非弹性应变恢复法三维地应力测量——汶川地震科学钻孔中的应用

随着地球动力学和深部能源开发利用等研究工作的不断深入,深部应力状态的研究越来越重要,但目前尚没有即经济又简便完善的深部三维地应力测量方法.基于岩芯的非弹性应变恢复法是近年来发展起来的深部三维应力测量方法.汶川5·12地震后,中国大陆首次将该方法应用于科学钻孔的地应力测量.本文详细介绍了这一方法现场测量岩芯非弹性恢复应变的基本流程,并对此法测量的岩芯首次开展了岩石非弹性应变恢复柔量的实验研究,将现场非弹性应变测量与室内非弹性应变恢复柔量实验相结合,确定汶川地震科学钻一号孔(WFSD-1)1173 m处最大主应力方向为NW64°,实测得到岩石的剪切与体积模式非弹性应变恢复柔量的比值为2.9,计算得到最大、中间和最小主应力分别为43,28和25 MPa.结合龙门山地区其他方法的地应力测量结果,表明龙门山断裂带从NE到SW现今最大主应力作用方向表现为由EW→NEE→NWW的变化规律,龙门山断裂带现今地应力作用方向的分段性特征与5·12汶川地震时龙门山断裂带西南段逆冲为主,东北段走滑为主的运动特点相吻合,研究结果对于认识汶川地震的动力学机制具有一定参考价值.     

空间钢筋混凝土框架结构的非弹性地震反应

对两个缩比为十五分之一的三层、双跨、两开间的钢筋混凝土框架模型进行了振动台试验,一个模型模拟质量中心与刚度中心不一致的偏心结构,另一个模型模拟承受双向地面运动的结构。研究了结构的空间非弹性地震反应。计算结果表明,理论分析与实测结果有较好的吻合性。     

原地应力对钻孔应变耦合系数的影响分析

利用4层介质耦合钻孔模型,研究该模型中耦合介质弹性参数变化对钻孔应变耦合系数的影响。计算结果表明:在钻孔耦合介质中,弹性层等效弹性模量变化对面应变耦合系数的影响大于对差应变的影响,与观测结果对比,分析发现面应变耦合系数观测值存在明显非均匀性,而且其大小与台站的背景应力场存在对应关系。     

汶川Ms8．0级大震前后的水压致裂原地应力测量

在汶川Ms8.0级大震发生前一周,采用水压致裂技术在龙门山发震断裂带±400 m深度上测得的最大水平主应力值为21～22 MPa,与其附近下盘之差高达8～10 MPa.大震后的原地重复测量结果表明,发震断裂带上的最大、最小水平主应力值分别降低了29%和23%,而在下盘大震前后的地应力作用状况并无变化.测量结果分析表明,活动断裂带的地应力高值异常是圈定地震危险区的可靠依据,是强震孕育和发生的警示标志.     

用潮汐体应变加卸载响应比研究岩石弹性性质的变化

本文在岩石试验的基础上，分析了加载和卸载响应在线性段和非线性段之间的差异，将引潮力作为加卸载的力源，定义了潮汐加卸载响应比，并着重研究了潮汐体应变加卸载响应比的计算方法，推导了计算潮汐加卸载响应比的实用计算公式，最后用体应变观测资料作了实例计算，计算结果表明，约７０％的地震前均发现有潮汐响应比的变化，说明地震前岩石的弹性性质是有变化的。     

陕西汉中盆地水压致裂地应力测量分析研究

汉中盆地位于龙门山断裂带东北段的末端,汶川MS8.0地震发生以后,地震活动存在沿龙门山断裂带向NE向发展的趋势.在汉中盆地西缘进行了两个钻孔的水压致裂地应力测量,来分析震后该区地应力状态,以期为该区的地震危险性研究提供实际资料.这两个钻孔深度均为300m左右,相距33m,取得了较好的地应力测试结果.通过对地应力测试结果的综合分析研究,得到以下认识:①在汉中盆地西缘300m深度地层内,最大水平主应力值为5.69—19.52MPa,最小水平主应力值为3.81—10.90 MPa,垂直主应力值约为1.25—7.03MPa,水平主应力占主导地位,垂直应力为最小应力,该地应力状态有利于逆断层的活动;②汉中盆地西部现今最大水平主应力方向为WNW或近EW向;③汶川地震后,目前汉中盆地及其西部地区仍处于构造应力调整阶段,总体相对稳定.     

