华北地区主要断裂带上的库仑应力变化及地震活动性分析

华北地区活断层丰富、地震频发。由于所处地理位置具有特殊性,其频繁的地震活动备受关注。为此,文中根据弹性位错理论和分层岩石圈模型,计算了1820年以来华北地区中强地震(M_S≥6. 0)引起的同震及震后介质黏弹性松弛产生的库仑应力变化。计算结果显示,自1888年渤海湾地震发生后的24个地震中,共有19个落在了库仑应力变化的正值区域,触发率达79%;计算结果进一步表明,宁河—新乡地震带的滦县-乐亭断裂、潘庄西断裂、东明-成武断裂、郓城断裂、隆尧断裂,郯庐地震带的营口-潍坊断裂,首都圈地区夏垫断裂,黄庄-高丽营断裂带上的库仑应力变化增加,其地震危险性相对较高,仍需要进一步的深入研究。     

鲜水河断裂带库仑应力演化与强震间关系

以鲜水河断裂带为研究区,首先验证了该断裂带上1893年以来M6.7以上地震的相互触发作用,然后采用更符合实际的分层黏弹介质模型研究强震震后黏滞松弛引起的库仑应力变化对后续地震的影响,并基于负位错理论计算鲜水河断裂带10个断层段的震间长期构造加载作用引起的断层上的应力积累.在此基础上,讨论同震、震后、震间效应引起的累积库仑应力变化与区域强震活动的关系,给出断层上库仑应力随时间的演化.结果表明,鲜水河断裂带上1893年以来发生的7次强震均在其前面一系列强震及构造应力加载的驱使下发生,同震、震后、震间三方面效应均引起了鲜水河断裂带不可忽略的库仑应力变化.对断层上的库仑应力状态的研究,可进一步为揭示地震的发生规律、找寻危险断层段提供线索.     

鄂尔多斯活动地块西缘强震间库仑应力作用

本文在梳理相关历史地震和活动构造研究的基础上,详细厘定了鄂尔多斯活动地块西缘1219—1920年10个M≥6½的历史强震的震源参数,建立了相应的黏弹性位错模型,计算分析了强震的同震和震后库仑应力变化与迁移,及其对后续强震断层面上应力作用特征.结果表明,公元1495—1920年间的7个强震存在明显的应力触发关系：随着前序强震的发生与作用,直至后序强震发生前,其断层面整体的累积库仑应力变化都出现了由缓慢变化到快速升高现象,其增长速率相差几倍到几十倍不等.与该现象相反,公元1495年前的强震间累积库仑应力变化以负值为主,没有显示出明显的触发关系.进一步的模拟研究还显示,这些早期的强震对1495及其后强震的发震断层所受到的库仑应力作用的极性和大小影响都不明显.整体上看,1495年前后强震间的库仑应力作用特点与同时期该地区地震应变能释放的相对缓慢和相对快速的两个阶段存在一致性,这种一致性指示出强震引起的库仑应力变化与迁移对鄂尔多斯活动地块西缘边界带可能存在的强震丛集发挥了重要作用.本研究所展示的强震间库仑应力变化的演化特点为进一步揭示强震间触发机制及其演化趋势提供了依据.

     

基于案例分析的库仑应力变化触发地震机理探索

在许多地震触发研究案例中,不少学者都利用大地震造成的库仑应力变化研讨其对后续地震的影响,但众多结果中存在的共同规律尚未得到很好的统计与归纳。基于库仑应力变化理论,通过统计多个地震序列与典型事件中库仑应力研究结果,分别从震级,触发距离,触发地震库仑应力变化(ΔCFS)以及触发时间4个方面进行分析。结果表明,静态库仑应力的最优影响范围在5～50 km间,触发地震的应力条件多在0.01～0.4 MPa,触发地震震级与距离和主震震级无明显对应关系;动态触发的作用范围在100～2500 km间,主震震级通常较高,触发地震的震级都小于主震震级,在几个典型远程触发的事件分析中,主震震级与可触发距离呈正相关,但触发次数与其他所分析因素均无关;震后应力转移的三种机制,从理论上合理地解释了长时间尺度延迟触发的现象,但精确计算应力转移的量值可能对库仑应力变化与触发地震之间关系的更合理解释有推动作用,需引起关注。     

祁连—海原断裂带库仑应力演化及地震危险性

祁连—海原断裂带是青藏高原东北缘重要的活动断裂带,调节着青藏高原北东向推挤作用和阿拉善地块的东西向运动.已有地震地质和数值模型结果显示,祁连—海原断裂带目前存在几个强震破裂空段且其上应力积累显著、断层闭锁程度高,2022年1月8日门源MS6.9地震即发生在祁连—海原断裂带西段的断层高闭锁、应力积累显著的破裂空段.为进一...     

