应力减小引起的岩石破坏与地震

最近完成的岩石力学三轴实验表明,岩石的破坏既能由最大主应力的增加引起,又能由中等主应力的变化(增加或减小)或最小主应力的减小引起,因此联系到地震的发生也是如此。地震前必须有一个应力和能量的增加过程,但地震不一定发生在应力和能量的增加过程中,地震也可以发生在应力和能量的减小过程中。文章还讨论了能够引起地壳中应力减小的作用,並从地震活动性方面探索应力减小引起地震的可能性。     

应力减小引起地震

最近完成的岩石力学实验表明,在三轴应力状态下最大主应力的增加、中等主应力的变化(增加或减小)和最小主应力的减小都能导致岩石的破坏。由此启示,地震的发生既可能由地壳中的最大主应力的增加引起,又可能由中等主应力或最小主应力的减小引起。讨论了地壳中可能引起应力减小的作用,并从地震活动的规律性探讨了应力减小引起地震的可能性。指出在地震研究的各个领域中,不仅应考虑应力增加和能量积累过程中发生的地震,还应考虑在应力减小和能量减小过程中引起的地震。      

强地震前兆异常特征与深部流体作用探讨

根据华北几次强震前后地下流体和重力异常特征,结合大地测深资料探讨了地震发生前后深部介质的变化和地壳浅层应力场变化特征。地震发生前震中区地下水位异常主要表现为下降型,气体异常呈上升型,重力和形变也出现异常;在外围地区地震前地下水位异常以上升型为主。 海城地震和大同–阳高地震前地下水位上升、下降异常有方向性分布的趋势,呈 X 形分布,这意味着地壳浅层应力场是压扭型的,并存在垂向应力的作用。在孕震过程中,地球深部流体向上运移,使得震源区及其附近的岩石膨胀、密度降低,震中区地壳浅层应力场呈拉张型,造成地下水储容积增大,地下水位出现了下降型异常。 在特定的构造单元内,地下流体、重力异常的空间分布特征能较好地反映地球深部物质运动和地壳浅层应力场特征。     

江苏及邻区地震重新定位和构造特征分析

本文将双差定位和遗传算法定位两种方法相结合,对江苏及邻区1980～2005年的地震进行重新定位研究.重新定位后大大改善了原地震定位的精度,地震在空间上更加集中分布在某些区域,地震震源深度分布结果更加合理.江苏及邻区地震主要发生在上地壳和中地壳;研究区不同构造单元的震源深度统计分析表明,下扬子断块江苏段、冀鲁断块和豫皖断块的地震震源深度特点相似,在10～11 km、15～17 km深处存在二个明显的地震优势分布,推测分别在上地壳底面和中地壳;在25 km深处也存在一小的地震优势分布面,但地震频次较低.大别山地区地震的震源深度与下扬子断块、冀鲁断块和豫皖断块内的地震震源深度存在明显的差异,主要差异为大别山地区10 km以上的浅源地震十分发育,在6～7 km的深处有一地震优势分布,该深度附近地震波速度可能较高,而在10 km以下差异不大.     

Damage Localization,Sensitivity of Energy Release and the Catastrophe Transition

-- Large earthquakes can be viewed as catastrophic ruptures in the earth's crust. There are two common features prior to the catastrophe transition in heterogeneous media. One is damage localization and the other is critical sensitivity; both of which are related to a cascade of damage coalescence. In this paper, in an attempt to reveal the physics underlying the catastrophe transition, analytic analysis based on mean-field approximation of a heterogeneous medium as well as numerical simulations using a network model are presented. Both the emergence of damage localization and the sensitivity of energy release are examined to explore the inherent statistical precursors prior to the eventual catastrophic rupture. Emergence of damage localization, as predicted by the mean-field analysis, is consistent with observations of the evolution of damage patterns. It is confirmed that precursors can be extracted from the time-series of energy release according to its sensitivity to increasing crustal stress. As a major result, present research indicates that the catastrophe transition and the critical point hypothesis (CPH) of earthquakes are interrelated. The results suggest there may be two cross-checking precursors of large earthquakes: damage localization and critical sensitivity.     

Variations of electric resistance and H2 and Rn emissions of concrete blocks under increasing uniaxial compression

Electric resistance and emissions of hydrogen and radon isotopes of concrete (which is somewhat similar to fault-zone materials) under increasing uniaxial compression were continuously monitored to check whether they show any pre- and post-failure changes that may correspond to similar changes reported for earthquakes. The results show that all these parameters generally begin to increase when the applied stresses reach 20% to 90% of the corresponding failure stresses, probably due to the occurrence and growth of dilatant microcracks in the specimens. The prefailure changes have different patterns for different specimens, probably because of differences in spatial and temporal distributions of the microcracks. The resistance shows large co-failure increases, and the gas emissions show large post-failure increases. The post-failure increase of radon persists longer and stays at a higher level than that of hydrogen, suggesting a difference in the emission mechanisms for these two kinds of gases. The H₂ increase may be mainly due to chemical reaction at the crack surfaces while they are fresh, whereas the Rn increases may be mainly the result of the increased emanation area of such surfaces. The results suggest that monitoring of resistivity and gas emissions may be useful for predicting earthquakes and failures of concrete structures.     

