地壳深部稳定性——震源体破裂机制和摩擦滑动机制的综合研究

本文通过地壳应力测量结果和地震资料的综合分析,对深部应力状态与断层运动的关系作了讨论:进而应用库仑准则,推导了三维应力作用下完整岩体和已有的任意空间方向断层面的失稳条件及其滑动方式的解析表达式.通过建立描述岩体和已有断层稳定性的两个函数——破裂函数 F_m 和摩擦函数 F_f,给出了应用破裂机制和摩擦滑动机制综合分析地壳稳定性和失稳性态的方法:根据这种分析方法并结合华北平原区的水压致裂应力测量资料,以及孔隙压力、大地热流等观测结果,定量研究了本区地壳的稳定问题,计算并图示了地壳内破裂函数沿深度的分布,以及各种走向和倾向断层面上的摩擦函数和剪应力分布;计算中以 Byerlee 定律作为断层运动的约束条件,并考虑了地壳密度纵向非均匀性导致的垂直应力沿深度的非线性增长以及深部超静水压力的异常孔隙压力作用.结果表明,华北平原区地壳失稳性态主要表现为已有断层的滑动;伴有高剪应力降的断层运动的深度范围在8至2.0多公里之间:陡断层稳定性低于缓断层,其运动方式以走滑为主;本区 NNE-NE 走向的陡断层是一组易震断层,其震时错动为右旋走滑;孔隙压力的增长对地壳稳定性有显著的影响;华北平原区深部高异常孔隙压力是地震活动的一种重要背景.     

含水岩石摩擦滑动特征的初步研究

我们对含水岩石进行了双剪摩擦滑动实验。所用样品为济南辉长岩、周口店石灰岩,小浪底砂岩和点苍山大理岩。本实验得到的主要结果表明,水的存在增大了岩石的摩擦强度,减小了粘滑时的应力降和错距,促进了位移强化效应。这说明水对岩石摩擦的影响是一个复杂的问题。还应深入地研究。     

岩石摩擦滑动失稳前断层区的波速变化

对岩石摩擦滑动失稳前断层区的波速变化进行了实验研究，实验表明，岩石摩擦滑动失稳前沿断层一侧的测线上观测不到测速变化，沿着跨断层的测线可观测到波速下降的前兆，因此，尝试用波速异常预断层带粘膜型地震时，选择测线应跨断层。     

岩石的双剪摩擦及震源时间函数的实验研究

本文介绍了岩石的双剪摩擦滑动实验。在实验宁测量了不同正应力条件下的粘滑应力降和位移值,求出了静、动摩擦系数;用瞬态波形存储器记录了粘滑过程中位移随时间的变化曲线,得出了震源时间函数,它的形状与布隆提出的震源时间函数极为相似,两者皆以指数形式下降,它的数值与野外实测结果大致相近。为验证实验数据的准确性,本文还对粘滑的理想模型进行了分析和计界。理论、实验和野外观测的结果大体一致。     

硬石膏断层带摩擦稳定性转换与微破裂特征的实验研究

断层带摩擦稳定性转换及其对应的微破裂特征对于地震成核条件和慢地震机理研究具有重要的意义.本文利用双轴实验装置研究了硬石膏断层带摩擦稳定性的转换及其对应的应变变化、微破裂特征,并分析了实验标本的微观结构.实验结果表明,σ2和加载点速度对断层滑动稳定性具有显著影响.在低σ2条件下,硬石膏断层带出现不稳定滑动,变形以局部化的脆性破裂和摩擦为主;随σ2的增加,断层由不稳定滑动向稳定滑动转换,断层带变形方式逐渐转变为分布式的破裂.在低σ2条件下,硬石膏断层带在较低加载点速度下表现为速度强化且滑动稳定,在中等加载点速度下表现为速度弱化并伴有准周期性的黏滑,在较高加载点速度下又有转向速度强化的趋势,σ2的提高使得速度弱化的范围逐渐减少,滑动趋于稳定.上述两次转换对应不同的微破裂特征,在较高速度下从速度弱化转换为速度强化时,断层滑动伴有能量较小但频度很高的微破裂活动,而在较低速度下从速度弱化转换为速度强化时,断层滑动伴有间歇性的微破裂,这与断层带的微观结构特征有较好的对应关系,表明其转换机制是不同的.     