基于库仑应力改变和地震活动性研究巴颜喀拉块体周缘强震序列的触发关系及其构造意义

自本世纪以来,青藏高原巴颜喀拉块体周缘密集地发生了7次M_W≥6.5强震事件,包括伤亡惨重的2008年汶川M_W7.9地震和2017年九寨沟M_W6.5地震。本文根据这7次强震事件中先前地震对后续地震的库仑应力改变（dCFS）的计算结果,结合基于ETAS模型得到的背景地震活动性的变化结果,研究了强震间的触发关系,以试图解释发生在环巴颜喀拉块体的几次强震的发震机理并探讨其构造意义。结果表明,各个强震的库仑应力变化与其造成的背景地震活动性变化呈正相关,并且在这7次强震中,汶川地震对芦山地震有显著的触发作用,并造成芦山地区背景地震活动性的显著提高。同时汶川地震对九寨沟地震的发生具有一定的延迟作用,造成九寨沟地区背景地震活动性降低。除此之外,其它地震之间均无明显的触发/延迟作用或显著的背景地震活动性变化。这表明该强震序列的孕震机制主要是巴颜喀拉块体东南向持续挤压的构造运动,推断巴颜喀拉块体目前仍处于构造运动活跃期,因此包括巴颜喀拉块体周缘在内的我国西南地区未来的强震危险性值得持续关注。      

北祁连山东段强震间静态库仑应力变化与触发作用研究

基于Coulomb3.3软件,通过研究地震累加与单震的库仑应力变化对后续地震的触发关系,对北祁连山东段及邻区自1561年以来的9次强震静态库仑应力变化进行了研究。结果表明：对于叠加现象来说,后一地震事件除了门源地震落在应力影区外,先前地震活动对后续地震都产生了明显的触发作用,库仑应力变化在0.1~4.066 bar之间;而对于单独事件的应力变化,断层距较小的地震之间相互触发的影响较大。根据库仑应力变化和年应力累积量的比值,得出地震在没有先前地震作用下还需要的应力累积时间。最后根据大震后区域断裂库伦应力变化及断裂强震活动历史等特征,对本区未来强震地震危险性进行分析,得出本区未来地震危险区位于云雾山断裂以及天祝-景泰—古浪一带的金强河断裂上。     

基于黏弹性模型的苍山地震库仑应力变化研究

采用多层黏弹性模型,计算郯城地震和苍山地震引起的同震及震后黏弹松弛库仑应力变化,讨论这两个地震之间的触发关系、苍山地震对余震分布及周围地区应力变化的影响。结果表明:(1)郯城地震对苍山地震的发生有一定的抑制作用;(2)苍山地震的大部分余震分布在库仑应力增加区域,库仑应力变化值为0.08~0.12bar,且余震主要分布在8~14km处的断层面上;(3)安丘—莒县断裂的东北部、苍尼断裂的中段、凫山断裂的东段以及韩庄断裂、峄城断裂位于库仑应力增加区,均存在较强的地震危险性。     

红河断裂带库仑应力演化及未来地震危险性估计

现今地震活动性显示红河断裂带强震主要发生在断裂带的北段,中段长期存在地震空区.为了更好地理解红河断裂带不同段落地震活动性差异和评估未来潜在地震危险性,本研究基于分层半无限空间黏弹性地球模型计算了自1833年嵩明M8.0地震以来,红河断裂带上及其周边共25次强震由于同震应力阶变、震后黏滞松弛和震间构造应力加载的综合作用,红河断裂带上库仑应力变化的演化过程.结果表明,在近180年红河断裂带南北两段得到加载,中段始终位于应力影区,这可能部分解释红河断裂带南北段地震相对活跃、中段长期存在的地震平静现象.假设未来三十余年该地区不再发生大震,考虑震后和震间作用,红河断裂带中段应力影区仍然存在,但范围在缩小;洱源附近、大理至大斗门以北地区、元江以南地区应力增加超过0.1 MPa,可能仍是地震潜在危险区段.

