汶川地震失稳机制的数值模拟研究

考虑断层的软化特性,建立垂直于龙门山断裂带并包含四川盆地和川西高原在内的汶川地震不稳定性地震力学模型.采用有限元方法计算得到了描述整个岩石力学系统稳定性状态和过程的平衡路径曲线.在此基础上,采用稳定性理论研究了汶川地震从孕育到发生的过程,讨论了断层倾角和断层材料参数对地震失稳的影响.数值模拟结果显示,系统只存在稳定的断层无震滑动和不稳定的地震失稳2种状态.断层倾角、初始内摩擦系数、初始黏聚力和强度曲线形状参数的增加会导致系统趋向不稳定的地震失稳状态.而强度曲线胖度参数的增加有助于系统进入稳定的断层缓慢无震滑动状态.地震失稳前,在平衡路径曲线的应力峰值点和失稳点之间,断层错动加速,应变能开始释放并且应力开始减小,是失稳的前兆.最后在失稳点发生应力突跳,地震发生,其间伴随应变能的急剧释放、应力降和断层突然错动.无论是稳定的断层无震滑动还是不稳定的地震失稳,系统重新进入应力和应变能增加状态后应力和应变能的增速由远场加载速度、岩石力学系统的结构和围岩材料属性决定,与断层软化特性参数无关.     

科里奥利力对断层作用的统计研究

首先给出了分解到已知断层面法向和切向上的断层错动科里奥利应力(简称为科里奥利法向应力和切向应力)表达式,然后从哈佛大学矩心矩张量目录中选取主余震资料进行分析,按断层分类研究了科里奥利法向应力和主震震级与其最大余震震级差及主震地震矩与余震地震矩总和之差的折合矩震级间的关系.研究结果显示:地震断层错动过程中虽然产生了使断层两盘相互拉离(或挤压)的科里奥利法向应力,它降低(或增加)了断层错动时断层面上的摩擦阻力,但是应力量值太小(科里奥利法向应力估计最大不到0.1MPa,即不到一个大气压),不足以对断层错动及主震能量释放产生影响,从而影响余震的最大震级和总体水平.     

有关科里奥利力效应与昆仑山口西8.1级地震余震活动趋势的讨论s

根据物理学中的科里奥利力定义和计算原理，在对中国大陆20次7.5级以上特大地震余震强度与科里奥利力效应关系的统计研究基础上，重点对2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震时所受到的科里奥利力情况进行了研究，并以此来讨论该地震后期的余震活动趋势．结果表明: ① 利用科里奥利力效应预测中国大陆特大地震的余震强度是一个有效的方法．对于左旋走滑断层和上盘错动方向通过震源子午面右侧（向北看）的逆断层，其科里奥利力效应是使断层两盘相互拉离，它降低了断层错动时断层面上的摩擦阻力，地震能量主要在主震时充分释放，故余震强度小；对于右旋走滑断层，其科里奥利力效应是使断层两盘相互挤压，它增加了断层错动时断层面上的摩擦阻力，不利于主震能量的充分释放，所以余震强度大；② 2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震的发震断层错动以左旋走滑为主，受到的科里奥利力使断层两盘相互拉离，大小约为0.06 MPa．经过类比分析后认为，该地震后期的余震活动水平不会太高，整个序列的最大余震震级估计为6级左右．      

利用P波、S波初动和振幅比计算2000年姚安M_S6.5地震序列震源机制解

利用P波、SV波和SH波的初动和振幅比计算了2000年姚安6.5级地震序列中14次M≥3.0地震的震源机制解.结果表明,姚安6.5级地震的主要发震断裂走向为北西,高倾角,在北北西向近水平主压应力作用下,呈现出以右旋走滑为主的断层错动性质;姚安地震序列以走滑型为主,个别地震为斜滑型,是在北北西向水平或近水平的主压应力作用下的构造运动方式;主震发生后1～3天断层错动以走滑型为主,个别为斜滑型,主震发生后3～30天断层错动为走滑型;P轴和T轴的方位总在按与构造应力场走向由一致到不一致再到一致的规律反复变化;在强余震明显活动期间,地震以水平或近水平向主压应力作用下的断层错动方式为主,有一定的斜向作用,然后为水平或近水平的主压应力作用方式,主震后应力场有明显的调整变化过程.     