汶川地震对地应力的影响

一个由日本、欧洲和美国科学家新组成的国际地震研究小组验证了地球物理学家的一个想法,那就是一次大地震能量释放过程中,在断裂带邻近的周边区域不是应力减轻而可能是应力增加。     

汶川MS8.0级大震前后的水压致裂原地应力测量

在汶川M_S8.0级大震发生前一周,采用水压致裂技术在龙门山发震断裂带±400 m深度上测得的最大水平主应力值为21～22 MPa,与其附近下盘之差高达8～10 MPa.大震后的原地重复测量结果表明,发震断裂带上的最大、最小水平主应力值分别降低了29％和23％,而在下盘大震前后的地应力作用状况并无变化.测量结果分析表明,活动断裂带的地应力高值异常是圈定地震危险区的可靠依据,是强震孕育和发生的警示标志.     

非线弹性引起的地震尾波

岩石的非线弹性响应在实验室中已被广泛地观测到，但在文献中却鲜有地震学研究方面的报道，尽管这是观测到这种特征的最自然的环境。由于难以获得非线性波传播问题的解析解，因此需要使用近似方法。显然，地震波在均匀的非线弹性介质中传播时将受到非线性的扰动。这种扰动可看作是时空中初至波能量散射和传播、产生地震尾波之源。这在某种意义上类似于非均匀性效应。由非线性引起的地震尾波性质与非线性大小以及地震矩有关。我们使用一种扰动方法计算散射波的振幅，并说明该方法能相当好地描述实际地震尾波的主要特征。     

平面不规则结构非弹性扭转地震反应研究进展

不规则建筑结构在侧向地震荷载作用下由于质量中心和刚度中心的不重合导致平扭耦联反应的发生,使得结构构件的变形需求分布在结构平面内并不一致,从而产生附加的强度和变形需求。尽管不规则建筑结构在地震作用下的扭转问题一直受到研究学者的关注和研究,并取得了很多显著的成果,但仍然存在着一些争议,有待于继续深入研究。本文从结构的分析模型、影响参数及地震动输入等方面回顾总结了平面不规则建筑结构在地震作用下非弹性扭转的研究进展,结合当前的研究工作指出今后研究的发展方向。     

Three-dimensional in situ stress determination by anelastic strain recovery and its application at the Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Hole-1 (WFSD-1)

In situ stress state becomes more and more significant with in-depth research on geodynamics and energy development.However,there has not been an economic and effective method developed to determine deep three-dimensional in situ stress.The Anelastic Strain Recovery(ASR)method is a newly developed technique that can determine three-dimensional in situ stresses.After the 12 May 2008 Ms8.0 Wenchuan earthquake,the ASR method was used for the first time in mainland China to measure the in situ stresses in the WFSD scientific boreholes in Sichuan Province,China.In this paper,the basic procedure of the ASR method is introduced in detail and the compliances of ASR for boring cores are investigated.The results show that the maximum principal stress direction was NW64°at a measured depth(MD)of 1173 m(vertical depth 1151 m)in WFSD-1.The ratio of shear mode to the volume mode compliance of ASR was 2.9.And the three principal stresses at 1173 m MD in WFSD-1are 43,28 and 25 MPa.Combined with stress measurement results determined using other in situ measurement methods along the Longmenshan fault zone,the directions of the maximum horizontal principal stress changes from E-W to NEE-SWW to NWW-SEE when moving from NE to SW along the Longmenshan fault zone.This change is in agreement with the stress regime of the Longmenshan fault zone of the Wenchuan Earthquake,which supports a stress regime consisting predominantly of thrusts in the southwest and strike-slip in the northeast.     

