俯冲带大断层的强度问题

俯冲带大断层的强度是地球动力学的一个重要问题.过去20年来,学界对这一问题的认识有了根本性的改变.本文将简单介绍近期这一研究的核心科学内容、主要方法和结果.宏观估计这种断层大尺度平均强度的有效方法只有两种：一是用弧前地壳应力观测约束横向挤压力从而推算大断层强度,二是用弧前地表热流观测约束断层摩擦生热量从而推算大断层强度.目前的研究结果表明：首先,这些断层极弱,其有效摩擦系数一般在0.03左右,有些可能略大于0.1,这一结果也解释了为什么俯冲带不是造山带.其次,发生特大地震的大断层是最弱的,充分表明大地震不需要高强度断层和高应力,而需要易于破裂传播扩展的地质条件.另外,大地震发生时断层的应力降与强度相比,既不是微乎其微,也远不到百分之百.导致大断层极弱的地质原因还尚不明确.一般认为需要相当高的孔隙液压,但是断层泥中的软弱含水矿物可能也起关键作用.

     

2021年5月21日青海玛多MW7.4地震及余震序列应力降时空分布与孕震环境

2021年5月21日发生在青藏高原巴颜喀拉块体内部的玛多M_W7.4地震是继2008年M_W7.9汶川地震之后在中国陆区发生的最大地震.由于玛多地震发生在板块内部滑移速率较缓慢的次级断裂上,该地震成为研究巴颜喀拉块体内部地震危险性的典型震例.通过计算2021年玛多地震序列中震级大于2.5的地震应力降,我们调查了该地震序列应力释放的时空演化规律.首先,利用已有的青藏高原及其周边地区宽频带Lg波衰减模型,对玛多地震序列产生的地震Lg波观测数据进行了传播路径衰减校正,获得119个地震事件的Lg波震源谱;然后,通过将理论震源函数与观测数据拟合,获得对Lg波标量地震矩、拐角频率和高频下降率的估计;最后,根据标量地震矩和拐角频率计算了2021年玛多地震序列的应力降.结果表明,2021年5月21日玛多地震主震应力降为22 MPa,余震序列的应力降分布范围为0.08~7.5 MPa、中位数为0.39 MPa,平均值为0.88 MPa.应力降与震级具有较强的正相关关系,说明该地区的地震活动可能并不遵从地震自相似理论.换言之,大小地震具有不同的破裂动力学性质.玛多地震序列应力降变化反映了断层面上的应力释放过程具有强烈的非均质性.主震发生之后余震应力降显著降低,但其间仍夹杂着少数具有较高应力降的事件.这些高应力降事件所在区域与主震后破裂面上的闭锁和应力集中区域相对应.

     

乳山震群震源谱参数的稳健反演

本文引入截止频率fmax提出基于Brune模型的高频截止（High-Cut）模型,采用两步反演的方法来拟合求解震源谱的特征参数,并给出其误差范围;实际应用显示该模型的理论谱对观测谱有很好的拟合,可明显改善拐角频率识别的准确度.将该方法应用于2013-2015年的乳山震群,计算了乳山震群25次ML≥3.0事件的震源参数（地震矩、破裂半径、应力降等）,进一步对乳山震群的震源破裂特性进行了讨论.结果显示：拐角频率、应力降与震源尺度大小明显相关;高频衰减系数γ与震源破裂区的复杂程度以及破裂性质有关,当观测记录中混杂有其他事件的波形或微破裂时,高频衰减系数大于2,并且不确定性增大;截止频率fmax与地震大小存在一定相关性;使用Beresnev（2001）给出的震源半径计算公式,得到的乳山震群的结果显示与华北地区的经验关系较为一致;乳山震群的应力降明显偏小（最大不超过0.15 MPa）,一方面反映了震中区域的构造应力水平,另一方面可能还意味着此次震群是一个相对非耗散型的脆性破裂过程,属于低摩擦应力的断层作用.     

