利用北京数字化台网资料估计首都圈地区的构造环境剪应力场

１９９３年陈培善等导出的峰值加速度、峰值速度和峰值位移与构造环境剪应力场τ０的关系式（文中式（１）～（３））由于没有震级的限制，可用来估计较小地震（ｍｂ＜３８）的τ０值。利用北京数字化台网记录到的２２次３级左右地震的资料，初步估计了首都圈地区的构造应力场。结果表明，首都圈地区的总体应力水平较低，近期发生大地震的可能性很小。

根据环境应力场方法确定地震危险区的3年实践检验

地震是在剪应力作用下发生的岩石大规模破裂过程。因此，环境剪应力值τ０是控制地震发生的主要因素。我们根据环境应力场确定大震危险区，经过３年的时间检验，结果表明，大约７０％的地震都发生在我们事先确定的危险区内．

根据环境应力值预测我国大陆近三年强震危险区的研究

把环境应力增高，作为将要发生强震的前兆。根据陈培善导出的利用地震波资料直接计算环境剪应力τ＿０值的公式，计算了１９８７─１９９１年全国范围内的环境剪应力值，并据此预测了１９９２年以后３年内可能发生６级以上地震的５个强震危险区。实际验证结果是：从１９９２年５月至今，中国境内共发生Ｍ≥６．０的地震７次，６次均落在预先划定的危险区内。根据进一步的研究，计算了１９９２─１９９３年全国环境应力值，结合１９９１年以前的资料，对未来１９９３年１１月─１９９６年３年内可能发生强震的危险区进行了预测，提出了６个值得注意的强震危险区。

环境应力场在确定地震危险区中的作用

从位错模式出发，应用断裂力学的成果，作者在世界上首次导出了体波震级ｍ＿ｂ，环境剪应力值τ＿０（或构造剪应力值，或初始剪应力值，而不是应力降）和地震矩Ｍ＿０之间的依赖关系式。这个公式提供了直接利用震源参数大量计算构造剪应力场量值的可能性。作者认为构造剪应力场是控制地震发生的主要因素，即出现高应力值地震的地区是容易发生强震（Ｍ≥６．０）的地区，是地震危险区。作者计算了１９８７年以来发生在中国境内所有ｍ＿ｂ≥３．８地震的剪应力值，并据此划出了未来三年内我国大陆地区的强震危险区，同时给出了震级范围。１９９２年４月—１９９４年１月３１日，中国大陆地区共发生９次Ｍ＿ｓ≥６．０的地震，其中有８次落在事先划定的危险区内，只有１次在危险区外。

唐山地震序列的环境应力场

利用唐山地震系列的加速度观测资料，计算了唐山主震及其重要大余震共３８次地震的环境剪应力值；并利用中－美合作的加速度台阵资料，计算了１９８２年７月至１９８４年７月共５２次小余震的环境剪应力值．结果表明，环境剪应力τ０对矩震级有较弱的依赖关系．较小τ０值的地区，只能发生小震或中等地震．只有τ０值较大的地区，才能发生大地震．在τ０值大的地区发生的地震，产生的峰值加速度、速度、位移值均较高．所以，测定重要地区的τ０值，对地震预报和工程抗震有重要意义．主断层两端发生的大余震，τ０值往往比主震还高，这可能是断层两端部应力集中的反映．这个现象给预测大余震发生的地点提供了依据．

b值和地震复发周期

针对过去计算b值的误差 ,提出了两条改进措施 :(1)采用统一的绝对震级标度 -矩震级标度MW ;(2 )舍弃缺失地震次数的点 ,然后用最小二乘拟合求得b值 ,使b值计算较准确 .据此 ,用 3种不同来源和不同精度的资料计算 ,得到的b值都接近于 1.我们固定b值为 0 .85 ,用 13年的现代地震观测资料 ,计算今后 5 0～ 10 0年内较大地震 (外推震级 1～ 2级 )的复发周期 ,结果表明 ,6级和 7级以上地震的复发周期与用近 10 0年的历史地震资料计算得到的复发周期相当一致 ,可以说外推的结果是可靠的 .

前震特征及其识别研究

分析了中国大陆地区1970年以来117次中强地震(东部MS≥5.5, 西部MS≥6.0), 其中有直接前震的地震11次, 占9%; 有广义前震的地震63次, 占51%. 直接前震与主震的时间间隔优势分布在30天以内, 空间距离50 km以内, 震级差在1级以上. 利用辽宁数字地震资料, 得到了1999年11月29日和2000年1月15日岫岩MS5.6和5.1地震前的直接前震具有较高的剪应力背景.

根据环境应力场寻找中国大陆地区的潜在震源区

地壳介质是一种里面存在着许多裂纹的非完整介质．断裂力学的研究结果表明，这种介质的强度远低于完整介质的强度．笔者认为，地震的发生是由于地壳中裂纹在合适的条件下由稳态扩展逐渐发展到失稳扩展的结果，地震破裂即为断裂力学所阐明的低应力快速破裂现象．快速破裂的出现必需要有局部应力和应变的高度集中．根据Ｋｎｏｔｔ（１９７３）对裂纹尖端进行的弹塑性应力分析表明，裂纹尖端的应力状态对裂纹的扩展起了极其重要的作用．由于应力集中，在裂纹尖端必然形成一个塑性区．塑性区中的位移已不是弹性位移，而是塑性位移σ，这里，τ０是作用剪应力，它相当于地震发生时的初始应力或构造应力，α是裂纹半长，μ是刚性模量，τｙ是介质剪切屈服强度．而地震位错恰恰是发生在形成塑性区的裂纹末端．于是我们提出了一个关键性的假定，设位错Ｄ（ξ１，ｔ）为文中的公式（５），地震最大位移为，式中，Ｌ是断层长度．若刚性模量μ取上地壳的数值，μ＝３３ＧＰａ，介质剪切屈服强度τｙ取实验室给出的平均值τｙ＝３０ＭＰａ，那么，根据Ｄｍａｘ和Ｌ的观测值，利用此公式就可以估计大震的构造剪应力值．计算结果表明，全球的大震构造剪应力值大多数在５—２０ＭＰａ之间，有地区差异，平均为１０ＭＰ?