地震滑动加速和减速过程中的摩擦作用

在地震滑动过程中,断层动态摩擦是地壳内控制地震破裂的决定性因素。天然地震的脆性裂纹理论[1-3]使得以下观点被普遍接受:在地震断层快速滑动的过程中,断层摩擦力减弱,即所谓的滑动弱化[1]。高速断层泥实验[4-5],以及最近关于热增压[6-7]和摩擦熔化[8]的试验都支持该理论。但是,这些研究均仅针对固定的断层滑动速率。在本文中,我们的实验展示了不同滑动速率下断层物质的摩擦行为——这一模型的设置更接近天然地震的特征。实验结果表明,在断层滑动加速和减速的过程中,断层摩擦经历了增长、弱化和再增长。这种摩擦变化可能可以由低滑动速率下和更现实的滑动速率之下的速率-状态摩擦行为[9-10]来解释,但包含了不同的物理机制和不同的规模。最初的摩擦增强可能会阻碍小破裂向大地震的发展。断层滑动减速过程中的摩擦增强可能导致地震破裂呈脉冲状[11-14],并使得静态应力下降到与动态应力变化相比较低的水平[15]。     

滇西地震实验场岩石的摩擦滑动实验研究(英文)

应用双剪法对滇西地震实验场岩石的摩擦滑动特性进行了研究。实验的岩石有花岗岩、玄武岩、正长岩和片麻岩。实验的正应力为10—40MPa。实验表明,花岗岩、玄武岩和正长岩三种岩石,当正应力为10MPa时发生稳滑,当正应力超过10MPa时发生粘滑。稳滑与粘滑过程均出现位移强化现象。片麻岩当正应力为10MPa时发生稳滑,当正应力超过10MPa时样品未滑动而发生破裂。摩擦强度值比Byerlee定律的值稍低。与济南辉长岩相比,滇西三种岩石粘滑发生时的平均应力降较低,平均错距较小,平均重复周期较短。花岗岩粘滑前声发射率明显增加,玄武岩与正长岩粘滑前声发射率变化不明显。     

安宁河断裂假玄武玻璃摩擦滑动实验研究

我们在安宁河断层带西侧的花岗片麻岩和碎裂岩中发现假玄武玻璃.并开展了假玄武玻璃的摩擦滑动实验,为国际首次.在化学成分和微观结构分析的基础上,本研究使用粉碎后的假玄武玻璃粉末作为模拟断层泥,在有效正应力250 MPa、温度100~500℃、孔隙水压30 MPa和干燥条件下开展了摩擦滑动实验.为获得假玄武玻璃摩擦系数的速度依赖性参数（a-b）,实验中的轴向加载速率在1 μm·s^-1,0.2 μm·s^-1,0.04 μm·s^-1之间进行切换.实验结果显示,在100~500℃假玄武玻璃的摩擦系数随着温度增加而增大,含孔隙水压条件下摩擦系数比干燥条件大.在加载速度为1~0.2 μm·s^-1条件下,100~300℃温度范围内,假玄武玻璃表现为速度强化型稳定摩擦滑动;在300~400℃的温度范围内,假玄武玻璃的摩擦滑动行为表现出由速度强化向速度弱化转变的趋势,在400~500℃时其表现出显著的速度弱化行为,从而在该温度范围内具备自发的地震成核条件.本实验还发现假玄武玻璃的滑动稳定性与加载速率有关,在相同温度条件下以及100~300℃的温度范围内,假玄武玻璃在实验室标速条件下（1~0.2 μm·s^-1）表现出速度强化的摩擦滑动行为;而在低速（0.2~0.04 μm·s^-1）条件下,表现出速度弱化.因此在100~500℃的温度条件下,降低剪切滑动速度可以促进假玄武玻璃的不稳定滑动.对比花岗岩与假玄武玻璃的摩擦强度与滑动稳定性表明,在100~500℃（5~30 km深度）,假玄武玻璃和花岗岩都具备地震成核的条件.假玄武玻璃的摩擦强度比花岗岩高,由此推测,被假玄武玻璃愈合的同震破裂,原地再次发生同震滑动的可能性小,但如果断裂带内存在假玄武玻璃,不仅能增加断层不稳定滑动和地震的风险,而且会促进同震动态破裂传播.

