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。      

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M_S≥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.      

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.     

1973-1976年四川松潘强震序列的应力触发过程

1976年8月16～23日,四川省松潘--平武交界地区的虎牙断裂带中南段发生了由7.2,6.7,7.2级3次地震组成的强震群,此前的1973年8月11日还在虎牙断裂带北段发生松潘黄龙.Ms6.5强震,这4次强震在空间沿NNW-近SN向虎牙断裂带由北而南分布.     

基于库仑应力变化分析巴颜喀拉地块东端的强震相互关系

本研究基于分层黏弹介质模型,考虑同震位错效应和震后黏滞松弛效应,分析巴颜喀拉地块东端1976年松潘地震序列、2008年汶川8.0级地震、2013年芦山7.0级地震和2017年九寨沟7.0级地震等多次大地震的可能存在的触发关系,计算大地震引起的周边各主要断裂的库仑应力变化.结果显示,1976年松潘地震序列各次地震间关系密切,存在明显的相继触发作用;综合考虑同震和震后效应,汶川8.0级地震对同属于龙门山断裂带的芦山7.0级地震有触发作用,且震后效应影响不可忽略;1976年地震序列,特别是1976年8月16日7.2级地震促进了2017年8月8日九寨沟7.0级地震的发生;汶川地震对九寨沟地震的影响研究中,采用不同的汶川地震同震位错模型,计算结果有差异.综合考虑多次大地震对周边断裂带的影响,龙门山断裂带南段、鲜水河断裂带中南段、平武-青川断裂北段、灌县-安县断裂北段、文县断裂的累积库仑应力增加显著,巴颜喀拉地块东端的东昆仑断裂带东段、迭部-白龙江断裂带西段以及金沙江断裂带库仑应力亦有所增加.综合考虑各重要断裂带已有的大地震危险性分析结果和库仑应力变化计算结果,龙门山断裂带南段、鲜水河断裂带中南段、东昆仑断裂带玛沁-玛曲段和金沙江断裂带的发震紧迫性有所增强,需引起关注.

     

巴颜喀拉块体北和东边界大地震序列的关联性与2008年汶川地震

2008年汶川地震发生在巴颜喀拉块体的东边界.为了探讨区域动力学背景与该地震发生的关系,本文基于活动构造、震源机制解、GPS站速度、地震破裂展布以及历史大地震活动等资料分析巴颜喀拉块体北、东两个边界断裂系统的运动、变形以及大地震序列发生的关联性.结果表明:由于受到华南地块的阻挡,巴颜喀拉块体朝东-南东方向的 "逃逸"运动—表现为该块体北边界的左旋走滑断层作用—在该块体的东边界转换成为逆冲或缩短兼走滑断层作用,亦即该块体的运动对其东边界断裂系统具有显著的"加载"作用.这种加载作用也反映在该块体北和东两个边界大地震序列发生的关联性上.19世纪中-晚期至2001年期间,一个由8次事件组成的大地震序列使巴颜喀拉块体北边界总长度的2/3破裂,该序列同时具有加速应变释放以及事件的间隔逐渐缩短的特征,反映最晚自1902年以来该块体发生了加速运动.作为对这一加速运动的响应,巴颜喀拉块体东边界大约自1933年以来发生一个由3次事件组成的大地震序列,也显示出加速释放以及事件的间隔逐渐缩短的特征;2008年汶川地震正是该响应序列中的最新事件.东边界的响应型大地震序列的发生至少滞后于北边界的数十年,可能与该块体的非刚性运动有关.另外,这两个大地震序列的事件序次-时间关系有助于分析该块体北与东边界的中-长期地震危险性.     

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.     

1997年以来巴颜喀拉块体周缘强震之间的黏弹性触发研究

2021年5月22日在青海玛多发生M_W7.4地震,为了探究玛多地震的不同滑动模型对周围地区及断层应力的加卸载作用,本文首先以GNSS数据为约束,结合中国地震局地质研究所公布的玛多地震同震滑动模型（模型A）断层面几何结构反演获得同震滑动模型（模型C）,再分别利用模型A、模型B（USGS）、模型C计算玛多地震对周围地区及断层的应力加卸载作用。结果显示：① 模型C矩震级为M_W7.46,最大滑动量为3.39 m,主体破裂位于0—10 km深度范围,整体破裂东侧大于西侧,滑动分布相对于模型A也更加均匀平滑,反演效果较好;② 不同模型计算的应力分布基本相同,沿破裂段同震库仑应力加载区域面积随着深度的增加而增加,且在发震断裂带西端、东端分别各有两处明显的库仑应力加载区域,在昆仑山口—江错断裂东、西段、甘孜—玉树断裂、东昆仑断裂东段、玛多—甘德断裂、清水河断裂中、西段、达日断裂西段均产生了明显的应力加载,但模型B计算结果有所差异,昆仑山口—江错断裂中段处于应力卸载状态,震后10年断层应力状态变化不大,但清水河断裂东段在震后应力调整中卸载作用较为明显,地震危险性降低;③ 为了探究强震对玛多地震的影响,本文分别计算了2008年汶川地震以后巴颜喀拉地块M≥7.0强震同震及震后效应对玛多地震的应力加卸载,结果表明所有强震均对玛多地震有应力加载作用,但累积库仑应力并未超过触发阈值。