     

四川长宁6.0级地震库仑应力变化及其对余震的触发作用

2019年6月17日四川长宁发生6.0级地震,截至8月20日总共记录到3级以上余震64次。此次地震发生在一条北西向的隐伏断层。为分析区域地震危险性,综合考虑同震位错和震后粘滞松弛效应,利用PSGRN/PSCMP程序计算地震破裂面上产生的库仑应力变化,分析长宁6.0级地震的长时间尺度库仑应力演化特征及其对3级以上余震的触发作用。结果表明3级以上余震发生在应力触发区概率达到96.9%。同时计算Burgers粘弹性模型的长时间尺度库仑应力动态变化。结果显示应力触发区主要分布在震区的北北西、南南东、北东东和南西西向,将库仑应力动态演化特征应用到本区地震危险性分析时,重点关注上述应力触发区,为后续余震发生提供地点依据。     

1900年以来巴颜喀拉块体应力演化与周缘强震关系的数值模拟研究

以巴颜喀拉块体为研究对象,考虑区域地质构造差异,主要活动断裂带,活动块体和边界断裂带的划分结果,引入深部三维速度结构,建立能反映地表起伏和岩石圈分层结构的青藏高原地区三维黏弹性有限元模型.以地壳水平运动速率观测值和最大主压应力方向测量值为约束条件重建研究区现今构造背景应力场.在此基础上模拟了自1900年以来巴颜喀拉块体周缘的7级以上强震序列,从库仑破裂应力角度研究了应力演化与强震的关系、强震之间的相互作用关系以及长期构造加载对强震的影响.研究结果表明,巴颜喀拉块体周缘强震的发生可能与震源区总应力的增加有关.2008年汶川地震导致龙门山断裂带南段应力增加,表明汶川地震对2013年芦山地震有促进作用.鲜水河断裂带上的7级以上强震序列对发生在邻近龙门山断裂带上的2008年汶川地震和2013年芦山地震有延迟作用.

     

1997年以来巴颜喀拉块体周缘强震之间的黏弹性触发研究

本文利用考虑黏弹性地壳结构和精确震源参数的震后形变模型,计算了玛尼、昆仑山口西、汶川地震所形成的同震和震后形变场的变化过程与特征,结果显示玛尼地震的震后形变场有利于昆仑山口西地震的能量积累,玛尼地震与昆仑山口西地震的震后形变场对汶川地震的作用不明显,而这三次地震总的震后形变场在玉树断裂带附近形成了一个明显带有左旋性质的形变,有助于玉树地震的发生.将计算出的应力值投影到断层的滑动方向上,得到了这些地震震前的库仑应力变化过程,结果显示玛尼地震对昆仑山口西地震的库仑应力值呈现一个从负转正的过程;玛尼地震和昆仑山口西地震对汶川地震的库仑应力改变量较小;这三次强震对玉树地震的库仑应力作用为0.012 MPa左右,大于地震触发的阈值0.01 MPa.最后利用断层应力积累与滑动速率的关系,计算出断层应力的年积累量,得到这些地震之间的影响值相对于年积累量的大小,结果表明仅昆仑山口西地震对玉树地震的影响在1年左右,其他地震之间的影响都很微小.由此我们认为即便是考虑地壳的黏弹性应力作用,对于较远的断层来说影响也较弱,自身的能量积累是短时间内地块边界带上较远距离强震连发的决定性因素.     

重力与地形数据揭示的巴颜喀拉块体东缘垂向构造应力场

利用基于消去-恢复原理的最小二乘配置方法,对2009—2013年相对重力/GPS联合观测数据与EGM2008模型数据进行融合,更新了巴颜喀拉块体东缘地区的自由空气与布格重力异常场.基于该布格重力异常数据,以CRUST1.0地壳密度模型为初始条件,使用二维多边形棱柱体正演与非线性最小二乘反演方法,获取了巴颜喀拉块体东缘地壳分层密度结构.基于地壳不可压缩和均衡调整原理提出了计算垂向构造应力新方法,并结合上述地壳分层密度结构和地形数据计算了巴颜喀拉块体东缘垂向构造应力分布.结果表明,龙门山断裂带中南段蓄积了较高的正向构造应力（约40 MPa）,马尔康周边地区蓄积了较高的负向构造应力（约-30 MPa）.对研究区域1970年以来5级（M_S）以上地震进行统计发现,地震多发生在垂向构造应力梯度带上,垂向构造应力为正的地区易触发浅源地震,为负的地区易触发深源地震.在地壳横向变形强烈的区域,垂向构造应力与地震深度的对应关系减弱.

