利用视应力研究强震前亚失稳阶段应力变化特征——以2021年5月21日漾濞MS 6.4地震为例

<正>1研究背景根据中国地震台网中心测定,2021年5月21日21时48分在云南漾濞县发生M_S 6.4强震。震前震源区是否存在应力增强是研究者们的关注点之一。在地震学中常用视应力和b值反映地壳应力水平。已有不少学者发现漾濞地震发生在低b值区域,意味着地震前存在高应力背景。依据岩石实验的新发现,马瑾等(2012,2014)提出亚失稳概念。断层失稳是应力增加达到峰值后转为释放直至产生破裂的过程。进入亚失稳阶段的标志是平均应力从积累达到峰值后转为应力释放。在这个阶段,存在应力减弱的部位,也存在积累的部位,应力积累的部位可能会是未来断层失稳的位置。     

2008年汶川地震前震源区的异常应力状态

我们收集了紫坪铺水库区域台网记录到的2004年8月16日至2008年5月12日汶川地震前发生在震中区及附近区域的486个小震震源机制资料,运用碎裂分析法对这些震源机制数据进行分析,获得了汶川地震前3年多时间内震源区应力水平随时间的演化过程.结果显示,强震发生前震源及附近区域约在2007年6月发生了应力突变,出现了2个应力异常高值区,其形成过程同时伴随着龙门山中央断裂的应力水平降低,最终强震发生在高应力区和低应力区之间的应力梯度带上.汶川地震前应力状态的演化过程,类似于实验研究中出现的非均匀断层失稳前的地震成核现象,符合地震成核的宏观表现.巴颜喀拉块体的南边界-鲜水河断裂的短基线测量也显示出,在同一时间段鲜水河断裂南段由左旋滑动转为异常的右旋错动,反映了汶川强震前整个巴颜喀拉块体有向东加速运动的异常过程.     

芦山MS 7.0与岷县—漳县MS 6.6强震前跨断层形变亚失稳前兆

正地震预报要取得防灾减灾实效,关键在于短—临预报。亚失稳是断层失稳前区域应力由积累为主转变为释放为主的关键阶段,也是断层从稳定到失稳的最后阶段。马瑾等(2012,2014)讨论了震前应力积累、应力—时间过程中偏离线性、峰值后亚失稳态3个阶段的不同特点,总结失稳错动是由断层各部位独立活动向协同化活动的转化过程,     

2016年门源MS6.4地震前亚失稳短期前兆综合分析

1 研究背景 地震预报要取得防灾减灾实效,关键在于短—临预报.亚失稳是断层失稳前区域应力由积累为主转变为释放为主的最后阶段,马瑾等(2012,2014)总结了震前应力积累、亚稳态、亚失稳态3个阶段的不同特点,指出失稳错动是由断层各部位独立活动向协同化活动的转化过程,偏离线性的亚稳态是应力释放、协同作用的开始,亚失稳阶段应力释放已占据优势.     

