2001年MW7.8昆仑山地震震后形变观测、机制与青藏高原中北部岩石圈流变:认识与挑战

2001年M_W7.8昆仑山地震是近半个世纪以来青藏高原发生的最大震级地震。同震破裂产生的巨大应力扰动驱动控制着显著震后形变。二十年尺度的大地测量数据记录了地震后长时间、大范围、时空依赖的震后形变演化过程及差异,揭示了昆仑山地震破裂段复杂的断层分段震后运动学特征、分段摩擦性质差异和青藏高原中北部岩石圈流变性质/结构横向各向异性。本文简要回顾昆仑山地震后基于二十年尺度时序InSAR和GPS的震后形变观测方法和时空特征,特别是时空密集的InSAR观测,是该构造区震后GPS观测的重要补充及其不可替代的观测手段;总结大范围震后形变模拟方法及其揭示的震后运动过程、多种动力学机制及其关系。最后总结提出昆仑山地震震后形变20年研究取得的科学认识及尚待深入研究的科学问题,一方面要持续性地对东昆仑断裂带大范围地表形变进行观测研究;另一方面,要不断更新震后形变模型,进一步深化对该断裂带地震周期形变、区域构造对周期形变控制作用、复杂断层运动时空演化机制的认识。      

1990年青海共和7.0级地震震后垂直形变研究

根据1990年青海共和地震震后地表垂直形变,通过模型拟合得到了支配共和地区震后形变场时空演化的形变源及其力学机制.分析穿过断层的震前1期和震后6期水准数据,结果表明震后垂直形变具有以下特征:①震后震区上盘继续发生继承性的大幅度上升,其中震后头一年上升速率最大;②震后上升区范围显著,范围随时间变化不大,但较同震形变上升区范围增大;③震后相邻测站高差观测值的时间序列明显具有对数衰减特征或指数衰减特征,衰减特征时间分别为0.165年和1.344年.本文还发展了一个利用水准数据与连续介质位错模型研究震后形变机制的新方法.该方法用相邻水准点之间的原始高差观测值而非它们相对参照点的积分值来约束连续介质位错模型,可以有效减少误差累积带来的偏差并充分利用观测数据.利用这一方法的初步分析结果表明,断层震后滑移和介质黏弹性松弛共同导致了共和地震震后形变.前者表现为发生在断层面及其延伸部分的滑移,特别是位于主破裂上方沉积层内的滑移;后者则表现为下地壳与上地幔内的黏弹性松弛,黏滞系数为1020Pa.s量级.     

基于GPS观测研究2010年青海玉树MS7.1地震震后地壳形变特征及其机制

2010年4月14日青海玉树M_S7.1地震发生在青藏高原东南部甘孜-玉树地震带,在震后7~10天内,我们快速建立了由15个GPS测站组成的跨地震破裂带观测剖面,包括1个连续站,3个半连续站和11个流动站,对所有站进行了240多天的观测,获取了该次地震的震后形变时空特征.采用欧拉矢量和位错模型解算了背景速度场,并从GPS观测的形变场中扣除该分量.采用分层黏弹性位错模型计算余震引起的地表形变,结果表明余震对部分测站的位移造成不可忽视的影响.采用对数模型拟合位移时间序列,表明特征衰减时间为6.7±1.2天.利用最速下降法反演震后余滑时空分布,反演结果表明震后断层活动以左旋滑动为主,断层南盘具有少量的抬升.在空间分布上,余滑主要位于同震破裂区的两侧,西北侧的余滑几乎达到地表,而东南区的余滑基本在同震破裂区的下方,余滑最大的区域位于结古镇东南下方10~20 km的深度范围.随着震后离逝时间的增加,2个余滑区在空间上保持不变,余滑区的面积逐渐扩大.余滑的矩释放为（1.5~5.1）×10¹⁸Nm,相当于1个M_W6.1~6.4地震释放的能量.分层岩石圈黏弹性模型计算的地壳孔隙弹性反弹形变与地表观测值相差较大,不能解释观测到的震后变形.采用麦克斯维尔流变体模型计算下地壳和上地幔松弛引起的地表形变,显示出其对地表形变的贡献较小.GPS观测得到的震后形变所具有的快速衰减特征,以及余滑模型能够较好地拟合GPS地表形变,表明2010年玉树M_S7.1地震后早期阶段的地壳形变主要是由余滑机制决定的.     

