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.     

特征地震现象和机制分析

本文介绍了断层活动的一种重要现象--特征地震现象.特征地震是指某些断层长期活动过程中,重复发生的多次大地震往往表现出相似的破裂长度、位错分布、和震级大小,而有些活动断层在多次地震中表现出局部的相似.对断层地震活动的统计分析中,有两种模型,一种就是为大家熟知的G-R经验公式,还有一种就是特征地震模型.到底哪一种模型能够代表断层的活动,用哪一种模型进行地震危险性分析较为合理?南加州断层历史地震的统计资料和一些数值模拟分析的结果表明对于一条成熟的单个断层,用特征地震模型进行解释是更为合理的,而对包含多条断层的较为广阔的地域,断层活动应该仍用G-R公式进行分析.文章的后面对特征地震的机制进行了分析,特别地,我们认为断层的位错分布主要是由断层破裂面处地震前后的应力降决定的.所以对成熟断层而言,断层上发生的多次重复地震由于地震孕育的条件相似,导致断层活动中表现出特征地震这种现象.     

大尺度断层活动性数值模拟及地震学类比

本文建立了大尺度断层（100～1000 km）的二维模型,利用ANSYS有限元软件平台,采用接触模式,模拟了百年时间尺度走滑断层的位错运动.结果表明,不同的断层力学参数,特别在断层强度非均匀分布的状态下,断层位错运动存在明显的非均匀时、空分布的特征.然而,不同模型的断层位错运动还显示出一些共同的特征,即断层位错运动表现为闭锁期、准静态预滑期和瞬间滑动,以及与之相应的应力（应变）的积累、调整和释放等等.这些结果也与实验室内小尺度的岩石物理实验相类似.与此同时,模拟结果与实际地震活动表现出的重复性和准周期特征较为相似.模拟发现,对于参数分布较为复杂的断层模型,其数值模拟提示的地震过程相对复杂得多.对于一个近尺度近1000 km,在接触面上设置了两个剪切强度相对较大区域的断层模型而言,模拟对应地震活动显示,其模拟地震断层位错分段发生,其高强度的区域基本控制了断层的地震位错运动.整个断层的模拟地震位错呈现出了地震触发、震中迁移、大震重复等与实际地震活动性相似的特征.     

库仑应力变化与余震对应关系的初步探讨一以集集地震为例

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．     

联合GNSS和InSAR观测位移反演2008年汶川大地震断层位错模型参数

利用现代空间大地测量技术，尤其是卫星合成孔径雷达干涉测量，能够获取高精度、高空间分辨率的同震和孕震形变，为地震断层形变和破裂机制研究提供了前所未有的机遇。本文介绍了利用大地测量观测数据反演地震断层位错模型参数的贝叶斯反演方法。联合运用2008汶川大地震前后GNSS和InSAR技术观测获得的同震位移，反演了地震断层的几何参数和滑动位错分布。研究结果表明，汶川地震的断层滑动主要集中在倾角较陡的浅部，同时包含逆冲和右旋走滑，其中最大逆冲6.1m，最大右旋6.5m。根据断层滑动分布正演计算得到的上盘同震位移明显小于下盘，预示该断层两侧孕震形变可能存在较大的不对称性。     

2021年青海玛多Mw7.5地震的同震变形及断层滑动模型研究

2021年5月22日,中国青海玛多县发生了M_W7.5地震.针对此次地震,国内外多家机构发布的震源机制解和有限断层滑动模型结果大都是基于半无限空间地球模型的位错理论反演得到的,未考虑地球曲率和层状效应的影响.该影响的量级以及其是否可以忽略目前仍是一个未知问题,值得研究.为此,本文利用美国地质调查局(USGS)、中国科学院青藏高原研究所以及中国地震局地球物理研究所提供的三个断层模型,基于弹性半无限空间、均质球、PREM三种地球模型的位错理论,分别计算了地表同震位移场和应变场,并对比分析了这些结果的差异.我们发现基于PREM位错理论的同震位移场与半无限空间模型的对应值差异约为3~28 cm,占PREM位错理论值的10%~30%,应变场差异更大,表明地球曲率和层状效应的影响不可忽略.此外,理论同震形变结果与GNSS和InSAR形变观测数据对比发现,基于PREM模型的理论位移场最接近于观测值.利用InSAR数据和三种地球模型反演得到的有限断层滑动模型存在差异,说明了地球模型的选择对断层模型的反演具有一定影响.本文的结果为今后对此次地震的观测数据物理解释和断层滑动反演提供了理论参考.     

