孔隙弹性介质中的震后流体流与库仑应力变化

一般认为地震序列的发生意味着不同断层段之间的一种相互作用。每次位错产生的同震应力的传递则是这种相互作用最显著的成分。然而，一个地震系列中各个后续事件之间的时间间隔却表明，同震应力尚不足以单独引发其他的地震。我们研究了同震应力场可能诱发孔隙流体流，改变了所在区域的孔隙压力分布情况。鉴于地壳在很多地区都是一种流体饱和介质，故将地壳视为一种孔隙弹性固体。由于孔隙物质所表现的应力场依赖于时间，所以我们将验证这种性质能否解释余震的触发。我们考察了一些现有的半无限平面断层的解析方法。对可渗透的和不可渗透的位错面均作了考虑。我们将孔隙弹性介质的解法与孔隙介质的解法作了对比，计算了变形与流体扩散之间的耦合效应。结果发现主震产生的库仑应力变化在某些区域初始时可能表现为负值，但尔后随着孔隙流体的重新分布而变为正值。这种变化意义重大。如果地壳确如我们所假定的表现为一种各向同性、充满流体的孔隙弹性介质的话，那么，通过孔隙流体扩散的库仑应力触发作用则很可能是余震产生的重要机制，余震发生的范围分别为长约2．5个断层长度，宽约0．5个断层长度。这个范围小于以前模型的预测值，以前的这些模型都忽略了弹性变形和孔隙流体扩散之间的力学相互作用。对于典型的孔隙结构，流体流引起的应力变化在主震发生后约一年内会有很大程度的衰减。     

俯冲带上特大地震静态库仑应力变化对后续余震触发效果的研究

地震静态触发研究在全世界范围内广泛开展,并取得显著成效;但是否所有的大地震,地震静态触发都有很好的效果,对此目前还不甚清楚.本文通过计算最近发生在俯冲带上的三次特大地震(2011年日本东北地震(Mw=9.1)、2010年智利地震(Mw=8.8)与2004年苏门答腊—安达曼地震(Mw=9.0))所产生的静态库仑应力变化,考察主震库仑应力变化对其后续余震空间分布的影响,从而研究俯冲带上特大地震对地震的触发效果.计算结果显示:对于2011年日本东北地震,仅有47%的后续余震发生在库仑应力增加的区域;2010年智利地震也只有47.6%的余震位置处于库仑应力变化的正值区;2004年苏门答腊地震触发了49.8%的后续余震.文中通过进一步改变模型参数(如:采用不同的有效摩擦系数,使用不同作者给出的震源模型等)进行计算,结果表明这三大地震对后续余震的触发比例仍然不高(最好情况下,触发比例也不超过60%).但对于板内地震(如:2008年汶川地震,1999年集集地震),主震对后续余震的触发比例超过85%.由此可以推知,对于俯冲带上的特大地震,地震静态触发效果不显著.因此,对于俯冲带上大地震的触发问题,还需深入研究.     

库仑应力变化及其在地震学中的应用研究进展

首先介绍了库仑应力的定义及其物理含义。阐述了库仑应力在强震对余震的触发作用、强震对后续地震序列的触发、应力影区对地震的抑制作用、地震活动性分析以及相关软件的应用等五个方面的应用研究进展。最后探讨了库仑应力在地震学应用中存在的不足与前景。     

俯冲带上特大地震静态库仑应力变化对后续余震触发效果的研究

地震静态触发研究在全世界范围内广泛开展,并取得显著成效;但是否所有的大地震,地震静态触发都有很好的效果,对此目前还不甚清楚.本文通过计算最近发生在俯冲带上的三次特大地震(2011年日本东北地震(M_w=9.1)、2010年智利地震(M_w=8.8)与2004年苏门答腊—安达曼地震(M_w=9.0))所产生的静态库仑应力变化,考察主震库仑应力变化对其后续余震空间分布的影响,从而研究俯冲带上特大地震对地震的触发效果.计算结果显示:对于2011年日本东北地震,仅有47%的后续余震发生在库仑应力增加的区域;2010年智利地震也只有47.6%的余震位置处于库仑应力变化的正值区;2004年苏门答腊地震触发了49.8%的后续余震.文中通过进一步改变模型参数(如:采用不同的有效摩擦系数,使用不同作者给出的震源模型等)进行计算,结果表明这三大地震对后续余震的触发比例仍然不高(最好情况下,触发比例也不超过60%).但对于板内地震(如:2008年汶川地震,1999年集集地震),主震对后续余震的触发比例超过85%.由此可以推知,对于俯冲带上的特大地震,地震静态触发效果不显著.因此,对于俯冲带上大地震的触发问题,还需深入研究.     

