基于应力变化的余震预测研究综述

本文综述了近期基于应力变化的余震预测研究进展。从静态库仑应力触发角度对余震活动进行研究主要有两方面内容:一是集中于对主震触发余震机制的讨论;二是通过库仑应力变化分布区域与实际余震空间分布区域进行定性对比分析,并认为库仑应力变化为正的区域有利于余震的发生,而这正是余震活动与应力变化高度相关的重要证据。基于应力变化的余震预测研究的一项重要内容是建立在速率-状态依从摩擦定律基础之上的余震活动率研究,即将余震活动作为一系列独立的成核事件,从断层滑动触发地震的角度出发,结合静态库仑应力计算得到余震活动率,进而得到余震数量。余震活动是与断层面上的剪切应力变化相关联的,余震活动率受应力扰动幅度、应力加载速率、断层基本物理特性及背景地震活动率等的影响。考虑到“余震激发余震”的特点,ETAS 模型与静态库仑应力变化相结合的研究方法提供了一条统计学与物理学方法(应力变化)相结合、能更完整地刻画余震活动特征的可能途径。     

地震活动不均匀性及其断层相互作用的力学机制研究

一次地震的孕育过程由震源自身的演化过程和所受外界影响 2种因素决定。地震活动的复杂性主要由地震断层活动相互作用以及在这种作用下地震孕育过程发生复杂变化引起。本文在摩擦状态 -速率依从理论和断层相互作用理论的基础上 ,将地震看作是摩擦失稳现象 ,建立地震孕育及其活动特征的物理模型 ,研究地震触发现象和地震强度分布不均匀性的力学机制。1　大地震触发区域地震活动及其力学机制研究　　美国兰德斯地震后诱发的距震中远达1 2 50 km的 1 4个区域出现的地震活动增强 ,被称为是大地震触发小地震的首次证据。本文对1 995年 1月 1 7日…     

利用应力加载速率变化与地震活动性模型探讨2013年吉林前郭震群成因的力学机制

理解震群的成因机制是地震科学的重要挑战.本文基于速率-状态摩擦定律,利用Dieterich断层失稳模型探讨了流体运移、慢滑移和震群触发三者之间的关系,研究结果表明：（1）断层内部或周边流体流动所导致的孔隙压力升高可诱发断层发生慢滑或非地震滑移,慢滑或非地震滑移可使区域内临近断层上库仑应力加载速率升高,进而导致震群产生;（2）基于Dieterich地震活动性模型所给出的慢滑或非地震滑移触发的震群的地震发生率表达式可定量描述时间域内震群发生率上升、平稳以及快速下降的过程;（3）活动断层可能在震群期间重复失稳.针对2013年前郭震群的分析表明,前郭震群序列的产生与序列中b值（古登堡-里克特定律）的降低可能同整个震源区域内库仑应力加载速率的突然上升相关,而孔隙压力上升所诱发的断层慢滑或非地震滑移则可能为导致该区域内库仑应力加载速率上升的关键原因之一.

     

地震触发研究中库仑应力随摩擦系数增加而增大的矛盾及其解决

近年来,通过计算库仑破裂应力变化研究地震触发及断层的相互作用,进而估计地震灾害已经成为国际上研究的热点.研究中,为考察库仑模型触发地震的效果,计算时往往要改变模型参数进行检验,特别是让有效摩擦系数从0.0到0.8之间变化.许多研究人员的计算结果表明,库仑破裂应力随着摩擦系数的增加而增大,即断层上摩擦系数的增大可以导致触发地震能力的提高.这显然与我们的常识相违背:摩擦总是阻碍断层滑动、抑制地震发生的,即断层面上的摩擦越大,地震越是难以被触发.文中通过对库仑破裂应力的计算公式进行详细分析后发现,之所以出现摩擦越大,地震越容易被触发的现象,其原因是研究者在计算中没有考虑在构造应力作用的环境里,摩擦系数本身的变化所带来的附加库仑应力变化.若某个地震使一个位于地下15 km的典型断层面上的正应力增加2 MPa,如果只考虑静岩压力,当摩擦系数从0.3增大到0.4后,传统库仑破裂应力变化为0.8 MPa;而综合库仑应力变化则大约为-39.2 MPa.所以,若从整体上来分析断层在地震位错及摩擦系数变化所造成的综合库仑应力改变,就不可能出现库仑应力随摩擦系数增加而增加的不正常现象.由此可见,今后在利用库仑模型研究地震触发问题时,应综合考虑构造应力场及摩擦系数本身变化所带来的库仑应力变化.     

