断层摩擦的过山车现象

在地震中,摩擦对断层行为的生成、传播和消减过程起到了关键性控制作用.实验室测试了多种滑动速率下的摩擦行为.结果表明,摩擦在地震中的演化比我们假想的要复杂得多.     

油气区断层带摩擦强度研究进展

油气区断层再活动会造成过断层井的井壁不稳定,增加生产井剪切套损风险及油气渗漏风险甚至诱发地震.浅埋断层带中广泛发育的断层泥对断层摩擦滑动具有重要影响,在特定地质条件下断层泥对断层带摩擦强度具有显著的弱化作用.传统的断层稳定性评价方法多数采用断层摩擦强度的均质模型.然而大量研究表明,断层泥受多种因素的影响在空间上表现出明...     

摩擦滑动对石英和方解石热释光性质的影响及其地震地质意义

通过高温高压实验及热释光测量建立了石英在100MPa和方解石在30MPa围压下剩余热释光强度随温度的变化曲线,以此为据,通过三轴摩擦实验前后样品的热释光测量,研究了相应围压、不同错动速率下摩擦滑动对石英和方解石剩余热释光强度的影响及其反映的温度变化。在此基础上,根据已有理论结果和实际资料,对利用热释光方法断代及推测断层活动方式的可能性等问题进行了讨论     

俯冲带大断层的强度问题

俯冲带大断层的强度是地球动力学的一个重要问题.过去20年来,学界对这一问题的认识有了根本性的改变.本文将简单介绍近期这一研究的核心科学内容、主要方法和结果.宏观估计这种断层大尺度平均强度的有效方法只有两种：一是用弧前地壳应力观测约束横向挤压力从而推算大断层强度,二是用弧前地表热流观测约束断层摩擦生热量从而推算大断层强度.目前的研究结果表明：首先,这些断层极弱,其有效摩擦系数一般在0.03左右,有些可能略大于0.1,这一结果也解释了为什么俯冲带不是造山带.其次,发生特大地震的大断层是最弱的,充分表明大地震不需要高强度断层和高应力,而需要易于破裂传播扩展的地质条件.另外,大地震发生时断层的应力降与强度相比,既不是微乎其微,也远不到百分之百.导致大断层极弱的地质原因还尚不明确.一般认为需要相当高的孔隙液压,但是断层泥中的软弱含水矿物可能也起关键作用.

     

基于Chester-Higgs模型探讨摩擦生热对断层演化进程的影响

速率和状态相依赖的摩擦定律是本文采用的重要定律。结合Chester-Higgs摩擦模型和McKenzie-Brune摩擦生热模型,在一维弹簧-滑块-断层近似模型下,利用四阶变步长的Dormand-Prince算法,研究探讨了断层摩擦生热对断层演化的影响。结果表明:与忽略温度影响的情形相比,摩擦生热造成的温度上升可导致断层滑移时刻的略微提前,并伴随着摩擦系数和状态变量的下降,同时也使得断层的滑移量和应力降略有减小,而滑移速率有所增大;另外,在考虑温度影响时,有效正应力和临界滑移距离也会影响断层的演化过程,断层上的有效正应力越大,断层失稳时刻越提前,温度上升越明显;断层的临界滑移距离越大,断层失稳时刻则越迟,温度上升越显著,但当临界滑移距离超过5 cm时,具有不同临界滑移距离的断层,失稳时的温度则基本保持一致。      

圣安德烈斯断层帕克菲尔德段断层强度变化的远程触发

断层强度是孕震带的一个基本性质,它随时间的变化特性可以增加或减小断层破坏的可能性并最终触发地震。虽然断层强度变化可以用来解释诸如地震活动的远程触发（Hilland Prejean,2007）等多种现象,但至今还没有切实的方法对这个重要性质进行现场监测。文中我们认为,通过对圣安德烈斯断层帕克菲尔德地区近20年（1987～2008）的观测,揭示了一种监测断层强度的方法。     