Shear-wave splitting in a critical crust: III. Preliminary report of multi-variable measurements in active tectonics

This is a preliminary report on two sets of recent observations from a region of active tectonics that provide comparatively direct evidence for the critical state of the fluid-saturated microcracked crust. The first data set from crosshole seismics in a controlled source stress-monitoring site (SMS) shows that the crust of the Earth is highly compliant and responds to low-level changes of tectonic stress at substantial distances. The second set of data from earthquake seismograms shows that the seismically active Húsavík–Flatey Fault plane is pervaded by critically high pore-fluid pressures, which cause 90° flips in the polarisations of seismic shear waves. We suggest that both sets of observations confirm previous hypotheses for a compliant crack-critical (CCC) crust. This is a new understanding of low-level pre-fracturing deformation that has fundamental implications for a range of applications in solid earth geophysics. These applications range from monitoring hydrocarbon production with time-lapse seismics to monitoring tectonic stress in in situ rock and stress-forecasting the times and magnitudes of impending large earthquakes.     

紫坪铺水库水位变化对剪切波分裂参数的影响

本文通过对2006—2009年四川紫坪铺水库库区8个地震台站记录的地震事件,采用剪切波分裂方法获得了水库库区剪切波分裂参数,并结合地震活动性与水库水位之间的变化关系,分析了紫坪铺水库库区地壳应力的变化特征.剪切波分裂结果显示该研究区域快波偏振方向有两个,分别为北东向和北西向,充分体现了紫坪铺水库地区地壳应力是由北西向的区域主压应力与南东走向的龙门山断裂带综合作用的结果.慢波延迟时间平均值为5.8ms·km-1,慢波延迟时间较大的地区位于库坝和库尾,分别是水库蓄水排水引起地壳应力变化最大的区域.对比慢波延迟时间的变化和水库水位的变化显示了慢波延迟时间与水库水位之间的一致变化关系,揭示了水库的蓄水排水对地壳应力的影响.     

远震前的地电场潮汐波异常

分析了5次远强震前河北省昌黎台、兴济台记录到的电场异常,发现该异常主要集中在震前2个月左右的时段内, 具有很好的短临预报意义. 震前电场呈现不同的异常特征,但与固体地球潮汐波变化关系密切,如半日、半月等潮汐波周期信号增强,引起电场变化幅度增大;或本该正常记录到的潮汐变化幅度突然减小或消失;以及高频信号增多并伴有跃变现象. 分析异常产生机理认为,强震前的这种异常现象是震源区临震孕育过程中岩石弱化产生的电场异常,经自由空间或地壳传播到达地电台站后,与台站记录的电场潮汐波相叠加产生潮汐波增强或减弱现象. 高频异常可能与台站下方岩石孔隙度、渗透率等介质性质的改变有关,反映了强震的远场动态效应.      

Tidal wave anomalies of geoelectrical field before remote earthquakes

Introduction Geoelectrical field is a kind of intrinsic geophysical field of the earth, affected by kinds of current systems in outer space and electric properties of media underground, so it carries abundant interior information of the earth. Since 1981 when the group of “VAN” in Greece carried out the study of electric field observation by multi-polar distances (Varotsos and Alexopoulous, 1984a, b), more and more scientists in the world paid extensive attention to it due to its better re…     

Can Damage Mechanics Explain Temporal Scaling Laws in Brittle Fracture and Seismicity?

Time delays associated with processes leading to a failure or stress relaxation in materials and earthquakes are studied in terms of continuum damage mechanics. Damage mechanics is a quasi-empirical approach that describes inelastic irreversible phenomena in the deformation of solids. When a rock sample is loaded, there is generally a time delay before the rock fails. This period is characterized by the occurrence and coalescence of microcracks which radiate acoustic signals of broad amplitudes. These acoustic emission events have been shown to exhibit power-law scaling as they increase in intensity prior to a rupture. In case of seismogenic processes in the Earth's brittle crust, all earthquakes are followed by an aftershock sequence. A universal feature of aftershocks is that their rate decays in time according to the modified Omori's law, a power-law decay. In this paper a model of continuum damage mechanics in which damage (microcracking) starts to develop when the applied stress exceeds a prescribed yield stress (a material parameter) is introduced to explain both laboratory experiments and systematic temporal variations in seismicity.     

