断层面上库仑破裂应力变化的相关研究进展

地震的孕育、发生和震后调整被认为是震源区及其邻区的应变积累释放过程.地震引起的静态库仑应力变化可有力地解释余震分布、强震序列等地震观测,并为探索地震发生机制和地震预测提供新的线索.地震学家们多采用弹性位错模型计算同震位错引起的库仑应力变化,以研究余震分布及地震间相互作用;随着流变学的发展,粘弹模型因可以很好的解释大量震后形变观测而被广泛用于断层面上的震后应力调整研究;此外,构造应力加载作用在更长时间尺度上造成断层面的应力积累,基于负位错模型计算震间库仑应力变化为又一研究内容.本文从同震、震后、震间库仑应力变化的角度提炼出断层面上库仑破裂应力变化的大量研究成果,介绍了库仑应力变化的基本计算原理及引起断层面上库仑应力变化的主要原因,论述了通过库仑应力演化来研究地震活动的方法和应用,进一步讨论断层面上库仑应力演化研究存在的问题和近期的进展.     

2010智利Maule特大地震的同震效应

2010年智利Maule大地震是人类有观测记录以来第六大地震,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,计算了该地震同震效应,并根据库仑应力变化分析周围断层地震活动性和主震对余震的触发关系.结果表明:对于2010年Maule地震,地球曲率和层状结构对同震水平位移影响不可忽略,如果不采用球面分层模型,在低纬度远场可能会造成位移和应变量值均被低估,在高纬度远场可能会造成位移被夸大而应变被低估.如果不考虑介质横向不均匀和地形,同震应力降被显著低估,近场同震东西向应力变化误差最高95.4%,南北向应力变化误差最高90.8%.Illapel地区库仑应力变化约10 kPa,相当于15年构造积累,Maule地震加速了2015年Illapel地震发生.以最优破裂方向投影得到库仑应力变化,经统计70.9%余震落在库仑应力变化量值大于10 kPa区域.本次特大地震触发了Pichilemu附近M_w6.9和M_w7.0两次正断型余震.     

天山北部强震活动对区域应力扰动的分析以2012年伊犁M6.6地震和2017年精河M6.6地震为例

天山地区为典型地震活跃区, 为定量分析该构造活跃区强震对周边构造变形和地震活动的影响, 本文基于地震位错理论和岩石圈分层模型计算了天山北部近期发生的2012年伊犁和2017年精河两次M6.6地震对周围地壳形变和应力的影响。 计算结果显示伊犁地震和精河M6.6地震引起震中附近地表同震位移达数厘米, 地表同震应变量级约为10^-7; 对比天山北部地区年平均构造形变特征, M6.6强震释放了震中附近近十年的构造主压应变积累; 地震引起震中附近(80 km内)同震库仑应力变化大于1 kPa, 而距震中较远区域活动断层上库仑应力变化微弱。 结合天山北部现今地壳变形特征及区域地震分布, 初步推测两次M6.6地震的发生对震后余震有显著的触发作用, 而对区域后续微震活动的影响微弱。     

首次直接观测到与理论预测一致的同震静态应力偏量变化——2016年4月7日山西原平ML4.7地震的钻孔L应变观测

地震会引起同震位移和应力场变化,造成现存各断层上的库仑应力变化量的增加或减小并影响后续地震风险,对于地震预测具有重要意义.现有的大量地震实例中,理论计算的同震位移场与GPS、InSAR等实测的同震位移吻合,间接证实了基于均匀理想弹性假定下可以使用半无限空间Okada公式计算与位移微分相关的同震应力变化.然而,由于地壳并非严格的均匀理想弹性介质,理论计算和直接测量的同震应力变化进行比较仍是一个重要的研究课题.中国对四分量钻孔应变仪的数百个地震同震阶变的研究,发现记录绝大多数阶变不能满足自检条件;美国板块边界观测(PBO)中数百个同震钻孔应变记录同样发现观测幅度与理论预期值相差甚多,可达一两个数量级,这成为国际钻孔应变观测中的一个未解难题.2016年4月7日山西原平发生ML4.7地震,该地震虽然不大,但原平钻孔应力台站距离震中仅19 km,得到了优质的同震阶变记录.本文以此展开研究,结果表明台站观测到的主应力方向和应力偏量大小,均与基于震源机制解的破裂模型的理论预计值很好吻合,这是首次实际观测到与理论计算预测基本一致的同震水平应力偏量变化,为利用库仑应力概念估计后续地震活动性提供了观测基础.然而,观测到的应力变化与理论计算值相差109 Pa的围压,本文也对其可能原因进行了探索,认为在探头、固结水泥和围岩三个可能影响观测的因素中,固结水泥影响可能性最大,并对今后工作提出了建议.     

