唐山地震孕育过程的数学模拟——(二)地震孕育过程的数学模拟

选择北纬38°—41°30′,东径114°20′—120°20′范围为模拟地区,其中包括12条断层和一个硬块体,假定断层为不抗拉介质,在压应力作用下能承受剪应力。采用物理非线性有限单元法,模拟上述地区在压应力作用下的地震孕育过程。为了简化计算,化为平面应变问题。数学模拟结果与地形变和震源机制等资料较吻合,本文的主要结果为:(1)唐山地震孕育过程中区域应力场的时间变化。(2)唐山地震孕育体的形成过程。(3)震前主应力轴的旋转。(4)唐山地震的初始破裂区。(5)地温变化在大震发生中的突变性作用。     

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。     

唐山地震热力源的研究

本文从应力场角度分析了1976年唐山地震发生的可能力源。震前唐山地区除受有太平洋板块和印度板块的作用外,主要受有附近的热力源的作用。以渤中为中心的下辽河—渤中—黄骅上地幔隆起的高温区和沧东断裂水平温度梯度带的存在,使唐山地区位于热应力集中区。本文根据已有的观测结果,提出了将温度变化区简化为圆形、狭长矩形和椭圆形等三个力学模式,分别求得它们的解析解,并计算了它们的热应力场。结果表明:在增温区以内,正应力都是压应力,剪应力很小。在增温区以外,法向应力为压应力,周向应力为张应力,水平剪应力较大,但各个应力分量随着距离增加而衰减,只在增温区的边缘地带达到最大值,其数值有几百巴的数量级。唐山恰好位于该增温区的边缘地带,表明热力源是促使唐山地震发生的重要原因。 除唐山地震外,华北地区近年发生的几个大地震如邢台、河间、渤海、海城地震,以及1983年发生的菏泽地震,均位于热应力的高值地带,这些地震的孕育和发生显然也与热力源的作用有关。      

基于唐山7.8级地震探讨动态应力作用

运用三维非线性动态有限元方法(Non-linear Dynamic FEM)仿真模拟研究了菱形模型的动态应力作用,分析了1976年唐山7.8级地震.结果表明:(1)唐山地震前增强的中强地震产生的冲击力形成的应力波反射后发生半波损失, 成为动态的拉伸应力,通过减小内摩擦而引起岩石产生裂纹、局部破裂并发生串通,一方面触发地震,另一方面为孕育唐山地震积累能量,表现为正反馈过程.(2)唐山地震产生的冲击力加卸载存在时间差,造成加卸载冲击波相位不同,结果产生的动应力和围压叠加致使围压波动和下降,导致抗剪切强度降低,使初始破裂分别向北东、西南方向传播.(3)冲击力的卸载,相对于产生拉伸性的应力波,反射后发生半波损失,成为动态的压缩应力,致使围压增大并导致破裂停止;而动态应力在传播过程中衰减.因此,余震的发生是一个负反馈过程.     

唐山7.8级地震前后微震震源参数

应用参考资料[1]中提出的方法,测定了唐山7.8级地震前后,震源及其邻近地区微震震源参数（地震矩、应力降、震源尺度）。结果表明:唐山地震前数年,唐山-宁河-滦县一带发生的震级相近的小地震,具有较高的应力降和较小的震源尺度;并自1974年7月以来,唐山地震震源区介质看来出现一个应力加速积累的过程;震后,相应地区内小地震的应力降减小,震源尺度增大,这与海城地震所得结果是一致的。     

唐山地震震源应力场的数值模拟研究-三维有限单元法在计算震源应力场中的应用

震源机制结果与极震区地裂缝的力学性质,都说明唐山地震是以右旋剪切走向滑动为主且兼倾向滑动的主震型大地震。这说明唐山地震是在水平力和垂直力同时作用下产生的。本文利用三维有限单元法,采用弹性模式对唐山地震震源应力场进行了数值计算,並考虑了体力与表面力两种受力情况。表面力又分为水平作用应力与垂直作用应力,水平作用应力随深度变化,且最大水平压应力等于同一深度上静水压力的3倍,而最小水平压应力等于同一深度上静水压力。最大水平压应力取北85°东,即与唐山地震震源机制解的最大主压应力轴基本上是一致的。垂直力取其静水压力的1.5倍所得结果与地震实际发生的过程比较一致,所以,唐山地震很可能是在水平力与垂直力同时作用下产生的。     