     

汶川和芦山地震前后巴颜喀拉地块中东段红外亮温分析

基于MODIS卫星遥感红外数据,用小波方法提取并分析了汶川和芦山地震前后巴颜喀拉地块中东段红外亮温低频信息。结果显示,1在汶川8级地震前,巴颜喀拉地块中东段红外亮温升温异常多次出现(5次),震后近5年无升温异常出现,在芦山7级地震前2个月再次出现升温异常;2汶川地震前升温异常的高值区在空间上有逐渐往龙门山断裂带方向迁移的特点;3在全部6次升温异常中,只有2008年4~6月和2013年2月~4月19日2次临近地震的异常,巴颜喀拉地块中东段内部亮温出现大幅度均衡升温,这可能是该地区强震的临震信号。     

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.

     

基于Monte Carlo方法数值反演区域初始构造应力场——以巴颜喀拉块体为例

构造应力场往往对地震活动性具有控制作用,应力快速集中的地方常常是地震频繁发生的地方.本文以巴颜喀拉块体及其边界断裂带近20年来的7次中强震为例,结合区域历史地震震源信息、地质背景及GPS等观测数据,利用Monte Carlo方法和库仑-摩尔破裂准则为计算依据,反演该块体的震前初始构造应力场.通过将初始应力场反演中不确定部分限定在一个合理的上下限范围内进行独立的重复性随机试验,并运用统计学方法得到了巴颜喀拉块体1997年玛尼M_W7.5地震震前区域初始应力场.计算结果显示：（1）巴颜喀拉块体10 km深度处最大水平主应力方向自西向东呈顺时针旋转趋势,由NS向转变为近EW向,与浅部实测地应力数据、历史地震类型和板块运动方向吻合较好.（2）最大/最小水平主应力和二者差值自西向东均逐渐增加,最大水平主压应力值~400 MPa,最小水平主压应力值~250 MPa.差应力在昆仑山断裂带与阿尔金断裂带交汇处及甘孜—玉树断裂带西段较低（~150 MPa）;在昆仑山断裂带东端和甘孜—玉树断裂带的东南段局部地区较高（~220 MPa）.

     

巴颜喀拉块体东部活动块体的划分、形变特征及构造意义

基于活动块体的基本概念,综合对研究区内活动断裂带空间展布、地震活动性等资料的分析将巴颜喀拉块体东部及邻区划分为巴颜喀拉块体（I）、华南块体（Ⅱ）、川滇块体（Ⅲ）和西秦岭块体（IV）等4个一级块体.利用GPS形变场、地球物理场等资料结合F检验法,将巴颜喀拉块体划分为阿坝（I1）、马尔康（I2）和龙门山（I3）3个次级块体,将西秦岭块体划分为岷县（IV1）和礼县（IV2） 2个次级块体.利用分布在各个块体内部的GPS测站,计算各活动块体及块体边界断裂带的运动变形特征.结果表明：各活动块体的整体运动包括平移和旋转运动;东昆仑断裂带、甘孜—玉树断裂带和鲜水河断裂带的滑动速率明显高于龙门山断裂带的滑动速率;巴颜喀拉块体东部走向北西或北西西的边界断裂表现出左旋拉张的特性;走向北东的边界断裂带,除成县—太白断裂带外,均表现出右旋走滑兼挤压的活动特征.巴颜喀拉块体的东向运动存在自西向东的速度衰减,衰减主要被龙日坝断裂带和岷江断裂带分解吸收,其中龙日坝断裂带的水平右旋分解非常明显,约为~4.8±1.6 mm/a,岷江断裂带的水平分解较弱.龙门山断裂带被马尔康、龙门山和岷县等次级块体分成南、中、北三段,龙门山断裂带中段上的主压应变率要明显小于龙门山断裂带南段上的应变率,其北西侧变形幅度从远离断裂带较大到靠近断裂带逐渐减小,表明其在震前已经积累了较高的应变能,有利于发生破裂滑动.汶川地震后,地表破裂带和余震分布揭示的断裂带运动性质自南西向北东由以逆冲运动为主,逐渐转为逆冲兼走滑的特征可能与龙门山断裂带中段所受主压应力方向自南西向北东的变化有关.马尔康、龙门山和岷县3个次级块体与华南块体之间较低的相对运动速度以及龙门山断裂带低应变率、强闭锁的特征都决定了汶川地震前龙门山断裂带低滑动速率的运动特征.     