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.     

1997年玛尼地震对青藏川滇地区构造块体系统稳定性影响的三维DDA+FEM方法数值模拟

本文用三维非连续变形与有限元相结合（DDA+FEM）的方法,在青藏川滇地区三维构造块体相互制约的大背景中,通过用GPS资料做位移速率边界约束和震源机制约束,计算得到研究区的初始位移场和应力场与该地区GPS测量结果和震源机制分布结果基本一致.在此基础上进一步数值模拟1997年玛尼7.9级大震的发生过程,研究大震引起研究区各块体边界断层应力状态变化的特征.（1）发震断层两侧发生左旋走滑错动,最大水平位错大约7 m;（2）深部位错面上位错分布与用地震波资料震源反演的结果类似;（3）最大差应力变化等值线图与由星载D\|INSAR技术获取的地表形变场图像相似;（4）地表垂直位移表明地震断层面略向北逆冲.计算模拟得到了玛尼地震发生引起青藏川滇地区构造块体系统各边界断层上库仑破裂应力变化的分布,表明玛尼大震的发生除了使其发震断层的两端库仑破裂应力增大,应力进一步集中外,位于上地壳层上东昆仑断裂中段的2001年昆仑山8.1大震（H=11 km）发震断层段的库仑破裂应力增加约2 MPa,位于中地壳层上喀拉昆仑断裂带中的2008年改则6.9级地震（H=30 km）发震断层段的库仑破裂应力也增加约0.7 MPa,可见这两个已接近破裂强度地段的失稳对发生大震起了一定促进作用.研究结果也表明：作者发展的三维DDA+FEM方法能有效地用于大震活动与各构造块体相互作用关系的研究.     

九寨沟M_s7.0地震的InSAR观测及发震构造分析

2017年8月8日四川省九寨沟县发生M_s7.0地震.本文基于Sentinel-1 SAR影像,利用InSAR技术获取了此次地震的同震形变场,反演获得同震滑动分布,计算了同震位错对余震分布和周边断层的静态库仑应力变化,并对发震构造进行了分析讨论.结果表明:①InSAR同震形变场显示,九寨沟地震造成地表形变最大量级约为20 cm(雷达视线方向),同震形变存在非对称性分布特征.②同震位错以左旋走滑为主,主要发生在4~16 km深度,最大滑动量约为77 cm,位于9 km深处.反演得到的矩震级为Mw6.46.同震错动未破裂到地表.③大部分余震发生在库仑应力增加区.此次地震增加了震中周边地区一些断裂的库仑应力,如东昆仑断裂带东段、龙日坝断裂、虎牙断裂等.④东昆仑断裂东段的未来地震危险性值得关注.⑤九寨沟地震的发震断层为树正断裂,可能是虎牙断裂的北西延伸隐伏部分,此次地震是巴颜喀拉块体南东向运动受到华南块体的强烈阻挡过程中发生的一次典型构造事件.     

球体位错理论计算程序的总体设计与具体实现

本文详细介绍了球体位错理论计算程序的总体设计思想、 各类配套文件的具体内涵以及各类输出文件的物理含义, 同时介绍了程序的使用方法和注意事项, 为读者独立使用该程序提供参考。 球体位错理论计算程序主要由三部分组成: ① 位错格林函数计算程序, 基于具体的球对称地球模型提供离散的二维格林函数数值框架; ② 积分计算程序, 对离散的格林函数数值框架进行双二次样条插值运算, 并对四类独立位错源对应的格林函数进行适当组合, 从而计算出任意位置任意类型震源在地表产生的同震变形(含位移、 应变、 重力变化和大地水准面变化); ③ 辅助文件, 用于提供发震断层模型和计算点位信息。 一般情况下, 读者不需要理解位错格林函数计算程序和积分计算程序, 只需要对辅助文件提供的信息进行针对性改动, 就可以计算目标地震在目标观测站引起的同震变形。     