断层厚度的地震效应和非对称地震矩张量

本文导出了具有厚度和滑动弱化区域的断层的非对称地震矩张量表示式,指出要求地震矩张量具有对称性不是一个绝对必要的限制.在非对称地震矩张量中,位错项对应于对称地震矩张量,拉力项对应于非对称地震矩张量.由于拉力项等效于单力偶,所以在非对称地震矩张量解的两个节面上,沿滑动矢量方向的力偶强度不再相同,与较大力偶相联系的节面为断层面,与较小力偶相联系的节面为辅助面.这一性质可用以从两个正交的节面中判断哪一个节面是断层面.如果忽略拉力项,会高估与位错对应的标量地震矩.只有满足相应的约束条件的非对称地震矩张量才能表示具有厚度和滑动弱化区域的断层模型,并从中分离出与位错和拉力对应的地震矩张量.     

利用 Yabuki＆Matsu'ura 反演方法计算2011年日本东北地区太平洋海域Mw9.0级地震同震滑动分布

Yabuki & Matsu'ura反演方法是利用ABIC最佳模型参数选取方法和平滑的滑动分布作为约束条件,由形变观测数据计算发震断层滑动分布.本文基于日本列岛同震GPS观测数据和发震断层曲面构造模型,利用Yabuki&Matsu'ura反演方法计算2011年日本东北地区太平洋海域Mw9.0级地震的发震断层同震滑动分布.反演结果表明,断层面上的最大滑动量为35 m,较大滑动分布在浅于30 km的震源中心上部,最大破裂集中在20 km深度的地方,其地震矩约为3.63×1022N·m,对应的矩震级为Mw9.0.模拟结果显示Yabuki&Matsu'ura反演方法更适用于倾角低于40°的断层模型反演.最后,本文基于上述方法获得的发震断层滑动模型,利用地球体位错理论正演计算该地震在中国及其邻区产生的远场形变,正演计算结果基本可以解释由中国GPS陆态网络观测到的同震形变.     

丽江地震前后重力场变化的有限矩形位错模型分析

研究了用有限矩形位错模型计算地壳形变引起的地面重力场变化的方法．以丽江MＳ7.0地震为例，讨论了确定用于模型计算的断层面参数的原则，并给出了结果．计算和分析了不同类型位错引起的重力场变化图象特征，并与丽江地震前后观测到的重力场变化进行比较．结果表明，在发震断层有限范围内模型可解释同震重力场的变化，但模型对于更大空间范围上的重力场变化并不能给出很好地解释.      

断层位错引起的应力场变动与地震危险性预测

断层运动引起的应力场影响相邻断层的稳定性, 研究断层相互作用与地震危险性预测有密切关系。按弹性位错理论计算半无限弹性介质中矩形断层错动产生的应力场, 结果表明, 在中国西南与华北地区, 多数后继大地震发生在剪应力Sxy增大和正应力Syy减小区。地震发生概率的增益与作用于断层上的应力增量呈函数关系, 剪应力增加和正应力减少可引起地震触发。定义地震触发活化系数At表示地震活动度变化, At值空间扫描有助于确定具体的危险地点。最后讨论了大范围相互作用问题。      

利用同震和震后位移数据联合反演2011年日本MW9.0地震同震断层滑动

基于黏弹性球体位错理论, 联合陆地和海底同震GPS数据以及日本本岛330个陆地GPS站点5~10年的震后数据, 反演了日本M_W9.0地震的断层滑动模型, 提升了断层滑动分布在细节上的合理性。 首先, 基于日本本岛330个陆地GPS站点震前2年和震后10年的连续观测数据, 获取了日本M_W9.0地震震后5~10年的年平均位移, 该时段的位移几乎完全由地幔黏弹性松弛效应引起; 接着, 利用黏弹性球体位错理论对震后5~10年的位移进行反复拟合, 确定了日本M_W9.0地震震源及周边地区的地幔黏滞性系数最优解(9.0×10¹⁸ Pa·s)。 然后, 联合同震和震后位移数据, 引入黏弹性位错格林函数, 反演了2011年日本M_W9.0地震的断层滑动分布。 结果表明, 该地震同震破裂的最大值达到了62.72 m, 同震滑动的总地震矩为4.48×10²² Nm, 相应的矩震级为M_W9.03。 由于黏弹性松弛效应引起的震后位移中包含了同震破裂的信息, 基于黏弹性球体地震位错理论, 联合同震和震后位移数据反演断层同震破裂, 有效提高了日本M_W9.0地震断层滑动分布的可靠性。 最后, 本文提出的反演方法为同震观测结果缺乏的大地震震后科考提供了理论支撑: 在大地震发生之后, 即使在同震期间没有足够的观测数据, 也可以在震后通过对震源区的加密观测积累的震后数据, 使用本文提出的反演方法优化同震断层滑动模型。     

