基于密集线性台阵的背景噪声成像在明光市城市活断层调查中的应用

近年来,短周期密集台阵被动源探测技术逐渐成为地壳精细结构探测研究中的重要手段.为了探讨其应用于城市活断层调查在勘探尺度的有效性,在横跨安徽省明光市郯庐断裂带东界两条主干断裂位置,沿同期的主动源S波反射剖面,安徽省地震局和中国科学技术大学联合布设了一条由133个短周期地震仪组成的被动源密集测线.我们通过该被动源测线获得了约28天的连续波形记录,并采用一种新的线性台阵背景噪声成像方法——拓距相移法提取了10 Hz~2.0 s宽频的基阶Rayleigh波相速度频散曲线.利用得到的宽频带频散曲线,我们反演了近地表 1.3 km以浅的高分辨率S波速度结构,并与基本重合的主动源S波反射剖面以及地质资料等进行对比,验证了反演结果的可靠性,同时进一步分析了郯庐断裂带东界两条主干断裂的断层特征.结果表明：（1）被动源与主动源反演结果在近地表100 m以浅高度一致,且被动源的反演深度更深;（2）池河—太湖断裂是隐伏于深部的走滑断裂和浅部伸展断裂的综合反映,浅部为倾向北西的正断层,向上穿透第四系地层,可能为活动断裂;（3）拓距相移法能有效拓宽频散曲线的提取频带,保证浅部结构具有高分辨率,同时大大加强对深部结构的约束.该方法能够获得可靠的地下结构反演结果,可以作为城市活断层调查的一种新的有效手段.

     

基于构造应力场识别震源机制解节面中发震断层面——以盈江地区为例

为了识别震源机制解节面中的实际发震断层面,本研究在反演震源处应力场的基础上,进一步计算震源机制解两个节面的不稳定系数,将其中最不稳定的节面视为实际发震断层面.本研究将上述方法应用于地震资料丰富且中强震发震构造研究较为深入的云南盈江地区,获得以下结论: (1) 2008年3月21日和2011年3月10日地震发震断层为震源机制解中NEE向节面,对应震中附近的大盈江断裂; 2008年8月21日地震的发震断层为震源机制解中NS向节面,对应震中附近近NS向苏典断裂; 2014年5月23日地震断层面识别结果为NEE向节面,其发震断层可能为昔马—盘龙山断裂; 2014年5月30日地震的发震断层为震源机制解中NS向节面,其发震断层可能是与苏典断裂平行的断裂.(2)盈江地区总体断层面识别结果显示盈江地区发震断层走向优势分布为近NS向和NEE向,呈现出共轭断层,研究区最大主压应力方向为NNE向; 断层走向和最大主压应力轴走向关系符合安德森断层理论.(3)本研究表明基于应力场识别震源机制解节面中发震断层面方法物理意义明确,实际应用结果合理可靠.

     

柴北缘骆驼泉剖面新生代地层磁组构特征及其构造意义

青藏高原东北部新生代构造演化对理解高原隆升和变形模式具有重要意义, 而目前对于该地区挤压应力方向转变过程仍存在很大争议.本文对柴北缘逆冲带北西部骆驼泉剖面新生代地层开展系统磁组构(本文特指磁化率各项异性)研究, 以揭示该地区挤压应力方向的转变特征.系统岩石磁学结果表明, 骆驼泉剖面新生代样品中主要磁性矿物是顺磁性组分和赤铁矿以及少量磁铁矿.通过对磁组构特征分析及其与古水流方向对比表明, 骆驼泉剖面新生代地层磁组构主要为初始变形磁组构, 可用于指示沉积成岩时期的挤压应力方向.磁组构结果揭示, 骆驼泉地区挤压应力方向在上干柴沟组下部沉积时期为NNE-SSW向, 而上干柴沟组上部和油砂山组沉积时期转变为NE-SW向.结合柴北缘逆冲带已有磁组构结果指出, 该地区早期N-S向或NNE-SSW向挤压应力可能与印度—欧亚板块早新生代以来近N-S向碰撞挤压过程有关, 指示印度—欧亚碰撞的挤压应力自下干柴沟组下部沉积时期就已传播至高原东北部地区; 而后期NE-SW向挤压应力方向与该地区现今GPS揭示的上地壳运动方向一致, 可能与该时段高原东北部巨型走滑断裂构造体系(尤其是阿尔金断裂)有关.此外, 柴北缘逆冲带新生代挤压应力方向转变在其北西部起始于上干柴沟组下部沉积时期, 而南东部起始于上油砂山组下部沉积时期, 与地震反射剖面揭示的断裂活动等地质证据共同揭示柴北缘逆冲带新生代的构造活动自靠近阿尔金断裂的北西部向南东部传播和扩展.综合分析青藏高原东北部地区挤压应力方向转变和其他地质证据发现, 挤压应力方向转变显示出自柴北缘逆冲带北西部向东、西和南向扩展特征, 与阿尔金断裂在上干柴沟组下部-上油砂山组下部沉积时期剪切应力集中于断裂本身, 而上油砂山组下部沉积以来开始散布于高原东北部内部地区的两阶段走滑活动相关.

