2011年日本东北地区近海大地震板块边界滑动带的地质构造和物质组成

俯冲带大地震的机理受到板块边界断层的摩擦性质、地质构造和物质组成的影响。通过利用综合海洋钻探计划(Integrated Ocean Drilling Program,IODP)343和343T勘探结果,我们观测到2011年日本东北地区近海地震和海啸的较浅断层的地质构造和物质组成。随钻测井和岩心采样观测结果表明,在该钻探点,单个的主要板块边界断层与日本东北地区近海地震破裂的大型滑动相吻合,且与附近几乎所有累积的板内运动相一致。深海粘土有限厚度(小于5m)的局部形变被认为是浅层地震断层的特征,表明深海粘土可能在区域尺度上控制着海啸地震。     

龙门山断裂带断层岩在水热条件下的摩擦滑动特性实验研究

为了探索断层岩石在断层带不同温度和压力条件下其摩擦强度和摩擦滑动稳定性对于断层活动性的影响,我们采集了龙门山断裂带地震发生区段出露的自然断层泥样品和后山断裂带韧性剪切带中的富含层状硅酸盐矿物的糜棱岩样品进行了水热条件下的摩擦滑动实验研究。我们根据自然断层泥样品的XRD分析结果选取了5种具有不同矿物组合及含量的自然断层泥样品并在50MPa的初始围压和25℃～150℃的温度条件下进行了摩擦滑动实验。     

汶川地震断层岩的镜质体反射率——对断层同震摩擦滑动性质的约束

地震断层滑移过程中的摩擦升温能够指示断层的动态摩擦性质,为我们认识地震的动力学过程及能量分配提供一种途径;断层带摩擦生热的残留标志也能作为识别地震活动的依据。镜质体反射率是煤和石油天然气领域广泛使用的地质温度计,在断层岩和断层力学研究中也具有潜在的应用价值。文中对采自汶川地震断裂带的多种断层岩样品开展了镜质体反射率研究,揭示了断层活动对断层岩镜质体反射率的影响;从断层角砾带向断层核部,镜质体反射率呈现出增大的趋势,指示着地震过程中断层的摩擦生热过程。八角庙露头样品的镜质体反射率明显高于深溪沟露头,可能暗示着2个露头上断层活动性质的差异。研究还表明,对断层剖面的镜质体反射率开展系统性研究有助于识别以往地震的滑动带以及限定滑动带的宽度。对深溪沟露头上断层滑动面样品开展的测试表明,2条宽度约2mm的局部黑色滑动带内存在镜质体反射率的异常高值;数值计算表明汶川地震过程中该露头附近断层滑动面上的宏观摩擦升温可能162℃,同震阶段的动态摩擦系数较低,这些估计与高速摩擦实验的结果总体上是一致的。     

岩石高速摩擦实验与地震物理过程

简述了最近20年来国内外岩石高速摩擦实验研究领域的进展和动态:岩石高速摩擦实验技术的发展实现了对高滑动速率、大位移的地震过程的实验模拟;其结果揭示了岩石和断层泥在地震滑动速率下的力学性状,深化了对断层滑动弱化机制、临界滑动距离、以及地震发生过程的认识和理解;实验在假玄武玻璃成因方面取得了重要进展,并提出了断层发生地震滑动可能留下的其它地质证据,可望为研究断层滑动性状与地震物理过程提供新的思路和信息.岩石高速摩擦实验今后的发展方向主要包括:发展具有加温系统和孔隙压系统的岩石高速摩擦实验装置,研究水热作用下岩石和断层泥的高速摩擦性状;室内实验和地震资料分析相结合研究断层滑动和地震机制;室内实验和野外地质调查相结合探索断层发生地震错动的地质证据等等.     

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]。     

应力扰动对地震周期和地震矩影响的数值模拟

利用二维有限元数值模型,结合断层滑移弱化摩擦准则对断层滑动规律以及应力扰动对其影响进行了研究．数值计算结果表明,在均匀应力分布情况下, 平面断层滑动显示出典型的特征地震规律,断层面上的应力扰动对断层滑动规律产生影响,压应力增加明显延迟地震的发生时间,并增加地震释放的能量．应力扰动发生在地震破裂临界区时的影响比在震前滑移区时的影响显著．当发生在地震滑移区时,若应力扰动足够大,则压应力增大会造成地震发生时部分动力断层被暂时锁住,使得地震释放的能量变小,但可增加后续地震的能量; 而压应力减小则可导致地震规律产生更加复杂的变化,会即时触发地震．如果应力扰动发生在一个地震周期的早期,则触发的地震较小,但可导致随后的地震提前发生; 如果应力扰动发生在一个地震周期的后期,则会触发大地震．当应力扰动位于震前滑移区或破裂临界区时,小的扰动也可能产生类似的效果．应力扰动产生越晚,这种影响也越明显．应力扰动发生在破裂临界区的影响最明显．应力扰动的影响一般主要集中在应力发生扰动后的1—2个地震周期内．后续地震基本恢复无应力扰动时的特征地震规律．      