川滇活动块体中-北部主要活动断裂带现今应力状态的分区特征

恢复2009年1月1日—2015年12月31日间川滇活动块体中-北部1012次2.0≤M_L≤5.0地震的震源谱,计算标量地震矩M₀、震源尺度r和应力降Δσ等震源参数并拟合各参数间的定标关系,基于区域地震构造背景、活动断裂展布以及地震活动的成丛分布将研究区划分成四个统计单元,分别讨论各构造单元的应力分布特征、地震应力降随地点位置的变化以及应力-应变加载作用与区域变形的动力学过程的关联.结果显示：中小地震释放的应力降Δσ在0.1~10 MPa;标量地震矩M₀与近震震级M_L呈现较好线性关系（lgM₀=0.92M_L+10.46）;应力降与地震大小的关系与Nuttli的增加应力降（ISD）模型比较吻合（lgΔσ=0.31 lgM₀-3.92）.震源应力降结果显示：① 金沙江断裂端部为低应力区,断裂单元整体滑动速率较高、强震活动极少,不具备强震发生的应力高度集中条件;在3条次级断裂构成的条带断裂结构中,理塘断裂上的应力-应变加载作用自北西向南东逐渐减弱,相对闭锁的北西段较其他部位更易积累应变. ② 鲜水河断裂带的地震应力降以康定为界南低北高,南段（康定—石棉）短期内难以积累较高应变,北段（甘孜—康定）应力水平较高,已发生的中强地震尚未能填充地震矩释放的亏空区,段落局部仍有较高的应力积累. ③ 安宁河—则木河断裂上高应力降地震事件集中,该单元的应变积累强、应力水平最高,地震危险性大. ④ 丽江—小金河断裂上不同震级地震的应力降特征并不相同,推测与当地复杂的构造背景有关,具体原因尚需深入探讨;木里地区应力背景较低,可能受当地构造环境的影响.研究表明,地震应力降随地点位置而系统变化,高应力降地震事件多发生在断裂与断裂的交汇部位,而断裂无闭锁条件、断裂以蠕滑为主且断面松弛、断裂端部为高温或破碎塑性变形带时,多以低应力降地震事件为主;与通常所认为的“走滑断裂不易积累应力”相反的是,鲜水河断裂带、安宁河—则木河断裂带均表现出较高的应力水平,其原因一方面可能是因为已发生的中强地震无论数量还是强度都尚不足以释放已经积累的能量,另一方面也许是在区域变形的复杂动力学过程中,当构造单元间阻碍断层运动和协助积累应力的作用占主导时,相同震级的地震会释放更多的应力.

     

工业开采诱发地震的应力降研究现状和主要科学议题

诱发地震及其灾害风险已成为非常规油气资源开发和废水回注等新型工业活动顺利实施的重要威胁。应力降是反映地震破裂前后断层上平均应力差的物理量,对诱发地震中应力降的系统研究有助于揭示诱发地震的震源特征、高频地震动特征、构造背景和地震危险性。本文系统地总结了近20年来工业开采诱发地震中应力降的相关研究进展,分别从计算所用理论方法、获得的平均应力降数值、影响应力降数值的主客观因素、围绕应力降的重要科学讨论等方面做了归纳分析。介绍了直接进行谱拟合、经验格林函数(EGF)、谱叠加和广义反演3种适用性的计算方法,通过案例考察了工业开采诱发地震的应力降平均值,分析影响应力降测定数值的主客观因素,并总结应力降空间分布依赖性、与震源机制类型相依性、自相似性、深度依赖性等4个主要科学问题。同时,阐述了诱发地震应力降的测定可靠性仍未突破、主要科学问题存在广泛争议、在新型工业开采活动中具有重要应用潜力等现状。本文的总结分析可为从事新型能源开发、地震安全监管和科学研究领域的企业、管理人员和科学研究人员提供参考。     

Remotely sensed estimation of water discharge into the rapidly dwindling Dead Sea