     

长白山天池火山西南麓水压致裂法地应力测量及其实测数据在断裂稳定性分析中的应用

长白山天池火山是一座新生代多成因复合火山, 其活动性一直受到地学界的高度重视.而地应力测量数据对于了解火山的活动情况等具有重要意义, 但目前长白山天池火山地区实测地应力资料较少.为了更准确地了解长白山天池火山地区现今地应力状态及断裂稳定性, 在长白山天池火山西南麓MJZ测点0~300 m孔深开展了水压致裂法地应力测量.利用此次实测地应力数据, 本文首先分析了该地区地壳浅表层应力状态, 结果表明: ①测区以水平构造应力为主导, 应力值与其他地区相比, 相对较低; ②S_H(最大水平主应力)、S_h(最小水平主应力)和S_v(垂向主应力)均随深度增加而基本呈线性增大趋势; 在60~180 m深度, 三者展现为逆断层应力状态, 即S_H＞S_h＞S_v; 在180~300 m, 则表现为S_H＞S_v＞S_h, 该应力关系有利于走滑断层活动; ③钻孔上部S_H方向为N38°E, 与东北地区构造应力场方向基本一致.钻孔下部由于受区内NW向断裂和其他因素影响, 存在与区域主应力方向有偏差的局部应力场.其次, 基于实测应力数据, 应用库仑摩擦滑动准则, 并取摩擦系数为0.6和1.0, 初步评价了区域断裂的稳定性.结果显示, 研究区现今应力状态尚未达到断裂失稳滑动水平, 推测测区断裂目前相对稳定.结合其较低的应力积累水平, 一定程度上反映出长白山天池火山区目前没有明显活动, 地壳总体是稳定的.本文的研究结果可为长白山天池火山的活动性、地震地质等研究提供地应力方面的基础数据, 同时也为测区地质环境安全评价提供参考依据.

     

青藏高原东缘虎牙断裂带南北段运动方式差异性机理：来自数值模拟的约束

虎牙断裂带作为青藏高原物质东向扩展的前缘断裂之一,其运动方式和强震活动类型表现出显著的南北差异.研究虎牙断裂带运动方式的差异性机理,对于认识地震发生机制与高原东向扩展模式有着重要意义.本文构建包含虎牙断裂带的三维黏弹性有限元模型,研究介质流变性差异与断层几何形态对区域地壳变形及断层三维滑动速率的影响.数值实验结果表明,在青藏高原物质东向挤出的动力学背景下,在虎牙断裂带南段,中下地壳介质流变性横向差异控制着断层以逆冲性质为主的运动,且随着中下地壳断层两侧流变性差异的增大,断层西侧物质的水平运动更易发生向垂向运动的转换.在断层两侧流变强度差1~2个数量级时,断层倾向滑动速率与走向滑动速率的比值达3.3~4.0,表现出显著的逆冲运动,与松潘—平武强震所反映的断层运动特征基本一致.相反,在断裂带北段,考虑断层两侧中下地壳较小的流变性差异时,断层即表现出明显的逆冲运动,这与九寨沟M_S7.0等强震反映的断层以走滑性质为主的运动明显不符,表明虎牙断裂带北段可能不存在中下地壳介质流变性的横向差异,断层以走滑为主的运动方式主要受断裂带几何展布控制.研究结果为认识青藏高原东缘同一构造区内断层运动方式差异与发震机制以及高原东向扩展模式提供了理论依据.

     

维西—乔后断裂带上连续地震的应力降和两种不同的孕震机制

2021年5月21日云南省维西—乔后断裂带上发生M_S6.4漾濞地震,造成了大量的人员伤亡和财产损失.该断裂带上还曾先后发生过2013年M_W5.3和2017年M_W4.91两次洱源地震.本文反演了维西—乔后断裂中南段2013年、2017年与2021年三次地震震群的震源机制解,使用谱比法计算了主震和较大的前震、余震共17个事件的拐角频率与应力降.结果表明：2013年M_W5.3主震与M_W4.96余震均为正断层事件,随后的地震序列皆为右旋走滑事件,2017年M_W4.91主震与M_W4.89前震均为右旋走滑事件.发生在东南侧15 km左右的2021年漾濞M_W6.2主震也为右旋走滑事件,但前震和余震震群中包括约70%的走滑事件和30%的正断层事件,推测发震断层为维西—乔后断裂带的次级断裂;2013年M_W5.3主震的拐角频率为0.68±0.03 Hz,应力降为11.98-1.52/+1.66 MPa,2017年M_W4.91主震的拐角频率为1.59±0.05 Hz,应力降为39.84-3.64/+3.88 MPa,2021年M_W6.2主震的拐角频率为0.415±0.01 Hz,应力降为65.35-4.61/+4.84 MPa;17个地震应力降反映出走滑事件的自相似性,而正断层事件同震断层面上可能的流体扩散引起了自相似性破缺.两种地震事件在拐角频率与应力降方面存在明显差异,可能源于断层受构造形变、结构和岩性的差异的影响,在横向与纵向上的摩擦系数、破裂尺度、裂隙流体等特性存在较大差异,因而可能存在两种不同的孕震机制.从潜在的地震风险来说,走滑的孕震过程可能触发更大的破裂,具有更大的潜在破坏性.