2011年日本东北地区太平洋近海地震对亚洲板块及韩国大地控制网的影响分析

本研究分析了2011年3月11日发生的M_w9.0日本东北地区太平洋近海地震对亚洲地区和韩国国内GPS卫星常年跟踪站的位移影响.为此,利用了日本东北地区太平洋近海地震发生前后两周(2011年3月4日到3月18日)的GPS站点数据,包括震中附近地区(韩国,中国,中国台湾地区,日本和俄罗斯)55个GPS卫星常年跟踪站和284个IGS 全球跟踪站,并采用GAMIT/GLOBK软件进行处理和平差,估算出所有GPS站点的同震形变.结果显示,日本东北地区太平洋近海地震引起的同震形变影响在亚洲地区比较明显,包括日本和附近国家,距离震中2702 km的中国武汉(WUHN)站也观测到同震形变.为精确分析日本东北地区太平洋近海地震对韩国国家大地控制网的影响,通过GAMIT/GLOBK软件计算出韩国GPS卫星常年跟踪站之间的基线长度变形,并分析出弹性变形量.结果表明:大部分GPS站点均向震中方向膨胀,且向震中的垂直方向收缩.由日本东北地区太平洋近海地震导致的最大剪应变达到韩国国家大地控制网年均变形率的约7倍,对韩国的地壳产生14.5~57.7 mm的水平位移,并导致韩国国家大地控制网产生弹性变形.因此,在不及时更新维护韩国国家大地控制网的情况下,GPS测量成果将会发生最大20 mm的位置误差.     

Co-seismic Coulomb stress changes on the northern Tanlu fault zone caused by the Tohoku-Oki MW9.0 earthquake*

Based on the spherical earth dislocation theory and a fault slip model of the Tohoku-Oki M_W9.0 earthquake, the co-seismic Coulomb failure stress changes (ΔCFS) on the northern Tanlu fault zone at depths of 0–40 km are calculated. By comparing two sets of results from the spherical earth dislocation theory and the semi-infinite space one, the effect of earth curvature on the calculation results is analyzed quantitatively. First, we systematically summarize previous researches related to the northern Tanlu fault zone, divide the fault zone as detailed as possible, give the geometric parameters of each segment, and establish a segmented structural model of the northern Tanlu fault zone. Second, we calculate the Coulomb stress changes on the northern Tanlu fault zone by using the spherical earth dislocation theory. The result shows the Coulomb stress changes are no more than 0.003 MPa, which proves the great earthquake did not significantly change the stress state of the fault zone. Finally, we quantitatively analyze the disparities between the results of semi-infinite space dislocation theory and the spherical earth one. The average disparity between them is about 7.7% on the northern Tanlu fault zone and is 16.8% on the Fangzheng graben, the maximum disparity on this graben reaches up to 25.5%. It indicates that the effect of earth curvature can not be ignored. So it’s necessary to use the spherical earth dislocation theory instead of the semi-infinite space one to study the Coulomb stress change in the far field.     