紫坪铺库区小震产生的库仑应力变化及其与汶川地震的关系

本文选取自2004年8月至2008年5月12日汶川地震发生前,紫坪铺库区发生的2.1 < M_L < 4.0的65次小震,分别计算了历次地震在汶川地震震源处产生的应力扰动量,随后根据不同机构给出的汶川地震震源机制解求取震源区的静态库仑应力改变量,讨论了紫坪铺库区小震与汶川地震的关系.在不同计算参数下,小震震群在汶川震源处产生的静态库仑应力扰动量之和为6±3 Pa,尽管分析认为小震群可能在汶川震源处产生较大的动态应力扰动,约为百帕量级,但均远未达到触发阈值,认为小震群并未直接对汶川地震有触发作用.推测小震群之间相互作用产生连续振动改变了周边区域介质的渗透率及强度,进而可能与汶川地震的发生具有间接关系.

     

完全库仑破裂应力变化与云南龙陵震群序列的应力触发

计算和研究了1976年云南龙陵Ms7.3、Ms7.4双主震产生的完全库仑破裂应力变化及其对后续震群序列的动态和静态应力触发作用.结果显示,龙陵第2主震受到了第1主震的动态和静态库仑破裂应力的触发作用.龙陵双主震的13个后续强余震中,发生在龙陵三角形块体内部的强余震,90%都受到了第1或第2主震的动态库仑破裂应力触发或静态库仑破裂应力触发作用,发生在三角形块体外部的强余震,2/3受到了第2主震的动态库仑破裂应力触发作用.从触发作用的强度和范围上看,第2主震的动态和静态库仑破裂应力触发作用都大于第1主震.就近场而言,受到龙陵双主震的动态和静态库仑破裂应力触发作用的余震数目相当,但动态库仑破裂应力的触发作用范围大于静态库仑破裂应力.     

汶川Ms8．0巨震产生的完全库仑破裂应力变化及其强余震群

计算和研究了2008年5月12日四川汶川Ms8.0巨震在其强余震断层面上产生的完全库仑破裂应力变化,分析了该变化对强余震的动态和静态应力触发作用.结果显示,汶川主震后15天内发生的7次Mw≥5.5强余震均受到了动态和静态库仑破裂应力的综合触发作用.     

云南澜沧-耿马Ms7.6地震的完全库仑破裂应力变化与后续地震的动态、静态应力触发

计算和研究了1988年云南澜沧-耿马Ms7.6地震产生的完全库仑破裂应力变化的时空演化图像, 对继澜沧地震13 min后发生的耿马M7.2地震的应力触发问题进行了分析, 同时也对澜沧-耿马地震后24 d内发生的Ms5.0~6.9后续强余震的应力触发问题进行了探讨. 结果显示, 澜沧地震断层破裂产生的完全库仑破裂应力变化空间分布图像具有很强的非对称性, 正值的动态和静态库仑破裂应力变化区域均具有与强余震分布位置吻合较好的现象. 耿马Ms7.2地震受到了澜沧Ms7.6地震产生动态和静态库仑破裂应力的触发作用; 绝大多数后续强余震受到了动、静态库仑破裂应力的综合触发作用.     

基于案例分析的库仑应力变化触发地震机理探索

在许多地震触发研究案例中,不少学者都利用大地震造成的库仑应力变化研讨其对后续地震的影响,但众多结果中存在的共同规律尚未得到很好的统计与归纳。基于库仑应力变化理论,通过统计多个地震序列与典型事件中库仑应力研究结果,分别从震级,触发距离,触发地震库仑应力变化(ΔCFS)以及触发时间4个方面进行分析。结果表明,静态库仑应力的最优影响范围在5～50 km间,触发地震的应力条件多在0.01～0.4 MPa,触发地震震级与距离和主震震级无明显对应关系;动态触发的作用范围在100～2500 km间,主震震级通常较高,触发地震的震级都小于主震震级,在几个典型远程触发的事件分析中,主震震级与可触发距离呈正相关,但触发次数与其他所分析因素均无关;震后应力转移的三种机制,从理论上合理地解释了长时间尺度延迟触发的现象,但精确计算应力转移的量值可能对库仑应力变化与触发地震之间关系的更合理解释有推动作用,需引起关注。     

