强地震前兆低频波的实验研究

声波透射实验表明，对于板状材料，声音的一部分能量可以透射到空气中。另一部分能量在板中产生简正波，使板产生较大的振幅，在空气中产生能被话筒接收到的声音信号，而信号的简正频率与板的尺寸有关。另外，破裂过程中的声发射实验证实：随着微破裂的集结和裂纹的扩展，所辐射波的频谱会逐渐向低频移动，而且当频率很低时，可以透射出岩石，被话筒接收到。根据尺度相似性原理，推广到野外，强地展前破裂集结可能会辐射出超低频波，这种超低频波不能被常规的地震仪记录到，但可以被超低频传感器或次声接收器记录到。在地震前，产生前兆的源非常复杂，大多数情况下可能并非脆性破裂，而是塑性蠕滑或者有流体的参与。而后两种情况产生的波的周期会更长，而且缺乏脆性破裂所固有的高频成分，这可能就是多数地震前缺乏前震的原因。     

地震前低频事件的实验研究

介绍了几种强震前超低频事件的观测证据,并通过实验,研究了产生和传播机理。初步结果表明,微破裂的集结和断层的破裂起始会出现超低频脉冲,并透射到空气中形成次声波。塑性体的冲击或超临界流体的膨胀比脆性破裂更容易激发（超）低频波,且不伴随明显高频辐射成分。这样可以较为合理地解释震前“平衡”背景下的（超）低频事件。对实验中破坏前的低频脉冲给出了断裂力学解释。断裂力学的实验和膨胀－－扩容理论证明了震前会产生断层的张裂隙,从而为超临界流体提供了运移空间。流体在运移过程中突然涨缩会激发（超）低频辐射波。讨论了改进（超）低频事件的观测条件问题。     

汶川与昆仑山强烈地震激发的地球自由振荡频谱的对比分析

强烈地震激发的地震波信息非常丰富,高频信息能量部分会在小范围短时间内迅速衰减,而低频信息特别是较低频信息能量部分则衰减较慢,会绕地球很多圈后才会消耗殆尽,从而激发地球的自由振荡.虽然地球自由振荡的固有频率不变,但不同震源机制的地震激发的地球自由振荡频率成分会随着震级、震源机制、方位等的不同而有显著差别.本文利用2008年5月12日汶川(M_w7.9)地震与2001年11月14日昆仑山(M_w7.8)地震这两个能量震级相当但震源机制不同的地震,基于地震波传播理论,考虑横向各向同性PREM地球模型并融合Crust2.0地壳模型、S20RTS地幔模型及PREM径向衰减模型,利用谱元法结合高性能并行计算,对这两次强烈地震激发的全球地震波传播进行了数值模拟,计算它们激发的地球自由振荡频谱特征差异.计算结果显示了汶川地震的逆冲-走滑特性及昆仑山地震的水平左旋走滑特征.利用理论计算得到的地震波动记录进行功率谱密度估计对比分析,研究结果显示这两次强烈地震释放的低频信息能量大小相当,但总体上看昆仑山地震释放的能量略小于汶川地震的.对比分析表明,不同地震激发的地球自由振荡模式在同一台站处的发育程度不同;同一地震激发的地球自由振荡在不同台站处记录到的振型频率成分也有很大差异.对于不同地震激发的地球自由振荡,有一些频率成分共同出现,表现为地球自由振荡功率谱能量均较大;也有一些振型由于相长干涉,仅在某些地震中被激发而得以良好发育,表现为功率谱能量明显较大;而一些振型由于相消干涉,在一些地震激发方式下被压制,表现为功率谱能量明显很小,甚至接近于0.计算结果清楚地显示了不同地震激发方式下地球振荡模式丰富而复杂的特性,需要对不同地震激发的地球振荡信息进行综合深入的分析,才能对地球内部结构尤其横向不均匀特性给予全面的科学解释.     

2001年1月强震的前兆次声波测量及机理探讨

频谱分析结果表明 :(1) 2 0 0 1年 1月 (含两次 8级地震 )的测量结果与 1999年 1月～ 7月、 2 0 0 0年 4月～ 2 0 0 1年 4月观测结果具有相同的规律 ,强地震前约 10天内常能测到振幅很强、方向可测的地震前兆次声波。其三维动态频谱的典型特点是振幅由弱 (10Pa～ 2 0Pa)变强 (80Pa以上 ) ;最后的周期范围很宽 (2分～ 6 5分 ) ;波形明显不同于流星雨次声和大风次声。 (2 )强震前兆次声三维动态频谱的最大振幅不仅受震级大小影响 ,而且与震源距离及深度等其它因素都有关。 (3)强震前长周期波的产生机理 ,主要有断层预滑理论、断裂预扩展理论和流体撞击假说 ,而前兆次声波很可能是由地壳中的长周期波耦合到空气中形成。 (4 )岩石破裂实验证实主破裂前在岩石表面和空气中均收到较强的低频波。 (5 )若在北京和昆明各建足够大的三点阵测准波向 ,两直线相交 ,即可预测国内的震中位置 ,这就可能为临震预报提供一种较有效的新方法     