基于InSAR同震形变观测反演2010年新西兰南岛Mw7.1 Darfield地震同震破裂分布

2010年9月4日新西兰南岛Canterbury平原发生了M_w7.1地震,震源深度约为10 km.本次地震发生在一条震前不为人所知的断层上.我们利用覆盖整个震区的合成孔径雷达(SAR)观测资料,通过干涉处理分析获得雷达视线向(LOS)同震形变场;以此资料为约束反演了断层的几何参数以及同震破裂分布.结果显示,该地震造成四条相对独立断层的破裂.大部分的地震矩释放发生在Greendale断层(编号1-4),其错动以右旋走滑为主,最大破裂约为8.5 m.其它三条断层中,经过震源的逆冲断层最大破裂为5.1 m (编号6),位于Greendale断层以西的逆冲断层最大破裂为3.5 m (编号5),位于Greendale断层北面的走滑断层最大破裂为1.9 m(编号7).反演的Greendale断层地表滑动与地质调查得到的地表破裂在形态和数值上均吻合较好.本次地震释放的地震矩为5.0×10¹⁹N·m,矩震级为7.1.板块边界带形变场分析表明,Darfield地震的发生受边界带应变分配在该地区残留构造应力场控制,其复杂性体现了区域构造应力场的特点.地震对其周围地区的应力场影响较大,库仑应力增加区与余震分布有一定对应关系,并在2011年Christchurch 6.3级地震发震断层区域造成约0.1bar的库仑应力增加,对此地震有一定的触发作用.     

俯冲带上特大地震静态库仑应力变化对后续余震触发效果的研究

地震静态触发研究在全世界范围内广泛开展,并取得显著成效;但是否所有的大地震,地震静态触发都有很好的效果,对此目前还不甚清楚.本文通过计算最近发生在俯冲带上的三次特大地震(2011年日本东北地震(M_w=9.1)、2010年智利地震(M_w=8.8)与2004年苏门答腊—安达曼地震(M_w=9.0))所产生的静态库仑应力变化,考察主震库仑应力变化对其后续余震空间分布的影响,从而研究俯冲带上特大地震对地震的触发效果.计算结果显示:对于2011年日本东北地震,仅有47%的后续余震发生在库仑应力增加的区域;2010年智利地震也只有47.6%的余震位置处于库仑应力变化的正值区;2004年苏门答腊地震触发了49.8%的后续余震.文中通过进一步改变模型参数(如:采用不同的有效摩擦系数,使用不同作者给出的震源模型等)进行计算,结果表明这三大地震对后续余震的触发比例仍然不高(最好情况下,触发比例也不超过60%).但对于板内地震(如:2008年汶川地震,1999年集集地震),主震对后续余震的触发比例超过85%.由此可以推知,对于俯冲带上的特大地震,地震静态触发效果不显著.因此,对于俯冲带上大地震的触发问题,还需深入研究.     

芦山7级地震的同震位移估计和震源滑动模型反演尝试

利用自动经验基线校正方法,分析2013年4月20日芦山M_S7.0级地震13个近场强震动台的观测资料,以估算同震位移场分布,并据此反演了震源滑动模型.经与GPS结果比较,两种不同方法给出的芦山7级地震的水平近场同震位移场幅度都不超过cm级,均显示为典型的逆冲型地震（兼有少量左旋走滑错动）.强震最大水平和垂直永久位移分别为4.9 cm和4.4 cm,分别出现在51YAM台和51QLY 台.两种资料反演的震源滑动模型虽显示多事件特征,但主要滑动均集中在第一次事件,即初始滑动点两侧的走向长约30 km、倾向长约25 km的相对集中的较小范围内,强震和GPS模型的最大滑动量分别为1.14 m和1.09 m,较为一致.其余子事件滑动量小且分布零散,不能排除其数值效应的因素.反演矩震级均在M_w6.7左右,地表破裂应该不明显.文章还讨论了目前在我国利用近场强震动记录估计M_w6~7级地震同震位移场存在的困难和问题,为今后类似工作提供参考.     

2016年11月13日新西兰凯库拉(Kaikoura)MW7.8地震同震位移和应力数值分析

2016年11月13日新西兰南岛北端凯库拉（Kaikoura）发生了M_W7.8大地震，造成了强烈的地表变形并引发大面积滑坡和海啸的发生.基于美国地质调查局（USGS）断层滑动模型，建立全球同震横向不均匀并行椭球型地球模型，计算了此次新西兰凯库拉大地震产生的同震形变和应力及库仑应力变化.初步计算结果表明：新西兰凯库拉M_W7.8地震造成断层上盘东北向抬升，下盘西南俯冲；引起发震区域同震位移较大，从凯库拉到坎贝拉（Campbell）以及首都惠灵顿（Wellington）整体上东北向抬升，最大同震水平位移1.2 m，垂直位移1.1 m.此次大地震释放了发震断层上积累的压应力，但增加了发震断层两端的挤压力；同时，同震剪应力变化增加了NE-SW向断层发生右旋滑动的危险性；采用此次地震发震断层参数计算得出的最大库仑应力变化增加区域集中在发震断层两端，可达到MPa量级.当分别采用新西兰北岛Awatere断裂系和南岛Wellington断裂系参数计算库仑应力变化时，发现新西兰北岛和南岛震中以南区域的库仑应力均增加，可触发部分余震的发生.     

