库仑应力变化与余震对应关系的初步探讨——以集集地震为例

本文以集集地震为例,讨论了在多个小断层的位错模型,分层地质结构这种更加接近实际的情况下的库仑应力变化,计算结果表明有必要考虑这些符合实际的模型.本文分别讨论了走滑断层上库仑应力变化与走滑地震、逆冲断层上库仑应力变化与逆冲地震空间分布的对应关系,计算结果表明集集地震所引起的库仑应力变化确实有利于本地区余震的发生.     

逆冲和消减地震的应力触发及圣安德烈斯南部及其邻区逆冲和走滑断层的相互作用

指出逆冲地震的触发、抑制和丛集的主要特性可以用库仑破裂应力变化来解释。解释中我们采用了一套代表模型及详细实例。虽然地表破裂的逆冲断层使得大部分周围地壳的应力降低，但逆冲盲断层的滑动却使得某些附近区域，特别是震源断层上方的应力增加。这样逆冲盲断层可以触发浅部次生断层的滑动，并产生广泛分布的余震。短逆冲破裂对于触发大小相差不多的邻近逆冲断层特别有效。我们的计算结果表明，在加利福尼亚中部连续的逆冲序列中，1983年Mw6．7级科林加地震使得1983年Mw6．0级努涅斯地震和1985年Mw6．0级凯特尔曼山地震破裂与库仑破裂应力分别接近了10bar和1bar。理想化的应力变化计算与伴随大逆冲事件的地震活动性分布一致，这与前人的研究结果是一致的。俯冲带破裂的计算结果促使了俯冲前缘隆起发生正断层事件，并有利于地震破裂带周围及其下倾延伸区发生逆断层事件。这些特性在1957年Mw9．1级阿留申地震和其他大逆冲地震是明显的。我们进一步研究了能得到详细滑动模型的1960年Mw9．5和1995年Mw8．1级智利地震引起的破裂面上的应力变化。计算的库仑破裂应力增加为2-20bar，与余震地点和震后滑动密切相对应，而应力降低10bar的地区余震缺失。我们也提出主走滑系统的滑动调制了附近逆冲和走滑断层的应力。我们计算得到圣安德烈斯断层上1857年Mw7．9级蒂洪堡地震以及后续震间滑动使得科林加断层接近破裂约1bar，但抑制了全部海岸山岭的逆冲断层。1857年的地震也促使于1952年发生Mw7．3级科恩县地震的怀特沃尔夫逆冲断层接近破裂约10bar，但抑制了自1857年以来从来没有破裂的左旋加洛克断层上的滑动。于是我们有充分理由认为，应力转移在很宽的时间和空间尺度上对逆冲断层的地震活动性有控制作用。     

从同震和震后形变分析日本东北Mw9.0级大地震对近场地震活动性的影响

2011年日本东北大地震后,不断有报道认为日本南海海槽可能会发生强震,日本东北大地震对南海海槽断层活动有何影响?本文采用粘弹性半无限空间模型,利用反演得到的日本东北大地震的断层模型,计算了岛内部分断层的同震和震后形变以及库仑应力变化.结果表明:2011年日本东北大地震,使得平行于日本海沟的岛内逆冲断层应力释放明显,5km深度,库仑应力降低值都在50 kPa以上,按照该地区每年应力积累1～10 kPa计算,相当于释放了5～50年的应力积累;平行于南海海槽的岛内逆冲断层,同震库仑应力增加了1 kPa左右,相当于0.1～1年的正常构造运动应力积累;对于岛内的走滑断层,若其滑动方向与同震或震后形变方向一致,则库仑应力增加,反之则降低,如1948年福井地震发震断层库仑应力增加10 kPa左右,相当于1～10年的正常构造运动应力积累,地震危险性明显增加.同时,分析了不同软流圈粘滞性对震后形变和库仑应力的影响,发现对于不同的软流圈粘滞性系数,震后的形变和库仑应力相比同震都会有所增加.因此,对于平行南海海槽的岛内逆冲断层和岛内部分滑动方向与同震形变一致的走滑断层,震后地震危险性相比同震会进一步增强.     