基于唐山7.8级地震探讨动态应力作用

运用三维非线性动态有限元方法(Non-linear Dynamic FEM)仿真模拟研究了菱形模型的动态应力作用,分析了1976年唐山7.8级地震.结果表明:(1)唐山地震前增强的中强地震产生的冲击力形成的应力波反射后发生半波损失, 成为动态的拉伸应力,通过减小内摩擦而引起岩石产生裂纹、局部破裂并发生串通,一方面触发地震,另一方面为孕育唐山地震积累能量,表现为正反馈过程.(2)唐山地震产生的冲击力加卸载存在时间差,造成加卸载冲击波相位不同,结果产生的动应力和围压叠加致使围压波动和下降,导致抗剪切强度降低,使初始破裂分别向北东、西南方向传播.(3)冲击力的卸载,相对于产生拉伸性的应力波,反射后发生半波损失,成为动态的压缩应力,致使围压增大并导致破裂停止;而动态应力在传播过程中衰减.因此,余震的发生是一个负反馈过程.     

孔、裂隙并存地层中的声波测井理论及多极子声场特征

在油、气储层的勘探和开发中观察到的一个现象是储层岩石中普遍存在孔隙和裂隙.随着近年来孔、裂隙介质弹性波动理论的进展,我们可以将此理论应用于测井技术,以此来指导从声波测井中测量孔、裂隙地层的声学参数.本文计算了孔、裂隙地层里充流体井眼中的多极子声场,分析了声场随裂隙介质的两个主要参数(即裂隙密度和裂隙纵横比)的变化特征.井孔声场的数值计算表明裂隙密度可以大幅度地降低井中声波纵、横波的波速和振幅.随着裂隙密度的增加,在测井频段内也可以看到纵、横波速的频散现象(这种频散在孔隙地层中一般是观察不到的).本文还研究了多极子模式波 (即单极的Stoneley波、伪瑞利波以及偶极的弯曲波)随裂隙参数的变化特征.结果表明,这些模式波的振幅激发和速度频散都受裂隙密度的影响.裂隙密度越高影响越大.此外,裂隙还对模式波的传播造成较大的衰减.相对裂隙密度而言,裂隙纵横比是一个频率控制参数,它控制裂隙对声场影响的频率区间.本文的分析结果对裂缝、孔隙型地层的声波测井具有指导意义.     

地震前长周期事件的研究——历史与现状

自20世纪60年代以来,已经积累了许多地震前长周期事件的观测资料。这些长周期事件可以被很多不同的观测系统记录到,如跨断层形变、超低频电磁异常、次声波异常、井下低频导波、井水水位等。理论上对地震前长周期事件已给出了许多论证,例如,震前的断层蠕动、静地震与慢地震、断层的断裂预扩展和地震成核等。解决震前长周期事件的地面可测性,对突破“震前平静”带来的短临预测的困惑会起到举足轻重的作用。目前的主要问题是缺乏网络化的系统观测和对物理机制的研究。     

理解前兆异常变化机理和地震短临前兆

本文概要介绍了国内外近几年在地壳形变一地球自转日长变化十年尺度相关性、静寂地震、前驱波三方面的重要研究发现,并分析了这三项研究发现在地震前兆异常机理认识中的作用。初步分析表明：深部核幔耦合作用引起的地壳形变、地球物理场十年尺度波动,是数年至十年尺度地震场兆波动性变化的重要调制因素之一;源于断层脆韧转换带(过渡层)的静寂地震一慢地震缓慢破裂过程,是数天至数月尺度地震短期异常变化产生的重要原因;源于脆韧转换层上部或弹脆性层薄弱部分慢地震过程所辐射出来的低频前驱波(慢地震波),是目前已发现的可重复出现的短临前兆信号,具有数小时至7天左右的地震短临预报指标意义。     

Nucleation of earthquakes and its implication to precursors

IntroductionIn the middle of 1990s, the argument about nucleation phase occurred. Ellsworth and Beroza(1 995) studied the wave records of 30 earthquake events, which initiated slowly. Ellsworth, et al calledthem as nucleation phase. They discussed the relationship between their moment, duration time andthe relationship with the main shock behind. Scherbaum (1997a, b) proposed his different view andsuggested that some of the recording of the long period initial of seismic wave was misinterpret…     