     

基于C-DTS的土壤含水率分布式测定方法研究

主动加热光纤布拉格光栅法(Actively Heated Fiber-Optic method based on Fiber Bragg grating method,AHFO-FBG method)因具有体积小、测温精度高、准分布式测量、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点,近年来成为含水率测量技术的研究热点。研究该技术的率定方法对提高含水率测量的精准性和适用性是十分关键的,但现有研究中均未涉及到此内容。因此,本文采用自主研发的AHFO-FBG传感器对黄土开展了一系列率定试验,研究了ΔT_max和ΔT_cum两种率定方法的含水率率定结果,对此两种方法进行了对比分析。同时,进一步探究了不同加热时长和不同加热功率对ΔT_max法和ΔT_cum法率定结果的影响。研究结果表明：ΔT_max和ΔT_cum法均可得到良好的含水率率定结果,ΔT_max法的RMSE比ΔT_cum法高0.001 m³·m^-3,ΔT_cum法的测量优势不是很显著。在相同加热功率下,ΔT_max法和ΔT_cum法均在较短加热时间下的测量误差较小,且加热时间越短,ΔT_cum法较ΔT_max法的优势越明显;在相同加热时间下,低功率(5~10 W·m^-1)时ΔT_max法的RMSE较小,高功率(15~35 W·m^-1)时ΔT_cum法的RMSE较小,且适当的增加热功率有助于减少含水率率定误差。研究成果为AHFO-FBG技术实现土体含水率的精确测量和进一步应用提供了依据。     

二维位场在有源空间的解析延拓

位场的向下延拓对重、磁等位场资料的处理与解释具有重要意义,但现有的延拓方法在位场向下接近场源时会产生剧烈震荡,计算过程很不稳定,而且理论上都不能越过场源. 本文在复数域里定义了一个具有位场和几何双重特性的新函数PFGR,提出了一套新的延拓方法,在理论上实现了位场在包含场源的下半空间里的解析延拓,经过模型试算验证,表明该方法可以延拓越过场源,准确确定场源奇点,计算过程稳定,对测量中的随机噪声也具有较好的抗干扰能力.     

含碳结构对龙门山断层带电导率影响的实验探索

碳是影响岩石电导率大小的一个重要因素,可能是造成龙门山断层带电导率异常的重要原因之一.为了研究不同的碳含量、矿物颗粒粒径与碳晶体结构对断层带电导率的影响,在干燥、常温、0.2~300 MPa的压力条件下实验研究了人工模拟断层泥样品（石英粉末与含碳粉末混合的样品,简称模拟样品）和采自映秀-北川断层八角庙剖面的天然断层岩样品（简称天然样品）的电导率.实验结果显示,当模拟样品中的含碳粉末连通时,电导率与碳体积率的关系符合逾渗理论模型;而含碳粉末未连通时,电导率随总孔隙度降低而指数性升高.同时模拟样品的电导率也随石英颗粒粒径的变化而发生改变.相比于模拟样品中的含碳粉末主要分布于石英颗粒支撑的孔隙中,天然样品中的碳则主要以碳膜的形式赋存在颗粒边缘,导致碳体积率相同的条件下,模拟样品的电导率小于天然样品.此外,天然样品的电导率（ < 9×10^-4 S·m^-1）也要小于野外大地电磁探测的结果（0.03~0.1 S·m^-1）.在今后的实验中还需要考虑在动态摩擦条件下对含有完整含碳结构的天然样品进行电导率的实验研究.

     

断层输导作用与油气充注作用关系分析

断层是控制油气藏形成的重要因素之一;断层的开启及闭合影响到油气运移与聚集的效率。但油气在断层中的运移与在砂层中的充注存在差异性这一问题长期被忽视。一般认为;只要发育断层;其断开的渗透层就会被油气充注;极少关注地层水和石油的压缩特性对充注的影响。本文提出;地下单断层活动时;深部油气在超压作用下以涌流方式难以快速充注进入中浅层被切割的砂体;因此;单砂体至少要存在一条断层作为泄水出口;石油才能通过其余断层充注进入砂体;即单砂体要发育两条及两条以上断层;石油才能注入砂体。在断层静止期;油气通过渗流方式沿特定深度范围断面垂向运移;对油气垂向运移距离影响较小。本文运用4个大型盆地的典型油气藏与断层分布关系讨论了本文观点。该观点对油气成藏规律研究及成藏目标评价有较重要参考意义。