粘滑过程中的多点错动

在实验室利用分布式多通道瞬态信号采集系统,从近场条件下研究了岩石粘滑过程中沿断层的声发射信号的初动到时和初动方向空间分布,并结合瞬态高频应变记录系统观测沿断层的应变分布特征,对粘滑过程中的震源错动行为进行了研究。实验在双轴伺服加载系统上进行。分析表明,一次突发应力降对应的瞬时震源滑动过程是由多次更短暂的微小错动组成的,每次短小错动都产生自己的声发射事件,并依次对应不同的应变值快速改变。而每一次的微小错动也可能不止一个位错点,而是对应空间上多个启动点,从振动波初动信号的空间分布形式与沿断层应变场不均匀分布中可以找到证据。近场条件下观测到的粘滑过程多点错动现象对于理解震源过程的复杂性,解释现场地震震源不确定性与震源机制解的高矛盾比现象提供了可能的依据。     

粘滑过程中声发射序列的时间分布及前兆特征

用声发射波形采集分析系统记录的完整花岗岩在固体围压下破裂及粘滑过程中产生的声发射波形,研究了声发射和粘滑时间序列与天然地震序列的关系,讨论了粘滑过程的时间分布,发现粘滑事件的累积频度曲线随时间的变化受围压和应变率影响,大致呈现指数函数和线性关系两种形式。总事件(包括粘滑和声发射)的累积频度随时间的变化在不同的实验条件下呈现出对数函数形式,粘滑序列中的声发射随时间减少。本文的结果对于研究不同应变速率及不同震源深度的地区的地震活动时间分布特征,以及在判别地震活跃期内不同阶段强震序列类型和前兆特征有一定参考作用。     

2008年汶川地震近断裂区域变形场的空间分布

应用Yoshimitsu Okada及Steketee静态断裂位错模型及目前汶川地震研究成果,理论上反演龙门山近断裂区域在汶川地震中从震源深处至地表的变形(应变)场分布.通过矢量合成及坐标变换方法将Yoshimitsu Okada单一静态断裂位错模型应用于龙门山断裂带错裂研究中,重点研究汶川地震中因龙门山中央主断裂中、北段和山前断裂中段共同错动形成的应变场.模拟揭示了应变场平面和垂直分量的空间分布特征.研究发现:应变场垂直分量的幅值在震源深处大于地表,但在地表分布范围较大;应变场沿断裂走向分量的幅值和影响范围由震源深度至地表均逐渐增加;应变场垂直于断裂走向分量的变化情况类似于垂直向应变场;震源深度附近的大变形可能为龙门山断裂在地震中强烈挤压形成的塑性变形.研究表明从震源至地表,所有应变场分量从断裂两侧附近位置至远离断裂,幅值均迅速衰减;其中地表部分的最大变形与现有计算成果近似,变形场的变化特征与地表科考近似,断裂两盘变形方向与震后InSAR资料揭示的情况一致.     

2022年9月5日四川泸定MS6.8地震深部构造特征

2022年9月5日四川省泸定县发生M_S6.8地震.本次地震发生在鲜水河断裂南东段端部,位于鲜水河断裂与龙门山断裂、安宁河断裂相交汇的Y形区域.本文利用四川泸定地区的三维S波速度结构,结合地壳厚度、泊松比、GNSS应变场、构造应力场以及各向异性等资料,综合分析了震源区的深部结构.结果显示：泸定M_S6.8地震发生在地壳厚度、泊松比、布格重力异常以及最大剪切应变率的快速变化区内;震源附近S波速度在横纵向均表现为高、低速的过渡区域.震源西南侧有一个相对较小的低速体,可能是泸定地震发震的主要深部构造原因.GNSS应变场显示泸定地震位于最大剪切应变率显著高值区.震源机制解显示本次地震震中处于WNW向挤压、ENE向拉张的走滑应力结构,与鲜水河断裂的构造应力场一致.构造应力方向与GNSS主压应变方向有良好的一致性.近场地震记录得到的上地壳S波分裂结果显示,Y形交汇区内快S波主要有两个优势偏振方向,其中WNW(近EW)方向为交汇区的主压应力方向.本文推测,鲜水河断裂是泸定地震的主控断裂,但龙门山断裂对本次地震有重要影响.     