低频前驱波传播机理的研究现状

本文从低频前驱波传播的理论与实验等方面对其传播机理的研究现状进行了简要概述。断裂预扩展、过热液体暴沸、粘滑地震前的预滑等均可能产生低频前驱波;微破裂集结、均匀和非均匀断层滑动失稳成核、声透射等实验均证实了岩石在大破裂前确实能够产生一种长周期、小振幅的低频事件;低速断层、壳内低速层、承压含水层、水体大连通性好的灰岩含水层、大气中的声波导层有利于低频前驱波传播。     

1975年海城地震和1976年和林格尔强震与1976年唐山大震的关系讨论

从北纬40°纬向地震带活动的关系探讨了华北3次强震发生的同时性的原因,这条EW向地震带首先发生的地震传递的能量促使唐山积累了发震能量,而另一条由邢台、河间NE走向的下地壳蠕滑断层的能量传至唐山断层后,解锁了该孕震断层,从而发生了唐山大震。地震波的触发作用也是同步的另一个原因,除了震动的断层面的直接触发之外,对组合模式中单地震波的积累与调整也会产生触发作用而改变其性质。另外还从中国8级大地震发生的25年周期讨论了同步性。     

Research on strong earthquake type division and forecast method for subsequent strong earthquakes

IntroductionThe earthquake sequences can be divided as the type of isolation (single shock), mainaftershocks and swarm of earthquake (multi-shocks) (Institute of Geophysics of CAS, 1976; Li,1981; Wu, et al, 1990). Based on the research of earthquake sequence, combined with modernobservation technique and the wide band strong (main) shock records of CDSN, this paper willdetermine the properties of hypocenter and seek the internal relation between the type of earthquake sequence and the hypo…     

岩体裂隙充水后对拐角频率的影响

2002年在浙江温州的珊溪水库发生了一系列水库诱发地震，其拐角频率明显小于同震级的构造地震。本从二相介质理论出发，讨论了水库岩体在扩容、流体渗入饱和和强度弱化过程中波速和波速比的变化以及对拐角频率的影响。根据实验结果，当孔隙度为0．15，岩体弹性模量减小23％时，拐角频率可以减小约29％。由此解释了水库诱发地震拐角频率偏小主要是由裂隙发育和库水渗透扩散使地壳浅部岩体强度弱化引起的。因此拐角频率可以作为区别两的一个依据。     

爆炸、核试验与天然地震的区别（英文）

本文通过地震正演模型和面波振幅数据对比分析了天然地震、爆炸,与核试验数据,以探索改进辨别天然地震与爆炸的方法。所提方法是基于波数域和频率域的双积分变换解。用于研究的地震事件都发生在北朝鲜,其中包括2001年6月26日（39.212°N,125.383°E）和2001年10月30日（38.748°N,125.267°E）所记录的爆炸数据,2006年10月9日（41.275°N,129.095°E）所记录的一次核试验数据、以及2002年4月14日（39.207°N,125.686°E）和2002年6月7日（38.703°N,125.638°E）所记录的两次天然地震。基于这些数据通过地震波分析与理论模拟表明爆炸引起的地震与天然地震有着不同的波型特征。爆炸引起的信号特征是P波的能量较S波强,在爆炸记录上0.05-0.5Hz频率之间Rg波清晰呈现,而在然地震记录上没有。这是由于爆炸地震记录上P波是优势波,与SH成分发生了耦合。     

Earthquake rupture complexity due to dynamic nucleation and interaction of subsidiary faults

We numerically study the dynamic interaction of propagating cracks. It is assumed that propagating cracks can nucleate and drive subsidiary cracks because of shear strain enhancement near the propagating crack tips. The critical strain fracture criterion is assumed in the analysis. Intense interaction is expected to occur among the cracks. All the cracks are assumed to be parallel and antiplane strain deformation is assumed in the computation.In the interaction of two non-coplanar cracks, a strain shadow is formed in the neighborhood of each crack because of the strain release by the introduction of the crack. The growth of each crack is accelerated when the propagating tips of each crack are outside of the strain shadow of the other crack. In general, the crack tips enter the strain shadow, and the crack tips decelerate. The calculation shows that only one of the two cracks can continue to grow, and the other's growth is decelerated and arrested. If we can assume that the suite of cracks interact in a pairwise manner only, then this may suggest that only a limited number of cracks can continue to grow during the final stage of the rupture process. Hence the crack interaction causes complexity in dynamic earthquake faulting. The concepts of barrier and asperity have been employed by many researchers for the interpretation of complex seismic wave data. However, the physical realities of such concepts are obscure. Our calculations show that dynamic crack interactions can produce barriers and asperities in some cases; the crack tip deceleration or arrest due to the interactions among non-coplanar cracks can be interpreted as being due to a barrier. The dynamic coalescence among the coplanar cracks can be regarded as an asperity.Umeda found a localized area that strongly radiates high-frequency seismic waves in the epicentral areas of some large shallow earthquakes. He defined this as an earthquake bright spot. Our analysis implies that only a limited number of cracks continue to grow when many interactive cracks nucleate, and that all other cracks stop extending soon after nucleation. Hence, if the nucleation and termination of several cracks occur in a localized area, it will be observed seismologically as an earthquake bright spot. This is because it is theoretically known that the sudden termination of crack growth and dynamic crack coalescence efficiently emits high-frequency elastic waves.     

