利用断层应力积累探讨大地震发生的地点——以日本2011年东北9级大地震为例

大地震在哪里发生是地震预报首先要解决的问题.利用反演GNSS观测数据得到的2011年日本东北9级大地震前7年（2004—2010年）断层上的应力变化,我们发现了这次地震断层的孕震区.为了进一步研究该孕震区的演化过程,本文继续反演这次大地震在1997—2003年间的断层应力变化过程.通过这两期的反演工作,我们看到,在这14年中,断层应力的年变化图案的主要特征基本是稳定的,并存在明显的应力增加区和降低区.前者与地震的破裂区吻合,后者与前震、重复小地震和无震滑动的区域一致.显著的剪切应力增加区不但与主震,而且还与大余震的破裂区相符合.我们发现断层面上高应力积累区的零剪应力和零正应力变化的等值线不重合,前者在断层面上的深度大于后者,这意味着在剪应力增加区存在着正应力降低区或剪切强度降低区（由于剪切强度与正应力成正比）.断层初始破裂点似乎更偏好零正应力等值线附近的位置,这是因为该处不但靠近剪切强度降低区,而且位于剪应力积累最显著的地方.研究结果表明,正应力变化对大地震的初始破裂有影响;本文所使用的断层应力变化反演方法,可以用来作为预测大地震发生位置的一种手段.

     

基于传播矩阵法改进的SS及其前驱波合成算法

410 km和660 km地幔间断面在地球内部动力学研究中具有重要意义. 在研究地幔间断面的方法中, SS前驱波由于具有全球采样优势得以广泛应用. SS及其前驱波模拟可利用有限差分和谱元法等数值模拟方法, 它们在模拟全球尺度地震波传播时具有高精度的特点, 但往往计算量很大. 因此, 该类方法难以应用于反射点广泛分布的情形. 而基于传播矩阵发展的SS及其前驱波模拟方法在保持高精度计算的同时, 可大幅提高计算效率. 本文针对SS及其前驱波的传播特征, 改进了基于传播矩阵方法的波形合成算法FASHSHWF. 通过简单层状模型对该算法进行了测试, 验证了算法及相应程序的正确性. 计算效率测试表明改进算法相较常规传播矩阵算法可节约50%以上的计算时间. 通过与AxiSEM计算的波形对比, 验证了FASHSHWF用于SS及其前驱波模拟的有效性. 在上述工作的基础上, 本文进一步探讨了新算法在研究全球近地表结构对地幔间断面复杂性探测影响中的应用.

     

盆地沉积结构对地震波初至走时的影响

相对于天然地震的低频长波长特征,上地壳广泛存在的盆地沉积层厚度相对较薄,在研究壳幔结构或地震定位时往往做各向同性或VTI层等效的简化.这种简化的适用条件与误差是本文讨论的主要问题.以塔里木盆地为例,利用塔中某测井数据建立盆地二维水平层状互层模型;以此为参考,可进一步得到简化的各向同性等效和VTI近似两种单层模型.通过计算两种简化模型相对参考模型的初至走时误差,可以发现：(1)当震源处于沉积层内和沉积层下方时,两类简化模型得到的走时呈现完全不同的变化规律;(2)当震源处于沉积层内时,简化模型的走时相对误差均随震中距的增加快速增大,各向同性等效的误差极值在震源深度6km、震中距100km处可达60%左右,而VTI近似约为45%;(3)当震源处于沉积层下方时,区域震条件下各向同性等效与VTI近似的误差均未超过8%,且各向同性等效的精度优于VTI近似.因此,当利用盆地内观测数据定位不同深度、不同震中距区域地震时,宜采用不同的上地壳沉积层简化模型以保证合理的精度.

