攻玉, 希望本文对地震预测预报基础研究工作能起到抛砖引玉的作用。     

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.      

南美西海岸(智利)地震科学研究回顾及其对地震监测预报的启示

智利俯冲带是全球地震活动最为活跃的地区之一,2010年以来已经发生了3次8级强震。本文在调研了该地区地震地质、历史地震、运动学特征等方面研究成果的基础上,梳理了其中与地震预测预报有关的观测现象,总结了相关科学问题的研究进展和认识过程。结果显示:(1)智利俯冲带历史地震记录丰富,基于现代大地测量的断层震间闭锁研究深入,近年来多次8级地震均发生在历史地震破裂空段和滑动亏损较大的强闭锁区;(2) 2010年Maule M_W8.8地震和2014年Iquique M_W8.1地震震前均有不同程度的前兆变化,Maule M_W8.8地震前主要是"一类空区"和"二类空区"的嵌套;而Iquique M_W8.1地震前还伴有b值持续降低,前震活动频繁,GPS时间序列瞬态变化等一系列短临异常变化;(3)同震位错和震间闭锁的空间分布显示智利俯冲带断层摩擦性质复杂;(4)孕震物理力学机制复杂,不同学者不同方法之间还存在一些认识争议。     

TWO DIMENSIONAL MODEL ON RELATION BETWEEN THERMAL ANOMALY BEFORE WENCHUAN EARTHQUAKE AND TECTONIC STRESS

It has been reported that there is thermal anomaly within a certain time and space preceding an earthquake, and previous research has indicated potential associations between the thermal anomaly and earthquake faults, but it is still controversial whether physical processes associated with seismic faults can produce observable heat.Based on rock experiments, some scholars believe that the convective and stress-induced heat associated with fault stress changes may be the cause of those anomalies. Then, did the thermal anomaly before the Wenchuan earthquake induced by the fault stress change?It remains to be tested by numerical simulations on the distribution and intensity of thermal anomalies. For example, is the area of thermal anomaly caused by the fault stress changes before the earthquake the same as the observation?Is the intensity the same?To clarify the above questions, a two-dimensional thermo-hydro-mechanical(THM)finite element model was conducted in this study to simulate the spatial and temporal variations of thermal anomalies caused by the underground fluid convection and rock stress change due to the tectonic stress release on fault before earthquake. Results showed that the simulated thermal anomalies could be consistent with the observed in magnitude and spatio-temporal distribution. Before the Wenchuan earthquake, deformation-related thermal anomalies occurred mainly in the fault zone and its adjacent hanging wall, which are usually abnormal temperature rise, and occasionally abnormal cooling, occurring in the fault zone after the peak temperature rise. In the fault zone, the thermal anomaly is usually greater than the order of 1K of the equivalent air temperature and is controlled by the combined effect of fluid convection and stress change. The temperature increases first and then decreases before the earthquake. In the hanging wall, it's weaker than that of the fault zone, mainly depending on the convection of the fluid. The temperature gradually increases before the earthquake and is dramatically affected by the permeability. Usually, only when the permeability is larger than 10^-13m², can the air temperature rise higher than 1K occur. The results of this study support the view that fluid convection and stress change caused by fault slip before the earthquake can produce observable air temperature anomalies.     

构造地震的局部内应力源模式

本文根据断层在孕震过程中伴随有蠕动这一事实, 利用裂隙位错的数学理论, 提出了一个新的构造地震的震源模式——局部内应力源模式, 其特点是强调了在区域应力场基本不变的条件下因断层蠕动产生的局部内应力在孕震过程中的作用.文中推导了内应力随时间的变化及由此产生的二维准静态应力场和裂端塑性区线度, 并据此对强震前可能出现的前兆异常的时空特征作了估计.      