摩擦状态-速率依从的区域地震触发模型研究

设计一个具有摩擦状态-速率依从机制模拟大地震后区域触发地震的模型, 该模型由一定数量表示地震成核断层的函数组成。 大震对区域静应力场的影响由应力阶跃载荷表现, 利用摩擦状态-速率依从的一维自由度弹簧滑块模型结果计算地震发生时间提前。 结果表明, 施加幅度为地震应力降几十分之一至百分之一的应力阶跃, 可以引起地震发生速率的明显变化, 该变化通过统计检验, 与大地震后的区域触发地震活动相似。     

利用统计地震模型从地震活动参数中获得流体信号

根据众所周知的库伦破裂准则,应力或孔隙压力的变化都会导致地震破裂。余震活动一般认为是地震应力变化引起的,它服从大森定律。而地震群则认为是通过地下流体侵入岩层所致。应力触发可以通过在地壳单独构建三维弹力应变模型分析,而地震引起的地下流体流动情况必须通过空隙压力变化和地震之间相互作用应力场的改变这样复杂的地震活动图像研究。我们看到ETAS模型是从复杂地震活动图像获得最初流体信号的一种适当工具。我们主要分析2000年发生在欧洲中部的波西米亚西北部Vogtland地区的大地震群。通过拟合随机的传染型余震序列模型(ETAS)我们发现应力触发在创建观测地震活动图像和解释观测事件破碎时间分布时起支配性作用。外力在直接触发引起地震活动中起到的作用是很有限的,这种外力被认为是由于流体入侵导致孔隙压力变化而产生的。然而时间上的反褶积表明显著的流体信号源于地震群。这些结果已被我们的仿真模型模拟研究证实,在这个研究中,流体侵入和应力在三维弹性半空间中沿断层面转移时触发地震。基于ETAS模型的反褶积过程能够揭示地下孔隙压力变化。     

汶川MW7.9地震余震序列触发机制研究

余震触发机制的Dieterich解析模型被广泛应用于区域地震活动性的定量分析以及依赖时间的概率地震预测模型的建立等方面. 基于滑移速率和状态相依赖的摩擦定律和弹簧-滑块模型, 从Dieterich断层滑移速率方程出发, 给出了静态应力扰动下触发地震的时钟提前或推后的近似解, 从而明确地阐明了触发地震的产生机制与断层的演化过程密切相关, 并与传统位错模型下库仑应力扰动时间提前或推后量作了比较. 采用对数线性拟合方法求得了汶川M_W7.9主震后余震序列持续时间, 符合Dieterich理论结果. 以汶川余震序列为例, 给出了两种不同的应力扰动模式在该余震序列中的应用. 结果表明, 经典Dieterich扰动解无法给出主震发生后即时余震数量的异常增加, 而考虑主震前后剪应力速率变化的Dieterich分段解则可反映出余震发生率及个数随时间的演化特征.      