     

岩石破坏过程磁场效应实验研究及其对地震预报的意义

地震前岩石圈存在可观测的磁场前兆异常, 岩石破坏过程的磁场效应规律却鲜有研究.本文设计建立了岩石破坏磁场效应监测实验系统, 测试分析了岩石破坏过程磁场与载荷、声发射、电磁辐射之间的关系, 探讨了岩石破坏磁场产生机制与岩石破坏磁场效应对地震预报的意义.结果表明: 岩石在受载破坏过程能够产生磁场, 磁感应强度与载荷变化存在良好的对应关系.在受载前期, 磁感应强度波动增加, 受载中后期, 磁场强度显著增加; 主破坏发生时, 磁场强度快速增加并达到最大值.磁感应强度与累积声发射计数平均相关系数达到0.825, 呈高度相关, 表明磁场变化能够反映岩石的变形破坏阶段和状态.岩石破坏磁场的产生主要与电性变化有关, 运动电荷或电流的变化产生了磁场.岩石破坏磁场与电磁辐射同属于电磁信号, 磁场是一种极低频、连续、脉冲式的信号, 信号频率一般为0~20 Hz; 电磁辐射是一种瞬态、阵发性的电磁波, 信号频率一般为kHz~MHz.相对于电磁辐射, 磁场前兆异常先出现, 岩石破坏的磁场监测结果对于评估地震的临震预报具有显著的意义.

     

阿富汗地震R/S分形特征及地震活动性分析

地震的发生具有非线性特征,分形理论能够刻画地震时空分布特征及其变化过程。本文基于R/S分析方法确定阿富汗主要地震带的分形特征,利用ARIMA模型对兴都—库什山地震带可能发生的年度最大震级进行预测。R/S分析表明,兴都—库什山地震带Hurst指数为0.9125,地震活动记忆周期为8年; 苏莱曼山地震带Hurst指数为0.7281,地震活动记忆周期为9年。兴都—库什山和苏莱曼山地震带地震活动的变化趋势与历史变化一致,且兴都—库什山地震带的趋势延续性比苏莱曼山地震带更为显著。ARIMA模型预测结果显示,2022—2026年兴都—库什山地震带可能发生的年度最大震级分别为M_b6.2、M_b6.1、M_b5.8、M_b5.8和M_b6.1。     

2022年6月1日四川芦山MS6.1地震的发震构造与力学机制探讨

2022年6月1日17时00分08秒（北京时间）四川雅安市芦山县发生M_S6.1地震,此次地震是继2008年汶川M_S8.0、2013年芦山M_S7.0地震后发生在龙门山断裂带的又一显著地震,与后者在空间上仅相距9 km.为揭示此次地震的发震构造特征及其与2013年芦山M_S7.0地震的关系,进而理解龙门山断裂带强震孕育动力学过程与地震危险性,本文采用CAP全波形反演方法计算了芦山M_S6.1地震的震源机制解,利用多阶段定位法对2013年芦山M_S7.0地震以来余震区地震进行了精确定位,并基于库仑应力讨论两次地震的应力触发关系.结果显示,芦山M_S6.1地震的震源机制解为：节面Ⅰ的走向、倾角和滑动角分别为221°、40°和105°;节面Ⅱ的参数为22°、52°和78°,矩心深度14 km,震源机制断层面解呈现一组与龙门山断裂带性质接近的节面.反演给出的P轴方位角为120°,倾角为6°,反映了此次地震主要受NWW-SEE向水平挤压应力作用,与龙门山断裂带南段背景构造应力场一致.地震精定位结果显示芦山M_S6.1地震序列发生在2013年芦山M_S7.0地震发震断层北西侧的一条倾向南东的反冲断层上,据此可判断震源机制解的节面Ⅱ为发震断层面.在此基础上,通过指定发震与接收断层,计算获得2013年芦山M_S7.0地震对此次M_S6.1地震所在断层的最大库仑应力加载值可达1.5 MPa,说明前者对后者有显著的触发作用.

     

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.