2008年汶川Ms8.0地震在2013年芦山Ms7.0地震和2014年康定Ms6.3地震破裂区引起的库仑破裂应力

2008年5月12日四川汶川发生M_S8.0地震发生之后, 先后于2013年4月20日和2014年11月22日分别在汶川M_S8.0地震震中西南约80 km的芦山县和约178 km的康定县发生了M_S7.0和M_S6.3地震。 芦山地震位于龙门山前主边界处, 康定地震位于鲜水河断裂带上。 芦山地震发生前有几位作者先后计算了汶川M_S8.0地震引起的库仑破裂应力, 分析了其对周围断层的影响。 本文对这些研究结果进行了简要回顾, 并根据芦山地震和康定地震的实际发震断层面参数, 计算了汶川M_S8.0地震在芦山地震和康定地震震源深度处的水平面上以及其发震断层面上产生的库仑破裂应力, 还给出了其震中处库仑破裂应力随深度的变化。 结果表明, 汶川M_S8.0地震发生使芦山地震震源断层面上有利于其错动发震的应力大面积增加而使康定地震震源断层面上有利于其错动发震的应力大面积减小。 在芦山地震初始破裂点处引起的库仑破裂应力达0.245 MPa, 在康定地震初始破裂点处引起的库仑破裂应力为-0.00063 MPa。 因此, 汶川M_S8.0地震的发生对芦山地震具有明显的促进作用, 而对康定地震的作用不明显。 在目标断层面参数已知的情况下, 根据库仑破裂应力在目标断层面上的分布, 可能为未来地震发生的地点提供线索, 进而对地震发生的危险性进行预测。 若一次地震的发生使目标断层面上有利于其错动发震的应力大面积显著增加, 这种情况下库仑破裂应力对未来地震具有预测意义。     

新疆天山中段中小地震视应力特征研究

正地震视应力定义为:单位地震矩释放的地震波能量,或者是在单位断层面积上的单位错动释放的地震波能量。视应力是表征震源区应力水平的物理量,与发震过程中释放的应变能有关,反映了地震通过地震波辐射能量的效率,进而反映了地震断层的应力强度;其与引起地震滑动的平均应力水平之间通过地震波辐射效率联系,是震源区平均应力的下限。     

龙门山断层地震周期及其动力学过程模拟研究

在断层面上引入速率-状态相依摩擦本构关系、考虑铲形逆冲断层几何结构特征、断层下盘和上盘中下地壳及上地幔为黏弹性介质、上盘上地壳为弹塑性介质,本文用二维有限元动力学模型模拟了龙门山断层上大震准周期复发行为、分析了断层上地震孕育位置、地震周期不同阶段的应力/应变场演化特征.不同于近垂直走滑断层上的地震周期行为,大陆铲形逆冲断层上的构造应力的积累和释放过程更复杂、有其独特性.我们得到如下认识：（1）铲形逆冲断层上的地震复发是准周期行为.（2）龙门山断层最大库仑应力位于断层17~20 km深处,应力长期积累和同震释放都在此深度最大,说明地震会在此处孕育、发动.（3）在断层破裂的深部和浅部,同震滑动大小和构造应力释放大小并非同步,而是差异悬殊.（4）地震仅部分释放区域积累的应变能,断层上盘上地壳顶部和底部的褶皱、破裂等永久变形形式也是释放应变能的重要形式.（5）应变能密度增量的演化图像分为：震间、同震、震后期,清晰反应了龙门山断层附近的地震动力学过程.（6）地震发生除释放能量外,同时也对近断层的中地壳和断层底部有很大的应变能加载;这些加载,在震后期可能通过震后滑移、余震或中下地壳乃至上地幔的驰豫形变用几十年时间释放.以上对大陆内铲形逆冲断层上变形特征的了解,有助于我们在其地震周期行为中评估地震危险性.     

基于InSAR地表形变约束的玛多MS7.4地震孕育发生机理数值模拟研究

2021年5月22日在青海玛多发生MS7.4 地震,此次地震造成了严重的地表破坏.本文通过合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术得到了 Sentinel-1 升、降轨同震地表形变、东西方向和垂直方向的同震形变场.并根据东西向地表的错动,勾画出了地震破裂面分段结构.以 InSAR地表形变观测为约束,构建了能反映玛多地震破裂特点的三维黏弹性有限元模型,模拟得到了玛多地震的三维同震形变及应力场变化和演化特征,讨论了玛多地震的成因及玛多地震的发生对周边断层的影响.结果显示:玛多地震为典型的左旋走滑型地震,其中东部错动量相对较大;玛多地震的余震都分布在库仑应力升高的影区,说明玛多地震序列使得断层上积累的应变得到了充分的释放,未来余震的发生会朝西南和东北方向发展.玛多地震的发生形成了多个应力强加载区,推测玛多地震的发生大大增加了部分临近断裂带滑动的可能.2010年玉树 7.3 级地震引起的库仑应力变化在玛多地震主破裂面上的投影为正数,推测玉树地震对玛多地震具有促进作用.研究结果可以为大震后的余震分布判断提供定量参考依据.     