考虑地震波激振方向的浅埋偏压双联拱黄土隧道动力响应规律研究

以实际工程为背景,在模型试验结果和数值模拟结果验证合理的基础上,通过建立三维数值模型,研究兰州人工波在不同激振方向下坡-隧体系动力响应规律,通过小波包变换从能量和频域角度对衬砌结构动力响应规律进行分析。研究结果表明：水平、竖直面内垂直隧道轴向(X、Z)的地震波在隧道最大埋深处引起较大响应,水平面平行于隧道轴向的地震波(Y)对埋深较浅的洞口处的结构最为不利。频率在0～12.5 Hz范围内的低频波是引起隧道结构响应的主要波段,该频段中竖直向地震波(Z)能量相较于其他方向地震波能量占比最高。地震作用中衬砌结构的存在对坡体内的围岩变形有一定的抑制效应。X、Y向地震波容易引起坡脚附近的围岩发生剪切破坏,Y向地震波对隧道洞口段仰坡的稳定性影响最大;Z向地震波容易造成坡顶附近区域围岩的拉伸破坏,且对隧道拱顶附近产生最不利响应。研究成果对浅埋偏压双联拱隧道的抗震优化设计具有借鉴意义。     

Ground roll wave suppression based on wavelet frequency division and radial trace transform

Ground roll waves interfere with seismic data. The suppression of ground roll waves based on the division of wavelet frequencies considers the low-frequency characteristics of ground roll waves. However, this method will not be effective when the ground roll wave and the effective signal have the same frequency bands because of overlapping. The radial trace transform (RTT) considers the apparent velocity difference between the effective signal and the ground roll wave to suppress the latter, but affects the low-frequency components of the former. This study proposes a ground roll wave suppression method by combining the wavelet frequency division and the RTT based on the difference between the ground roll wave velocity and the effective signal and their energy difference in the wavelet domain, thus making full use of the advantages of both methods. First, we decompose the seismic data into different frequency bands through wavelet transform. Second, the RTT and low-cut filtering are applied to the low-frequency band, where the ground roll waves are appearing. Third, we reconstruct the seismic record without ground roll waves by using the inverse RTT and the remaining frequency bands. The proposed method not only improves the ground roll wave suppression, but also protects the signal integrity. The numerical simulation and real seismic data processing results suggest that the proposed method has a strong ability to denoise while preserving the amplitude.     

慢地震慢前兆的机制研究

通过岩石高温高压破裂实验与有机玻璃破裂试验的应力—应变曲线对比、地震波形记录(观测资料)与试样破裂波形(实验资料)对比、地震前后定点应变与主破裂前后应变形态变化的对比，认为慢地震是临界或亚临界破裂或预先滑动所致，是低频应变波动。它是材料屈服、弱化或塑性变化的必然结果。而慢前兆则是临近大地震(大破裂)前出现的诸如形变、低频地震波(破裂弹性波)等的短期及临震前兆现象，它比较可靠。但由于许多岩石主破裂前并无明显的临界破裂或预滑动现象，也并非所有岩石都一定出现明显屈服，所以也并非每个地震前都有慢地震，因此，也就不一定都出现低频波动。从而，也并不一定都出现相同的短期、临震前兆现象。     

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．      

Features of different types of seismic events in China’s Capital Region

Seismic records produced by different seismic sources vary. In this study, we compared the waveform records and time-frequency characteristics of tectonic earthquakes, artificial explosions, and mine collapses in China’s Capital Region. The results show that tectonic earthquakes are characterized by stronger S-wave energy than P-wave energy, obvious high-frequency components, and wide frequency bands of P and S waves. Artificial explosions are characterized by greater P-wave amplitude than S-wave amplitude and near-station surface wave development. Mine collapses are characterized by lower overall frequency, more obvious surface waves, and longer duration. We extracted quantitative discriminants based on the analysis of different event records, with 31 feature values in 7 categories (P/S maximum amplitude ratio, high/low frequency energy ratio, P/S spectral ratio, corner frequency, duration, the second-order moment of spectrum, and energy strongest point). A comparison of the ability of these feature values to recognize distinct events showed that the 6–17 Hz P/S spectral ratio was able to completely distinguish artificial explosions from the other two types of events. The S-wave corner frequency performed relatively well in identifying all three types of events, with an accuracy of over 90%. Additionally, a support vector machine was used to comprehensively distinguish multiple features, with an accuracy for all three types of events reaching up to 100%.