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.

     

南海东部俯冲洋脊区段地震静态库伦应力分析

根据对马尼拉海沟及其邻区地震分布和震源机制解所反映的最大主压应力轴分布特征的分析,并结合古洋脊俯冲区段地震产生的静态库伦应力分析,发现在马尼拉海沟区域地震分布具有明显的分带特性,北部以NW向挤压应力为主,俯冲洋脊区段以近EW向的挤压应力为主;1999年7.2级地震使得2000年6.2级地震和2011年6.0级地震震中位置的静态库伦应力分别增加了约0.5和0.3 bar;2011年6.0级正断型地震和5.0级余震的静态库伦应力变化能较好地反映与余震分布的对应关系,大部分余震位于库伦应力变化值大于0.1 bar的触发阈值区域;计算古洋脊俯冲区段强震产生的静态库伦应力变化,结果显示海沟西侧小于10 km的深度范围内库伦应力增加值达到0.3~0.5 bar,呈NE向展布,吕宋岛弧一侧20 km深度范围内均表现为应力增加,应力增加区域与地震的分布较为吻合。     

断层横向构造在逆冲型地震破裂中的作用——以汶川地震小鱼洞断层为例

大地震破裂大多由横向构造(如阶区、弯曲和分叉)所分割的多个段落组成.2008年5·12汶川地震破裂沿北东走向上穿过了多个横向构造部位,特别在震中北东45 km的位置,小鱼洞断层、北川断层和彭灌断层三者之间呈现复杂的断裂切割相交关系.复杂断层几何结构对破裂的扩展是有抑制还是促进的作用？在相交的断裂段之间是否存在最优的破裂顺序？本文以库仑应力分析为手段,探讨在汶川同震破裂初始30 s内,破裂在多分支断裂中选择扩展路径时的可能应力相互作用.库仑应力分析显示:如果北川断层先发生破裂,其滑动对小鱼洞断层和彭灌断层均产生强烈负应力的抑制作用,而彭灌断层的滑动却反而对小鱼洞断层和北川断层浅部有强烈正应力的促进作用.因此,从准静态应力分析角度,彭灌断层先于北川断层发生破裂的可能性较大,这一破裂顺序与小鱼洞断层参与同震破裂过程的事实相符.此外,小鱼洞断层在链接北川和彭灌断层的同震位移中可能起到桥梁作用,但非静态应力的影响.横向构造在逆冲型地震破裂扩展过程中起到的牵引作用使得逆冲型地震破裂能够比走滑型地震跨越更宽的阶区.横向构造是逆冲断裂带内广泛发育的构成单元,因此在地震危险性分析的最大潜在震级测算中应该考虑其作用.     

断层地震孕育和发生的不稳定性模型

在以前的工作中,考虑直立走滑型断层地震,假设断层面微元破裂强度遵循Weibull概率分布,由细观力学方法推导出断层面的宏观本构关系是一个非线性函数,表现为弹性-软化塑性特征,在此基础上用稳定性理论研究了地震稳定性问题.而实际断层大多是倾斜的,为此,本文首先建立了由围岩和倾斜断层构成的平面地震力学模型,采用宏观的断层载荷-变形的全过程曲线,详细讨论了倾斜断层地震的不稳定性问题.结果表明,远场一旦施加位移,断层也同时错动,这可能与实际情况不符合.为了更好的模拟断层的初始能量累计过程,进一步对断层本构模型进行改进.考虑断层面破裂强度,采用Coulomb破裂准则,则断层表现为刚塑性本构关系,只有当断层面剪应力达到一个临界值时,断层才开始错动.研究表明,对于倾斜断层地震,与直立走滑型断层地震一样,系统刚度比β（围岩切线刚度与断层刚度最大值之比）是决定地震失稳的重要参数,只有当ββ≥1时,仅仅是断层无震滑动,不会发生地震.在远场应施以位移形式边界条件,以致地震失稳发生在平衡路径的位移转向点并伴有应力突跳.     

有限元模拟弹性位错的等效体力方法

计算地震位错造成的位移场和应力场,对于估计大地震引起的后续地震活动发展趋势十分重要.本文提出在弹性位错问题的有限元模拟中,用等效体力代替位错源,从而在构建几何模型时不用包含断层,却可以处理包含任意复杂断层的问题,极大降低建模的难度.使用此方法,本文计算并讨论了在球形地球模型下2011年日本Tohoku-Oki特大地震对华北地区断层的影响,结果表明此次地震使华北主要断层趋于稳定.     

电导率各向异性的海洋电磁三维有限单元法正演

本文提出了一种基于非结构化网格的海洋电磁有限单元正演算法.为了回避场源奇异性, 文中选用二次场算法, 将背景电阻率设置为水平层状且各向异性, 场源在水平层状各向异性介质中所激发的一次场通过汉克尔积分得到.基于Coulomb规范得到二次矢量位和标量位所满足的Maxwell方程组, 通过Galerkin加权余量法形成大型稀疏有限元方程, 采用不完全LU分解(ILU)预条件因子的quasi-minimum residual(QMR)迭代解法对有限元方程进行求解得到二次矢量位和标量位; 进而, 利用滑动平均方法得到二次矢量位和标量位在空间的导数, 由此得到二次电磁场; 通过一维模型对算法的可靠性进行验证, 与此同时, 针对实际复杂海洋电磁模型, 比较有限元模拟结果与积分方程模拟结果, 进一步验证算法精度.若干计算结果均表明, 文中算法具有良好的通用性, 适用于井中电磁、航空电磁, 环境地球物理等非均匀且各向异性介质中的电磁感应基础研究.     