2010年MS7.1级玉树地震同震库仑应力变化以及对2011年MS5.2级囊谦地震的影响

2010年4月14日青海省玉树藏族自治州发生MS7.1级地震.和传统的板内地震相比,玉树MS7.1级地震的余震具有数量少、震级大的特点.研究玉树地震主震与余震之间的关系,对于我们了解余震的发震机理具有十分重要的参考价值.本文利用弹性位错理论和分层岩石圈模型,计算玉树地震引起的同震及震后黏弹松弛应力场变化,讨论MS7.1级玉树地震对余震分布的影响以及与2011年囊谦MS5.2级地震之间的触发关系.结果显示,玉树地震导致了四处明显的库仑应力增强的扇区,2010年4月13日至6月17日的870次ML>1.0级余震主要分布于主震破裂面附近区域以及破裂面东北端的应力增强扇区.分析玉树地震对余震分布的影响时,有效摩擦系数以及计算深度的选取对计算结果的影响较小,是否考虑区域构造应力场的影响较大.考虑区域构造应力场时,占总数86.7%的余震位于库仑应力增强区,地震应力触发理论较好地解释了余震的分布.选取囊谦地震震源机制解的两个节面作为库仑应力计算中的接收断层参数,并且考虑不同黏滞系数下的玉树地震同震及震后黏弹松弛效应,模型计算结果均表明囊谦地震位于玉树地震所导致应力影区,仅依靠地震的静态、震后黏弹松弛应力触发理论,无法解释囊谦地震的发生,说明该次地震可能是一次独立的事件.     

Complete Coulomb stress changes induced by the Ms7.6 earthquake in Lancang-Gengma,Yunnan and triggering of aftershocks by dynamic and static stress

The spatiotemporal evolution patterns of complete Coulomb stress changes caused by 1988 Ms7.6 earthquake in Lancang-Gengma,Yunnan,are calculated and studied.And the triggering problems of Ms7.2 Gengma shock occurring 13 minutes after the main shock and of Ms5.0―6.9 aftershocks within 24 days after the main shock are discussed.The results show that the spatial distribution patterns of complete Coulomb stress changes of the Ms7.6 main shock are strongly asymmetric.The areas of positive dynamic and static Coulomb stress are both coincident well with the strong aftershocks' locations.The Ms7.2 Gengma shock and most of strong aftershocks are subjected to the triggering effect of dynamic and static Coulomb stresses induced by the Ms7.6 Lancang earthquake.     

1989-1999大同地震序列的隐伏断层研究:库仑应力分析和余震JHD重定位

1989年到1999年,大同-阳高地区发生了一系列MS≥5的中强地震.本文基于前人对1989年三次MS≥5地震的震源机制反演的结果,通过建立不同断层模型,利用库仑应力方法,计算前震对于主震,以及前震和主震对于余震的库仑应力触发关系,提出了一种可能的破裂模型,即1989年前震沿北西西方向发生左旋破裂,之后主震和余震沿北北东方向发生右旋破裂.根据这种破裂模式计算得出,前震发生后,主震震源处的库仑应力增加了约2×105 Pa,余震震源处的库仑应力出现下降;主震发生后,余震处的库仑应力出现回升,最后余震处的库仑应力几乎没有变化.基于大同地震台网的近场观测数据,用JHD(Joint Hypocentral determination)定位方法,对1999年11月1日MS=5.6地震后一个月的余震进行重定位,得到一条走向118°,倾角85°的左旋走滑断层,余震的深度分布在5 km至20 km范围内,显示该断层是隐伏断层.另外提出对主震震中位置约10 km的修正.本文对1989年三次MS≥5地震序列和1999年MS=5.6地震余震空间分布的研究揭示该地区存在两条活跃的共轭隐伏走滑断层(1989年主震的北北东方向和1999年地震的北西西方向),并且推断已知的大王村断裂和团堡断裂是地下这两条共轭的隐伏走滑断层构造/地震活动在地表的响应.     

新疆精河M_W6.3地震产生的静态应力变化研究

利用精河M_W6.3地震有限断层破裂模型,计算了精河地震产生的位移场、应力场、周围主要断层上的静态库仑应力变化以及主震对余震的触发作用。结果表明:(1)精河地震产生的地表隆升最大值约为6.6cm,沉降最大值约为1.8cm;水平位移方向呈现震中南北侧向震中汇聚、震中东西侧向外"流出"的特点。(2)精河地震产生的水平面应力场展布南北侧物质主要受到指向震中的拉张力作用,东西两侧物质主要受到因震中过剩物质东西向排出而导致的东西向挤压力作用。(3)震中西侧距震中约20km的库松木契克山前断裂中段和震中东北部距震中约50km的四棵树-古尔图南断裂西段的库仑应力加载均大于0.01MPa,即2处为地震危险区。(4)在震源深度为8~12km的余震事件中,约有85.5%处于库仑应力加载区,即受到主震的的触发作用;在深度为4~8km的余震事件中,约有87%受到主震的应力触发作用。     