     

川滇菱形块体东边界库仑应力演化及强震发生概率估算

本研究基于分层黏弹介质模型,考虑强震或大地震同震位错、震后黏滞松弛及主断层段震间构造应力加载三方面效应,给出1480年以来,川滇菱形块体东边界鲜水河断裂带、安宁河断裂带、则木河断裂带和小江断裂带共20个断层段由三方面效应引起的累积库仑应力变化随时间的演化,分析强震间相互作用和强震发生的应力累积背景,定性分析各断层段的地震危险性.同时,分别采用现今台网地震目录和川滇菱形块体东边界各断层段强震复发间隔两种资料,定量计算2030年各断层段的强震发生概率;并基于摩擦本构理论,将周边强震引起的库仑应力变化量作为应力扰动,修正强震发生概率的计算结果.各断层段累积库仑应力演化的结果表明,鲜水河断裂带中部八美段、色拉哈段及南部磨西段、安宁河断裂带冕宁-西昌段、小江断裂带北部巧家-东川段和南部建水段的累积库仑应力显著增加.修正的强震发生概率计算结果显示,鲜水河断裂带中部八美-色拉哈-康定一带、安宁河断裂带冕宁-西昌段、小江断裂带南部华宁-建水一带强震发生概率较高,地震危险性值得关注.本研究基于库仑应力演化计算定性分析强震危险性的同时,基于摩擦本构律理论,结合地震引起的应力扰动和强震发生背景,定量计算修正的强震发生概率,为川滇菱形块体东边界强震危险地点及中长期发震紧迫程度判定提供方法和依据.

     

1973~1976年四川松潘强震序列的应力触发过程

本文计算和研究了1973~1976年四川松潘4次强震组成的序列引起的库仑应力变化图像,分析了由该序列各次事件引起的近场应力变化及其与后续强震发生以及余震分布的关系,同时分析了该序列引起的远场应力变化与随后25年区域中-强地震活动的关系.结果显示：1973年8月11日松潘黄龙6.5级地震导致虎牙断裂带中段上库仑应力的显著增加并触发了1976年8月16日的7.2级地震;此后,又沿断层向南相继触发了1976年8月22日的6.7级地震和8月23日的7.2级地震.该序列的绝大多数余震主要发生在主震发震断层的近场库仑应力增加区.另外,在该强震序列发生后的25年中、在距该序列发震断层中部约200 km范围内,6次5.0~6.6级地震均发生在由该序列引起的远场、微量的库仑应力变化增加区中.     

台湾强震对福建水口库区的库仑应力触发研究

基于简化的水口库区断裂模型,研究了台湾地区1976年以来13次7级以上地震对福建水口水库库区NE和NW向断裂产生的库仑破裂应力。结果表明,台湾7级以上地震对水口库区NE向断裂产生库仑应力累积,而对水口库区NW向断裂的累积库伦应力作用较小,NW向断裂大多处于库伦破裂应力正、负影响区交汇部位,有的还表现为明显的抑制作用。因而,台湾7级以上地震活动对水口库区NE向断裂小震活动有促进作用,但两者之间不是简单的直接触发关系;对水口库区NW向断裂小震活动的库仑应力触发影响可以忽略。     

巴颜喀拉块体周缘强震间应力作用与丛集活动特征初步分析

巴颜喀拉块体是近年来青藏高原内部板内强震高发地带,对于该块体强震发生时空模式的研究可为大范围板内地震的深入研究提供基础;而断层间的相互作用在强震发生模式中的意义也需要深入研究。文中使用了黏弹性库仑应力模型,计算了1893年以来巴颜喀拉块体边缘和内部7级左右及以上历史地震破裂之间的黏弹性库仑应力相互影响,并使用强震所在断层的滑动速率将这一应力影响值转换为影响时间,并在历史地震发生时间中减去该影响值,比较历史地震影响值对于丛集现象的影响情况,从而分析历史地震间的相互作用对于巴颜喀拉块体内部历史地震丛集特征的影响。从结果看,巴颜喀拉块体的强震自1893年以来存在着前期相隔16a左右的准周期活动,然后经过相对较长时间平静后大约在1997年后发生丛集现象,目前巴颜喀拉块体仍然位于这一强震丛集活动中,仍存在着发生强震的危险;计算出的未来30a强震发生条件概率显示,危险程度较高的断层包括玛沁断裂、玛曲断裂、阿万仓断裂、塔藏断裂罗叉段、鲜水河断裂带磨西段、当江断裂,其他破裂段也存在发生MS7.0左右强震的危险。     