我国华北等地区板内地震的深度分布及其物理背景

本文利用近年来地震及地壳结构资料,研究了震源深度分布。震源主要分布在4—20公里的深度范围内,称为地震活跃层,大多数地震又都集中于厚度为10—15公里的层内,称为地震密集层,密集层的深度因地而异,震源大多位于花岗岩质层。地震活跃层的分布由粘滑机制及脆性剪切破裂可能存在的范围决定,它的上界主要由稳定滑动—粘滑过渡区决定,下界由脆性—延性形变过渡区决定。地震活跃层及密集层的深度由地壳中的温度、压力及岩石条件决定。震源有成层分布的现象,可能与地壳中各界面的层间粘滑有关     

基于声发射实验结果讨论大震前地震活动平静现象的机制

基于岩石变形声发射实验结果讨论了大震前地震活动平静现象的机制。在双轴压缩、等位移速率加载条件下 ,挤压型雁列断层、含宏观凹凸体断层、Ⅲ型剪切断层等非连续断层在临近滑动失稳前 ,声发射活动均出现了明显的相对平静现象 ,表现为声发射事件的发生率和应变能释放水平显著降低。与此阶段相对应 ,断层带 (特别是非连续部位上新形成的一小段断层 )发生了蠕滑和匀阻化作用 ,并使得标本的差应力开始下降。根据实验结果提出 ,大地震前断层的“蠕滑 -匀阻化”过程是造成地震活动平静现象的可能机制     

声发射矩张量反演

地震矩张量反演是获取震源过程的有效方法.岩石变形过程中的声发射与地震类似,均是弹性应变能快速释放.如假设条件得到满足,矩张量反演方法同样可用于了解声发射震源过程.声发射矩张量反演可使用P波位移进行计算.当样品尺寸远大于声发射波长,且声发射由微破裂产生,声发射源的尺度很小时,P波矩张量反演可采用远场近似.本文首先针对声发射的特点,实现根据远场P波反演声发射矩张量的算法,并通过人工声发射实验对算法的正确性和可靠性进行了检验.最后,用声发射矩张量反演方法对花岗岩单轴压缩实验的声发射源特征进行了分析.结果表明：对于纯剪切破裂模式,声发射矩张量反演可得断层面;对于非纯剪切破裂模式,如纵向挤压导致的横向张性劈裂,由于存在多解性不能得到断层面,但可通过矩张量的迹区分破裂模式.     

大震前地震活动平静现象一种可能的机制:断层的蠕滑-匀阻化

许多大地震前地震活动存在明显的平静现象,由于其普遍性,地震平静现象被认为是具有物理意义的地震前兆并被作为地震预报的重要依据.关于大震前地震平静现象的物理机制,国内外学者从不同角度进行了研究,其中包括用破裂强度的双峰式分布、扩容硬化、震前滑动造成的应力松弛、震源体内外介质性质的差异和相互作用等机制解释强震孕育过程中短期地震活动的平静现象.尽管在一些模型中把岩石力学实验结果作为证据之一,但来自与地震活动最相似的岩石变形声发射的实验证据并不多.因为以往大量的实验结果表明,在恒定的加载条件下(等位移速率、等应力速率等),岩石破坏失稳前声发射活动多表现为加速特征,尽管一些岩石破坏前声发射活动加速现象不明显,但也难以观测到平静现象.然而,在我们开展的一系列断层结构和介质不同的中尺度标本的声发射实验中,一些标本破坏失稳前声发射活动表现出明显的相对平静现象,据此我们对大地震前地震活动平静现象的物理机制进行了讨论.     