2008年新疆于田MS7.3地震对后续 地震的完全库仑应力触发作用

在离散波数法基础上计算2008年3月21日新疆于田M_S7.3地震造成的近场区域完全库仑应力变化, 分析该变化对余震发生所产生的影响, 得到了此次地震在2008年10月5日乌恰M_S6.8地震震中处所产生的动态库仑破裂应力变化. 计算结果表明, 该地震近场区域库仑应力变化图像演化大概持续了60 s, 库仑应力变化对余震的触发率达到90%以上, 其中动态库仑应力变化图像更好地解释了余震的分布. 余震震中处的完全库仑应力变化计算结果表明, 其动态库仑应力变化远远大于静态库仑应力变化. 于田M_S7.3地震在乌恰M_S6.8地震震中处造成的最大动态库仑应力变化为0.12 MPa, 说明后者可能受到了于田M_S7.3地震的动态应力触发作用, 但不显著;而静态库仑应力则对其影响很小.      

基于库仑应力变化分析巴颜喀拉地块东端的强震相互关系

本研究基于分层黏弹介质模型,考虑同震位错效应和震后黏滞松弛效应,分析巴颜喀拉地块东端1976年松潘地震序列、2008年汶川8.0级地震、2013年芦山7.0级地震和2017年九寨沟7.0级地震等多次大地震的可能存在的触发关系,计算大地震引起的周边各主要断裂的库仑应力变化.结果显示,1976年松潘地震序列各次地震间关系密切,存在明显的相继触发作用;综合考虑同震和震后效应,汶川8.0级地震对同属于龙门山断裂带的芦山7.0级地震有触发作用,且震后效应影响不可忽略;1976年地震序列,特别是1976年8月16日7.2级地震促进了2017年8月8日九寨沟7.0级地震的发生;汶川地震对九寨沟地震的影响研究中,采用不同的汶川地震同震位错模型,计算结果有差异.综合考虑多次大地震对周边断裂带的影响,龙门山断裂带南段、鲜水河断裂带中南段、平武-青川断裂北段、灌县-安县断裂北段、文县断裂的累积库仑应力增加显著,巴颜喀拉地块东端的东昆仑断裂带东段、迭部-白龙江断裂带西段以及金沙江断裂带库仑应力亦有所增加.综合考虑各重要断裂带已有的大地震危险性分析结果和库仑应力变化计算结果,龙门山断裂带南段、鲜水河断裂带中南段、东昆仑断裂带玛沁-玛曲段和金沙江断裂带的发震紧迫性有所增强,需引起关注.

     

云南武定M6.5地震动态库仑破裂应力变化的数值模拟及其与余震活动的关系

在离散波数法（DWN）基础上,计算了武定M6.5地震断层破裂在周围介质中产生的位移时程（位移理论地震图）和动态位移场;进行弹性动力学转换后,求得应变时程和动态应变场;最后得到了武定M6.5地震所产生的动态库仑破裂应力变化量和动态库仑破裂应力变化场,进而研究其与后续余震的关系. 结果表明,动态应力最大峰值和静态应力的正区均呈非对称性分布,两者的分布特征与余震的分布特征基本一致. 在动态应力峰值为正的确定区应力值超过了0.1 MPa触发阈值, 在静态应力值为正的确定区应力值超过了0.01 MPa触发阈值. 这说明动态应力和静态应力均有助于余震的发生.      

Numerical simulation of dynamic Coulomb stress changes induced by M 6.5 earthquake in Wuding, Yunnan and its relationship with aftershocks

Based on the discrete wavenumber method, we calculate the fields of dynamic Coulomb rupture stress changes and static stress changes caused by M6.5 earthquake in Wuding, and study their relationship with the subsequent aftershocks. The results show that the spatial distribution patterns of the positive region of dynamic stress peak value and static stress peak value are similarly asymmetric, which are basically identical with distribution features of aftershock. The dynamic stress peak value and the static stress in the positive region are more than 0.1 MPa and 0.01 MPa of the triggering threshold, respectively, which indicates that the dynamic and static stresses are helpful for the occurrence of aftershock. This suggests that both influences of dynamic and static stresses should be considered other than only either of them when studying aftershock triggering in near field. Foundation item: National Natural Science Foundation of China (40364001) and Joint Seismological Science Foundation of China (605014).