断裂亚失稳阶段及失稳部位特征的初步研究-以南天山西段和汶川地震为例

亚失稳阶段是指应力从峰值时刻到产生快速应力降起始时刻之间的阶段,是断层临近失稳的最后阶段,也是区域应力状态由积累为主转变为释放为主的阶段。识别断层的亚失稳应力状态、探讨强震亚失稳阶段即将面临的失稳部位的特征,寻找确认方法是一个很有现实意义,又很有挑战意义的科学问题。在实验室得到的断层亚失稳阶段的特点为野外识别亚失稳应力状态打下了基础。论文结合实验室已有结果,对处于亚失稳应力状态断层的特点进行了初步探索,研究了失稳前发震断裂的演化,分析了断裂协同化过程及应力状态;初步得到野外强震前断层的亚失稳阶段特征、演化过程以及可能的判定指标。地震发生过程中构造应力和应变的变化可以用Benioff应变分析法对其地震活动进行定量描述,分析研究区应变积累释放特征,探讨震前发震断裂是否存在地震加速活动现象或平静现象,以便与实验室应变观测结合起来进行分析。论文首先分析了前人利用Benioff应变研究加速释放方法的研究结果,探讨了其存在的问题,作者改进了已有方法。文中结合实验室研究结果给出了亚失稳断裂的研究方法,继而对南天山断裂带西段发生过2008年乌恰6.8级地震的卡兹克阿尔特断裂开展了回溯性研究,并使用该方法在研究区对目前的应力状态进行了预测性研究。其次以汶川M_S8.0地震为例,研究地震前后由于介质变化引起的远震转换波到时差的变化特征,从而分析震源区介质所处的应力状态。本项研究在以下方面取得进展:(1)把处于亚失稳阶段的断裂简称为亚失稳断裂,参考实验室关于断层亚失稳应力状态的研究结果,以Benioff应变积累达到支持7级以上地震发生的断裂为研究目标,提出判定亚失稳断裂的4步研究方法:(1)构造区Benioff应变积累足以支持7级以上地震发生;(2)从高应变积累构造区中找出高应变积累且应变开始缓慢释放的断裂;(3)区分断裂的积累段和释放段,根据断裂释放段的协同化程度判定其是否处于亚失稳阶段,寻找失稳部位;(4)判断断裂Benioff应变是否符合加速释放模型,分析亚失稳断裂发震的紧迫性。(2)文中在使用累积Benioff应变的加速释放模型方法时,地震序列的空间范围按断裂选取;在时间尺度选取上,取断裂Benioff应变积累释放曲线上最近的一次积累—缓慢释放时段进行分析。实验室岩石随着应力加载,亚失稳阶段应变积累、释放特征主要出现在断层附近。空间的这种选取方法根据实验室亚失稳阶段研究结果,有一定的构造物理意义。(3)本文以南天山西段为研究区,使用亚失稳断裂判定方法对2008年10月5日乌恰6.8级地震进行回溯性研究,结果显示,卡兹克阿尔特断裂在主震前满足亚失稳断裂判定方法的4个条件,取得了较好的效果;进而使用该方法对研究区现今应力状态进行预测性研究,发现目前柯坪断裂符合亚失稳状态条件的前3条:(1)南天山西段研究区的Benioff应变积累支持7级以上地震发生;(2)柯坪断裂累积Benioff应变支持6.8级以上地震发生,并且Benioff应变积累释放曲线出现波动、转平的趋势;(3)柯坪断裂77.5°—80°E的段落转为应变积累区,位于77.5°E以西的区域应变开始释放;但柯坪断裂目前不符合第4条,地震Benioff应变的释放不符合条件加速模型,表明断裂尚未进入加速协同化阶段。目前仍需密切关注该断裂的地震活动发展情况。(4)利用远震初至波穿越地壳、上地幔等速度界面时产生的一系列PS型透射转换波,测定远震PS转换波与初至P波的到时差Δt_(ps)=t_(ps)-t_p随时间的变化特征有可能监测孕震区转换界面以上有限的地层空间内介质物性的变化。选取2001—2012年作为研究时段,利用四川地震台网的YZP和JJS两台站记录到的兴都库什、苏门答腊南部地区两组震中距变化小于3°的远震,得到两个台站在2008年5月12日汶川M_S8.0地震前后记录的转换波到时差Δt_(ps)的变化特征。结果表明,在2006年以前Δt_(ps)有一个缓慢增大的趋势;汶川地震前约2年左右的时间段内Δt_(ps)出现明显低值过程,最大降幅达0.2—0.3 s左右,超过测量误差4—5倍;震前约2—3个月低值有一定程度的回返。表明本文提出的远震转换波方法在地震监测中有很好的应用前景,值得进一步实验研究。     