华北强地震余震震群应力场“窗口”效应

本文研究了华北最近地震活动期的三次强地震(邢台、海城、唐山)的余震序列,从实际观测资料与国内外的一些实验结果,提出余震震群的出现是在区域应力场增强的背景下余震区应力加强的效应。强震余震震群的起伏,可以作为监视华北地区中强以上地震孕育的“窗口”。文中以“多点场”观点讨论了余震震群与中强以土地震关系,认为强震与中强震在区域应力场中是处于支配与被支配的不同地位。     

1976年唐山地震前水氡含量变化的模糊识别和前兆异常的特性分析

本文利用地震前兆的模糊描述和模糊识别方法处理了唐山地震前我国50余眼井孔的水氡含量变化资料。结果表明:(1)从属函数曲线比原始观测值曲线更易判别前兆异常;(2)通过模糊从属函数计算,增强了对异常可靠性的识别能力。得到以下几点认识:(1)临震前兆,在距震中50公里范围内反映不明显,而在主震破裂方向的东北端和西南端有高异常区;(2)邢台地区的水氡含量异常在震前的同步增强表明邢台地区是华北的一个“应力窗口”;(3)震前水氡含量变化与应力变化呈一致性;(4)通过比较泉水及自流井的水氡异常与浅井中水氡异常,认为震前水氡含量变化是深部应力作用的结果。     

2012年河北唐山M_S4.8地震前首都圈东部视应力时空变化特征

本文采用近震源Brune模式,采用国家数字测震台网数据备份中心提供的地震波形资料,测定了2011年1月至2012年5月期间首都圈东部85次ML≥2.0地震的视应力,分析了2012年4月28日河北唐山MS4.8地震前动力学参数的时空变化特征,并讨论了震源参数的标度关系。结果如下:1视应力时序变化显示,唐山MS4.8地震前首都圈东部视应力出现了明显的升高变化过程;2视应力空间分布显示,唐山MS4.8地震前,首都圈东部视应力在震源区出现了相对高值集中区。     

"霍山地震窗"小震序列运动学参数时变特征研究

利用安徽及邻近地区的数字化地震资料,详细研究了“霍山地震窗口”小震序列的构造环境背景应力和视应力变化特征。结果表明,环境应力值和视应力值不仅能反映震“源”区的应力背景强弱,在距未来强震震中比较远的特殊构造部位,即素有“地震活动穴位”的地震窗口的小地震,同样能较客观反映出孕震区附近应力环境的信息,在华东中强地震前后应力状态的差异性是显著的。     

1976年盐源-宁蒗6.7级地震前后平均应力轴取向的时间特征

自从沙道夫斯基等人观测到中亚某些强震前压应力轴取向发生90°转动以来,许忠淮等研究了唐山地震前后京、津、唐、张地区应力场的方向特征,没有发现唐山大震前后应力轴取向的显著改变。华祥文研究了类似的问题,结果表明,1958—1971年期间京、津周围地区并没有形成统一的孕震应力场,自1972年开始才形成了一个与华北地区区域应力场方向大体一致的孕震应力场,但震前并未观测到平均应力轴取向发生转动。根据阚荣举等人的结论,龙陵地震前平均压应力轴的取向发生45°的转动,但是根据他的结     

1976年唐山强震群震后库仑应力演化及其与2020年古冶5.1级地震的关系

采用能够综合协调长期变形和震后短期变形的Burgers流变模型,模拟了1976年唐山强震群引起的震后形变场以及同震和震后库仑应力变化。结果显示:1976年唐山强震群中主震的两个破裂面以及滦县和宁河两次强余震均对2020年古冶5.1级地震表现为库仑应力加载。岩石圈粘弹性松弛效应引起的库仑应力变化显示,震后15年前后,库仑应力演化状态呈现显著的差异性:震后15年内,库仑应力变化剧烈;而震后15年后,库仑应力呈现缓慢的稳定增加状态。该过程与唐山强震群余震区地震活动过程相似,可能暗示1976年唐山强震群余震区应力调整过程已基本稳定。     

2020年河北唐山5.1级地震前震源参数变化

利用谱分析方法对河北省测震台网2016年1月—2020年7月唐山老震区(117.5°～119.5°E,39°～41°N)85次M_L≥2.5地震进行震源参数分析,发现该时段唐山老震区应力降范围在0.1～10.3MPa,主要集中在0.1～1.0MPa,其中应力降小于2MPa的地震占81%。当2.5≤M_L≤3.5时,应力降、拐角频率与震级之间无明显的对应关系;ML≥4.0地震较少,但应力降有随震级增大而增大的趋势,拐角频率有随震级增大而减小的趋势。2019年12月5日河北丰南M4.5地震和2020年7月12日唐山M5.1地震之间发生了 7次M_L≥2.5地震,震级范围为2.5≤M_L≤2.8,提取该震级范围的震源参数进行时空分析,发现唐山M5.1地震前有2次明显的高应力降事件,2次高应力降事件呈现出应力降数值高、拐角频率高、震源尺度小的特点,表明单位体积所释放能量较多。2次高应力降事件均发生在唐山M5.1地震震中17km范围内,可能是唐山M5.1地震前震源区构造应力较高的一个标志。     