     

水对断层摩擦滑动稳定性的影响

在不同含水条件下研究了光面、含脆性物质夹层和含延性物质夹层 3类断层的摩擦滑动行为 ,认为水对断层滑动稳定性和摩擦滑动的速度依赖性有重要影响。建立了含有岩性、围压 (深度 )和含水量 3因素的断层活动稳定性的模式 ,认为脆性断层更多地表现为速度弱化 ,少量水的存在易于出现黏滑 ,高孔隙压时会表现为稳滑 ;半脆性或半延性的断层在少量水或较低孔隙压的情况下会表现出速度弱化 ,也就可能出现黏滑 ,但孔隙压较高后 ,会表现出速度强化 ,滑动也就会是稳定的 ;延性断层多为速度强化 ,不出现黏滑。提出水的进入降低了系统的稳定性 ,水的存在增加了系统的稳定性。这是考虑水或一般流体对岩体或断层活动稳定性影响时需要考虑的两个方面     

海原断裂带断层泥摩擦特性的研究

用双剪法对海原断裂带5个点的13种断层泥的摩擦滑动特征进行的实验研究表明,海原断裂带的断层泥的存在有助于消除粘滑与增大摩擦强度,五个点断层泥的摩擦系数平均值分别是0.760(景泰),0.728(哈思山),0.669(大沟门),0.644(剌儿沟),0.684(蔡祥堡)。     

地震成因的综合模型和强震预报

根据以往研究的地震孕育和发生的３个模式提出了地震成因的综合模式、地震前兆指标和预报方法。综合模式由７个单元组成：震源、震源端部的２个调整单元、震源顶部和底部的２个软弱层（这些单元均位于上岩石圈）以及下岩石圈的两个深部剪切蠕滑断层（一个与震源断层面垂直立交，另一个与震源断层面同面立接）。这７个单元组成了导致强震后果的结构。在构造力源作用下每一个单元围绕震源运动。最终使震源区破裂和发生强震。根据这个模式各种地震前兆异常区的演化与模式中震源与其它各个单元之间的差异性有关，与调整单元、调整层、深部剪切蠕滑断层之间的差异性有关。这种差异性使不同时间或同一时段多个异常区、带边界的交汇点或连接区预示未来强震位置。在孕震后期，震源系统某些单元之间的相互作用增强，并形成正反馈，前兆异常随时间的变化出现起伏加剧。根据总结，强震大多发生在第３次起伏加剧的峰值处和峰值后并得到Ｍ＝４．２９＋０．１１ｔ式中ｔ为起伏加剧的异常时间，以月为单位。由上述指标可以作出强震的中短期预报。在文章最后我们以唐山地震为例展示了综合模式在地震预报中的应用     

应用振型叠加方法研究1997年11月8日中国西藏玛尼地震震源机制

利用包括长周期体波、Rayleigh波和Love波在内的三分向波形记录,根据PREM模型应用自由振荡振型叠加方法计算理论地震图,反演1997年11月8日西藏玛尼Ms7.9地震的矩张量.获得的最佳双力偶的节面解为:NP1(走向343°,倾角76°,滑动角-177°),NP2(走向252°,倾角87°,滑动角-13°);地震矩为1.43×1020 Nm,Mw为7.4.其结果与哈佛大学的CMT解较一致.地震的发震断层面为北东东近东西方向,断层性质主要为左旋走滑断层,与地质背景、应力场特征相符合.研究使用的是适用于区域性地震的矩张量快速确定的方法,可以用来对区域性的地震活动给出准确而快速的监测.     