MS8.0汶川地震对MS7.0芦山地震成核失稳的影响

依据速率-状态依赖性摩擦本构关系,并结合中下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应,以震后库仑破裂应力变化和同震动态库仑破裂应力变化的计算为基础,模拟了两种应力变化对芦山地震断层的失稳发震时间的影响,研究了2008年M_S8.0汶川地震与2013年M_S7.0芦山地震之间的触发关系.计算得到,汶川地震在芦山地震震源断层面上产生的动态应力变化的峰值为0.127 MPa;此外,经过近5年中下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应,芦山地震震源断层面上受到的震后应力变化值为0.025 MPa.结果表明,芦山地震的震源断层在应力积累逐渐接近临界状态的某一特定时期内,受到了汶川地震产生的动态应力变化、静态应力变化以及黏弹性松弛效应造成应力变化的共同触发作用,且动态应力的延迟触发作用可能更为显著.最后对芦山地震之后研究区域的应力变化场进行了初步探讨.     

M_s8.0汶川地震对M_s7.0芦山地震成核失稳的影响Mw

依据速率-状态依赖性摩擦本构关系,并结合中下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应,以震后库仑破裂应力变化和同震动态库仑破裂应力变化的计算为基础,模拟了两种应力变化对芦山地震断层的失稳发震时间的影响,研究了2008年Ms8.0汶川地震与2013年Ms7.0芦山地震之间的触发关系.计算得到,汶川地震在芦山地震震源断层面上产生的动态应力变化的峰值为0.127 MPa;此外,经过近5年中下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应,芦山地震震源断层面上受到的震后应力变化值为0.025 MPa.结果表明,芦山地震的震源断层在应力积累逐渐接近临界状态的某一特定时期内,受到了汶川地震产生的动态应力变化、静态应力变化以及黏弹性松弛效应造成应力变化的共同触发作用,且动态应力的延迟触发作用可能更为显著.最后对芦山地震之后研究区域的应力变化场进行了初步探讨.     

汶川地震前失稳过程的重力场观测证据

文中应用1996—2007年龙门山断裂带上的重力观测资料,分析了汶川地震前亚失稳阶段的重力场变化特征,根据震前失稳过程的重力场观测证据探讨应用重力场识别断层进入亚失稳阶段的证据和方法。研究结果表明:1)汶川地震前沿龙门山断裂带的时变重力场在1996—2001期间呈正常态变化,2001—2004期间出现区域性区重力异常,2004—2007期间出现较明显的反向变化,震前一年变化较弱,呈现闭锁状态。这种变化过程较好地对应了岩石变形实验中由稳态加载阶段到失稳阶段中的线性稳态、偏离线性稳态、亚失稳状态的过程。2)龙门山断裂东侧接近四川盆地上的测点时序变化平缓无序,西侧后山断裂带上的测点在2002年开始出现一致性较好的"同升同降"变化特征。汶川地震发生在后山断裂带上,震后余震的分布和该断裂带的走向一致,说明该断裂带是断层的主要失稳位置,该断层的失稳导致该区域测点的重力场变化一致,符合实验研究中断层由稳态进入亚失稳状态的物理场协同化演化的判定依据。3)重力剖面点的时空变化显示,2008年汶川8.0级地震前在龙门山断裂西侧可观测到一次断层活动协同化过程。     

亚失稳阶段雁列断层热场演化的实验研究

寻找地震前兆是国内外地震预报的难点.在实验室开展岩石变形实验,观测相关物理量的演化特征和规律,是前兆探索中重要的基础工作.本文对压性雁列断层进行变形实验,根据应力时间曲线将具有前兆意义的变形阶段分为强偏离线性阶段、亚失稳阶段和失稳阶段,利用红外热像仪记录各个阶段的热场变化,特别是亚失稳阶段的热场表现.研究结果显示:强偏离线性阶段,岩桥区挤压升温;亚失稳阶段,断层带增温,且高温点扩展连通,断层带内侧卸载降温,断层带上的协同化增温和断层带内侧(包含岩桥区)的协同化降温是失稳前的重要信号;失稳阶段,应力释放,标本整体降温,只有断层带因摩擦升温.总之,亚失稳阶段的热场具有明显特征,利于识别出亚失稳态;不同变形阶段、不同构造部位温度变化不同,在寻找与构造活动相关的热异常时,应考虑变形所处的阶段及异常所处的构造部位.     

紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化及其对2008年汶川地震触发作用

位于川西地区龙门山断裂带附近的紫坪铺水库于2005年9月开始蓄水.约2.7年后,2008年5月12日,M_w7.9级汶川地震在龙门山断裂带上发生,两事件在时间和空间上的接近,揭示其可能相互关联,但前人的诸多研究给出了不同甚至是相反的结果.本研究基于完全耦合孔隙弹性理论,利用二维有限元模型(FEM),模拟水库蓄水造成的区域孔隙压力场和应力场的演化过程,基于库仑应力演化探讨其对龙门山断裂带活动的影响.模拟结果显示紫坪铺水库蓄水打破了原来的区域孔隙压力平衡,形成孔隙压力梯度源,向周围地壳传播;进而造成龙门山断裂带上库仑应力正值范围不断扩大,由浅入深影响到整条断层,尤其对浅层范围的加载作用明显,达上百千帕,为整个断层面的失稳提供了基础.震源区域库仑应力呈持续增长趋势,汶川地震发震前,增长了约数千帕~数十千帕,即使初期库仑应力为负,在未来某时刻库仑应力仍可能由负转正,并不断增大.通过计算汶川地震震源及其附近区域内相对于多种可能断层倾角的库仑应力,发现库仑应力随断层倾角增大而增加.因此整体来看,紫坪铺水库蓄水对龙门山断裂带起加载作用,有可能触发地震.对紫坪铺库区周围的小震分析也显示,蓄水以来小震明显增多、且不同时段小震发生密集区与水库距离逐渐增大,与孔隙压力扩散趋势一致.以上结果表明紫坪铺水库的蓄水增加了汶川地震的危险性.     

The seismicity and tectonic stress field characteristics of the Longmenshan fault zone before the Wenchuan MS8.0 earthquake

The seismicity of Longmenshan fault zone and its vicinities before the 12 May 2008 Wenchuan M_S8.0 earthquake is studied. Based on the digital seismic waveform data observed from regional seismic networks and mobile stations, the focal mechanism solutions are determined. Our analysis results show that the seismicities of Longmenshan fault zone before the 12 May 2008 Wenchuan earthquake were in stable state. No obvious phenomena of seismic activity intensifying appeared. According to focal mechanism solutions of some small earthquakes before the 12 May 2008 Wenchuan earthquake, the direction of principal compressive stress P-axis is WNW-ESE. The two hypocenter fault planes are NE-striking and NW-striking. The plane of NE direction is among N50°?70°E, the dip angles of fault planes are 60°?70° and it is very steep. The faultings of most earthquakes are dominantly characterized by dip-slip reverse and small part of faultings present strike-slip. The azimuths of principal compressive stress, the strikes of source fault planes and the dislocation types calculated from some small earthquakes before the 12 May 2008 Wenchuan earthquake are in accordance with that of the main shock. The average stress field of micro-rupture along the Longmenshan fault zone before the great earthquake is also consistent with that calculated from main shock. Zipingpu dam is located in the east side 20 km from the initial rupture area of the 12 May 2008 Wenchuan earthquake. The activity increment of small earthquakes in the Zipingpu dam is in the period of water discharging. The source parameter results of the small earthquakes which occurred near the initial rupture area of the 12 May 2008 Wenchuan earthquake indicate that the focal depths are 5 to 14 km and the source parameters are identical with that of earthquake.     