Abstract

The Dead Sea is shrinking as its water level drops at the alarming rate of about 1 m year^-1. The Dead Sea is important to the economies of Israel and Jordan due to the extracted minerals (primarily potassium, also magnesium and bromide). It is also central to regional tourism. It is the lowest place on Earth and its endorheic, saline basin attracts international research in various disciplines. Additional to the Lower Jordan River, the discharge of which has been decreased to a small fraction of its original value, fresh to brackish springs are the main source of water to the rapidly dwindling Dead Sea. Although the existence of these springs has been known for decades, until recently estimates of spring water discharge into the Dead Sea were scarce. In this study, we developed a methodology of water discharge estimation for channels incising into a lacustrine bed using remotely sensed data and a single hydraulic geometry variable, water-surface width. Based on calibration of over 400 in situ measurements and simultaneous hydrometric data from aerial images, width–discharge rating curves were established, tested, and found suitable (r² = 0.92, p = 0.001) for the estimation of water discharge, with ±5% uncertainty. Furthermore, we used these relationships to estimate retrospectively the temporal changes in water discharge of seven main channels traceable in historical aerial images. The reconstructed trend reveals a major (63%) reduction in average freshwater inflow between 1990 and 2006. Our results maximize the use of water-surface width information from aerial imagery, and suggest applicability to areas experiencing rapid exposure of sea/lake bed and consequent access difficulties in in situ discharge monitoring.

Editor Z.W. Kundzewicz     

A model of a homogeneous isotropic turbulent flow and its application for the simulation of cloud drop tracks

Abstract

A model of a homogeneous isotropic turbulent flow is presented. The model provides different realizations of the random velocity field component with given correlation latitudinal and lateral functions and a spatial structure which obeys the Kolmogorov theory of homogeneous and isotropic turbulence. For the generation of the turbulent flow the structural function of the flow in the form suggested by Batchelor (Monin and Yaglom, 1975) was used. This function describes the spectrum of turbulence both in the viscous and inertial ranges. The isotropy and homogeneity of the velocity field of the model are demonstrated.

The model is aimed at simulating the ‘‘fine'’ features of drop's (aerosol particles') motion, such as the deviations of drops’ velocity from the velocity of the flow, detailed structures of drops’ tracks, related to drops’ (particles') inertia. The model is intended also for the purpose of studying cloud drops’ and aerosol particles’ motion and their diffusional spreading utilizing the Monte Carlo methods.

Some examples of drop tracks for drops of different size are presented. Drops’ tracks are very sophisticated, so that the relative position of drops falling initially from the same point can vary drastically. In some cases drops’ tracks diverge very quickly, in other cases all drops move within a turbulent eddy along nearly the same closed tracks, but with different speed. The concentration of drop tracks along isolated paths is found in spite of the existence of a large number of velocity harmonics. It is shown that drops (aerosol particles) tend to leave some areas of the turbulent flow apparently due to their inertia. These effects can possibly contribute to inhomogeneity of drops’ concentration in clouds at different spatial scales.     

山西省内连续5次ML≥4.0地震序列震源区附近应力降的初步研究

在对山西地区的非弹性衰减系数、场地响应和震源新参数各量关系初步研究之后,利用山西地区2008年8月-2012年5月间发生的ML2.0级以上地震612次,计算其中148次地震的震源新参数.着重研究该时间段内山西地震带连续发生的5次ML4.0级以上地震震源区的背景应力降,阳曲震区的平均应力降为2.586 MPa,其它4个震区都在1～2 MPa间.分析发现山西中部的阳曲震源区、原平震源区、大同震源区震后应力降趋于平稳的低位,而山西中南部地区的洪洞、河津2震源区附近的地震应力降在震后仍处于不断积累、逐步增强的趋势,所以应密切关注山西中南部地区的震情形势.     

福建古田水口水库M_L4.8级地震序列震源参数研究

应用福建省区域数字地震台网观测记录到的古田水口水库ML4.8级地震序列的资料,在扣除地震记录数据中传播路径效应、台站场地响应和仪器响应后,采用Atkinson单地震、多台记录平均的反演方法计算震源参数,共计算了序列中的38个ML≥2.5级地震的震源参数。结果显示：地震矩与震级之间有较好的线性关系,统计关系式为logM0=1.08ML＋9.63;建立了用ML震级估算矩震级MW的公式MW=0.72ML＋0.387;其它的参数间虽有一定的相关性,但很难给出定量的关系。对地震序列应力降随时间发展的变化分析认为,在前震期水口水库区域存在应力加速积累的过程,有出现高应力降异常值的发生,临近主震时,应力降有所回调;最大余震后,应力降呈逐步衰减,未出现高异常值。     

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.