东昆仑活动断裂带大地震之间的黏弹性应力触发研究

对青藏高原北部东昆仑破裂带大地震之间的应力转移和断层相互作用进行研究. 考虑1937年以来沿此破裂带发生的5个M≥7的地震：1937年M7.5花石峡地震，1963年MS7.1都兰地震，1973年MS7.3玛尼地震，1997年MW7.5玛尼地震和2001年MW7.8可可西里地震，模拟了黏弹性成层介质中地震断层错动产生的应力演化过程，并计算了在后续地震破裂面上产生的库仑破裂应力变化. 结果表明，前面4个地震均造成2001年可可西里地震断层面上库仑破裂应力的增加，并且中地壳和下地壳的黏弹性松弛效应使得库仑破裂应力场随着时间的推移而逐渐加强. 在计算过程中定量估计了可可西里地震发生时前面4个地震同震形变和黏弹性松弛导致可可西里地震破裂面上库仑破裂应力变化之间的比值，发现前3个地震由黏弹性松弛造成的变化远远大于同震形变所造成的变化. 可可西里地震之后应力场的模拟表明东昆仑断层中段的东大滩－西大滩断层段（位于可可西里地震破裂以东及都兰地震以西）的库仑破裂应力显著增加，变化值达0.05～0.1 MPa，预示这一地区地震危险性的增加.     

1997年玛尼地震对青藏川滇地区构造块体系统稳定性影响的三维DDA+FEM方法数值模拟

本文用三维非连续变形与有限元相结合（DDA+FEM）的方法,在青藏川滇地区三维构造块体相互制约的大背景中,通过用GPS资料做位移速率边界约束和震源机制约束,计算得到研究区的初始位移场和应力场与该地区GPS测量结果和震源机制分布结果基本一致.在此基础上进一步数值模拟1997年玛尼7.9级大震的发生过程,研究大震引起研究区各块体边界断层应力状态变化的特征.（1）发震断层两侧发生左旋走滑错动,最大水平位错大约7 m;（2）深部位错面上位错分布与用地震波资料震源反演的结果类似;（3）最大差应力变化等值线图与由星载D\|INSAR技术获取的地表形变场图像相似;（4）地表垂直位移表明地震断层面略向北逆冲.计算模拟得到了玛尼地震发生引起青藏川滇地区构造块体系统各边界断层上库仑破裂应力变化的分布,表明玛尼大震的发生除了使其发震断层的两端库仑破裂应力增大,应力进一步集中外,位于上地壳层上东昆仑断裂中段的2001年昆仑山8.1大震（H=11 km）发震断层段的库仑破裂应力增加约2 MPa,位于中地壳层上喀拉昆仑断裂带中的2008年改则6.9级地震（H=30 km）发震断层段的库仑破裂应力也增加约0.7 MPa,可见这两个已接近破裂强度地段的失稳对发生大震起了一定促进作用.研究结果也表明：作者发展的三维DDA+FEM方法能有效地用于大震活动与各构造块体相互作用关系的研究.     

巴颜喀拉块体东边界千年破裂历史与2008年汶川、2013年芦山和2017年九寨沟地震

以巴颜喀拉块体东边界活动构造带为研究区,本文首先分析了该区最近一千多年的地震历史及强震活动随时间的变化,确定了2008年汶川M_S8.0地震、2013年芦山M_S7.0地震和2017年九寨沟M_S7.0地震这3次事件在这一强震活动历史中的位置,进而在圈绘长期强震破裂区图像的基础上鉴别主要活动断裂带上的地震空区。结果主要表明:研究区在最近约一千年中经历了一个强震轮回的3个阶段,包括一个平静期的后半部（1630年之前）、1630—1878年之间的过渡期以及1879年以来的强震期。后两个阶段可能代表了该构造带在经过更早、可能二三千年长的平静期或应变积累期之后出现的长达数百年、从“预释放”期（1630—1878年）到“主释放”期（1879年以来）的强震发生过程;在主释放期应变能释放呈明显加速,四川2008年汶川、2013年芦山以及2017年九寨沟地震是发生在主释放期中的3次最新事件,但是由这3次事件的发生还难以判断主释放期是否已经结束;已圈绘出研究区及其邻近地区若干活动断裂段上存在长期缺少大地震破裂的地震空区,未来仍应注意在这些地震空区再次发生大地震的危险性。      