The experimental investigation of micro-cracks nucleation in typical tectonics

IntroductionTheexistenceandmeasurabilityofearthquakenucleationinvariousgeologicalbackgroundareimportantbasicproblems.Generally,crowdingtogetherandzonationdistributionofmoderateandsmaIlearthquakes(orsourceofAE)arenormalphenomenon(Mei,etal,l993).However,itisnotreliabIetoidentifythecrowdingofmoderateandsmallearthquakesasforeshockofstrongearthquake.Someauthors(Yu,Li,l998,Wang,l999)studiedthemethodstofindtheprecursorinformationastojudgetheriskofstrongearthquakesfromthefiguresofspace-timeevoluti…     

华北地壳应力场的基本特征

地壳应力场的研究是地震学中的一个基本课题。本文根据对四个方面资料的分析得到了华北地区（φ30°-41°N,λ105°-124°E）地壳应力场的基本特征。这些资料是:1.地震机制,包括1937年至1979年地震的断层面解和最近十多年中的小地震综合断层面解;2.地震时的地面裂缝;3.公元143年至1976年41次M≥6地震的等震线的长轴方位;4.某些大地震地区的大地测量结果。这是一个一致性相当好的应力场,其最大压应力轴为北东东向,最小压应力轴为北北西向,并且都近于水平向。 从一些大地震的观测事实来看,具有这种一致性应力场的范围要比华北地区大,在远离华北的地方,仍表现出同华北以内相似的地壳应力场。这个事实表明,上述地壳应力场的来源,不限于华北地壳内部,而同更大规模的构造运动有关。欧亚板块、印度洋板块同太平洋板块三者之间的相互作用,以及华北所处远离板块边缘的特殊位置,可能是造成该应力场特征的主要原因。     

雷州半岛地裂缝及其构造蠕变成因

从1969年开始,雷州半岛每年或隔年频繁发生地裂缝,论述了雷州半岛地裂缝的分布特征．指出区内的地裂缝主要与地质构造、地壳活动（海岸抬升）相关,也和邻区强震、中强地震及区内的小震和微震部分相关．认为区内的地裂缝主要属构造蠕变地裂缝。推测与1969年其邻区阳江发生的6.4级强震对本区构造活动的激发并改变其地壳活动性有关。     

地温变化与地震

本文根据地震前地壳中由于地应力场的变化而会引起地温变化的想法,阐述了对埋在地下三米深处的温差电偶用电桥所测出的阳江县1973年地温日变化曲线与当地二级以上小地震在时间、地点及震级方面的经验关系。为寻找前兆现象提供一点资料。     

典型构造微破裂集结的实验研究

通过大理岩破裂实验,考察了典型构造中微裂纹的演化、集结的过程和特征．根据损伤理论,分析了构造对微破裂演化的控制作用．根据微破裂集结临界条件的相似原理,认为这些特征可以类推到公里尺度,它们有助于解释地震中短期阶段的前震或广义前震分布,作为地震前兆的一次效应．其它物理效应为二次或三次效应．微破裂集结时局部密度突然加大,有助于解释部分前兆记录突跳现象．非集结部分出现部分微裂纹愈合,密度反向变化,有助于解释一些前兆记录在短临阶段记录中出现反向的现象．考察了不同构造的不同部位微破裂萌生和演化的范围差异,这些差异有助于解释不同地质构造孕震区域的孕震过程,从而可解释板缘和板内地震前兆记录的差异．这种差异可能被不同观点学者分别引用,以论证地震是否有前兆记录的问题．然而,在考察不同地区的前兆记录时,必须注意不同地区的地质背景．      

龙门山和鲜水河断裂带对区域构造加载作用的动态响应

为了研究汶川地震和鲜水河断裂带上的地震之间是否有触发作用及区域构造加载作用在这些地震发生过程中对应力场的影响.我们以汶川地震和鲜水河断裂带所在区域上的共7次地震为研究对象,区域构造加载作用由GPS速度边界近似,用分裂节点技术模拟上地壳地震的发生,并采用三维黏弹性有限元方法,模拟库仑应力的演化.研究结果表明:鲜水河断裂带上的地震震前积累的库仑应力的17%~38%来自区域构造加载的持续作用,其他的地震形变引起的库仑应力的积累约占49%~67%,故地震触发作用明显(除1948年理塘地震和1973年炉霍地震外);而汶川地震震前1893—1981年发生的地震释放了该区部分库仑应力,不可能对汶川地震有触发作用.汶川地震的库仑应力积累可能主要来自区域构造加载作用,地震发生以后几乎释放了所在区域的所有库仑应力,形成新的格局.     