汶川Mw7.9地震余震序列触发机制研究

余震触发机制的Dieterich解析模型被广泛应用于区域地震活动性的定量分析以及依赖时间的概率地震预测模型的建立等方面.基于滑移速率和状态相依赖的摩擦定律和弹簧-滑块模型,从Dieterich断层滑移速率方程出发,给出了静态应力扰动下触发地震的时钟提前或推后的近似解,从而明确地阐明了触发地震的产生机制与断层的演化过程密切相关,并与传统位错模型下库仑应力扰动时间提前或推后量作了比较.采用对数线性拟合方法求得了汶川Mw7.9主震后余震序列持续时间,符合Dieterich理论结果.以汶川余震序列为例,给出了两种不同的应力扰动模式在该余震序列中的应用.结果表明,经典Dieterich扰动解无法给出主震发生后即时余震数量的异常增加,而考虑主震前后剪应力速率变化的Dieterich分段解则可反映出余震发生率及个数随时间的演化特征.     

地震失效模型中的失效

简单的启发式模型和数值计算表明，通常所用的地震失效模型不能解释地震活动性是由瞬态的或“动态”的应力变化(即，与地震波相联系的应力变化)所触发的。这类模型具有共同的特性：当断层以恒定速率加载(加应力)时，表征失效的物理量以加速速率增加。例如，经常采用的速率状态摩擦模型或亚临界失效生长模型，它们表征失效的特征量分别为滑动或失效长度。当生长速率加速到超过所谓临界阈值时，失效发生。这些加速的失效模型不能预测动态触发地震序列(如，余震或远距离地震)的有限持续时间。某些这类失效模型被用来解释余震的静态应力触发。这也许暗示动态触发的物理过程是不同的，或者说目前所用的静态触发模型需要修改。若前者是正确的，我们也许要求助于基于诸如饱和断层挤压导致孔隙压力增加或周期疲劳的振荡型变形的物理机制。然而，如果动态和静态触发机制不同，我们仍然要问：为什么忽略动态机制的静态触发模型似乎能解释许多观测现象。如果静态和动态触发机制相同，也许加速失效和(或)触发使一组要发生的地震提前发生的假设是不对的。     

基于库仑应力计算和依赖速率与状态摩擦反应的余震预测敏感性研究

利用Dieterich（1994）提出的物理模型模拟应力的变化而引起的地震活动时空演化过程。通过依赖于速率和状态的摩擦定律,将其应用于无限地震成核点群。模拟结果显示,地震活动速率变化取决于应力扰动的幅度、断层的基本物理特性（用参数Aa表示）、应力加载速率和研究区的参考地震活动速率。为了使该模型具有一定的预报性,我们着重研究了物理模型的参数和参数间的相关关系对模拟结果的影响。首先,我们讨论了参考地震活动速率的不同定义,并以美国1992年的兰德斯地震序列为例,说明其对地震发生速率计算中的影响;其次,我们从物理上和统计上论证了模型各参数间均存在强相关。我们讨论了这种相关性并强调指出,参考地震活动速率、应力加载速率和Aa值这些模型参数的估计与模拟再现观测到余震序列密切相关。我们推导出的解析关系证明了这些模型参数对于与大森定律相当的余震衰减律的意义,模型参数决定了大森定律中时间常数C值和常数因子K,并表示p值≤1．0。论文最后讨论了以准实时预测为目标的约束模型参数的最优策略。     

1999年台湾集集地震转移的静态应力：由三维断层滑动模型得出的对周围断层系稳定性和余震触发的影响

研究了1999年ML7．3级集集地震引起的静态应力变化对台湾周围断层系的影响。我们从两个角度对这个问题进行了研究。首先，我们通过比较主震前后震源机制节面上的库伦破裂应力变化的分布对静态应力触发假说进行了统计检验。由于前震显然没有受到主震的影响，这些分布的差异决定了静态应力触发的显著性程度。然后，我们计算了触口断层和梅山断层特定滑动方向的库伦破裂应力变化，从而估计集集地震后这两个活断层的稳定性。静态应力变化是通过将弹性半空间中的位错理论应用到由集集地震的地表位移导出的三维破裂模型得到的。结果表明，集集地震前后库伦破裂应力变化的分布显著不同，但与静态应力触发假说一致。我们还发现，触口和梅山断层都在浅于10km的深度处于应力影区中。然而，由于大量的余震发生在这些应力影区中，其他的机制，如动态应力，可能是引起这些事件的原因。     