流-固耦合作用对计算同震静态库仑应力变化的影响

传统方法计算同震静态库仑应力变化一般都是基于Okada的解析解,模型中不考虑流体对固体骨架力学行为的影响.但实际上,流体对固体变形有着非常重要的作用.为此,本文基于孔隙弹性理论,考虑流-固之间的完全耦合效应,针对三种典型的断层错动模型(走滑型、逆冲型以及正断型),分别计算静态库仑应力变化与传统算法之间的差别.计算结果表明:三种地震模型得到的介质孔隙压变化在空间的分布格局完全不同,走滑型地震产生的孔隙压变化图案在空间中呈正负相间的四象限分布,近场的静态库仑应力明显下降,流-固耦合作用对静态库仑应力变化影响较大.逆冲型和正断层型地震产生的介质孔隙压变化在空间的分布图案类似,但正负区域正好相反,孔隙压在逆冲型地震的震源区域上升,而在正断型地震的震源区域下降.同传统方法计算的库仑应力相比,逆冲型地震产生的介质孔隙压变化使得震源区的应力影区面积减小,这会触发更多的余震;而正断型地震产生的孔隙压变化则正好相反,增大了震源附近的应力影区范围,这样会降低该区域余震发生的概率.可见,介质的流-固耦合作用对计算库仑应力变化的影响不可忽视.因此,在利用库仑应力变化研究地震触发时,应考虑流-固耦合作用,使得库仑模型的预测结果更符合实际.     

2016年3月2日苏门答腊MS7.8地震同震位移和应力场数值模拟研究

苏门答腊地区发育多条左旋走滑性质断层,地震活动活跃.2006年3月2日该区西南海域发生了M_S7.8大地震.大地震的发生常常会引发区域位移场和应力场及周围断层应力状态发生变化.本文建立全球PREM有限元地球模型,据已有的断层滑动模型计算了此次苏门答腊地震引发的同震位移和应力及库仑应力变化,并进一步讨论了此次地震对周围断层的影响以及区域构造应力场对库仑应力变化计算的影响.初步结果表明此次苏门答腊M_S7.8地震造成较大的南北向水平位移且集中在探测者破裂区（Investigator Fracture Zone）,最大水平位移量约6.74 m,断层倾角接近垂直,下盘向北运动而上盘向南,进一步表明M_S7.8地震为典型的左旋走滑为主的地震,发生海啸的可能性较低;库仑应力变化达MPa量级的区域集中在震中,但近场大部分余震分布在库仑应力减小区域,有效摩擦系数变化和区域构造应力场的耦合作用可能是其原因;利用改进的库仑应力变化计算方法和最优破裂方向计算得出的结果显示库仑应力触发理论可较好地解释余震分布.     

基于流固耦合的静态库仑应力变化的数值计算及其在地震触发研究中的应用

地震"应力触发"是近年来地震科学研究中的热点之一,由地震引起应力转移从而对后续事件产生触发作用的应力触发模型已被大量震例的研究成果所支持。应力触发理论中的最关键问题是如何计算库仑应力变化,但传统方法的计算一般都是基于Okada的解析解,其中不考虑流体对固体骨架力学行为的影响。同时,模型中通常仅仅计算同震位错效应所产生的库仑应力变化,而不考虑震后余滑、孔隙流体迁移等其他因素造成的影响。但实际上,流体广泛存在于地下岩土介质中,对固体变形有着非常重要的影响。当主震发生后,随着时间的推移,震后余滑、介质孔隙压变化等震后效应的作用逐渐突出,由此引起的静态库仑应力变化也逐渐发挥作用。为此,本文基于孔隙弹性理论,考虑流-固之间的完全耦合作用,针对3种不同类型的断层错动模型(走滑型、逆冲型以及正断型),利用有限元数值模拟方法,分别计算同震静态库仑应力变化的空间分布,然后将其结果与传统算法进行比较,考察流-固耦合的效果。在此之上,进一步计算震后余滑、孔隙流体迁移等引起的库仑应力变化的时空分布,定置分析这些因素对地震触发的影响。研究中,主要获得的成果如下:(1)3种不同类型地震模型得到的介质孔隙压变化在空间的分布格局完全不同:走滑型地震产生的同震孔隙压变化图案在空间中呈正负相间的四象限分布,近场的静态库仑应力明显下降,流-固耦合作用对静态库仑应力变化的影响较大;逆冲和正断层地震产生的介质孔隙压变化在空间的分布图案类似,但正负区域正好相反;孔隙压在逆冲地震的震源附近上升,而在正断层地震的震源附近下降。同传统方法计算的库仑应力相比,逆冲地震产生的介质孔隙压变化使得震源附近的应力影区面积减小,这将会触发更多的余震;而正断层地震产生的孔隙压变化则正好相反,增大了震源附近的应力影区范围,这样可能会减小该区域余震发生的机会。(2)3种不同类型地震的震后流体扩散效果也很不相同:在渗透率相同的介质中,走滑型地震的孔隙压力变化衰减速度相对较慢,在20天内逐渐衰减;逆冲和正断层地震产生的孔隙压变化则会在10天内急剧降低;但3种不同类型地震的孔隙压变化最终都会在60天后衰减完毕。虽然孔隙压力变化会在震后不断地演化,但由于孔隙压力变化对库仑应力变化的贡献所占比例较小,因而对总体静态库仑应力变化的影响非常有限。由此可见,单纯震后流体孔隙压力变化对地震触发的能力较弱,震后流体运移触发地震的物理机制还需深入研究。(3)3种不同类型地震的震后余滑效果也很不一样:走滑型地震的震后余滑能整体上提升库仑应力变化的幅度,触发更多的地震;逆冲地震的库仑应力上升区域会在空间中整体扩展,触发范围更大的余震;而正断层地震的震后余滑对库仑应力变化的影响较小,仅沿断层两端有较小的扩展。(4)此外,研究中还专门利用传统方法计算了四川芦山地震(A/s7.0)对其余震的触发情况。当选择最优破裂面投影、或选择余震节面投影或使用不同的震源位错模型以及不同的有效摩擦系数时,大量的数值计算均发现,芦山地震对其余震没有明显的触发效果。总之,计算地震引起的库仑应力变化不是一个简单的问题,它涉及地震发生、震后响应、构造应力场和介质环境变化等。只有充分利用数值模拟手段,考虑诸如介质的流-固耦合等多种物理因素,才有可能获得比较接近真实的库仑应力变化,从而使得地震触发理论更为完善,能更加科学合理地分析地震趋势及评估地震灾害。     