大震前宏观异常的机理研究

主要通过对1975年海城地震前出现的宏观异常现象的分析,推测大震前在震源区的地下岩体中就已产生了贯通到近地面的规模不等的宏观裂缝,在构造应力场的持续作用下裂缝会进一步的扩张、错动和贯通形成更大规模的裂缝.而发震断层实际上是主震前沿发震断裂上的裂缝最后一次扩张、错动和贯通的结果.论证了大震之前这些裂缝的进一步的扩张以及沿这些裂缝热物质的上涌导致了震前形式多样的各种宏观前兆现象的产生.     

Seismicity constraints on stress regimes along Sinai subplate boundaries

The relative movement between African, Arabian and Eurasian plates has significantly controlled the tectonic process of Sinai subplate region, although its kinematics and precise boundaries are still doubtful. The respective subplate bounded on both sides by the Aqaba-Dead Sea transform fault to the east and the Gulf of Suez, the only defined part, to the west. Seismicity parameters, moment magnitude relation and fault plane solutions were combined to determine the active tectonics along the aforementioned boundaries. Seven shallow seismogenic zones were defined by the heterogeneity in stress field orientations. Along the eastern boundary, the average fault plane solution obtained from the moment tensor summation (MTS) reveals a sinistral strike-slip faulting mechanism. The corresponding seismic strain rate tensor showed that the present tectonic stress producing earthquakes along the boundary is dominated by both NW-SE compression and NE-SW dilatation. Towards the north, the average focal mechanism showed a normal faulting mechanism of N185°E compression and an N94°E extension in the Carmel Fairi seismic zone. On the other hand, the active crustal deformation along the western boundary (Gulf of Suez region) showed a prevailing tensional stress regime of NE to ENE orientations; producing an average fault plane solution of normal faulting mechanism. The seismic strain rate tensor reveals a dominant stress regime of N58°E extension and N145°E compression in consistence with the general tectonic nature in northeastern Africa. Finally, the extensional to strike-slip stress regimes obtained in the present study emphasize that the deformation accommodated along the Sinai subplate boundaries are in consistence with the kinematics models along the plate boundaries representing the northern extremity part of the Red Sea region.     

青藏高原东南缘活动断裂的地震应变能释放系统研究

本文以青藏高原东南缘为研究区域,利用G-R震级能量经验公式和Benioff地震应变能释放曲线,对该区域内1500年以来的历史地震应变能释放进行了系统性的研究。文中给出了各断裂带和断块区的地震应变能释放周期表,及相应的地震危险性。分析发现研究区域地震应变能的释放具有东强西弱,南强北弱的特征,整体上各断层断块区的历史地震应变能释放符合准周期模式,某些断层和断块区上的地震周期具有某种程度上的同步现象。青藏高原东南缘现今处于大释放期中,地震的危险性不能忽视。局部结果显示,安宁河-则木河断裂带、小江断裂带的危险性很高,对于这些危险区要重点跟踪研究。今后仍需结合不同研究方法来提高地震危险性评估的可靠性。     

新疆南部构造区带与地震活动状态研究

Based on the studies of earthquake activity, tectonic movement, crustal shortening rate, fault activity, local stress field and historical characteristics of strong earthquake activities in Xinjiang, we divide the south part of Xinjiang into 4 seismotectonic zones, namely, the eastern segment of south Tianshan seismic belt, the Kalpin block, the Kashi-Wuqia junction zone, and the west Kunlun Mountains seismic belt. Using earthquake catalogues from Xinjiang since 1900, and on the basis of integrity analysis of earthquake records in different magnitude ranges, the seismicity state of different seismotectonic zones is analyzed quantificationally by calculating the mean value of annual strain energy release, annual rate of earthquakes with different lower limits of magnitude, b-value, and the parameter m of accelerating strain release model. The characteristic indexes of seismicity state for each of the seismic tectonic zones are then determined, which provide a quantitative basis for earthquake tendency analysis and judgment.     