巴颜喀拉块体强震间的时空关联特征研究

本文利用A-F-B地震成组孕育模式,对巴颜喀拉块体及周缘1996年以来的MS≥7.0地震前后中国大陆西部大范围内中小地震应变释放的相对变化进行了分析,发现在大多数MS≥6.0地震发生在地震应变释放显著增强变化的区域,强震间存在显著的时空关联特征。通过预报效能评估发现,在中短期时间尺度(3年内)上,这种强震的诱发作用对MS6.0~6.9地震的预测效果优于对MS≥7.0地震的预测,并对此评估结果进行了初步解释。     

巴颜喀拉块体东部及邻区块体边界断裂变形特征及其强震危险性分析

在对巴颜喀拉块体东部及其邻区活动块体划分的基础上,基于刚性块体运动模型,利用1999—2007年GPS数据反演得到巴颜喀拉块体东部及邻区活动块体边界断裂带的长期滑动速率,并且利用一维弹性位错模型反演了各活动块体边界断裂的闭锁深度。根据反演得到的滑动速率和闭锁深度,结合GIS平台上获取的各边界断裂的几何长度得到各边界断裂的主要地震矩累积,并通过对比各断裂带上历史强震目录估算的地震矩释放分析各边界断裂带上的地震矩亏损量,进而分析各活动块体边界断裂的强震背景,以期为区域强震的中长期地震危险性分析和防震减灾策略的制定提供资料。     

巴颜喀拉块体东南缘应力演化及鲁甸地震自发破裂模拟研究

巴颜喀拉块体活动导致的昆仑—汶川地震系列,是目前中国大陆唯一一组7级以上地震序列,未来几年该块体仍是发生7级地震的主体地区。巴颜喀拉块体东缘从走滑运动向逆冲运动转换的构造动力学性质使得活动块体两个相邻边界带存在大地震序列的关联性。研究表明近期逐渐加速的块体东边界强震序列是北边界强震活动的响应,巴颜喀拉块体南边界的鲜水河断裂带同样以左旋走滑的方式向东边界挤压,但巴颜喀拉块体东南缘地震呈现以下两个特点,一是强震大都发生在巴颜喀拉块体东边界断裂带,东边界强震序列呈现加速状态;二是南边界鲜水河断裂带在1973年炉霍7.6级地震后,已有40多年没有发生7级以上地震,鲜有6.5级以上强震,在此次地震序列中表现出一种大震缺失的状态。因此,巴颜喀拉块体东南缘主要断裂带的地震危险性值得关注和研究。同震库仑破裂应力及震后粘弹性松弛在解释余震序列分布,分析强震序列相互作用关系及未来地震危险性分析等方面发挥了重要的作用。比如汶川地震之后,一些研究者利用弹性位错模型计算了汶川地震的同震库仑破裂应力变化,并对龙门山区域未来的地震危险性进行了估计。一些研究者分别计算了汶川地震和芦山地震后周边断层的同震库仑应力变化,以及汶川地震和芦山地震引起的同震和震后粘弹性松弛应力场变化,得到了汶川地震可能有效地促进了芦山地震的发生的结论。在应力演化过程中,震间构造应力加载对强震危险性的作用也非常重要,目前比较流行的计算这部分应力积累的做法是采用"负位错"的理论进行计算,这一方法虽然简洁,但假设了断层是完全闭锁的,可能会造成一定误差。本文拟以巴颜喀拉块体区域构造活动作为三维有限元模型的边界约束,综合研究区域介质速度、密度结构最新反演结果计算介质的弹性材料参数,从初始应力场出发模拟在构造应力和重力作用下的现今背景应力场,计算强震序列引起的区域内断裂带震前、震间、震后的应力演化,获得更为准确可靠的应力场结果。利用速率-状态关系计算库仑应力变化对研究区域背景地震发生率的影响,利用泊松概率过程计算研究区域在汶川地震和芦山地震震后未来10年6级以上强震的发震概率及研究区域主要断裂带的6级以上强震发震概率。除以上述准动力学的方法研究巴颜喀拉块体东南缘应力演化及地震危险性,本文还以鲁甸地震为例,研究鲁甸地震从成核区开始破裂,然后扩展直至终止的自发破裂动力学过程,探索影响地震自发破裂位错的主要因素。研究内容:(1)建立巴颜喀拉块体东南缘三维粘弹性有限元模型。(2)模拟巴颜喀拉块体东南缘主要断裂带上1900年以来7级以上强震序列的应力演化过程,并对强震序列对芦山地震的触发作用进行了研究,对比库仑应力场及等效应力场演化结果与背景地震活动的关系。(3)应用速率-状态关系研究库仑破裂应力对汶川地震、芦山地震震后研究区域的地震发生率的影响,应用泊松过程给出研究区域主要断层未来的强震发生概率。(4)应用可以描述断层摩擦机制的FAULTS有限元软件对芦山地震断层错动方式,初始破裂点进行了模拟,研究了汶川地震后,断层强度的变化对芦山地震的影响。(5)应用曲线有限差分方法建立鲁甸地震非平面断层自发破裂模型,模拟鲁甸地震在包谷垴—小河断裂上的自发破裂过程,分析影响鲁甸地震自发破裂过程的主要因素。本文的创新点:(1)以三维速度、密度反演结果建立能反映更真实地下介质的三维粘弹性有限元模型;(2)从初始应力场出发,进行数十万年的应力场演化模拟直至获得与现今构造应力场更为吻合的背景应力场用于地震序列模拟;(3)采用泊松概率模型计算地震发生概率时直接基于三维粘弹性有限元模型得到的库仑应力结果,充分考虑了同震、震间和震后效应的影响。同时,在考虑背景地震发生率时采用了更全面完整的地震目录,这可能使得对未来地震危险性的估计更准;(4)对鲁甸地震自发破裂过程进行了动力学模拟,将震间应力积累过程与同震地震破裂过程的模拟结合起来。     