汶川地震前南北地震带中北段地形变变化特征的研究

2008年5月12日汶川8.0级地震是我国自建国以来灾难最为严重的一次强地震。 文中讨论了汶川地震前震源附近与外围地区潮汐形变变化及龙门山地震带、 鲜水河地震带和祁连山地震带断层活动的特点。 分析结果表明: 震前沿龙门山地震带分布的雅安、 汶川及茂县观测台地倾斜测项在2006年初发生转折, 由单向东倾或西倾转向平稳, 临震前无明显变化; 龙门山断裂带及附近地区有5个断层水准观测场地, 除耿达场地观测到巨幅变化外, 其他场地震前未观测到突出的前兆性变化。 震源外围龙灯坝断层蠕变仪(Δ=220 km)震前观测到持续时间在3个月左右的突变性异常, 但依据突变持续时间较难估计相应地震为8级。 而离震中较远的祁连山地震带中西段, 震前也有巨大的断层水准变化, 其与汶川地震的关系值得讨论。     

Anomalous crustal strain prior to the 1923 Kanto,Japan, earthquake as deduced from analysis of old triangulation data

Horizontal earth's strains preceding the Kanto, Japan, earthquake of 1, September 1923, are deduced from the analysis of the old triangulation data. The anomalous strains that are several times larger than usual tectonic strain are found in the western part of Tokyo Bay, Sagamihara district, Japan for the observational period 1882/91–1898/1910, while any significant strain is not revealed in the other region of the Kanto district. The Kanto district was surveyed twice during the period 1883/85–1890/92 in the west and during the period 1890/92–1897/99 in the east respectively. The polarity of the detected anomalous strains, the directions and the signs of the principal strains, are quite the same as those of the postseismic crustal strains during the period 1924–74, and are reversed as compared to the coseismic one.The Philippine Sea plate thrusts under the South Kanto district with N25°W direction and pulls down the land during the interseismic period. The aseismic reverse faulting would begin several decades before the 1923 Kanto earthquake along the deep interface between the Asian plate and the convergent Philippine Sea plate. The down-going along the locked part of the interface would be accelerated, thus the compressional stress on the earth's surface might be concentrated over the deep fault plane together with the acceleration of the subsidence at the tip of the peninsula close to the Sagami trough.     

联合采用定性和定量断层资料的应力张量反演方法及在乌鲁木齐地区的应用

地壳应力场是地球动力学研究和地震孕育环境研究的重要基础资料.求解应力场的一种重要方法是根据断层擦痕资料反演,然而擦痕往往难以观测,但断层滑动性质也与应力场有紧密的关系,这部分资料十分丰富.本研究按照应力张量在断层面上的剪应力方向与擦痕滑动方向及断层滑动性质一致为准则提出了联合采用擦痕数据和定性断层滑动数据求解应力场的网格搜索法,并给出了反演参数的一定置信度下的置信区间.采用假定的走滑型、挤压型和拉张型应力张量产生由7个擦痕数据和80个定性断层滑动数据组成的三组数据集.采用这些人工合成数据求解应力张量的实验结果表明,该方法可以更为准确地反演应力张量参数,定性断层滑动资料的参与使得应力张量的主应力方向更加接近假定的主应力方向,并且,应力张量参数的不确定性大大减小.将该方法应用于乌鲁木齐附近的定量擦痕和定性断层滑动性质数据,得到该地区较为精确的应力张量.结果表明,乌鲁木齐主压应力方向为近南北向、主张应力方向近垂直向,应力形因子为0.03. 该地区占主导地位的近东西向的逆冲断层是近南北向挤压和近垂直向拉张形成的.较低的应力形因子表明乌鲁木齐地区在南北向挤压并辅以博罗科努山和博格达山的东、西向挤压的应力状态下处于隆升状态.     

应变能积累在地震安全性评价中的应用探讨

理论及实验研究显示,震源区的位置和最大震级不仅可能与构造和历史有关,更重要的是与应力状态包括其方向、大小、增加速率、集中位置等以及岩体自身性质,包括其强度、杨氏模量、应变大小及增长速率、裂缝(断层)大小和数量等有关,同时与作用方式有关.综合考虑各种因素,探讨了利用应变能积累确定强震位置和震级的方法:首先对利用形变空间特征变化判断强震震源区位置的方法进行了讨论;接着着重提出估算应变能的初步方法:一是由地表裂缝最大错距和裂缝(断层)长度比估算地震释放能量;二是由新构造运动分区块体体积、年平均应变速率及杨氏模量估算块体应变能积累;进而依据能量估算地震震级;最后以实例论述了应变能积累过程及特点对地震安全性评价的重要作用.     