2011年日本MW9.0地震震后形变机制与震源区总体构造特征

本文利用较为完备的球体位错理论,结合4.5年的震后位移数据,优化了2011年日本M_W9.0地震震源区岩石圈弹性层厚度与地幔黏滞性因子,更新了该强震断层余滑时空演化过程.首先,基于日本列岛215个均匀分布的GPS连续观测站震前2年与震后4.5年的观测数据,提取了2011年日本M_W9.0地震引起的震后位移时空变化;接着,依据断层余滑衰减相对较快的特点,利用黏弹性球体位错理论对震后3~4.5年的GPS观测数据进行反复拟合,确定2011年日本M_W9.0地震震源区地幔黏滞性系数和岩石圈弹性层厚度的最优解分别为6×10¹⁸ Pa·s和30 km;然后,从震后3年内GPS观测数据中剔除地幔黏滞性松弛效应,获取了断层余滑对应的震后位移场;最后,利用基于球体位错理论的反演算法,反演了2011年日本M_W9.0地震断层余滑的时空演化过程.结果表明,2011年日本M_W9.0地震引起的断层余滑在震后半年内变化显著,震后2年主震区域余滑基本停止,断层的两端存在一定的余滑效应,断层余滑的累计矩震级达到8.59;地震后4年,地幔黏滞性松弛效应对震后位移场的贡献在总体上超过断层余滑的贡献.

     

联合GPS和GRACE观测研究日本MW9.0地震震后变形机制

利用GPS和GRACE观测数据研究了日本M_W9.0地震的震后变形特征.GPS观测显示,区域震后位移呈现随指数函数变化特征,变化速率符合大森公式的衰减特性;近五年的震后水平位移累积已达到东向60~165 cm,南向20~65 cm的量值,距震中较远站点已超过同震变化量,且震后变形仍然持续.GRACE观测到显著的震后重力变化,地震破裂两侧的重力变化总体均呈上升趋势,但海洋侧的变化速率较快.联合震后余滑和黏弹性位错理论对震后变形进行了模拟,探索了GPS和GRACE观测的综合应用方法.研究发现,综合考虑震后余滑和黏滞性松弛效应可以对日本地震的震后变形做出较合理的解释,震后初期余滑起主要作用,1至2年以后逐渐减弱,黏滞性松弛作用逐渐增强.在震后变形模拟和区域黏滞性结构反演中形成GPS和GRACE观测结合应用的方法,先基于震后GPS形变估算区域黏滞性结构,而后利用GRACE观测修正深部的黏滞系数,并综合利用这两种观测微调浅层黏滞系数,最终确定区域黏滞性结构.基于该方法反演了日本震源区的地幔黏滞性结构,地震断层破裂两侧的流变参数存在差异,大陆侧的地幔顶层黏滞系数在1.0×10¹⁹ Pa·s量级,而海洋侧的则略小于大陆的,在6.0×10¹⁸ Pa·s量级.

     

震后短期和长期形变模拟——以1960年智利Mw9.5地震为例

以1960年5月智利瓦尔迪维亚(Valdivia)Mw9.5地震为例分析震后不同时期的形变,实现了以Burgers体为粘弹介质模型来模拟震后粘弹松弛效应有限元数值模拟.计算结果表明,该粘弹介质模型可以模拟地震引起的瞬时同震弹性响应及震后粘弹松弛的短期和长期响应.由1960智利Mw9.5地震震后模拟的应变率显示以Burgers体为粘弹介质模型可以解决Maxwell体在模拟震后短期和长期形变不协调问题.     