汶川MS8.0地震前后龙门山及其 邻区构造应力场时空分布特征

基于2000年7月—2009年6 月龙门山及其邻区的震源机制解资料, 采用Gephart & Forsyth方法, 反演得到了汶川地震前后该地区构造应力主方向的空间分布. 结果显示: 沿鲜水河断裂带及其北部地区, 构造应力场变化显著, 区域构造应力的最大主应力方位由NNW变为NW, 断层错动类型由正断型兼走滑型变为走滑型; 沿龙门山断裂带的构造应力最大主应力方向仍然为近EW和NE向, 但其EW向范围在向NE方向扩张, 其南部汶川地震震中附近异常带范围在收缩. 另一方面, 对上述时间段龙门山及其邻区不同时段构造应力场的反演结果表明, 其构造应力场的特征参数(包括R值、 应力洛德参数μ′以及3个主应力的方位角和仰角等)均从第13时窗开始出现显著变化, 这表明第13时窗(2006年12月—2007年1月)是一个构造应力显著变化的特征窗口. 在该时窗内, 地震能量积累达到一个临界状态, 是汶川M_S8.0地震发生的时间节点.      

汶川Mw7.9和集集Mw7.6地震前应力场转换现象及其可能的前兆意义

2008年四川汶川Mw7.9地震和1999年台湾集集Mw7.6地震均为挤压推覆构造环境下发生的板内逆断层型地震.通过对比分析2次地震前的CMT解、震源区附近的中小地震震源机制解及其反演的应力场可知,集集地震主震震源机制解与用台湾内陆中西部的CMT解反演得到的逆断层类型构造应力场吻合,而在主震前震源区附近中小地震震源机制...     

汶川8.0级地震前区域应力场动态研究

利用成都、昆明遥测数字地震波形记录资料,研究大量小震震源机制解和视应力值,分析了区域应力场动态和视应力值的时-空分布.给出川青地块平均应力场方位的时间变化.川青地块平均主应力场的方位在汶川8.0级地震前出现明显扰动,同时,地块力轴张量的倾角变化也很明显.得出2006～2007年川青块体逆冲型地震比例偏高,汶川8.0级地震前区域中小地震震源错动类型发生变化的结果,与区域地形变的分析结果是一致的.根据地震波形全波段计算辐射能量,求得的视应力σapp值揭示区域视应力值的微动态起伏过程与区域主压应力场方位的转折类似,可用于地块蕴震物理过程的探索.从汶川8.0级地震前的中短期视应力σapp值的空间分布看,震中所在的龙门山断裂带是低应力分布区,而相对高视应力则分布在外围地区.这些图像可能揭示了汶川8.0级地震前中短期发震构造附近呈现的闭锁现象.     

汶川、 芦山地震前后四川地区应力场时空演化

基于四川地区2000年1月~2014年6月M_L≥3.0地震震源机制解, 首先分析了四川地区各次级地块和不同断裂带的地震震源机制类型及整体应力场特征, 其次以汶川8.0级、 芦山7.0级地震为例, 研究两次强震发生前后四川各次级地块的主压应力时空演化特征。 获得的主要认识为: ① 四川各次级地块的地震震源机制比较紊乱, 反映了块体内部构造的复杂性, 而断裂带的地震震源机制则相对比较单一, 与其运动类型一致; ② 四川各次级地块及断裂带的整体应力方向比较一致, 优势方位呈现NW和NWW向, 倾角接近水平; ③ 汶川8.0级、 芦山7.0级地震发生前, 震中所在的龙门山断裂带中南段及川青地块的主压应力方位均出现过较好的一致性, 而在芦山地震后, 龙门山断裂带及川青、 川中地块的主压应力优势方位则转变为NE向。     

DISCUSSING THE INFLUENCE OF MAJOR EARTHQUAKE SEQUENCE IN THE LONGMENSHAN AREA ON THE LUSHAN EARTHQUAKE FROM STRESS EVOLUTION