龙门山断层带浅钻花岗岩中断层泥的摩擦本构参数

文中针对龙门山断层浅层钻探获取的花岗岩体中的断层泥进行了摩擦滑动实验研究。这种断层泥与其他天然断层泥相比,绿泥石的质量分数很高,约为47%。为研究这种黄绿色断层泥在断层浅部低正应力条件下的摩擦滑动性质,选取的实验条件:围压130MPa,采用围压恒定控制,温度25~150℃,孔隙水压50MPa。通过对比其他天然断层泥的实验结果发现,该断层泥强度较高,稳态摩擦系数在0.47~0.51之间。通过与已有的黏土总质量分数相当但矿物不同的天然断层泥的摩擦系数数据对比,表明不同的非云母层状硅酸盐矿物的摩擦强度排序为:绿泥石伊利石蒙皂石。文中的实验条件对应龙门山地区温度不超过150℃,深度不超过8km的浅层地壳环境,实验结果表明该天然断层泥在整个温度范围内均呈速度强化特征,在摩擦滑动中处于稳定状态。但是断层泥的渗透率很低(10-19m~2),在高速摩擦滑动时可能会发生热压作用。基于此可得出结论:龙门山断裂带的切过已有的深度不超过8km的碎屑原岩的断层可能产生稳定黏滞滑动的阻力,不会自发地震成核,而在后期高速摩擦滑动(0.05m/s)时可能会发生同震弱化,形成一定的灾害叠加。     

岩石高速摩擦实验的进展

文中简述了地震动力学国家重点实验室近年来在岩石高速摩擦实验方面的进展。为了深化断层与地震力学研究,实验室建设了一套旋转剪切低速-高速摩擦实验装置,可开展滑动速率介于板块运动速率(cm/a量级)至地震滑动速率(m/s量级)的岩石摩擦实验,其中高速摩擦性能填补了实验室的技术空白。以此为依托,围绕汶川地震断层带力学性质研究,开展了一系列高速摩擦实验。结果表明,龙门山断裂带断层泥的高速摩擦性质具有一致性,其高速滑动下显著的滑动弱化必定在汶川地震中极大地促进了破裂的扩展;断层弱化的主导机制是与摩擦生热相关的过程,包括凹凸体急速加热弱化和热压作用;断层泥在经历高速滑动弱化之后摩擦系数可在5~10s内恢复0.4,断层强度的快速恢复是同震主破裂带余震减少的原因之一。基于对实验装置现状和现有成果的分析,展望了近期实验室岩石高速摩擦的发展方向。     

2021年青海玛多MW7.3地震同震和早期震后断层滑动模型及发震构造摩擦属性

地震同震和早期震后断层滑动是研究发震断层深浅部孕震形态及摩擦性质的重要手段.本文基于雷达干涉测量(InSAR)数据获得了玛多地震同震和早期震后形变场,并反演得到了发震断层的滑动分布模型.研究结果表明同震滑动主要分布在上地壳浅部,并且存在多个滑动亏损区域.发震断层在东端分叉处的倾向与主断裂和西端倾向相反.基于N-SBAS方法获得的震后4.5个月形变场显示,断层近场震中区域的累积形变量达5 cm,远场区域累积形变达2 cm.震后早期余滑分布在断层浅部和深部以及两侧的横向延展区域;部分余滑区域与同震区域重叠.其中,上地壳浅部的余滑达20 cm且填充了同震滑动亏损.时序地震矩显示上地壳浅部区域在震后快速余滑而深部稳定滑动,表明了发震断层区域的复杂摩擦属性.     