唐山地震孕震过程的数值模拟

本文用二维马克斯威尔粘弹性模型,模拟了唐山地震的孕震过程,探讨了唐山地震的力学背景与某些前兆异常的机理。研究结果表明:唐山地震震源体的形成可能是在定常边界力作用下,由于地壳介质的非均匀性,使弹性应变能在局部地区长期积累的结果。唐山断块区内可能存在坚固体所具有的高强度是造成应力差与应变梯度增大的决定因素,唐山地震前的许多异常现象与应变能积累到后期、地壳内发生岩石膨胀与断层蠕滑(相当于坚固体的软化)密切有关。     

2015年9月14日昌黎M_L 4.7地震分析

2015年9月14日河北昌黎发生M_L 4.7地震,是唐山老震区的一次有感余震活动。从地质背景、序列情况、震源机制解及发震背景等进行分析,并由唐山老震区2000年以来M_L 4地震的成对发生探讨M_L 4地震活动规律,认为此次地震:主压应力方向为NE向,与华北构造应力场一致;与震前出现的唐山老震区M_L 2地震平静、缺震、b值、波速比等测震学参数异常有很好对应;打破了2004年以来唐山老震区M_L 4地震的2年发震韵律,值得进一步研究。     

唐山7.8级地震前后区域应力场的动态变化特征

利用文献[1]给出的由深井水位变化反演地壳深层应力变化的方法和华北地区井水位变化资料，反演了唐山7.8级地震前后大区域应力场的动态变化过程，分析了应力场的动态调整变化特征，结果表明，唐山地震前2年，在震中区及附近出现应力下降异常区，临震前异常幅度增大并且异常区向外围扩展，震后异常区收缩并逐渐消失。     

唐山大震前的地震空区和地震环

大地震前的地震活动空白区现象,日益引起国内外地震工作者的重视。1976年唐山7.8级大震前的地震活动图象如何?有没有地震活动空白区?目前还没有完全统一的认识。 魏光兴等同志研究了唐山大震前90年M≥4(3/4)级地震后认为,唐山大震前地震活动没有空白区特征。邱群同志则认为,1973年12月后,唐山东南面有一个以2—4级地震围成的空区,这个空区分布在渤海里,与唐山大震的极震区和余震区并不重合,同时还可以找到若干类似的空区。     

华北北部地区现今应力场时空变化特征研究.

依据2002——2006年的中小地震资料,利用格点尝试法分析计算了华北北部4个应力小区的平均主应力轴,讨论了华北北部地区的现今应力场特征.在此基础上,对1977——1998年研究区内的单个地震震源机制解进行了进一步的分析计算,并结合以往的研究结果,研究了华北北部地区现今应力场随时间的变化特征,结果印证了唐山地震前后,唐山震源区及其邻近地区应力场主应力方向出现的转动和变化的现象:1976年唐山发生7.8级地震后,唐山震源区及其邻近的北京地区和邢台地区震源机制解的平均P轴可能顺时针转动了约15deg;——30deg;。北京地区和邢台地区近期（2002——2006年）的平均主应力轴与唐山地震前的综合断层面解较为一致,这两个地区应力场似乎转回到唐山地震前的状态. 而唐山区震源机制解的平均P轴在地震后则一直稳定在EW向上。位于张家口——渤海断裂带西段的京西北地区,其现今应力场则相对比较稳定,唐山地震前后主应力方向没有太大变动。鉴于数据资料等方面的原因,本文的研究结果仅仅是初步给出了华北北部地区应力场近几十年来一种可能的调整变化图象。      

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。     

华北断块区发震构造特征与地震危险区的实验研究

作者应用华北主要断裂模型和唐山、海城、平陆、临沂等地震断裂模型,进行了激光全息光弹、普通光弹以及软材料模拟的实验研究。 实验确定了华北断块区现代构造应力场的主压应力是北东东向水平挤压力。另外,还伴有地壳下部上地幔上隆的垂直向上的附加作用力。由于本地区构造的复杂性,由西至东主压应力的方向有所差异。 实验表明,华北地区各种类型发震构造的断裂闭锁区是强震发生的主要地点。 通过实验和定量分析,推测了华北地区的主要强震危险区的分布。