潮汐应力对2007年M_s6.4宁洱地震震源断层成核失稳过程的影响

在潮汐库仑破裂应力计算和相关性检验的基础上,采用速率-状态依赖性摩擦本构关系,进行潮汐应力对宁洱地震震源断层成核失稳过程影响的数值模拟研究,并讨论潮汐正应力和潮汐剪应力在潮汐应力触发中的作用,以及应力的振幅和周期振荡性对潮汐触发的影响.结果发现,宁洱地震与潮汐应力之间存在潮汐触发相关性.宁洱地震震源断层的成核过程存在一个转变周期,当潮汐应力周期接近和大于转变周期时,潮汐应力的周期性将直接影响潮汐触发作用的效果.潮汐应力振幅值的增加也有助于潮汐应力对断层地震成核失稳过程的影响,正应力和剪应力振幅值的影响效果差别不大,但是潮汐剪应力比正应力能更迅速的起到潮汐触发作用.潮汐应力触发地震的过程中,主要是正值的潮汐正应力和剪应力对地震起到触发作用,而负值的潮汐应力对断层的影响小于正值的潮汐应力,断层对负的潮汐应力不敏感.     

2008年和2014年于田地震对周边断层发震概率的影响

大震后区域静态库仑应力变化直接影响地震活动性速率的变化、主震断层外余震和即将失稳断层的发震概率的变化.利用滑移速率和状态相依赖的摩擦定律,结合2008年3月21日于田地震前后的地震活动性水平,定量计算了2008年于田地震后该地区周边断层发震概率的变化,着重解释了2014年于田地震发震的可能根源.此外,本文还对库仑应力明显变化的周边三条断层进行了发震概率的定量计算.贡嘎错断裂中段、贡嘎错断裂西南段和康西瓦断裂中段分别经历了发震概率先降后升、先升后升和先降后降两个阶段,充分显示了库仑应力的细微变化造成的周边断层的危险性的变化.这三条断裂发生7.0级以上地震的发震概率超越95%均需要500年左右;贡嘎错断裂西南段发生中强地震的可能性较大,而康西瓦断裂中段活跃度较低.     

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.     

MS8.1昆仑山口西地震和MS8.0汶川地震余震序列的时空分布特征和持续时间的对比

2001年M_S8.1昆仑山口西地震和2008年M_S8.0汶川地震发生在同一构造单元,但其余震序列无论在个数、空间分布,还是持续时间上都表现了显著的差别.余震通常由主震区域内背景场地震活动性受到的扰动所引起,这样的扰动则来自于主震造成的应力场状态的变化.本文从滑移速率和状态相依赖的摩擦定律(Rate- and State-Dependent Friction Law)出发,结合区域主震前后的地震活动性资料,定量地估算了这两个大地震后余震序列可能的持续时间,并对不同模型所得的结果进行了比较和对比.结果表明,汶川地震余震持续时间约为昆仑山口西地震余震持续时间的20倍,这是由于昆仑山口西地震和汶川地震余震序列的个数和持续时间不仅与地震成核过程的状态变化有关,还与作用在断层面上的正应力 σ_N 和剪应力加载速率 τ· 的大小有关.主震前后剪应力速率 τ· 的差别导致了在相同大小应力扰动ΔCFS之后的余震的活动性变化率的明显不同,导致了所触发的余震的个数和余震序列的持续时间的巨大差别.通过对昆仑山口西地震和汶川地震余震序列的时空分布特征和持续时间的定量化认识,可以为地震灾害定量评估提供合理和有益的物理参数.     