COULOMB STRESS EVOLUTION AND SEISMIC HAZARD ALONG THE EASTERN BOUNDARY OF THE SICHUAN-YUNNAN BLOCK

Using a more realistic model of multi-layered viscoelastic media, and considering the effects of the coseismic dislocation and the postseismic viscoelastic relaxation caused by the 34 great earthquakes occurring along the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block since 1480 and the interseismic stress accumulation caused by the tectonic loading generated by plate motions which were modeled by introducing "virtual negative displacements" along the major fault segment in the region under study, we calculated the evolution of the Coulomb stress change in each fault plane of 18 major fault segments along the eastern boundary caused by the coseismic, postseismic and interseismic effects. We studied the interactions of the Xianshuihe, Anninghe, Zemuhe and Xiaojiang fault zones on the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block. By evaluating if the previous earthquake could bring another earthquake closer to or farther from failure, we analyzed the interactions of the earthquakes which occurred in the different segments in the same fault zone, or in the different fault zones respectively. And further based on the calculation results of the Coulomb stress change on the fault planes, we analyzed the seismic hazard of each fault segment.The results show that the previous earthquake may trigger another earthquake which can occur in the same fault zone or in the different fault zone. And the calculation results on the evolution of the cumulative Coulomb stress change in the each fault segment show that, the Coulomb stress increases significantly in the middle section and the Moxi segment of the Xianshuihe fault zone, the Mianning-Xichang segment of the Anninghe fault zone, the Qiaojia-dongchuan segment and the Jianshui segment of the Xiaojiang fault zone, and the seismic hazard in these fault segments is worthy paying attention to.     

发震构造的第三种型式

提出了一种新的发震构造型式－转换破型型。其特征是地震不发生在主干断裂和共轭断裂面上，而是在其两侧一定距离的岩块中；发震断裂不与其平行而是成一定的交角；震源机制解的三个力轴与造力应场相对应的三个力轴不一致，而是有规律地旋转了一定有角度。     

渤海周围地震构造带的前兆异常分布与震情趋势估计的研究

借鉴已有研究成果,进一步对渤海周围地区地震构造带的分布、区域构造背景及其活动性做了分析,在此基础上,对张北6. 2级地震前至目前,华北北部前兆异常的总体数量及其沿地震构造带分布的变化,以及该区主要地震构造带的地震危险趋势进行了分析研究。     

Discussion on Characteristics of Crustal Deformation along the Zhangjiakou-Bohai Sea Seismotectonic Zone

INTRODUCTIONThe Zhangjiakou-Penglai fault zone has drawnextensive attentionfromseismologists and geologistssince it was determinedinthe1980’s(Zheng Binghua,et al.,1981).Ma Xingyuan,et al.(1989)consideredit asthe north boundaryof North China sub-block.Int…     

Coupling of tectonic loading and earthquake fault slips at subduction zones

Because of the viscoelastic behaviour of the earth, accumulation of elastic strain energy by tectonic loading and release of such energy by earthquake fault slips at subduction zones may take place on different spatial scales. If the lithospheric plate is acted upon by distant tectonic forces, strain accumulation must occur in a broad region. However, an earthquake releases strain only in a region comparable to the size of the rupture area. A two-dimensional finite-element model of a subduction zone with viscoelastic rheology has been used to investigate the coupling of tectonic loading and earthquake fault slips. A fault lock-and-unlock technique is employed so that the amount of fault slip in an earthquake is not prescribed, but determined by the accumulated stress. The amount of earthquake fault slip as a fraction of the total relative plate motion depends on the relative sizes of the earthquake rupture area and the region of tectonic strain accumulation, as well as the rheology of the rock material. The larger the region of strain accumulation is compared to the earthquake rupture, the smaller is the earthquake fault slip. The reason for the limited earthquake fault slip is that the elastic shear stress in the asthenosphere induced by the earthquake resists the elastic rebound of the overlying plate. Since rapid permanent plate shortening is not observed at subduction zones, there must be either strain release over a large region or strain accumulation over a small region over earthquake cycles. The former can be achieved only by significant aseismic fault slip between large subduction earthquakes. The most likely mechanism for the latter is the accumulation of elastic strain around isolated locked asperities of the fault, which requires significant aseismic fault slip between asperities.