Deformation Evolution Characteristics Revealed by GPS and Cross-fault Leveling Data before the MS8.0 Wenchuan Earthquake

Based on GPS velocity during 1999-2007, GPS baseline time series on large scale during 1999-2008 and cross-fault leveling data during 1985-2008, the paper makes some analysis and discussion to study and summarize the movement, tectonic deformation and strain accumulation evolution characteristics of the Longmenshan fault and the surrounding area before the M_S8.0 Wenchuan earthquake, as well as the possible physical mechanism late in the seismic cycle of the Wenchuan earthquake. Multiple results indicate that:GPS velocity profiles show that obvious continuous deformation across the eastern Qinghai-Tibetan Plateau before the earthquake was distributed across a zone at least 500km wide, while there was little deformation in Sichuan Basin and Longmenshan fault zone, which means that the eastern Qinghai-Tibetan Plateau provides energy accumulation for locked Longmenshan fault zone continuously. GPS strain rates show that the east-west compression deformation was larger in the northwest of the mid-northern segment of the Longmenshan fault zone, and deformation amplitude decreased gradually from far field to near fault zone, and there was little deformation in fault zone. The east-west compression deformation was significant surrounding the southwestern segment of the Longmenshan fault zone, and strain accumulation rate was larger than that of mid-northern segment. Fault locking indicates nearly whole Longmenshan fault was locked before the earthquake except the source of the earthquake which was weakly locked, and a 20km width patch in southwestern segment between 12km to 22.5km depth was in creeping state. GPS baseline time series in northeast direction on large scale became compressive generally from 2005 in the North-South Seismic Belt, which reflects that relative compression deformation enhances. The cross-fault leveling data show that annual vertical change rate and deformation trend accumulation rate in the Longmenshan fault zone were little, which indicates that vertical activity near the fault was very weak and the fault was tightly locked. According to analyses of GPS and cross-fault leveling data before the Wenchuan earthquake, we consider that the Longmenshan fault is tightly locked from the surface to the deep, and the horizontal and vertical deformation are weak surrounding the fault in relatively small-scale crustal deformation. The process of weak deformation may be slow, and weak deformation area may be larger when large earthquake is coming. Continuous and slow compression deformation across eastern Qinghai-Tibetan Plateau before the earthquake provides dynamic support for strain accumulation in the Longmenshan fault zone in relative large-scale crustal deformation.     

汶川8.0级地震前GPS与跨断层资料反映的运动与变形演化特征

为了研究与总结2008年5月12日汶川8.0级地震前GPS与跨断层资料反映的龙门山断裂带及其周边地区的运动、构造变形、应变积累演化过程,以及汶川地震临震阶段可能的物理机制,本文综合1999~2007期GPS速度场、1999~2008年大尺度GPS基线时间序列、1985~2008年跨断层短水准等资料进行了相关分析与讨论。结果表明:(1)GPS速度剖面结果显示,宽达500km的川西高原在震前有明显的连续变形,而四川盆地一侧和跨龙门山断裂带基本没有变形趋势,表明震前川西高原在持续不断地为已经处于闭锁状态的龙门山断裂带提供能量积累。(2)GPS应变率结果显示,震前龙门山断裂带中北段的NW侧EW向挤压变形明显,变形幅度从远离断裂带较大到靠近断裂带逐渐减小,而断裂带变形微弱;龙门山断裂带西南段周边形成了显著的EW向挤压应变集中区,应变积累速率明显大于中北段。(3)断层闭锁程度反演结果显示,除了汶川地震的震源位置闭锁相对较弱,且西南段有大概20km宽度断层在12~22.5km深度为蠕滑状态以外,震前整条龙门山断裂基本处于强闭锁状态。(4)大尺度GPS基线结果显示,跨南北地震带区域的NE向基线从2005年开始普遍出现压缩转折,反映NE向地壳缩短的相对运动增强。(5)跨断层短水准场地结果显示,震前年均垂直变化速率和形变累积率很低,表明断层近场垂向活动很弱、闭锁较强。通过以上分析认为,在相对小尺度的地壳变形中,震前龙门山断裂带深浅部均处于强闭锁状态,断裂带水平与垂直变形都很微弱,这可能经历了一个缓慢的过程,而且越是临近地震的发生,微弱变形的范围可能越大;在相对大尺度的地壳变形中,震前龙门山断裂带西侧的巴颜喀拉块体东部地区经历了地壳缓慢且持续的缩短挤压变形,为龙门山断裂带应变积累持续提供了动力支持。     