1999年台湾集集地震震源破裂过程

使用GPS同震位移资料和远场P波记录,研究了1999年台湾集集地震震源破裂过程．根据地质构造和余震分布引入了一个由弯曲断层面构造的三段“铲状”断层模型．在使用静态GPS位移资料反演集集地震的断层破裂滑动分布时,由于集集地震断层北部近地表破裂的复杂性,在位错模型中考虑拉张分量对地表同震位移的贡献,可更好地同时拟合GPS观测资料的水平和垂向分量．而纯剪切位错弹性半空间模型和分层地壳模型都无法同时拟合水平和垂向GPS观测资料．在此基础上,同时使用静力学同震位移资料和远场地震波形记录,反演集集地震的震源破裂过程．结果表明,一种垂直于断层面的“挤压性”(负)拉张分量几乎集中分布于地震断层的浅部和北部转折处,而这一带地表破裂远较没有(负)拉张分量出现的南部断层复杂．“冒起构造”的数字模拟表明,这种在集集地震破裂转折处及北部断裂带广为出现的典型破裂造成的地表位移可以用具有负拉张分量(挤压)的逆冲断层更好地模拟．而这种负拉张分量(挤压)的分布正是地震破裂性质和几何复杂性的综合反映,震源破裂过程也显示北部转折处破裂在空间和时间上的复杂性.高滑区域与余震分布表现为负相关.     

不同类型地震断层上的固体潮汐库仑破裂应力特征

计算和研究了不同类型地震断层上的潮汐库仑破裂应力及其随纬度变化特征;通过对全球20395个地震断层发震时潮汐库仑破裂应力的计算,研究了受到潮汐库仑破裂应力促滑作用的不同类型地震断层的纬度分布特征.结果表明,断层上潮汐库仑破裂应力的性质和特征与断层的类型、走向和位置密切相关,同一时间段内不同类型地震断层上的潮汐库仑破裂应...     

GPS资料获取的静态库仑应力变化与余震分布的相关性分析

本文以2008年汶川地震为例,利用震中附近GPS观测资料,选择断层破裂模型,计算汶川主震产生的静态库仑应力变化空间分布,并与JI模型、经验公式模型结果进行对比分析,初步探索GPS破裂模型下的静态库仑应力变化特征以及与余震的空间分布关系。结果表明,当使用最优断层面作为接收断层时,GPS模型的结果对后续余震空间分布具有较好的对应关系,90%的余震分布在应力增强区域;在龙门山断裂以走滑为主的北东段(北川—青川段),5级以上的强余震均分布在应力增强区;以龙门山断裂南西段作为接收断层的计算结果表明,芦山地震震中正好处于库仑应力的正值区,汶川地震的发生在一定程度上使得芦山地震提前发生。     