摩擦生热对断层演化过程的影响:Ruina-和Chester-Higgs-模型的对比分析

利用速率-状态摩擦定律（Rate-and State-Dependent Friction Law：简称RSF定律）,结合McKenzie-Brune摩擦生热模型,本文分别从Ruina提出的RSF定律和Chester-Higgs提出的RSF定律出发,通过一维弹簧-滑块模型,采用四阶变步长的Dormand-Prince算法,对断层演化过程进行了数值模拟,探讨了摩擦生热对断层演化进程的影响.模拟结果显示,与Ruina-模型相比,Chester-Higgs-模型在断层高速滑动时存有更大的摩擦强度,表明摩擦生热对断层具有一定的强化作用,且同临界滑移距离的取值相关.而且,Chester-Higgs-模型在失稳时的断层面温度远远低于Ruina-模型,表明摩擦生热在断层演化过程中能抑制断层面温度的剧烈升高,且正应力和临界滑移距离越大,两种模型的温差越为明显,而断层的刚度和尺度则对温度的影响很小.模拟两种模型周期演化过程的结果表明,在相同的初始条件下,Chester-Higgs-模型给出的断层失稳周期明显比Ruina-模型更短,说明摩擦生热对断层自身演化最显著的影响是较大地缩短了地震重复发生周期.当断层进入周期性演化后,Chester-Higgs-模型给出的摩擦强度大于Ruina-模型,且对第一次非周期性失稳的摩擦强度和剩余应力的继承性更好.另外,由Chester-Higgs-模型给出的静态应力降远小于Ruina-模型给出的结果,所对应的单个事件的滑移量也小于Ruina-模型.

     

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。     

岩石摩擦滑动失稳前断层区的波速变化

对岩石摩擦滑动失稳前断层区的波速变化进行了实验研究，实验表明，岩石摩擦滑动失稳前沿断层一侧的测线上观测不到测速变化，沿着跨断层的测线可观测到波速下降的前兆，因此，尝试用波速异常预断层带粘膜型地震时，选择测线应跨断层。     

用有限元方法研究含摩擦多断层周围的应力场

本文使用有限元方法,研究了含摩擦多断层问题.在研究中,计算了几个物理模型（如共线、共轭等）和含摩擦多断层的应力场,并用计算机绘制出一批含摩擦多断层应力等值线图.结果表明,含摩擦多断层的应力场与单一断层相差甚远,在断层的交汇处,应力集中的范围和程度远大于断层的外端;断层的应力场在空间上分布很不均匀;高应力区和低应力区的分布随载荷作用方式和断层的形态各异.断层内的摩擦力对应力场的分布有很大的影响,并可能对断层的扩展行为起着非常重要的影响.     

辉长岩摩擦实验中断层泥的剪切组构及成因

模拟断层泥的摩擦实验对地震的成核及断层带变形组构的研究具有重要意义。文中对辉长岩摩擦实验中的断层泥变形组构及形成机理进行了研究 ,以期从实验室角度来理解地壳深部断层活动的性质和特点。断层泥剪切组构中的边界剪切带 ,R1,Y剪切面比较发育 ,T裂隙次之 ;R2 ,P ,X剪切面不发育。R1面与边界面的夹角较小 ,平均在 1 1°左右 ,为单剪变形过程中达到破裂极限状态时形成的 1组库仑破裂面。分析表明R1面密度随正应力的增加而明显增高。而在相同的正应力下 ,随温度的增高 ,R1面的密度也有增加的趋势。当温度高于 5 0 0℃时 ,断层带内的斜长石出现塑性变形特征 ,R1剪切面与矿物的压性面理组成典型的S -C组构     

用有限元方法研究含摩擦多断层周围的应力场

本文使用有限元方法,研究了含摩擦多断层问题.在研究中,计算了几个物理模型（如共线、共轭等）和含摩擦多断层的应力场,并用计算机绘制出一批含摩擦多断层应力等值线图.结果表明,含摩擦多断层的应力场与单一断层相差甚远,在断层的交汇处,应力集中的范围和程度远大于断层的外端;断层的应力场在空间上分布很不均匀;高应力区和低应力区的分布随载荷作用方式和断层的形态各异.断层内的摩擦力对应力场的分布有很大的影响,并可能对断层的扩展行为起着非常重要的影响.     