盲逆断层震后变形耦合机制研究——以2017年伊朗MW7.3地震为例

震后变形是地震周期中一个重要阶段,深入研究其产生机制有助于提高对地震演化过程、断层性质及地震危险性评估的认识.2017年伊朗M_W7.3地震InSAR观测资料丰富,为研究扎格罗斯造山带山前褶皱带盲逆冲断层震后变形机制提供了切入点.合理详细的震源模型及高精度的形变观测是开展震后余滑或黏弹松弛研究的首要前提,本文采用多视角InSAR资料联合远场波形数据反演该地震的破裂滑动分布,并解算得到伪三维地表位移,利用InSAR时序分析提取震源区主震后一年半内变形特征,显示震源区震后形变特征与同震位移场类似,LOS向形变速率最大值约8 cm·a^-1,震后变形预示震源区可能存在明显的震后应力调整现象.利用震后半年内形变资料约束的纯运动学余滑模型表明同时期释放能量为矩震级M_W6.7,进一步探讨应力驱动震后余滑及下地壳黏弹性松弛对震后变形的贡献,基于分层黏弹模型的模拟计算表明震后余滑和黏弹松弛效应的耦合模型可以更好地解释地表震后变形特征,其中震后余滑主要分布在同震破裂区的上方浅部,对主震后一年半内震后地表变形起主导作用,震源区壳下黏滞系数量级下...     

汶川大地震震后重力变化和形变的黏弹分层模拟

基于有限矩形位错理论及陈运泰等、JiChen等通过地震波反演的断层模型,结合研究区地壳——上地幔平均波速分层结构,利用PSGRN/PSCMP软件模拟计算了黏弹分层半空间中汶川地震（Ms8.0）产生的同震及其震后地表形变和重力变化,同时给出了震后形变和重力变化的年变化率．模拟结果表明,同震形变和重力变化显示出发震断层倾滑逆冲兼具右旋走滑综合特征;其变化主要发生于断层在地表的投影区附近,震后地表重力变化和形变量均不断增大,影响的范围也不断扩张;震后50a间近场年均形变量可达10mm,年均重力变化量可达2times;10-8m/s2,而远场年均形变量一般低于2mm,年均重力变化量一般低于0.4times;10-8m/s2;形变和重力变化在震后200a内变化较为显著,变化率逐渐减小,水平位移在400a后基本稳定不变,垂直位移、重力变化和大地水准面变化在800a后基本稳定不变．      

从震后形变探讨青藏高原下地壳黏滞系数

青藏高原下地壳黏滞系数究竟是多少,已成为深入定量研究中的突出问题,它的数值量级将极大地影响定量模拟的结果．为了获得青藏高原下地壳的黏滞系数,从3条途径对该参数进行了计算：一是基于对青藏高原深部温度状态改进了的估计,用流变定律和GPS求得的应变速率对高原北部下地壳黏滞系数重新进行了估算,获得的昆仑山地区中地壳等效黏滞系数为10^20～10^22Pa．S量级,下地壳等效黏滞系数在10^19～10^21 Pa．s之间．二是用3种流变模型对2001年昆仑山Ms8．1级地震震后跨断层GPS站点记录到的震后变形进行了模拟,得到的下地壳黏滞系数为10^17 Pa．s量级．三是用黏弹性模型对炉霍地震后的跨断层形变曲线进行了拟合,得到的下地壳黏滞系数为10伸Pa．s量级．前人研究等效黏滞系数时忽视了等效黏滞系数与应变速率存在的非线性关系,本研究结果协调地解释了实验室实验、大地震后较短时期的变形和大地震后较长时间变形下,其等效黏滞系数存在差异的问题．     