2013年芦山地震序列震源机制与震源区构造变形特征分析

基于四川区域地震台网记录的波形资料,利用CAP波形反演方法,同时获取了2013年4月20日芦山M7.0级地震序列中88个M≥3.0级地震的震源机制解、震源矩心深度与矩震级,进而利用应变花（strain rosette）和面应变（areal strain）As值,分析了芦山地震序列震源机制和震源区构造运动与变形特征.获得的主要结果有：（1）芦山M7.0级主震破裂面参数为走向219°/倾角43°/滑动角101°,矩震级为M_W6.55,震源矩心深度15 km.芦山地震余震区沿龙门山断裂带走向长约37 km、垂直断裂带走向宽约16 km.主震两侧余震呈不对称分布,主震南西侧余震区长约27 km、北东侧长约10 km.余震分布在7~22 km深度区间,优势分布深度为9~14 km,序列平均深度约13 km,多数余震分布在主震上部.粗略估计的芦山地震震源体体积为37 km×16 km×16 km.（2）面应变As值统计显示,芦山地震序列以逆冲型地震占绝对优势,所占比例超过93%.序列主要受倾向NW、倾角约45°的近NE-SW向逆冲断层控制;部分余震发生在与上述主发震断层近乎垂直的倾向SE的反冲断层上;龙门山断裂带前山断裂可能参与了部分余震活动.P轴近水平且优势方位单一,呈NW-SE向,与龙门山断裂带南段所处区域构造应力场方向一致,反映芦山地震震源区主要受区域构造应力场控制,芦山地震是近NE-SW向断层在近水平的NW-SE向主压应力挤压作用下发生逆冲运动的结果.序列中6次非逆冲型地震均发生在主震震中附近,且主震震中附近P轴仰角变化明显,表明主震对其震中附近局部区域存在明显的应力扰动.（3）序列整体及不同震级段的应变花均呈NW向挤压白瓣形态,显示芦山地震震源区深部构造呈逆冲运动、NW向纯挤压变形.各震级段的应变花方位与形状一致,具有震级自相似性特征,揭示震源区深部构造运动和变形模式与震级无关.（4）不同深度的应变花形态以NW-NWW向挤压白瓣为优势,显示震源区构造无论是总体还是分段均以NW-NWW向挤压变形为特征.但应变花方位与形状随深度仍具有较明显的变化,可能反映了震源区构造变形在深度方向上存在分段差异.（5）芦山地震震源体尺度较小,且主震未发生在龙门山断裂带南段主干断裂上,南段长期积累的应变能未能得到充分释放,南段仍存在发生强震的危险.     

亚失稳准动态及同震过程变形场时空演化特征 ——实验与分析

断层亚失稳模型指出,在临震亚失稳阶段中各种物理量存在规律性的时空演化特征,控制这些物理参数变化的根本原因是震源的力学过程。为深入观测和分析该过程,文中介绍了一套自主研发的64通道、16位分辨率、4MHz采样频率、可并行连续采集的超动态变形场观测系统(UltraHi DAM),首次实现了在4MHz频率下对应变信号和声发射信号的同步采集。依托该系统对断层失稳变形的全过程,特别是失稳前几s到若干μs的瞬态变形过程,即亚失稳准动态阶段进行了精细、深入的观测,解析了相关的震源力学问题,获得以下认识:1)伴随断层局部卸载而出现的应变局部化加速是进入亚失稳准静态阶段的近场判据;2)亚失稳准动态阶段的应变场特征(应变调整)表现为以应变逐点的逐次加速和往复传递;3)准动态过程中每个子阶段都存在短暂的准备期,其可能有助于临震预测;4)一次断层失稳事件(实验室地震)可以伴随发生多次震源应变高频震荡以及对应的多次声发射事件。     

断层滑动速率,地震重复时间和平均应力降

本文综述了国内外大地震复发间隔研究的现状，系统整理了中国大陆活断层滑运速率，已发现的古地震遗迹及古地震复发间隔，结果表明，在滑动速率较在的活断层发现的古地震复发间隔较短，Ｋａｎａｍｏｒｉ和Ａｌｌｅ（１９８５）研究了具有大范围重复时间（２０年到几千年）的板内大地震的震源参数，发现复发间隔较长的大地震具有较高的平均应力降，我们在实验室内研究了应变速率不同时固体围压三轴压缩下完整花岗岩破裂后的粘滑现象。     