基于库仑应力变化分析2015年尼泊尔MS8.1地震对中国大陆的影响

本文采用分层黏弹性介质模型, 模拟了2015年4月25日尼泊尔M_S8.1地震产生的同震和震后地表位移场, 计算了尼泊尔大地震引起的青藏高原及其周缘主要断裂上的同震和震后库仑应力变化。 地表位移场结果显示, 此次尼泊尔8.1级地震对中国大陆的影响区域主要是拉萨地块和羌塘地块, 对拉萨块体的影响主要表现为水平向南朝喜马拉雅构造带的汇聚作用, 垂直同震位移以下降为主, 震后以上升为主。 静态库仑破裂应力变化的计算结果显示, 尼泊尔大地震对青藏块体中南部的拉张性断层影响最为显著, 其中, 使尼泊尔地震北部的拉张断层的库仑应力显著增加, 个别断层库仑应力增加量超过0.01MPa, 而使其两侧的拉张断层库仑应力明显降低; 对青藏块体中部的走滑断裂则以正影响为主; 另外, 对南北地震带主要以负影响为主, 但量值微小。     

GNSS约束的2022年泸定M6.8地震滑动分布及同震应力变化

2022年9月5日四川泸定县发生M6.8级强震,震中位于鲜水河断裂东南末端,野外地质调查初步结果显示本次地震并未发现明显的地表破裂迹象.本文基于震后科考GNSS流动观测和震中周边连续站观测资料,解算并提取震中90 km范围内31个测站的静态水平向同震位移.结果显示：GNSS同震形变场空间分布呈现明显的左旋走滑特征,观测到的最大水平向同震位移达23 cm,震中距50 km范围内同震位移量普遍大于1 cm.基于GNSS观测资料反演得到的同震滑动分布显示泸定地震地表破裂主要集中在磨西至田湾之间,主破裂深度2～8 km,最大滑动量～1.96 m,地震矩9.25×10¹⁸N·m,对应矩震级M_W6.6.静态库仑应力结果显示本次地震增强了震源破裂区周边活动断层的库仑应力,并触发了大量余震,余震主要发生在库仑应力增强区域.结合震间闭锁分布、历史地震及库仑应力变化,我们认为未来需要密切关注与磨西断裂交接的安宁河、大凉山断裂以及康定—磨西段的地震危险性.     

2014年2月12日M_w6.9于田地震震源破裂过程及对周围断层的应力影响

2014年2月12日,在新疆于田县发生了里氏7.3级地震.在该地震震中附近,前人研究证明发育了大量规模不同的活动断层(如康西瓦断裂与贡嘎错断裂等).根据地震触发理论,地震发生后因地壳同震变形会导致其周边不同性质断裂破裂应力发生变化,进而影响其地震的潜在危险性.本文利用地震远场波形记录,反演了该地震滑动模型.之后,根据弹性无限半空间位错理论,计算了该地震在近场范围内活动断裂上的同震应力变化.其目的在于讨论于田地震引起的附近断裂上的库仑应力变化以及这些活动断裂可能潜在的地震危险性.在地震发生后,从国际地震学联合会(IRIS)地震数据中心,下载了震中距离介于30°~90°的地震远场波形记录,为保证台站方位角分布均匀,从中挑选了27个不同方位角的高信噪比地震记录参与理论地震图的生成和波形反演过程.我们采用广义射线理论计算生成远场理论地震波形数据.每个子断层参数的反演则利用基于全局化反演的快速模拟退火反演方法.在有限断层反演过程中,我们采用了强调波形拟合的相关误差函数作为待反演的目标函数,拟合的断层参数使目标函数为最小.之后,根据弹性无限半空间位错理论,以库仑破裂准则为基础,结合反演得到的地震震源机制解和地震位错模型,计算该地震引起的近场断层面上库仑应力的变化.由远场波形计算结果可以看到,于田地震的震源深度为10km,地震断层的倾角约71.9°,破裂面上最大的同震位移达到210cm,以左旋走滑为主并具有正倾滑分量,地震能量主要在前15s内释放.由此得到该地震的地震矩为2.91×1019 N·m,地震震级为Mw6.9.于田地震引发的余震,大致分布在三个区域内:普鲁断裂北部、康西瓦断裂东部和贡嘎错断裂中部.弹性应力计算结果表明,于田地震导致阿尔金断裂西段、普鲁断裂中段、康西瓦断裂东段和贡嘎错断裂中段的静态库仑应力明显增加,其中以康西瓦断裂东段和贡嘎错断裂中段应力增量为最大,分别达到了0.05 MPa和0.04 MPa.大量研究证明,当地震所导致的库仑应力变化大于0.01 MPa时将具有明显的地震触发作用.根据本文结果,2014年于田Mw6.9地震使普鲁断裂、贡嘎错断裂和康西瓦断裂上的库仑应力增量均超过了触发阈值,具有被触发出地震的潜在危险.因此,在以后的地震学研究中,应加强对该三条断裂地震危险性的研究和监测.此外,近6年以来,研究区域发生了3次6级以上的地震.这些地震均沿着贡嘎错断裂,由南西向北东迁移,逐步靠近阿尔金断裂,并且逐渐由正倾滑型地震转变为走滑型地震.阿尔金断裂的走滑速率达到了9mm·a-1,所以,尽管本次地震导致的阿尔金断裂库仑应力增量小于0.01 MPa,阿尔金的地震危险性也应该加强监测.     