断层粘滑摩擦增温的理论分析及其对TL,ESR测龄的意义

采用断层位错模式,考虑了具有一定宽度的断层在其粘滑过程中,断层摩擦应力和滑动速度随粘滑过程的变化情况,由此计算了粘滑所产生的摩擦增温,并将结果与不考虑摩擦应力变化、不考虑滑动速度变化或忽略断层宽度时的情况作了比较。结果表明:断层滑动时,摩擦应力和滑动速度随时间的改变及断层的宽度将对断层摩擦增温产生较大影响。由于岩石中孔隙和孔隙流体的存在,摩擦应力在断层粘滑过程中有较大变化。取断层滑动速度为Brune 震源时间函数形式,考虑摩擦应力的变化及一定的断层宽度,计算得到的摩擦增温值较以往的计算结果偏小。这个结论对测定断层活动年代的热释光(TL)和电子自旋共振(ESR) 法具有一定的理论指导意义     

模拟断层泥摩擦滑动速度依赖性转换的实验研究

基于岩石摩擦的速率-状态摩擦定律,速度弱化是断层失稳的必要条件,速度弱化向速度强化的转换控制着断层从不稳定滑动向稳定滑动的转换.因此,断层摩擦滑动的速度依赖性转换涉及断层带上地震活动特征、地震成核深度以及慢地震机制等重要问题.     

弹性回跳模型:从经典走向未来

弹性回跳模型包含3个基本要点:1)地震来自于断层的运动;2)断层运动导致其两侧的岩石发生不均匀的弹性变形,积累巨大的能量,地震中部分弹性能得以释放;3)在断层带的各个点上积累能量的过程是缓慢而不均匀的。Brace(1966)提出弹性回跳的物理机制应当用摩擦滑动过程中出现的不平稳滑动(jerky sliding motion或stick-slip)来解释。Byerlee定律以量化形式表达了地壳摩擦规律,但是没有给出变差的范围。用弹簧滑块模型比拟粘滑,摩擦单元被抽象为刚性滑块,变形被归结于实验加载机的机械框架。后人在此基础上发展了所谓的速度依赖性模型。实验结果表明,速度扰动所带来的摩擦系数变化远远小于材料本身摩擦系数波动,其影响几乎可以忽略不计。而刚性摩擦滑块的假定与实验观测不符,本质上违反了弹性回跳模型所描述的地震现场考察结果。回到经典就是回归对地震现场问题的研究,这是正确的未来之路。     

汶川地震断层带传输性质研究——对地震同震弱化作用的启示

正断层带的流体压力因关系着地震断层滑动强度以及应力释放过程一直倍受重视。断层带渗透率结构对于了解断层带内流体活动状况、断层强度和摩擦稳定性以及同震热压作用等至关重要。本文全面总结了断层带的渗透性,尤其是大的地震断层带渗透性的研究成果。为了开展断层岩传输性质的测量工作,开发了超低渗岩石渗流测量系统。以汶川地震发震断层映秀—北川断层带上两个典型露头剖面为对象,分析了断层带的内部结构,对断层岩进行了成     

地震不稳定性的一个简单模型

基于断层面强度的非均匀性,将断层面的宏观破裂过程看作是断面局部微元的破裂累积过程,假设断层局部微元强度遵循Weibull概率分布,从统计力学角度推导出了宏观的断层载荷.变形的全过程本构关系.采用一维地震力学模型,以远场位移a为控制变量,用稳定性理论研究了地震不稳定性问题.研究表明,系统刚度比(围岩刚度与断层刚度之比)β是影响地震发生的重要参数,只有当β<1时才会出现地震失稳,且应力突跳发生在平衡路径曲线的位移转向点,并给出了地震过程的3个重要参数(地震后断层半错距、地震应力降和释放的弹性能)的表达式.当β≥1时,不会发生地震,仅是缓慢的断层滑动,属于无震滑动.     