     

利用同震滑坡分析2014年鲁甸地震震源性质与破裂过程

2014年8月3日, 发生在中国云南省鲁甸县的MS 6.5(Mw 6.1)级地震造成了严重的灾难, 本次地震还触发了至少1024处面积大于100m2的滑坡。本文的目的是利用同震滑坡的空间分布与规模分布特征分析本次地震的震源性质与破裂过程。鲁甸地震同震滑坡分布区域的长轴展布方向呈北西南东方向, 结合区域活动构造分布, 认为其发震构造是北西南东方向的包谷垴小河断裂。地震滑坡多分布在震中的南东方向, 表明了其破裂方向是自北西向南东扩展。滑坡分布区北西部分滑坡分布较分散, 规模总体较小; 而南东部分滑坡分布相对集中, 且有几处规模较大。由于隐伏断裂型地震比地表破裂型地震触发滑坡分布面积广、数量多, 但规模较小, 因此判断发震构造的北西部分可能由于破裂面较深而隐伏于地下, 而南东部分可能产生了地表破裂且破裂面较浅。这一判断得到了野外调查结果的验证。鲁甸地震破裂自北西向南东是由深部向浅部斜向上扩展的, 这种破裂面斜向上扩展的破裂特征或许是导致鲁甸地震灾害非常严重的重要原因之一。     

探地雷达在振动台斜坡模型震裂变形探测中的应用

5,12, 汶川大地震造成了大量山体震裂变形, 形成众多次生潜在灾害。地震前后山体震裂变形的发展演化规律是防治滑坡的关键。振动台试验是实验室模拟地震的重要手段, 可以重现边坡在地震作用下的变形破坏过程, 探地雷达是利用高频电磁波反射探测目的体及地质结构的物探方法, 可用于查明滑动面的位置。本文采用室内小型振动台模拟实验, 通过输入相同加速度, 不同频率正弦波, 研究边坡的动力加速度响应特征。利用LTD-2100探地雷达主机, GC900MHz屏蔽型天线, 检测施加地震荷载前后坡体内部裂缝的发育状况, 结合解译成果, 对地震造成边坡内部裂缝的位置进行推断。实验结果表明探地雷达检测出的裂缝发育位置与边坡动力加速度响应特征相一致。探地雷达用于振动台模拟试验分析地震滑坡的成因和机理是可行的。     

金川—芦山—犍为剖面重力异常和地壳密度结构特征

重力剖面金川—芦山—犍穿越芦山震区,近垂直于龙门山断裂带南段,长约300 km,测点距平均2.5 km,采用高精度绝对重力控制下的相对重力联测与同址GPS三维坐标测量,获得了沿剖面的自由空气异常和布格重力异常,并对布格重力异常进行了剩余密度相关成像和密度分层结构正反演研究.结果表明,芦山地震所在的龙门山断裂带南段存在垂直断裂走向的宽广的巨型重力梯级带,重力变化达252×10-5 m·s-2以上(龙泉山以西),反映出四川盆地与松潘—甘孜地块地壳厚度陡变(约14.5 km)性质;四川盆地与松潘—甘孜地块过渡区(龙门山断裂带与新津—成都—德阳断裂之间)存在(30~50)×10-5 m·s-2的剩余异常"凹陷",可能与上地壳低密度体、山前剥蚀与松散堆积和推覆体前缘较为破碎有关;剩余密度相关成像显示地壳密度呈现分段性特征,在芦山地震位置出现高低密度变化;地壳呈现三层结构,四川盆地上、中、下地壳底界面平缓,反映其稳定阻挡作用,而松潘—甘孜块体上、中、下地壳底界面明显往盆地逐步抬升,反映出青藏高原往东的强烈挤压作用;松潘—甘孜块体往东推覆变形主要集中在上地壳范围内,推覆深度随离龙门山断裂带愈近而越浅.本文通过对密度分布及结构特征的研究,分析了芦山地震及龙门山地区地壳构造背景和当前活动性的深部动力环境特征.