应力扰动对地震周期和地震矩影响的数值模拟

利用二维有限元数值模型,结合断层滑移弱化摩擦准则对断层滑动规律以及应力扰动对其影响进行了研究．数值计算结果表明,在均匀应力分布情况下, 平面断层滑动显示出典型的特征地震规律,断层面上的应力扰动对断层滑动规律产生影响,压应力增加明显延迟地震的发生时间,并增加地震释放的能量．应力扰动发生在地震破裂临界区时的影响比在震前滑移区时的影响显著．当发生在地震滑移区时,若应力扰动足够大,则压应力增大会造成地震发生时部分动力断层被暂时锁住,使得地震释放的能量变小,但可增加后续地震的能量; 而压应力减小则可导致地震规律产生更加复杂的变化,会即时触发地震．如果应力扰动发生在一个地震周期的早期,则触发的地震较小,但可导致随后的地震提前发生; 如果应力扰动发生在一个地震周期的后期,则会触发大地震．当应力扰动位于震前滑移区或破裂临界区时,小的扰动也可能产生类似的效果．应力扰动产生越晚,这种影响也越明显．应力扰动发生在破裂临界区的影响最明显．应力扰动的影响一般主要集中在应力发生扰动后的1—2个地震周期内．后续地震基本恢复无应力扰动时的特征地震规律．      

川滇菱形块体东边界断层闭锁程度与滑动亏损动态特征研究

利用1999—2007期和2009—2013期中国大陆GPS速度场数据,采用DEFNODE负位错反演程序估算了川滇菱形块体东边界——鲜水河—安宁河—则木河—小江断裂带在汶川地震前后的断层闭锁程度和滑动亏损空间分布动态变化特征,讨论了汶川地震对该断裂系统的影响范围和程度,并结合b值空间分布和地震破裂时-空结果分析了断裂系统的强震危险段.结果表明,汶川地震前鲜水河断裂最南端为完全闭锁(闭锁深度25km),中南段地表以下10~15km深度为强闭锁状态,中北段基本处于蠕滑状态;安宁河断裂最南端闭锁很弱,其余位置闭锁深度为10~15km;则木河断裂除最南端闭锁较弱以外,其余位置基本为完全闭锁;小江断裂在巧家以南、东川以南、宜良附近、华宁以北等四处位置闭锁较弱,其余位置为强闭锁.10年尺度的GPS速度场反演所得断层闭锁程度所指示的强震危险段,主要为鲜水河断裂道孚—八美段、安宁河断裂中段、则木河断裂中北段、小江断裂北段东川附近、小江断裂南段华宁—建水段,该结果与地质尺度的断层地震空区和30年尺度的b值空间分布所指示的危险段落具有一致性.汶川地震后断裂带远、近场速度分布和块体运动状态发生变化,这种区域地壳运动调整使得负位错模型反演得到的断裂带闭锁情况发生一定变化.汶川地震前后川滇菱形块体东边界平行断层滑动亏损速率均为左旋走滑亏损,且在安宁河断裂北端、则木河断裂中北段滑动亏损速率最大;除鲜水河断裂中南段与最南端和小江断裂东川附近以外,其余断裂震后滑动亏损速率均有所增加.垂直断层滑动亏损速率既有拉张亏损也有挤压亏损,且鲜水河断裂最南端由震前挤压转变为震后拉张,其余断裂除了安宁河断裂和小江断裂中段与最北端存在挤压滑动亏损速率外均为拉张速率.     

日本俯冲带应力产生与传播的数值模拟

用三维有限元模拟了日本地冲带，分析了板块推力、板块拉力、动态闭锁断层和解耦板间地震对上覆板块内部应力状态的贡献，表明大洋板块推力是海沟。岛弧地区挤压应力的主要来源，这种应力仅有小部分传播到上覆板块内部，软流圈的蠕变能促进这个应力传播过程使岛弧区的应力增大，由密度差异引起的板块拉力产生了分散的挤压应力和拉张应力。断层闭锁导致应力局部集中，板间地震的断层错动只对破裂附近小范围的应力状态产生影响     