基于加密地震观测讨论红河断裂带北段维西-乔后断层的地震活动性特征

文中基于滇西北地区临时加密台站和区域固定台站地震观测资料,利用波形相关方法对2018年2月25日—2019年7月31日记录的连续波形进行高分辨率地震检测和高精度地震定位,据此分析红河断裂带北段维西-乔后断层的地震活动性特征。研究表明,目前维西-乔后断层除了一些特殊的断层部位(交会区、阶区等)外,地震活动微弱,但在其西侧可能存在一条隐伏的陡倾角右旋走滑断层,沿该断层小地震活动活跃。地震频度、能量释放率、b值等统计参数及其随时间的变化表明,维西-乔后断层及其附近地区的地震活动相对稳定,区域应力增强不明显;空间上大部分区域的b值较高,低b值区主要分布在一些特殊的断层部位(如断层交会区、阶区等),但尺度一般较小。ETAS模型统计结果表明,40%以上的地震活动受外部因素触发,包括深层流体扰动和远程强地震触发等。由此我们认为,维西-乔后断层主断层目前的地震活动性较弱,但其西侧的隐伏分支断层小地震活动丛集且有增强趋势,需要综合分析主断层及其西侧隐伏分支断层的活动性,以评估其地震危险性。     

关于紫坪铺水库蓄水是否与汶川地震有关的影响因素综合分析

汶川地震后,紫坪铺水库蓄水是否触发了汶川地震在国内外学术界引起了广泛关注.除定性讨论外,许多学者也采用定量分析的方法进行了计算,但因计算结果不同而得出了不同的结论.本文从目前紫坪铺水库蓄水不同研究组定量计算中出现的争议为出发点,通过对水库蓄水定量计算基本原理和可能引起计算结果差异可能因素的分析,找出定量计算中的关键影响因素,了解目前水库蓄水定量计算中存在的不确定性问题所在.初步结果显示:计算方法、模型维数、扩散模型、震源参数和扩散系数等的取值不同是造成计算结果差异的主要因素,特别是裂隙岩体的扩散系数.在紫坪铺水库定量计算中模型维数的差别使得汶川地震震源处的库仑应力变化计算结果相差约3倍;仅考虑断层渗透率(把岩体渗透率视为无穷大)或仅考虑均匀各向同性的岩体渗透率(忽视断层渗透率),均具有片面性;震源机制解断层走向倾角的差异,会显著影响库仑应力大小计算结果,可到达2~7倍;不同扩散系数下,孔隙压力相差可达几百倍."紫坪铺水库蓄水是否能够触发汶川大地震的发生?",鉴于目前的研究成果,库仑应力变化在kPa量级,尚不能排除触发的可能性,但得出的蓄水震源处的库仑应力变化太低,在背景构造应力场不明确的情况下,也不能确定一定有联系.在未来的工作中需有针对性的进行野外考察和室内试验,改进模型,采用高性能模拟分析计算,并在此基础上对中国和世界多个水库地震触发机制进行对比研究,探讨不同机制下水库地震触发机制特点,进一步量化分析水库地震发生的力学机制及水库对构造活动的影响和作用机理.     

地震静态应力触发模型的全球检验

运用1976～2000年哈佛大学矩心矩张量目录，采用地震对概念对地震静态应力触发模型进行检验．结果表明，从全球角度来看，地震静态应力触发效应确实存在，但只是一种很弱的效应．将地震分为正断层、逆断层、走滑断层等分别对静态应力触发模型进行检验，发现非走滑断层地震具有明显的触发效应，而走滑断层地震触发效应则不明显．按地震对中后续事件的延迟时间分为延迟时间t1天、t＜１天、t10天、t＜10天和1天 t10天5个时间段的地震对，分别对地震静态应力触发模型进行研究，发现静态应力触发效应在地震之后的短时间内不随延迟时间的变化而变化．对全球不同区域的地震静态应力触发情况的研究表明，消减带地震对的触发效应较为明显．为了研究地震静态应力触发模型在中国应用的可能性，对中国及邻区的地震进行了检验，发现就中国及邻区的地震类型而言（以走滑断层为主），不容易观测到地震静态应力触发现象．      

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]。