利用InSAR获取2020年新疆于田Mw6.3地震同震形变场与断层滑动分布反演

本文基于InSAR技术, 利用欧空局Sentinel-1A/ B升降轨SAR数据, 提取了2020年6月26日新疆于田M_W6.3地震的同震形变场。 利用升、 降轨同震形变场约束, 分别采用MPSO算法和Bayesian方法反演此次地震发震断层均匀滑动的几何参数, 并进行对比。 然后采用SDM方法获得发震断层非均匀滑动分布, 并分析了同震库仑应力变化及其对周边断层的应力扰动。 结果表明, 同震形变场以NS向为长轴, 总体呈现西部沉降而东部隆升的特点, 而且隆升量明显小于沉降量; 滑动分布反演表明发震断层的平均滑动量为0.13 m, 平均滑动角为-104.56°, 此次地震为典型的正断破裂事件, 最大滑动量约0.55 m, 最大滑动量处滑动角为-105.2°, 位于断层倾向深度14.42 km, 释放的地震矩能量约3.65×10¹⁸ N·m, 相当于矩震级M_W6.3; 同震库仑应力变化对西部琼木孜塔格断层、 硝尔库勒南缘断层等起到应力卸载作用, 对北部的木孜鲁克—鲸鱼湖断层起到应力加载作用, 结合同震库仑应力对周围断层的扰动情况, 此次地震可能对琼木孜塔格断裂带和木孜鲁克—鲸鱼湖断裂带的西端影响较大。     

2020年伽师MS6.4地震InSAR同震形变与滑动分布特征分析

利用Sentinel-1A升轨和降轨数据,基于D-InSAR技术,获取2020年1月19日伽师M_S6.4地震同震形变场,并结合其他研究机构给出的震源机制解参数和已有研究成果,反演得到伽师地震的发震断层几何特征和滑动分布。研究结果表明,伽师地震同震形变在地表有明显差异;升轨同震形变在卫星视线方向北侧抬升55 mm,南侧下降42 mm;降轨同震形变在卫星视线方面北侧抬升63 mm,南侧下降23 mm。通过反演得到发震断层走向为275°,倾角为20°,地震滑动主要分布在地下5 km处,最大滑动量约为0.32 m,平均滑动角为89.3°,累积地震矩为1.46×1018 N·m,合矩震级M_W6.1,发震构造为具有少量走滑性质的逆冲断裂。从发震构造特征、同震滑动分布推测,伽师地震发震构造是柯坪塔格褶皱带滑脱面以上沉积盖层内的逆冲断裂,支持了柯坪推覆体的薄皮构造模型观点。     

2015年智利Illapel M_W8.3地震同震效应及其对南美大陆地震危险性影响

基于高性能并行有限元方法,建立含地表地形和Moho面起伏的大规模非均匀椭球地球模型,计算了2015年9月17日智利Illapel M_W8.3地震同震效应,同时讨论2010年智利Maule M_W8.8地震和2014年智利Iquique M_W8.1地震对2015年智利Illapel地震的加载作用,进一步分析这3个地震共同作用对南美大陆及周围断层的地震危险性影响.结果表明:对此次智利Illapel地震CEA(中国地震局地球物理研究所)滑动模型计算的地表最大水平位移约为3 m,USGS(美国地调局)模型的最大水平位移约6 m.特大地震影响范围广,南美大陆接近一半区域同震水平位移量级达到0.5 mm;受3次地震共同作用,智利2010年Maule地震南部俯冲带、2015年Illapel地震和2014年Iquique地震之间俯冲带,以及2014年Iquique地震以北俯冲带,受到10 kPa东西向压应力加载;2010年Maule地震和2014年Iquique地震共同加速了2015年Illapel地震滑动;1960年Valdivia M_W9.5地震破裂区、2014年Iquique地震和1995年Antofagasta地震之间区域以及2010年Maule地震和2015年Illapel地震的未破裂区重合处库仑应力变化均超过10 kPa,有可能加速强震的发生.