三维黏弹性数值模拟华北盆地地震空间分布与构造应力积累关系

华北盆地为我国板内地震多发区域,历史以来相继发生多次破坏性大地震.前人地震勘探与震源定位结果揭示了华北地震的空间分布特征:横向上,华北地震基本发生在地壳的薄弱地带(Moho面上隆),或者地壳厚度的急剧变化带;纵向上,华北地震在地壳一定深度范围内呈现成层分布特征;主震一般在上地壳底部9~15 km深度范围,余震多发生在大约深5~25 km的上地壳与中地壳范围内,在中地壳下层与下地壳中仅有少量或者鲜见有余震发生.为研究解释华北盆地地震空间分布的以上特征,本文建立了华北盆地岩石圈三维黏弹性有限元模型.震源机制和GPS反映华北盆地处于NNE最大主压应力方向挤压,因此对模型边界施以恒定的位移速率边界条件;数值模拟华北岩石圈各层位在数百年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,分析了华北地震空间分布与构造应力积累速率的关系,探讨了地壳结构与地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响.计算结果表明,Moho面的隆起与地壳各层位岩石介质的黏滞系数是华北盆地地震孕育的重要因素.华北盆地在构造挤压的持续作用下,Moho面隆起处产生明显应力集中现象.该区域应力在长时期的积累过程中,在脆性的上地壳与中地壳上层,应力表现近于线性增长趋势,上地壳底部较其它深度有最大的应力增长率,其主震可以在应力积累至岩石破裂强度时发生;在脆、韧性转换的中地壳下层,应力增长速率次之,华北地震的大部分余震可能在该层位为主震所触发;而在柔性的下地壳应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零,而鲜有地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象揭示了华北地壳的分层流变性质:脆性(上地壳)-较弱脆性(中地壳上层)-较弱韧性(中地壳下层)-较强韧性(下地壳)-韧性(岩石圈上地幔)的分层流变结构.     

滇西北地区的现代构造应力场

通过区内活断层性质、盆地生成和水系分布极向等的研究,进一步从地质上论证了该区北北西—近南北向的现代构造应力场。认为这一局部应力场是川滇菱块作南向滑移引起的地壳上部的构造变形事件。晚新生代以来的断陷盆地是这一滑移过程造成的地壳表层的拉分盆地。在地壳的下部有可能受到大区域板块北(偏东)向推挤作用的影响。中小地震和强震在深度分布、破裂特征及应力方向上的区别有可能是这种不同深度层次上应力差异作用的某些信息     

地壳流变结构控制作用下的龙门山断裂带地震发生机理

青藏高原东缘低地形变速率的龙门山断裂带上相继发生了2008汶川M_w7.9级地震和2013芦山M_w6.6级地震.地震勘探与震源定位结果揭示了龙门山区域地震空间分布特征：纵向上,龙门山断裂带这两次地震主震均发生在龙门山断裂带上地壳的底部（14~19 km）,绝大部分余震均发生在上地壳范围（5~25 km）,而在其中、下地壳深度范围内鲜见余震发生;横向上,地震（M_w>3）在龙门山断裂带青藏高原一侧密集分布且曾有大震发生,而四川盆地地震稀少（M_w>3）.为探讨龙门山断裂带地震发生机理,并解释以上龙门山区域地震空间分布特征,本文建立了龙门山断裂带西南段跨芦山地震震中区域的四种不同流变结构的龙门山断裂带三维岩石圈模型,以地表GPS观测资料为约束边界条件,数值模拟龙门山断裂带岩石圈在数千年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,探讨了地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响,分析了该区域地震空间分布与构造应力积累速率的关系.计算结果表明：该区域在数千年的应力积累过程中,脆性上地壳中应力表现近于恒定值的线性增长趋势,龙门山断裂带上地壳底部出现应力集中积累现象,这一应力集中现象可以解释龙门山断裂带汶川地震与芦山地震主震的发生,及其大部分余震在脆性上地壳中的触发;青藏高原一侧上地壳应力积累速率远远高于四川盆地的应力积累速率,这一应力积累分布现象可以解释龙门山区域青藏高原一侧地震密集而四川盆地地震稀少的地震空间分布特征;通过比较不同流变结构模型中的应力积累状态,认为导致这一应力积累空间分布状态的重要控制因素在于青藏高原中、下地壳较低的黏滞系数与四川盆地中、下地壳较高的黏滞系数的差异.在柔性的中、下地壳内,应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零,构造应力积累难以达到岩石破裂强度,因而鲜见地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象共同揭示了龙门山区域岩石圈分层流变结构：脆性上地壳、韧性中、下地壳（青藏高原一侧较弱,四川盆地一侧较强）、韧性岩石圈上地幔.