1999年台湾集集地震震后地表变形的力学机制

1999年台湾集集地震震后450天的GPS观测资料显示了几十到几百毫米的地表位移.下地壳的震后黏性松弛和断层无震蠕变产生的震后滑动是用来解释地表震后变形的两个主要机制.本文利用接触问题的黏弹性有限元(LDDA)方法,以GPS观测数据作为约束,分别考察了黏性松弛和震后滑动机制对地表震后变形的影响.计算结果表明,黏性松弛机制产生的地表位移与观测数据吻合较好,通过试错法由震后GPS观测约束得到的下地壳黏度为1017Pa·s,而上地幔黏度对计算结果影响不大.考察震后滑动机制对地表变形的影响时,在LDDA方法中结合了速率状态摩擦定律,结果显示震后滑动机制不能很好地解释震后450天的观测数据,它产生的地表变形只在震后50天内与观测大致吻合,之后位移值基本不随时间变化.这些结果有助于增进对集集地震震后变形机制的认识.     

智利M_W8.8地震同震重力梯度变化

利用GFZ Release 05卫星重力GRACE观测数据,计算2010年2月27日智利MW8.8逆冲型地震的同震重力和重力梯度变化,分析其分布特征,可知:由GRACE探测到的同震重力变化在断层俯冲区域可达-9.5μGal,断层隆升区域可达+3.5μGal,结果与利用SNREI地球模型的位错理论计算的同震重力变化较一致,说明利用GFZ Release05 DDK5滤波数据,更能精确的反映同震重力场变化;GRACE检测的智利地震同震径向重力梯度变化Trr最大可达-600μE,位于发震断层东侧俯冲区域;通过对同震重力梯度分布特征分析,初步判断发生同震物质迁移的区域范围在断层俯冲区域为(67°—72°W,33°—38°S),在断层隆升区域为(73°—77°W,35°—39°S)。     

昆仑山Ms 8.1级地震震后变形场数值模拟与成因机理探讨

2001年11月14日,在青海和新疆交界处发生了昆仑山M_s8.1级强烈地震,GPS后观测显示,此次地震震后形变不仅在断裂南北两侧存在很大的差异,而且在短时间调整后断裂南北两侧表现为同向运动.本文以观测的地震形变为约束,通过有限元数值模拟分析昆仑山地震震后形变的物理机制.建立有关的有限元虚功方程,通过有限元数值方法模拟震后形变,从理论上分析介质的非均匀性、黏滞性松弛、流体调整对震后形变的影响.采用网格搜索确定昆仑断裂南北两侧下地壳的黏滞系数分别为5.0×10¹⁷Pa·s, 9.0×10¹⁸Pa·s左右,正是这十余倍的差异引起了断裂两侧震后形变的非对称性和同向运动,这一差异既是长期地质作用的结果,又是现代地球动力学环境的决定因素之一.通过数值模拟定性讨论了断裂北侧地表形变在震后短期内的调整,对于靠近断裂附近的测点可能是黏弹性松弛和孔隙流体调整共同作用的结果,所以在分析短期震后形变时综合考虑黏弹松弛和孔隙流体调整是很有必要的.     

A viscoelastic relaxation model for post-seismic deformation from the San Francisco earthquake of 1906

We present a realistic model of the San Andreas fault zone. We propose that aseismic ground displacement is a sum of visco-elastic relaxation following large earthquakes, transient fault slip, steady fault slip and a large-scale relative plate motion. We used the model to explain the aseismic ground displacements observed after the San Francisco earthquake of 1906.The data do not resolve the question of which is the dominant mechanism, but viscoelastic relaxation can contribute a significant fraction of the displacement if the elastic plate thickness is 50 km or less. If the relative plate motion is taken to be 5.5 cm/yr, as found from plate rotation pole studies, then the zone of significant shearing in the mantle is probably at least 100 km thick beneath California.     