2010年MS7.1级玉树地震同震库仑应力变化以及对2011年MS5.2级囊谦地震的影响

2010年4月14日青海省玉树藏族自治州发生M_S7.1级地震.和传统的板内地震相比,玉树M_S7.1级地震的余震具有数量少、震级大的特点.研究玉树地震主震与余震之间的关系,对于我们了解余震的发震机理具有十分重要的参考价值.本文利用弹性位错理论和分层岩石圈模型,计算玉树地震引起的同震及震后黏弹松弛应力场变化,讨论M_S7.1级玉树地震对余震分布的影响以及与2011年囊谦M_S5.2级地震之间的触发关系.结果显示,玉树地震导致了四处明显的库仑应力增强的扇区,2010年4月13日至6月17日的870次M_L>1.0级余震主要分布于主震破裂面附近区域以及破裂面东北端的应力增强扇区.分析玉树地震对余震分布的影响时,有效摩擦系数以及计算深度的选取对计算结果的影响较小,是否考虑区域构造应力场的影响较大.考虑区域构造应力场时,占总数86.7%的余震位于库仑应力增强区,地震应力触发理论较好地解释了余震的分布.选取囊谦地震震源机制解的两个节面作为库仑应力计算中的接收断层参数,并且考虑不同黏滞系数下的玉树地震同震及震后黏弹松弛效应,模型计算结果均表明囊谦地震位于玉树地震所导致应力影区,仅依靠地震的静态、震后黏弹松弛应力触发理论,无法解释囊谦地震的发生,说明该次地震可能是一次独立的事件.     

Numerical Simulation on Coseismic Effect of the November 14,2001 Great Kunlun Earthquake,Northern Tibet,China

The November 14, 2001 Ms8.1 Kunlun Mountains earthquake in northern Tibet is the largest earthquake occurring on the Chinese mainland since 1950. We apply a three-dimensional （3-D） finite element numerical procedure to model the coseismic displacement and stress fields of the earthquake based on field investigations. We then further investigate the stress interaction between the Ms8.1 earthquake and the intensive aftershocks. Our primary calculation shows that the coseismic displacement field is centralized around the east Kunlun fault zone. And the attenuation of coseismic displacements on the south side of Kunlun fault zone is larger than that on the north side. The calculated coseismic stress field also indicates that the calculated maximal shear stress field is centralized around the east Kunlun fault zone; the directions of the coseismic major principal stress are opposite to that of the background crustal stress field of the Qinghai-Xizang （Tibet） Plateau. It indicates that the earthquake relaxes the crustal stress state in the Qinghai-Xizang （Tibet） Plateau. Finally, we study the stress interaction between Ms8.1 earthquake and its intensive aftershocks. The calculated Coulomb stress changes of the Ms8.1 great earthquake are in favor of triggering 4 aftershocks.     