P波极性资料确定的2022青海门源MS6.9地震序列震源机制及应力场

为研究2022年门源M_S6.9地震的发震构造及构造应力场特征,文章先搜集了1月8—30日M≥1.9地震事件的P波初动符号,基于P波初动极性反演震源机制解的方法,得出66个地震的震源机制解,参考水平应变花面应变对地震震源机制的划分原则进行分类,虽然震源机制分布类型较广,但走滑类震源机制超过半数,表明此次地震序列以走滑为主;然后基于得到的震源机制解,利用网格搜索法反演该区构造应力场,得到研究区内呈NEE-SWW向挤压,NNW-SSE向拉张;主震震源机制P和T轴与所处的应力区应力方向相近;最后模拟研究了主震震源机制与应力体系的关系,得到此次地震是在构造应力场作用下沿最优节面破裂的,可视其为该区域应变能积累后的一次正常释放。该研究对后续的发震机制和地球动力学分析具有参考意义。     

巴颜喀拉块体东北缘GPS应变率空间分布特征及其与2017年九寨沟MS7.0地震的关系

巴颜喀拉块体东北缘是构造变形和地震活动较强的区域, 2017年九寨沟M_S7.0地震就发生在该区域内。 利用多尺度球面小波方法解算GPS应变率场, 分析巴颜喀拉块体东北缘2009年至2017年的应变率场分布特征, 该方法的优点是可以将GPS应变率场按照不同的空间尺度进行小波分解, 给出不同空间尺度的应变率场。 结果表明在2017年九寨沟地震之前, 震中附近应变积累显著, 虎牙断裂北延断裂的左旋走滑速率为3.0 mm/a, 拉张速率为3.1 mm/a, 表明该条断裂以左旋走滑为主兼有拉张特征, 与九寨沟地震的震源机制解一致。 除九寨沟震中附近外, 在岷县与漳县交界处、 理县和汶川、 青川等地区主应变率、 面应变率、 最大剪应变率也较大, 这可能与2013岷县漳县(M_S6.6)、 2008年汶川(M_S8.0)、 2014年理县(M_S4.8)以及2014青川县(M_S4.8)地震有关。     

2019年夏河MS 5.7地震前应力应变变化特征研究

利用CMONOC的GPS观测资料和中小地震震源机制解资料,通过GPS速度场分析、两站间基线时序分析、震中区域的应变时序分析和震源机制一致性分析,研究了2019年夏河MS 5.7地震前的应力应变累积特征.结果表明,震中处于运动速率和方向差异性较为显著的应变能易积累地区;跨发震断裂的去趋势基线长度和基线方位角时序反映了震前发震断裂的左旋走滑速率有所减缓;多站组合的应变参数结果反映出,震前震源区NS向运动幅度增强,有助于此次地震的发生,且2016年后拉张和走滑运动有所减缓;同时,震中附近区域震源机制一致性较高,反映了震源区的高应力水平.综合分析认为夏河MS 5.7地震前,震源区存在应力应变累积增强的背景性异常变化特征.     

2003年青海德令哈6.7级地震序列的震源机制解及其构造含义

利用8个流动数字地震台和国家数字地震台站的地震波形记录,测量了2003年4月17日青海德令哈6.7级地震及其主要余震的直达P波、SV波、SH波的初动方向和振幅比,应用Snoke(2003)的测定震源机制解的格点尝试法,测定出德令哈地震序列的48个2.4级以上地震的震源机制解.搜集分析了美国哈佛大学测定的德令哈6.7级主震和2004年二期地震活动中的7个地震的震源机制解.基于余震空间分布特征和对震源机制解特征的分析,讨论了德令哈地震序列的可能断层活动方式和地震的构造含义.结果表明,主震和大部分余震都是沿NWW-SEE走向的逆断层错动,北边的上盘可能沿低角度向北倾的断层面向南仰冲;个别正断层余震可能是震源区挤压变形弧顶区附近发生的局部张性破裂;在二期地震活动中,逆断层和走滑断层都有,走滑断层地震主要发生在震源区东侧.德令哈地震活动是青藏高原东北缘NWW-SEE向延伸的挤压带继续处于隆升活动中的表现,这一继承性新构造运动是德令哈地震序列的可能发震原因.     