2010智利莫尔M_W8.8地震对其破裂区及附近地区地震活动性的影响

强震的发生与地壳中应力增加有关。库仑破裂应力被用于研究由于某次强震发生所产生的应力变化。2010年智利莫尔M_W8.8地震发生之后,其破裂区以南地区没有发生M≥6.0地震,而在其以北地区于2015年在智利发生了伊亚佩尔M_W8.3级地震。在这两个地区地震活动性悬殊。本文利用库仑破裂应力研究了2010年智利莫尔M_W8.8地震在这两个地区产生的应力变化。结果表明,2010年智利莫尔M_W8.8地震在其破裂区以北地区产生的应力变化为正值,有利于断层错动发震,而在其破裂区以南地区产生的应力变化为负值,具有抑制断层错动发震的作用。     

2010年智利Ms8．8地震震相特征分析

对昆明地震台数字地震仪记录的2010年2月27日智利Ms8．8地震的震相进行分析,与格尔木、高台、呼和浩特、成都、银川、兰州、西妥等7个地震台记录进行对比,提出智利地震的记录特征、分析难点,并将JB表中Pdif波走时曲线的截止距离从150°延伸到177．8°。     

2010年智利8.8级地震在北京房山岩体附近的动态触发活动

本文采用波形分析和β统计方法,基于首都圈地区数字测震台网和部分流动地震台的观测资料,对2010年2月27日M_w8.8智利大地震在北京房山岩体附近地区的动态触发活动进行了分析讨论.结果表明,在背景地震活动相对较弱的北京房山岩体附近,我们检测出至少5次小震活动事件在智利地震面波到达时发生.这些触发活动显著地改变了房山岩体地区这一地震活动相对平静地区的地震活动性,但是对北京地区地震活动性的影响并不明显.NKY地震台记录的智利地震触发活动的最大动态应力与之前的研究结果相比要小,约为7 kPa.这可能与房山岩体附近地区的背景地震在智利地震前一直较为平静有关.此外,相对有利的面波入射方向,以及在对蹠点上的前两组面波叠加的效应等因素综合作用,使得本研究能在约2万公里极远处观测到远震触发小震活动.然而,在随后的多次面波叠加期间并没有观测到明显的触发地震活动.在智利地震10 h前发生的琉球M_w7.0地震也未在房山地区触发相关的微震活动,这可能与它们引起的动态应力变化太过微弱有关.     

2010年青海玉树地震同震-震后形变场特征及演化过程

基于星载合成孔径雷达差分干涉测量技术(DInSAR)和4期ENVISAT/ASAR雷达数据,获得了不同时间基线的三个同震干涉形变场和两个震后干涉形变场,并对这五个在时段上互有重叠的形变场进行了综合分析.结果表明,玉树地震同震形变场为围绕发震断层NW展布的椭圆形干涉条纹,覆盖范围约89 km×59 km.断层运动性质为左旋走滑.两盘最大视线向相对形变量至少达45 cm,最大形变出现在结古镇附近.时间基线不同的同震形变场总体上基本一致,但两盘最大相对形变量和局部形变存在差异.震后时间较长的干涉对反映的最大形变量反而减小;在震后时间较短的干涉对上于结古镇西南侧观测到的局部形变,在震后时间较长的干涉对上却没有出现.分析认为在形变量最大的结古镇附近可能出现了震后快速弹性回弹,导致随震后时间延续,形变量反而减小的现象.玉树地震震后形变主要出现在断层附近、震后不久的时段内,形变量在8 cm以下,具有与同震方向一致和相反的两种震后形变方式.在结古镇西南观测到一个与同震形变相反的局部沉降,应为震后弹性回弹.在微观震中处的断层附近观测到与同震方向一致的震后形变,可能是震后余滑.通过对地震前后不同时间基线的多个干涉对的联合对比分析,可以在一定程度上区分同震形变与震后形变,更好地研究地震引起的变形过程,特别是地震断层附近短期震后形变场的演化过程,为进一步研究断层带的岩性特征、物理力学及运动特性提供约束.