Investigation of Coulomb stress changes in south Tibet(central Himalayas) due to the 25th April 2015 M_W 7.8 Nepal earthquake using a Coulomb stress transfer model

After M_W 7.8 Nepal earthquake occurred, the rearrangement of stresses in the crust commonly leads to subsequent damaging earthquakes. We present the calculations of the coseismic stress changes that resulted from the 25 th April event using models of regional faults designed according to south Tibet-Nepal structure, and show that some indicative significant stress increases. We calculate static stress changes caused by the displacement of a fault on which dislocations happen and an earthquake occurs. A M_W 7.3 earthquake broke on 12 May at a distance of * 130 km SEE of the M_W 7.8 earthquake, whose focus roughly located on high Coulomb stress change(CSC) site. Aftershocks(first 15 days after the mainshock)are associated with stress increase zone caused by the main rupture. We set receiver faults with specified strikes, dips,and rakes, on which the stresses imparted by the source fault are resolved. Four group normal faults to the north of the Nepal earthquake seismogenic fault were set as receiver faults and variant results followed. We provide a discussion on Coulomb stress transfer for the seismogenic fault, which is useful to identify potential future rupture zones.     

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.     

鲜水河断裂带断层间相互作用的触震与缓震效应

探讨了断层间相互作用产生的同震库仑应力改变及对地震的触发与延缓效应，并以鲜水河断裂带不同断裂段时间上连续发生的4次MS6.0以上地震为例，计算和分析了每次地震发生后，在周围其它断裂上产生的同震库仑应力改变及其对后续地震的触发，以及1973年炉霍MS7.6地震和1981年道孚MS6.9地震发生后，在其周围最易破坏失稳的微破裂上产生的同震库仑应力改变及对余震活动的影响．在其它条件保持不变的情况下，将这4次地震的累积触震与缓震效应加以定量考虑，对鲜水河断裂带各断裂段的地震潜势进行了重新计算，并与已有预测结果进行对比分析，检验和评估了鲜水河断裂带断层间相互作用触震与缓震效应的重要性．结果表明:鲜水河断裂带每次地震都发生于受其先前发生的地震影响而产生同震库仑应力增加的断裂段上，不同断层间相互作用的触震和缓震效应导致地震复发概率的改变可高达30.5％以上， 主震后的余震大多发生于同震库仑应力增加较高的微破裂上．      

Earthquake triggering and delaying caused by fault interaction on Xianshuihe fault belt,southwestern China

The coseismic Coulomb stress change caused by fault interaction and its influences on the triggering and delaying of earthquake are briefly discussed.The Xianshuihe fault belt consists of Luhuo,Daofu,Kangding,Qianning and Ganzi fault.Luohuo(Ms=7.6,1973)-Kangding(Ms=6.2,1975)-Daofu(Ms=6.9,1981)-Ms=6.0,1982)earthquake is a seismic sequence continuous on the time axis with magnitude greater than6.0.They occurred on the Luhuo.Kangding,Daofu and Ganzi fault,respectively.The coseismic Coulomb stress changes caused by each earthquake on its surrounding major faults and microcracks are calculated,and their effects on the triggering and delaying of the next earthquake and aftershocks are analyzed.It is shown that each earthquake of the sequence occurred on the fault segment with coseismic Coulomb stress increases caused by its predecessors,and most after-shocks are distributed along the microcracks with relatively larger coseismic Coulomb stress increases resulted from the main shock.With the fault interaction considered,the seismic potential of each segment along Xianshuihe fault belt is reassessed,and contrasted with those predicted results ignoring coseismic Coulomb stress change,the significance of fault interaction and its effect on triggering and delaying of earthquake are emphasized.It is con-cluded that fault interaction plays a very important role on seismic potential of Xianshuihe fault belt,and the maximal change of future earthquake probability on fault segment is up to 30.5%.     

2001年8.1级昆仑山大震破裂过程及对2008年汶川8.0级大震孕育发生影响的研究

本文用三维流变非连续变形(块体边界)与有限元(块体内)相结合(DDA+FEM)的方法,在青藏高原及其东侧四川盆地,鄂尔多斯块体地区三维构造块体相互制约的大环境中,考虑了龙门山断裂带东西两侧地势、地壳厚度和分层的明显变化,及断裂带东侧四川盆地及鄂尔多斯块体坚硬地壳阻挡的影响,通过用GPS资料做位移速率边界约束和震源机制约...