砂岩在摩擦滑动中的电阻率变化及其在地震预报中的应用

用双剪法对小浪底砂岩在摩擦滑动中的电阻率变化进行了实验研究。结果表明,在摩擦滑动过程中,电阻率“趋势”变化有明显的方向性效应,在不同的测量方位上显示出较大的差异性和不同的前兆特征。平行于断层面的第Ⅰ道电阻率持续上升,大滑动前无明显异常反应;垂直横跨断层面两侧的第Ⅱ道随剪应力的增大电阻率由开始大幅度下降转为平稳变化,大滑动前出现清晰的突变异常,其幅值达50%左右;与断层面斜突成45°夹角的第Ⅲ道随剪应力的增大电阻率缓慢上升,达到某一极值后随块体的滑动转为下降。最后,本文简单地讨论了产生这些差异性现象的可能原因及其在地震预报中的应用。     

共和地震的诱发机制与水库诱发地震的研究

本文通过对龙羊峡水库蓄水使共和盆地应力、重力等条件改变的讨论，认为：共和地震的形成和发生与龙羊峡水库蓄水有密切的关联，在将共和地震与水库诱发地震的特征进行了比较后，发现共和地震所表现出来的特征与水库诱发地震特征极其相似，进而提出共和地震应属水库诱发地震的范畴。     

在确定潜在震源区中地震和地质资料的应用

在确定潜在震源区中如何应用地震和地质资料是编制中国地震烈度区划图(1990)的关键问题,包括如何利用地震和地质资料来勾划地震带和潜在震源区的范围和方向,以及确定本底地震和潜在震源区的震级上限     

接触岩面烧结与地壳深部地震机制

玄武岩、花岗岩、闪长岩以及安山岩的接触面,在350℃—900℃,1×10~8—4×10~8帕围压下,经过1—35天,便烧结成一个整体,并具有很高但低于原岩的剪切强度。此强度随温度、围压和时间的增加而增大。在烧结面与主压应力方向夹角大于55°时,便不再断裂,而沿其它方向剪断。烧结过程中,没有新矿物产生,也没有矿物熔融作用参与,但岩石密度增加,晶粒长大。晶粒粘附作用和原子体积扩散是烧结的物理机制,晶粒表面能自发地从高向低转化,是促进烧结的基本动力。烧结面的再破裂和延裂便是断裂带在地壳深部重复发生地震的主要机制。实验最低温度和围压相当地壳十公里深,这应是深大断裂的上部裂面与下部烧结层的界限,受载后便向下延裂,而在下部形成地震震源。这可能是地壳中震源多在15—25公里深的重要原因。     

1927年古浪8级大地震断层面参数和滑动性质

1927年古浪发生8级大地震,此次地震给古浪及邻近地区造成了轻重不等的破坏。对这次地震的发震构造,前人的研究结果存在较大分歧。本研究根据成丛小震发生在大震断层面附近的原则及参考前人对该地震发震构造的认识,采用1985年到2012年发生在地震破裂区的精定位地震目录,选定了2个长条状研究区域,将模拟退火算法和高斯-牛顿算法结合,利用小震密集程度求解主震断层面的走向与倾角。在此基础上考虑区域构造应力参数,给出了已求得的断层面上的滑动角。然后结合已有的深部构造研究结果以及地表考察结果,简单讨论了此次地震的孕震环境和发震机制。文中反演到的断层1位于此次地震等震线的最高烈度(Ⅺ度)圈内,表明反演到的震源断层可能就是控制此次地震的发震构造。另外,首次发现在主干断裂中南部有1个小震成丛区,也能反演出1个断层,这可能是地震时震区整体发生了逆时针旋转而在主干断裂之上新发育的张性地震断层。