断层几何结构与物理场的演化及失稳特征

在双轴加载条件下，研究了几种具不同几何结构的断层系变形破坏过程中应变、断层位移和声发射事件的时空分布，并对典型失稳事件的特征进行了分析．研究表明: 具不同几何结构的断层系有不同的变形物理场演化图象；根据物理场演化特征和变形机制的差异，可识别出两类粘滑型失稳、破裂型失稳及混合型失稳，不同类型的失稳在前兆上有明显差异；失稳类型与断层几何结构及变形阶段密切相关．因此，研究自然界断层的几何结构，对地震预报和地震前兆观察研究极为重要.      

应用地震学方法研究中国大陆活动地块应力应变场

在中国大陆活动地块假说及活动边界研究的基础上，将中国大陆按照地震活动特征进行分区. 利用大地震的震源机制资料和历史强震资料，结合小震综合节面解，研究了各地震区的应力应变状态，给出了各地震区的平均应力主轴方向和平均应变率. 应用地震应变能积累释放模型研究了各地震区的地震活动水平. 结果表明最大剪切应变率与地震活动水平存在线性关系. 将地震资料给出的中国大陆地壳应力应变场与GPS测量给出的结果进行了比较，初步说明了两种结果存在着统一性，从而显示出活动地块运动变形与强震活动的内在联系.     

地震震游的前兆系统和不均匀性及非线性对系统的影响

研究了地震震源前兆系统的几个特点。震源和前兆是在应力应变场不同分量作用下发育成的。不均匀性和非线性因素对震源和前兆有强烈的影响。讨论了介质和应力应变场不均匀性对地震震源形成和地震前兆影响的差别。在不同的应力场中，前兆的非线性关系首先在应变灵敏性上显示出来。应变灵敏性的不完备导致了“错误预测”和“漏报”这类预测错误。由地震前兆形成的条件可以得出复杂的前兆分布以及前兆相对震中转移规律的结论。研究了前兆信号曲线组成的几个特点，这些特点可以使地震短期前兆的区分更有根据。     

2008年5月12日汶川MW7.9地震的同震粘滑过程研究

2008年5月12日中国汶川发生了M_W7.9地震,全球数字地震仪台网（GSN）74个台的地震仪和陕西周至地震台的数字水位仪都很好地记录到了该地震的同震粘滑错动过程和止滑过程。分析GSN 74个地震台的记录后发现：汶川M_W7.9地震的同震粘滑错动过程是一次多点粘滑错动过程,主要由四个子粘滑错动事件构成,整个粘滑错动过程的持续时间不少于86.6 s;地震的弹性破裂过程与粘滑错动过程同时进行,是粘滑错动和弹性破裂共同作用的结果,是一种"粘滑错动+弹性破裂"的机制。对周至地震台数字水位仪记录分析后发现：汶川地震的同震粘滑错动过程与P.N.Sundaram^[1]作的岩石粘滑错动实验结果一致,粘滑错动过程可细分为粘结（stick）和滑动（slip）二个过程。汶川地震在止滑过程中激发出了长周期勒夫面波（XsQ）和瑞雷面波（XsR）。研究粘滑震相有助于认识震源的粘滑错动过程,研究止滑震相有助于预判震灾损失。     

声发射矩张量自动反演

岩石实验中常通过声发射定位了解岩石内部微破裂发生的时间和位置.如果将地震学中震源机制反演算法引入声发射研究,就可获得微破裂机制,对分析力学过程很有帮助.然而岩石样品中的声发射与野外地震不同,有一些难点:①声发射采集系统的采集通道一般较少,根据少数一些点的初动方向,无法精确勾勒出节面的空间分布;②岩石在围压不高时破裂不一定是纯剪位错,也就是说不一定符合双力偶模型,初动方向有可能不是四象限分布;③构造物理实验中常观测到成千上万个声发射事件,到时识别、初动方向识别很难依靠肉眼识别完成.