Calculating the coseismic static Coulomb stress change induced by an earthquake and interseismic stress change permits to explain the distribution of aftershocks, the earthquake sequence and other seismic observations. Four earthquakes greater than M7 have occurred in the Longmenshan area before the 2013 Lushan earthquake since 1900. This paper analyzes the influence of these four events on the Lushan earthquake, the stress evolution after the Lushan earthquake accompany with strong earthquake sequence on Longmenshan Fault, and the stress state of the gap between the Lushan and Wenchuan earthquakes. To address these issues would help future seismic risk assessment in the region. We construct a three dimensional finite element model based on the geological structure, the deep inversion results of density and velocity, and the GPS and the stress observation data. The simulation results show that the annual variation rate of Coulomb stress is higher on the Xianshuihe fault and southern segment of the Longmenshan fault, which is consistant with the regional seismicity. The coseismic Coulomb stresses induced by Kangding, Songpan, and Wenchuan earthquakes at the Lushan earthquake epicenter is greater than 0, implying that the three earthquakes may promote the occurrence of the Lushan earthquake, especially the Wenchuan earthquake. The viscous relaxation is remarkable which cannot be ignored in the analysis of stress evolution. From the stress evolution of this area, we can find that the gap between the Wenchuan and Lushan earthquakes is still at a relatively high stress level after the Lushan earthquake.     

汶川地震前后川滇及其邻区GPS水平运动演化特征

利用川滇及其邻区2004-2007年、2007-2009年GPS水平运动观测资料,对汶川地震前、震时与震后地壳运动及主要活动断裂带构造变形演化特征、汶川地震可能的同震与震后影响进行了分析.结果表明:2007-2009年汶川震区呈现出显著的右旋逆冲同震变形;大震在一定程度上对甘川交界及其北侧的西秦岭构造区、安宁河—则木河断裂的构造运动有所促进;对鲜水河断裂构造运动总体反映调整影响但对其南段可能有促进作用.     

Study on Dynamic Characteristics of Crustal Deformation in the Yunnan Area Using GPS

Based on the GPS velocity field data of 1999-2007 and 2011-2013,we used the least squares configuration method and GPS velocity profile results to synthetically analyze the dynamic evolution characteristics of crustal deformation in the Yunnan area before and after the Wenchuan earthquake. The dynamic evolution of GPS velocity field shows that the direction is gradually changed from the south in the southern part of the Sichuan-Yunnan block to the south-west in the southern Yunnan block and there is a clear relative motion characteristic near the block boundary fault zone. Compared with the GPS velocity of 1999-2007, the results of 2011-2013 also reflect segmental deformation characteristics of the block boundary fault zone. Southeast movement shows a significant increase, which may be related to crustal deformation adjustment after the Wenchuan earthquake. The dynamic evolution of strain parameters shows a pattern of "extension in the middle and compression at both ends" in the whole area and the distribution of deformation (shear, extension or compression) is closely related to the background motion and deformation characteristics of the main fault zone. Compared with the results of the period of 1999-2007, the extensional deformation zone of 2011-2013 is expanded eastward and southward. The compressional deformation of the eastern boundary (the Xiaojiang fault zone) of the Sichuan-Yunnan block is no longer significant, which is mainly concentrated in the northern section of the Xiaojiang fault zone and may be related to the post-seismic deformation adjustment of the Wenchuan earthquake. The GPS velocity profile results show that the left-lateral slip velocity of the Xiaojiang fault zone reduced gradually from north to south (10mm/a-5mm/a), and the width of the northern section is wider. The right-lateral slip rate of the Honghe fault zone is about 4mm/a, and the deformation width is wider. The dynamic results show that the Wenchuan earthquake has little effect on the deformation modes of these two fault zones.     

汶川M_S8.0地震对龙门山断裂带附近地应力环境影响初探——以北川、江油地区为例

为探讨汶川MS8.0地震对龙门山断裂带现今地应力环境的影响,2009年10—12月,在龙门山断裂带的北川、江油地区开展了3个200m深度钻孔水压致裂地应力测量,获得了汶川MS8.0地震发生1年多以后断裂带附近地壳浅表层地应力环境.根据研究区内的原地应力测量结果及汶川MS8.0地震引起的断层错动等资料,运用线弹性有限元数值模拟方法,计算得到了由断层错动位移所产生的附加应力,并推算了ZK02和ZK03位置震前应力分布特征.通过对比分析,揭示了断裂带附近地应力场的变化规律,探讨了汶川MS8.0地震对龙门山断裂带附近地应力环境的影响.