断层几何对1999年集集（台湾）地震的影响

1999年9月20日集集（台湾）M7.6级地震产生了足够的近源地震数据。这些证实了许多理论预测的断层几何对地震物理过程的影响。这些影响包括上盘运动的增加（在断层迹上最大），在断层北段存在一个从逆冲到显著左旋滑动的过渡以及近场和远场对断层类型，能量和视应力的估计存在不一致性，通过这次地震的严格的三维动力学模型。可看出这些特征与三维非对称断层几何及其与自由表面之间的夹角密切相关。研究结果显示，由于倾滑断层与地表交错，地震的许多重要特征是由断层几何控制的，原则上说是可能提前预测的。     

汶川MS8.0地震断层映秀—南坝段的活动方式、形变特征及其形成机制

通过对2008年5月12日发生的汶川8.0级地震的发震构造——中央断裂映秀—南坝段地震地表破裂、地表形变及断裂上余震迁移等特征的详细调查和分析,结果表明：（1）自映秀至南坝,断层活动方式表现为由逆冲逐渐过渡为逆冲-右旋走滑、再到走滑分量与逆冲分量大致相当,同时断层两盘滑动伴有相对弱旋转活动;（2）在断层总体走向NE向、逆冲为主兼右旋走滑活动方式下,局部表现为走向NW向、逆冲为主兼左旋走滑活动方式;（3）地震裂缝与单侧破裂面关系,以及地表重叠缩短形变特征表明,断层活动、应变能释放是在近EW向区域构造应力及NE向局部构造应力综合作用下的结果.依据断层沿线地表裂缝产状的变化,粗略推出映秀至南坝段主应力方向由SEE向NEE方向变化,与前人使用CAP（Cut and Pasate）方法求出的主余震源机制方向基本一致.     

汶川Ms8．0地震断层映秀-南坝段的活动方式、形变特征及其形成机制

通过对2008年5月12日发生的汶川8.0级地震的发震构造--中央断裂映秀-南坝段地震地表破裂、地表形变及断裂上余震迁移等特征的详细调查和分析,结果表明:(1)白映秀至南坝,断层活动方式表现为由逆冲逐渐过渡为逆冲-右旋走滑、再到走滑分量与逆冲分量大致相当,同时断层两盘滑动伴有相对弱旋转活动;(2)在断层总体走向NE向、逆冲为主兼右旋走滑活动方式下,局部表现为走向NW向、逆冲为主兼左旋走滑活动方式;(3)地震裂缝与单侧破裂面关系,以及地表重叠缩短形变特征表明,断层活动、应变能释放是在近EW向区域构造应力及NE向局部构造应力综合作用下的结果.依据断层沿线地表裂缝产状的变化,粗略推出映秀至南坝段主应力方向由SEE向NEE方向变化,与前人使用CAP(Cut and Pasate)方法求出的主余震源机制方向基本一致.     

汶川M_W7.9和集集M_W7.6地震前应力场转换现象及其可能的前兆意义

2008年四川汶川MW7.9地震和1999年台湾集集MW7.6地震均为挤压推覆构造环境条件下发生的板内逆断层型地震。本文对比分析了两次地震前的CMT解、震区附近的中小地震震源机制解及其反演的应力场可知,集集地震主震震源机制解与用台湾内陆中西部的CMT解反演得到逆断层类型构造应力场吻合,而震区附近中小地震具有随机发生的性质,反演得到了震前与构造应力场不一致的走向滑动类型的局部应力场,但当局部应力场变化到与构造应力场一致时,数月后发生主震;同样,用青藏高原东部的CMT解震源机制反演得到走向滑动类型的构造应力场,逆冲类型的汶川主震与构造应力场的压应力轴吻合,震区附近中小地震反演得到了与构造应力场一致的区域应力场,但震前局部应力场变化为逆冲类型应力场一致时,随即发生主震。说明逆断层型主震区附近随着震源区应力积累,在震前会出现相似的应力场转换现象,当最终转换到与发生主震的应力状态一致时,表明震源区附近应力已达到相当高的应力水平,是发生大地震的征兆,应引起进一步的关注。     

缅甸弧强震对川滇地区主要断裂的应力影响

收集并分析了1969—2018年缅甸弧地区共170次地震的震源机制解,发现浅源地震主要分布在缅甸弧西侧和实皆断裂,且震源机制解以走滑为主;逆冲型地震主要位于缅甸弧中部,且以中源地震为主;正断型地震主要分布在缅甸弧南侧。基于缅甸弧至川滇地区粘弹性介质模型,以川滇地区51条主要断裂、129个断层段、2 112个断层离散点作为接收断层模型,分别计算了缅甸弧单次地震模型和1969—2018年所有M_W≥6.0地震在川滇地区产生的静态和累积库仑应力。结果表明:缅甸弧中源地震对川滇地区库仑应力影响较小,一般情况下可忽略不计;浅源地震在川滇地区产生的库仑应力大小明显高于中源地震;1969—2018年缅甸弧所有M_W≥6.0地震对川滇地区的最大累积库仑应力小于0.1 bar,应力加载作用最强的区域集中在小滇西—滇西北附近地区。     