中国大陆活动地块边界带主要断层的强震震间晚期综合判定

由于中国大陆强震主要分布在活动地块边界带上,所以活动地块边界带主要断层成为我国大陆型强震研究的重要目标,各强震孕育阶段的判定是大陆型强震原地复发的动力学过程研究主要内容,而目标断层是否处于震间晚期也是强震时间预测的重要研究基础.虽然地震短临预测仍存在诸多科学难题,但最近20年来全球若干强震相关研究表明,如果放宽预测时间尺度的要求,有些方法也可用于强震震间晚期的判定.本文以中国大陆活动地块边界带的391条断层段为研究目标,利用地震地质的强震破裂空段、大地测量的断层运动闭锁段、地震活动的中小地震稀疏段、数值模拟的库仑应力增强显著段等方法,综合判定中国大陆活动地块边界带可能处于震间晚期的主要断层段.本文结果仅是初步结果,该结果的可靠程度有赖于监测条件,其科学性有赖于大陆型强震孕育发生动力学过程的认识水平,虽然本文尝试给出中国大陆活动地块边界带主要断层的震间晚期判定结果,但其结果可靠程度、精细程度等均存在巨大的改善空间.最后,从断层孕震阶段判定需求的角度,本文尝试给出大陆型震源物理模型的具体基础模型,期望起到抛砖引玉的作用,也期望更多地震学家关注大陆型强震的物理机制及其预测基础研究.

     

历史大地震断层滑动模型的建立及其对同震数值计算的影响——以1920年宁夏海原MS8.5大地震为例

大地震的发生会引起区域位移场和应力场发生变化,进而改变区域内及临近断层的应力状态和地震活动性.目前,研究学者可据已有的断层滑动模型来计算分析大地震同震应力变化,同时采用库仑应力触发理论来进一步分析震后余震分布和断层危险性.然而,历史上曾经发生过不少大地震,例如,1920年的海原M_S8.5大地震,是全球范围内少见的特大地震之一.局限于无确切的地震台站地震波等资料,前人在研究历史地震的影响时往往给出一些简单的断层滑动模型,将断层面上错动量视为均匀分布.为更准确地了解历史地震对后续地震的影响,基于前人研究和一般地震滑动形态分布规律及地震反射剖面等资料,以海原M_S8.5大地震为例,探讨了如何建立海原大地震断层滑动模型,并分别搭建了简单断层滑动模型和复杂断层滑动模型的全球同震横向不均匀并行椭球型地球模型.通过对海原M_S8.5地震的同震位移场和应力场的计算,发现采用复杂断层滑动模型比简单断层滑动模型地表位错分布更切合实际.同时,进一步计算和分析了此次大地震对青藏高原东北缘近100年历史地震和周围断层的应力触发作用,得出断层滑动模型对同震计算结果的影响集中在发震断层附近而对远场影响较小.

     

2001年昆仑山口西MS8.1地震对周围断层的应力影响数值分析

大地震的发生往往会引起周围区域形变场和应力场变化,且对临近断层上的应力状态也有影响.2001年11月4日,昆仑山口西发生了半个世纪以来中国最大的M_S8.1级地震.本文基于已有的滑动模型,建立了三维含地形高程的横向不均匀性椭球型地球有限元模型,采用等效体力方法,分析了此次M_S8.1地震产生的全球同震位移和应力场变化.与解析方法相比,该模型考虑了地形、Moho面起伏和地球介质横向不均匀性;与一般的有限元数值模拟相比,该模型考虑了地球曲率和椭率,合理地规避了有限块体模型假定边界位移为零所引入的误差.计算得出同震位移与GPS观测数据可以很好地吻合.据库仑破裂应力准则和震源参数,计算得出昆仑山口西M_S8.1地震的发生造成了汶川、芦山、改则和当雄地震的发震断层上库仑应力增加,对这些地震的发生起促进作用;而造成玉树和德令哈地震发震断层上的库仑应力变化为负值,在一定程度上抑制了这些断层的地震活动性.此外,计算结果显示地球地形高程、介质非均匀性和椭率对昆仑山口西M_S8.1地震同震变化计算有一定的影响,其中地形和椭率造成的同震位移场相对误差约10%.

     

巴颜喀拉块体东缘形变及九寨沟地震孕震环境数值分析

2017年8月8日四川发生九寨沟M7.0地震,是继2008年汶川M8.0地震后发生在巴颜喀拉块体东部的又一强震.现今GPS速度观测数据显示,2008年汶川地震前后的1999-2007年和2011-2016年两个时间段内巴颜喀拉块体东部地表速度场存在明显的差异.本文以实际GPS速度观测资料为约束,构建三维有限元地球动力学模型,分别计算分析了两个时段内震源区及周边现今地壳形变、弹性应变能和应力积累特征,进一步探讨汶川地震的发生对九寨沟地区变形及应力的影响.数值模拟结果显示,汶川地震之后（2011-2016年）巴颜喀拉块体东部的地壳形变、弹性应变能积累及应力积累速率均明显大于震前,增加量值达1.5~3倍;九寨沟地震发震断裂上库仑应力增长率在1999-2007年约为0.7 kPa·a^-1,2011-2016年间增至1.2 kPa·a^-1.上述结果表明,现今巴颜喀拉块体东部地壳应力积累过程有利于左旋走滑型九寨沟地震的发生,汶川地震的发生调整了区域应力状态,加速了九寨沟地震的孕育过程.