岩石和断层泥摩擦特性的现场大尺度试件实验研究

为了研究岩石与断层泥的摩擦特性,在远安断裂带附近的灰岩体中开挖试洞、制作试体,进行大尺度试件的现场实验研究.实验用直剪法进行.试体的尺度为506030cm3.试体与岩体间的摩擦面积为3000cm2.摩擦面分为天然断层面、软弱夹层面和节理裂隙面三种.测得的摩擦系数平均值是:（1）天然断层面————0.48;（2）软弱夹层面————0.41;（3）节理裂隙面————0.84.与室内小试件实验结果进行对比,发现现场断层泥的摩擦系数与室内实验结果相近.现场岩石的摩擦系数与室内粗糙岩石的实验结果相近.由于摩擦面积的增大,摩擦面上各点介质屈服的时间有明显的差别.部分摩擦面上介质的较早屈服可作为预报整体失稳的前兆.      

现场大尺度摩擦实验中观测到的断层泥中的塑性变形波

本文介绍了在断层区的岩体中进行的现场大尺度摩擦实验。实验的目的是探索地壳中变形波的存在。实验结果表明,在加载时断层泥屈服时间不一致,加载一端的断层泥先屈服,然后屈服范围逐步扩大,此过程相应于塑性变形波在断层泥中的传播。实验测得试件中塑性变形波波速约为2—3 cm/min,实际相当于10—16km/year。     

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.     

乌鲁木齐市断层附近地应力特征与断层活动性

为了查明乌鲁木齐西山—碗窑沟断裂带地应力分布特征, 在研究区20 km×20 km的范围内布置12个基岩应力钻孔,采用水压致裂地应力测量技术进行了基岩原地应力测量;共布置了2条观测剖面,第一剖面是沿断层走向布置了7个钻孔,第二剖面在垂直断层走向布置了6个钻孔(与第一剖面共用1个钻孔).根据实测的地应力资料,断层附近最大水平主压应力方向为NE—NEE向,与区域构造应力SN—NNE向主压方向有一些差异,说明受断层活动影响,断层附近的应力状态与区域应力场明显不同.利用地应力实测资料,研究了断层的活动性,在测量深度域内水平和垂直应力的关系为σH＞σh＞σv,该应力状态有利于逆断层活动,与地质资料反映的以逆断层活动为主基本一致.利用库仑摩擦滑动准则,摩擦系数取0.6~1.0分析,断层附近的现今地应力状态达到或超过产生逆断层摩擦滑动的临界值,表明测区现今构造应力有利于逆断层活动.     

1906年地震及了解地震及其危险性一个世纪的进展

引言 在20世纪之初,旧金山是太平洋沿岸最富庶、最重要的城市。人口40万,主要由于矿业和铁路财富的成果,它成为美国第八大城市和西部地区的经济中心。然而在1906年4月18日清晨,强烈的地震将整座城市摇醒,连同随后的风暴性大火,将该城市的大部分化为灰烬和废墟。     

对J C Savage关于“沿圣安德烈斯断层蠕变部分的无震滑动和垂直断层应变”所作评论的回复

太平洋板块与希拉内华达大峡谷微板块间的相对运动大多数是通过沿圣安德烈斯断层的走向滑动来调整的。在圣安德烈斯断层中部（CSAF）,沿走向的滑动近于以无震断层蠕变的形式发生（Thatcher,1979;Titus等,2006;Rolandone等,2008;Ryder and Burgmann,2008）。     

对F Rolandone等所作“沿圣安德烈斯断层蠕变部分的无震滑动和垂直断层应变”一文的评论

Rolandone等2008年报告了加州中部邻近圣安德烈斯蠕变部分的应变率的估计值。其中部分应变率估计值是基于从短程数据（例如2003年4月-2004年8月）推出的遗迹速度（其中包括2003．975圣锡米恩和2004．744帕克菲尔德地震的同震校正）。