汶川M_S 8.0地震库仑破裂应力变化及断层危险性初步研究

利用四川省汶川MS8.0地震的震源机制解及滑动分布模型,反演了由汶川地震造成的同震库仑破裂应力变化;从余震效应与断层相互作用的角度对库仑破裂应力变化进行了分析。结果显示:基于滑动分布模型反演的库仑破裂应力变化能较好地反映与余震分布的对应关系,以最大余震断层面参数(走向/倾角/滑动角:204°/56°/98°)为接收断层,反演结果最佳,83%M>4的余震均发生于库仑应力增加约0.01MPa的区域;库仑破裂应力变化的主要特征为断层北盘大部分区域为库仑破裂应力下降区,断层南盘主要为增加区,断层两端均显示库仑破裂应力变化增加,且分别沿NE和SW两个方向发展。最后,基于活断层分布模型,计算由此次地震造成的已存断层面上的库仑破裂应力变化,结果显示多条左旋走滑断裂库仑破裂应力变化值增加     

1999年台湾集集大地震的地表断层破裂特征

野外考察结果表明 ,1999年 9月 2 1日台湾集集大地震是由车笼埔断层发生逆冲作用造成的。地震产生的地表破裂长约 80km ,具有明显的挤压逆断层特征 ,其活动方式为具左旋性质的逆倾滑动。实测逆冲断层以 30°～ 50°的角向西北逆冲而上。断层的垂直位移量 ,南段约 2～ 3m ,北段约 3～ 8m ;断层的水平位移量 ,南段 0～ 3m ,北段 3～ 5m ;垂直断层的水平缩短量 ,南段 2～ 3m ,北段 3～ 6m。从台湾西部麓山带的地质构造剖面分析 ,地震震源恰好位于台湾西部麓山带中生代基底与其上的沉积盖层的界面的深度 ,而西部麓山带第三纪地层和其下的基底的分离面为一滑动面 (decolle ment)。在菲律宾海板块的挤压作用下 ,沿该区中生代基底之上滑动面的错动导致了地震的发生     

动态库仑破裂应力变化的模拟计算及断层类型影响研究

对走滑断层、逆断层破裂产生的动态库仑破裂应力变化进行了模拟计算,得到了动态库仑破裂应力变化的空间分布图像.分析结果显示,不同类型断层破裂所产生的动态库仑破裂应力变化,其分布图像有很大区别.     

基于GPS观测的汶川地震参数反演与库仑应力变化分析

利用汶川MS8.0地震前后的GPS观测资料,借助Okada矩形位错模型反演汶川地震参数,进而应用反演所得地震参数,计算地震在其周围GPS资料负位错反演所得震前应变积累断层段上可能造成的库仑破裂静应力变化,分析地震对其周围构造断裂应变积累的影响。结果表明,汶川震区呈显著逆冲兼右旋走滑同震变化,对甘川交界东段—甘川陕交界区、鲜水河断裂南段与安宁河断裂北端应变积累有一定程度影响,可能以增强作用为主。     

台湾集集地震对福州小震群的动态库仑破裂应力分析

根据库仑破裂准则,采用离散波数法计算了1999年台湾集集7.6级地震对福州ML3.8级地震的动态库仑应力变化影响,结果显示：震后105.1 s、114.51 s、116.08 s以及127.84 s时应力变化值超过了触发阈值,116.08 s时达到最大值约为0.74 MPa,说明台湾集集7.6级地震能够动态应力触发福州M_L3.8地震。此外根据台湾集集7.6级地震发生后不同时刻的动态库仑破裂应力场传播图可看出,其最大余震的发生可能受到了台湾集集7.6级地震的动态和静态触发共同作用。     

台湾集集7.6级地震车笼埔发震断层场地灾害综述

１９９９年９月集集（Ｍｗ７．６）地震,由于车笼埔地震断层猛烈地逆冲推挤作用,导致断层沿线地带产生剧烈的场地地震灾害、文中列举车笼埔断层活动引发场地地震灾害的情况,提出该类活断层下盘建筑物的安全距离不应少于３０００ｍ,上盘建筑物的安全距离不应少于５０００ｍ。