白云母对岩盐断层带摩擦速度依赖性影响的实验研究

为更好地理解层状硅酸盐对断层强度、滑动速度依赖性及地震活动特征的影响,利用双轴摩擦实验对含白云母岩盐断层带在干燥及含水条件下摩擦的速度依赖性进行了实验研究,并观测了摩擦滑动过程中的声发射,分析了断层带的微观结构.实验结果表明,干燥条件下含白云母岩盐断层带在0.1 ～ 100μm/s的速度范围内表现为黏滑和速度弱化,增大σ2会使断层带从速度弱化向速度强化转化,速度依赖性转换出现在0.1 μm/s,其中断层滑动表现为稳滑或应力释放时间较长的黏滑事件;含水条件下含白云母岩盐断层带在0.05 ～0.01μm/s的速度范围内表现为速度强化,0.1 ～10μm/s的速度范围内表现为速度弱化,50～100μm/s的速度范围内又转换为速度强化行为.含白云母岩盐断层带在干燥条件下一次黏滑伴随一个或一丛声发射事件,而在含水条件下与稳滑相对应,滑动过程中并未记录到声发射事件.显微结构观察表明,速度弱化域的主要变形机制是岩盐颗粒的脆性破裂和局部化的滑动;干燥条件下,速度强化域的主要变形机制是岩盐颗粒的均匀破裂;含水条件下2个速度强化域对应不同的微观机制,高速域的速度强化受控于岩盐颗粒在白云母相互连结形成的网状结构上的滑动及其均匀碎裂作用,而低速域的速度强化还受岩盐的压溶作用控制.通过与岩盐断层带摩擦实验结果对比可知,白云母的存在对于燥岩盐断层带摩擦滑动方式和速度依赖性没有显著影响,而在含水条件下白云母的存在使得岩盐断层带滑动趋于稳定.实验结果为分析含层状硅酸盐断层的强度和稳定性提供了依据.此外,在速度依赖性转换域上观察到的应力缓慢释放的现象进一步证实了在岩盐断层带摩擦滑动过程中观察到的现象,这对慢地震机制研究具有参考意义.     

几种模拟断层泥摩擦滑动速度依赖性转换的实验研究

基于速率-状态摩擦定律,速度弱化是断层失稳的必要条件,速度弱化向速度强化的转换控制着断层从不稳定滑动向稳定滑动的转换.因此,断层摩擦滑动的速度依赖性转换是涉及断层带上地震活动特征、地震成核深度等的重要问题.     

2003年十胜近海地震随后的余滑时空分布：断层带摩擦性质变化的推论

2003年9月25日(世界时)十胜近海地震(Mw～8．0)随后的GPS时间序列揭示出了显著形变。我们采用“网络反演滤波”技术，对震后30天内后续断层滑动的时空演变进行了反演。后续断层滑动集中在同震破裂带附近，即在2003年地震断裂带、1968年十胜近海地震和1973年根室近海地震震源区之间的位置。反演表明，2003年地震断裂带中断层滑动速率衰减迅速，而周围地区衰减速度较慢。后续断层滑动地区的应力一速度路径大致遵循dτ／d In(v)～0．6MPa，这暗示着稳态速度强化摩擦。尽管不能排除其他的解释，但在沿走向的方向上，同震破裂和后续断层滑动互补的空间模型还是可能表明了摩擦特征的空间变化。     

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。     

安宁河断层地震成核条件研究——来自天然花岗岩断层泥摩擦实验的启示

安宁河断层历史上发生过多次强震,现存的地震空区反映了其断层中部近30年来的断层闭锁和应变积累情况,是潜在的大地震危险区.本研究采用断层带内的新鲜花岗岩断层泥样品,在水热条件下开展了摩擦滑动实验,以研究安宁河断层摩擦特性和地震成核条件.实验有效正应力200MPa,孔隙水压30 MPa,温度25～600℃,剪切滑移速率在1...     

断裂带同震温度负异常机制分析

断裂带同震温度响应,可在震后钻孔测温中获得并识别,为发震断层摩擦特性与发震机制等基础研究提供了非常独特的思路和有效手段.集集、汶川及日本东北大地震后,实施了台湾车笼埔断层钻探项目(TCDP)、汶川地震断裂带科学钻探工程(WFSD)和日本海沟快速钻探计划(JFAST).钻孔测温结果表明:滑移面上下5～20m范围内存在温度正异常,这是同震摩擦生热所致,该机制已被广泛认识和接受;同时,距滑移面20～60m范围内也存在明显的温度负异常,但其成因机制几乎还未被真正关注和认识.虽然温度负异常峰值只有正异常峰值的1/4～1/3,但温度负异常分布范围却是正异常分布范围的3～4倍,即正、负温度异常区对应的总能量基本相当.因此,断裂带震后钻孔测温中的负异常及其成因不容忽视.在详细分析几种可能的同震温度负异常机制后(如岩层热物性分布差异、流体运移、表面自由能增大及同震应力释放),发现能在理论、实验及野外观测上都得到支撑的普适性机制只有同震应力释放.这可能是断裂带震后温度负异常的主要原因.