芦山地震前龙门山断裂带闭锁程度 与变形动态特征研究

利用1999-2007和2009-2011年中国大陆GPS水平速度场数据, 采用DEFNODE(反演计算弹性岩石圈块体旋转、 应变和块体边界断层闭锁或同震滑动的Fortran程序)负位错反演程序估算了芦山地震前龙门山断裂带的三维闭锁程度, 并结合剖面结果分析了断层深浅部变形特征. GPS反演结果表明, 1999-2007年, 龙门山断裂中北段(闭锁比例为0.99)处于强闭锁(本文将闭锁比例大于0.97的称为强闭锁)状态; 龙门山断裂南段地表以下深度16 km内为强闭锁, 深度16-21 km处闭锁比例降低为0.62, 深度21-24 km处整条断裂逐渐转变为蠕滑状态. 2009-2011年, 即汶川地震后, 龙门山断裂中北段处于震后蠕滑状态; 龙门山断裂南段深度16-21 km处闭锁比例降低为0.45, 其它位置闭锁程度保持不变. GPS剖面结果显示, 2009-2011年, 即汶川地震后, 龙门山断裂中北段为逆冲兼右旋走滑运动; 而南段断层不能自由滑动、 变形宽度较大. 综合分析认为, 汶川地震时, 龙门山断裂南段并没有发生破裂, 一直处于较强的闭锁状态, 汶川地震的发生又加速了芦山地震的孕育进程; 由于龙门山断裂带南段的闭锁深度较中北段浅, 因此芦山地震较汶川地震强度低、 震级小、 破裂范围窄.      

震源区的断层构造与震源应力积累过程关系的实验研究

本实验研究了地壳内对压组合构造和对张组合构造中垂断层蠕滑,破裂错动时对主震断层(底断层)应力积累过程的影响,并结合实际地震活动中的一些现象进行了讨论。所得结论如下: 1.当垂断层蠕滑时,对压组合构造中垂直于底断层的压应力增大,它可以延迟主震发生但增大发震的能量;对张组合构造中垂直于底断层的压应力减小,剪应力略有增大,因而可以促使主震发生。2.如果垂断层某一部分为原来锁住的愈合断层或为完整介质,当其突然破裂错动时,可以使对张组合构造中的底断层的剪应力突然增大,同时压应力减小,因此前震序列中这类垂断层上的较大前震可看作底断层上主震即将来临的信号。3.由垂断层破裂前后单轴压力不变和位移不变的实验结果说明了地壳中主震断层应力集中的过程。4.底断层的主震破裂可以使处于引张状态的垂断层上余震发育甚至发生强余震。本文还应用实验结果对前震活动的条带现象进行了解释,这将有助于判定对压组合构造中主震的断层面。     

APPARENT STRESS VARIATION CHARACTERISTICS BEFORE AND AFTER BADONG EARTHQUAKE IN THE THREE GORGES RESERVOIR AREA

The causes of earthquakes in the Three Gorges reservoir area are complex. In order to study the cause of earthquakes happening in the region, we calculated the source parameters of 394 M_L ≥ 2.0 earthquakes occurring in Three Gorges reservoir area based on waveform data observed by the regional seismic network of Hubei Province and Three Gorges, obtained the apparent stress spatial-temporal variation map of Three Gorges reservoir area, and analyzed apparent stress spatial-temporal variation characteristics before and after the main earthquakes in the Three Gorges reservoir area. The results show that:1)Before the Badong M_L5.5, Zigui M_L4.7 and Zigui M_L5.1 earthquake, high apparent stress of earthquakes with different magnitudes is concentrated in Xinhua-Shuitianba Fault and Gaoqiao Fault. The distribution of high value area shows the high degree of synergism before the earthquake and the scattering after the earthquake, which indicates that the area accumulated a high stress before the earthquake, and the fault was in a locked state; 2)In the study area, the apparent stress before and after the earthquake showed significant rise in the first and then decline, the earthquake occurred in the process of rising; 3)Apparent stress depth profiles show that apparent stress at different depths has a positive correlation with the size of magnitude of earthquake, and the phenomenon of "small magnitude and strong apparent stress" did not appear. The small earthquakes occurring after the major earthquakes in the study area belong to low strain release under the background of low stress release, and there are no new apparent stress anomaly concentration areas appearing, this indicates that the Badong-Gaoqiao Fault, Zhoujiashan-Niukou Fault and Zigui Xiannushan Fault have been effective in releasing after the Badong earthquake and Zigui earthquakes and the probability of destructive earthquake is small on these faults.