地壳形变与地震前兆探索回顾和展望

本文回顾了我国地震预报中地壳形变观测技术、 数据处理方法和软件及地壳形变前兆观测研究进展。 1966年邢台地震后, 我国地震预报工作经历了难得的成功、 更多惨痛失败和“地震不可预报论”等干扰, 发展曲折。 尽管2008年汶川和2011年东日本大地震预报失败,但这两次和其他大地震前后GPS和其他观测得到的地壳形变表明, 大地震是有前兆的, 是可以预报的。 比较了我国地震预报所采用的主要的地形变观测技术和分析方法, 讨论了观测和数据处理方法的特点, 简要介绍了地壳形变地震前兆新近的研究结果, 重点阐述了GPS观测技术多方面的优势。 事实证明, GPS观测得到的汶川大地震前的形变异常或前兆, 是我国地壳形变观测与地震前兆探索最突出的成果。     

In situ stress measurements in NIED boreholes in and around the fault zone near the 1995 Hyogo-ken Nanbu earthquake, Japan

Abstract The 1995 Hyogo-ken Nanbu (Kobe) earthquake, M 7.2, occurred along the north-east–south-west trending Rokko–Awaji Fault system. Three boreholes of 1001 m, 1313 m and 1838 m deep were drilled in the vicinity of the epicenter of the earthquake. Each borehole is located at characteristic sites in relation to active faults and the aftershock distribution. In particular, the Nojima–Hirabayashi borehole [Hirabayashi National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention (NIED) drilling] in Awaji Island was drilled to a depth of 1838 m, approximately 320 m southeast from the surface rupture of the Nojima Fault, and it crosses fracture zones below a depth of 1140 m. In situ stress measurements by the hydraulic fracturing method were conducted in these boreholes within 1.5 years after the earthquake. Measurement results suggest the following: (i) Differential stress values are very small, approximately 10 MPa at a depth of 1000 m at each site; (ii) the orientation of maximum horizontal compression is almost the same in the boreholes, perpendicular to the surface trace of the faults, north-west–south-east; (iii) fault types estimated from the state of stress differ among these sites; and (iv) the differential stress value just beneath the fault fracture zone decreases abruptly to one-half of that above the fault zone in the Hirabayashi NIED drilling. These features support the idea that the shear stress along the Rokko–Awaji Fault system decreased to a low level just after the earthquake.     

严重的挫折 重要的启示汶川8.0级地震引发的对地震预测研究的某些科学思考

首先指出汶川8.0级地震前我国地震工作部门地震预测努力遭受严重挫折的主要表现, 阐明这一严重挫折是地震预测面临的三个主要困难: 地球内部“不可入性”、 大地震的“非频发性”和地震物理过程“复杂性”。 但这一严重挫折给人以重要的启示: 面对地震预测这一科学难题, 必须勇于扬弃, 努力处理好地震预测经验的继承与发展的关系; 必须充分发挥地震科技工作者群体的主体作用, 努力推进地震预测理论、 技术的创新; 必须明确地震预测的主要对象, 加强大地震的预测研究。     

青藏高原腹地现今地应力测量与应力状态研究

青藏高原腹地现今构造活动强烈,为了解强烈构造活动下的应力背景,我们在五道梁、风火山、雁石坪和安多不同构造部位的四个测点采用压磁应力解除法进行了现场应力实测工作,测量深度12～20m.测量结果表明, 最大主应力方向总体为北东向,与地质、地震以及大地测量等方面的研究成果基本吻合;最大主应力量值为3.6～6.8MPa（安多测点除外）,与其他地区测量结果相比,属于中等偏高;安多测点最大主应力方向为北西西向,最大主应力量值为8.1MPa,与其他测点有较大差别,反映了板块缝合带附近现今应力状态的复杂性.     

汶川地震断层带结构及渗透率

对汶川地震断层带进行了跨断层的渗透率测量. 结果显示汶川地震断层由低渗的核部(2.4×10-19 ~ 3.8×10-16 m2)、高渗的破碎带(3.7×10-16 ~3.0×10-15 m2)以及含裂隙原岩(6.0×10-18 ~4.3×10-13 m2)组成(有效压力 40 MPa),其中新鲜断层泥具有最低的渗透率. 断层泥和两侧原岩由于渗透率低,阻碍流体跨断层带流通, 断层带内的流体活动局限在高渗的破碎带中, 这一结果与断层岩显微结构和粒度分布特征能很好的吻合. 对汶川地震同震热压作用发生的条件进行了探讨, 结果显示, 约2 km以下汶川地震主滑动带具有发生热压作用所要求的低渗透率特征.