昆仑-巴颜喀拉块体强震前后地震活动性综合参量变化特征

以2001年以来2次8级地震和2010年4月青海玉树M7.2地震为例,分析了Rt值在强震前后随时间和空间异常变化特征,同时对综合参量的预测效能进行了检验.结果表明:在强震前Rt值大都出现明显的异常降低过程.在地震综合参数异常和强震关系的研究中,利用地质构造块体约束研究的区域,可以较为清晰地看到强震前后地震活动性异常特征...     

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.

     

完全库仑破裂应力变化与云南龙陵震群序列的应力触发

计算和研究了1976年云南龙陵Ms7.3、Ms7.4双主震产生的完全库仑破裂应力变化及其对后续震群序列的动态和静态应力触发作用.结果显示,龙陵第2主震受到了第1主震的动态和静态库仑破裂应力的触发作用.龙陵双主震的13个后续强余震中,发生在龙陵三角形块体内部的强余震,90%都受到了第1或第2主震的动态库仑破裂应力触发或静态库仑破裂应力触发作用,发生在三角形块体外部的强余震,2/3受到了第2主震的动态库仑破裂应力触发作用.从触发作用的强度和范围上看,第2主震的动态和静态库仑破裂应力触发作用都大于第1主震.就近场而言,受到龙陵双主震的动态和静态库仑破裂应力触发作用的余震数目相当,但动态库仑破裂应力的触发作用范围大于静态库仑破裂应力.     

基于库仑应力变化研究台湾强震对福建地区地震触发作用

考虑同震位错与震后黏弹性弛豫效应,采用分层地壳介质模型,定量计算了台湾地区M_S≥7.0强震对福建地区部分M_L≥4.0地震的库仑应力影响。结果显示:台湾强震对福建M_L≥4.0地震的发生影响较小,远没有达到地震触发阈值,不具有触发作用,其主要原因是这两地区距离较远。结合台湾与福建地区M-T图,认为虽然台湾强震与福建地震不属触发关系,但可以用"同期活跃"的特征来描述。当大区域背景应力状态处于较高水平时,台湾地区M_S≥7.0强震与福建地区M_L≥4.0地震同时较为活跃。在此情况下,台湾M_S≥7.0强震与福建地区M_L≥4.0地震哪个先发生都是可能的。     

基于重力观测的巴颜喀拉块体强震震级模拟分析

以内蒙古乌加河地震台的连续重力观测资料为基础,应用PET重力仪采样率较高的特点,分析了PET相对重力仪与JCZ-1甚宽带地震仪的波形相关关系及同震形变物理特征。通过模拟分析乌加河地震台PET相对重力仪记录到巴颜喀拉块体周围发生的6次7级以上强地震的同震P波、S波及面波与震中距离、震级的相关关系,得出一般震级模型、地应力波模型和S波P波幅度比模型公式。通过计算3种震级模型理论震级与实际震级的误差及相关系数R值,得到理论震级与实测震级标准误差达到0.04,R值达到0.99,验证了模型的可靠性。对比分析理论震级与实际震级的误差与R值,揭示同震形变波形蕴含地球动力特征的物理机制。