巴颜喀拉块体强震动力学过程数值模拟

以青藏高原为目标采用弹性体本构关系,模拟印度板块持续向北推进、挤压对巴颜喀拉块体及邻区的影响.通过降低强震发生位置处单元弹性模量的方法,模拟1900年以来发生在巴颜喀拉块体及周缘Ms≥7.0强震,计算序列中前面地震对后续强震的影响.模拟结果表明:①巴颜喀拉块体背景场应力水平大致与块体西部等效应力同等大小,自西向东逐渐递减,巴颜喀拉块体西部和中部等效应力从南向北逐渐递减,东部地区等效应力比较低;②模拟的14次地震序列中,有8次发生在前面强震所引起的等效应力增大的区域内,2次发生在等效应力增大和减小的过渡区域内,3次发生在等效应力减小的区域内;③从强震序列所引起的应力相互作用看,历史地震对1970年以来发生的地震影响结果为:历史地震加速了1973年亦基台错、1997年玛尼和2001年昆仑山口西地震的发生,昆仑山口西地震对汶川地震的影响较小,汶川地震对玉树地震的发生不具有加速触发作用.     

Finite element simulation of stress change for the MS7.4 Madoi earthquake and implications for regional seismic hazards

On May 22, 2021, the M_S 7.4 earthquake occurred in Madoi County, Qinghai Province; it was another strong event that occurred within the Bayan Har block after the Dari M_S 7.7 earthquake in 1947. An earthquake is bound to cast stress to the surrounding faults, thus affecting the regional seismic hazard. To understand these issues, a three-dimensional viscoelastic finite element model of the eastern Bayan Har block and its adjacent areas was constructed. Based on the co-seismic rupture model of the Madoi earthquake, we analyzed the co- and post-seismic Coulomb stress change caused by the Madoi earthquake on the surrounding major faults. The results show that the Madoi earthquake caused significant co-seismic stress increases in the Tuosuo Lake and Maqin-Maqu segments of the East Kunlun fault (>10 ?kPa), which exceeded the proposed threshold of stress triggering. By integrating the accumulation rate of the inter-seismic tectonic stress, we conclude that the Madoi earthquake caused future strong earthquakes in the Tuosuo Lake and Maqin-Maqu segments of the East Kunlun fault to advance by 55.6-623 and 24.7-123 ?a, respectively. Combined with the influence of the Madoi earthquake and the elapsed time of the last strong earthquake, these two segments have approached or even exceeded the recurrence interval of the fault prescribed by previous research. In the future, it is necessary to focus greater attention on the seismic hazard of the Maqin-Maqu and Tuosuo Lake segments. This study provides a mechanical reference to understand the seismic hazard of the East Kunlun fault in the future, particularly to determine the seismic potential region.     

巴颜喀拉地块东部及邻区重力均衡与岩石圈有效弹性厚度

基于SIO（Scripps Institute of Oceanography）最新全球重力和高程模型,计算了巴颜喀拉地块东部及邻区的布格重力异常、均衡重力异常、岩石圈有效弹性厚度及荷载比.结合大地热流、地震速度结构、地震活动和断裂构造分布等,分析了地壳均衡状态和岩石圈有效弹性厚度、地质构造单元间的差异及与地震活动的相关性特征.研究结果表明,该区域布格重力变化范围约为-500~0 mGal（1 mGal=10^-5m·s^-2,下同）,在巴颜喀拉块体东部区域形成弧形重力梯度带,近年来的中强地震活动频发于该梯度带不同部位,应与其应力依次释放有关;均衡重力异常结果表明,其变化范围约为-80~+100 mGal,且大部分区域处于±20 mGal以内的被认为处于重力均衡的状态,重力非均衡（正或负）多出现于块体边界带附近,地震多发生在靠近块体边界的均衡重力异常（正或负,主要为正）区域内;巴颜喀拉地块东部及邻区岩石圈有效弹性厚度（T_e）为10~65 km,不同构造单元之间T_e空间分布差异明显,较低的T_e值出现在龙门山构造带附近,T_e值为20 km左右,岩石圈荷载加载比为0.5~0.8,表明现今的岩石圈挠曲状态主要由莫霍面加载形成.进一步分析表明,巴颜喀拉地块东部挤压增生与横向流动同时发生,是造成该区域地震发生与重力均衡异常高值重合、岩石圈有效弹性厚度和大地热流值较低的主要原因.本文获得的地壳均衡特征及岩石圈有效弹性强度结果,加深了对巴颜喀拉东部及邻区岩石圈构造演化过程的认识.