根据构造环境应力场预测峰值水平加速度

在分析了对峰值加速度 PGA 的影响因素之后,我们发现构造环境剪应力场参数τ_0对 PGA起了重要的作用,将τ_0引入 PGA 的预测公式中,同时考虑了 PGA 对频率的依赖性。大地震的PGA 的优越频率 f_a 较低,小地震的 f_a 较高.因此,小地震的衰减系数较大,PGA 衰减较快。基于上述两点改进,提出了新的 PGA 预测公式。在该公式中,构造环境应力场、震级、距离和场地条件是预测将来强地面运动的重要变量。此公式有很大的适用范围,可以用于大地震(矩震级 M_w=6—7.8),也可以用于较小地震(M_w=3—6)的 PGA 预测;在考虑了世界各个地区不同的构造环境应力值水平以后,新预测公式可以应用于世界不同地区(例如美国加州和中国华北、西南等)。用实际观测资料检验结果表明,预测效果良好。

美国南加州的构造环境剪应力场和地震危险区

根据我们提出的断裂力学破裂模式，推导出了几个计算构造环境应力值τ０的公式（见文中公式（１）、（２）、（３）、（５））．根据这些公式，计算了中国大陆地区中小地震及美国南加州的中小地震的构造环境剪应力值．结果表明，τ０值的大小和分布与大震发生的地点有密切的关系，即剪应力水平较高的地区将容易发生大地震，而剪应力水平较低的地区通常只发生小地震．震级大小与ｌｇ（τ０）统计上呈线性相关．依据τ０值的空间分布，可以一定程度上确定地震危险区或潜在震源区；依据τ０值随时间的变化，可以粗略地估计大震发生的时间．根据τ０值在南加州的分布和随时间的变化，有３个地区应力值较高．其中，Ｇｏｌｄｆｉｅｌｄ地区是现今的地震危险区。

中国强地震动速度衰减研究

在研究构造环境应力场特征的过程中，发现构造环境剪应力场量值、对峰值地震动速度PGV有很大影响.用公式定量地把、值引入到PGV的预测方程中，得到了新的预测方程CLB97V；并用观测资料证明了所得方程在震中距＝5──250km范围内，对美国大地震和中国大地震均适用．本文还考虑了大、中、小地震的速度具有不同的优势频率：大震较低，小震较高，因此，小震的PGV衰减较快．这样，CLB97V不仅适用于大震，也适用于中、小地震．如果考虑了世界各地不同的构造区域具有不同的构造环境应力场以后，预测方程可以适用于世界各地．

由加速度谱测定矩震级值

企图仅仅根据强震观测资料来确定震级的大小和一个地区的品质因素 Q(f)值.根据笔者曾导出的地震定标率,计算了震源的加速度谱.从理论加速度谱上可见,加速度谱有三个拐角频率 f_(c1),f_(c2),f_(c3),它们依赖于矩震级值.对于6级地震,f_(c1)=0.08Hz,f_(c2)=0.4Hz,f_(c3)=8Hz.从 0-f_(c1)的范围内,加速度谱 A(?)(ω)∝f^2从 f_(c1)-f_(c2)的范围内,A(?)(ω)∝f;从 f_(c2)-f_(c3)的范围内,A(?)(ω)是平坦的;从 f_(c3)-(∞),Aa(ω)∝f^(-1).采用地震学中较成熟的衰减模式 Q=Q0f″,就可以计算出观测点处的理论加速度谱值.经过理论值和观测值的对比,结果是较符合的.经多次对比后,就可求得该地区的衰减模式,同时求出较大地震的矩震级值.据此,我们求得了新疆乌恰地区的 Q_0=300,η=0.25,同时求出了新疆乌恰地震1985年18次较大余震的矩震级值.为了更方便地求得 M_w,做出了对应不同 Q 值在 (?)Hz 处的加速度谱随距离变化的三个函数表.根据这个表,由 (?)Hz 处的加速度谱值(震中距已知),即可快速测定该次地震的矩震级值.

震源参数之间的定量关系

本文根据建立在“平均”二维破裂模式基础上的地震定标律,导出了地震矩 M_0与各常用震级之间(1gM_0-M_S,M_L,m_b),各种震级之间(M_s-M_L,M_s-m_b,M_L-m_b),各震源参数之间(断层长度IgL,断层面积 lgS,平均错距 lgD-M_s,拐角频率 1gf_c-M_L)的各种常用的关系式.利用这些关系式,由一个震级值就可以估算出一系列震源参数.本文还求出了平均破裂速度 V_r=2.65km/s,总破裂时间 T(s)=0.5L(km),平均位错速度 D(t)=11.4m/s.用矩震级 M_w 度量地震的大小,有四个优点:(1)地震矩反映了形变规模的大小,因此是度量地震大小的最佳物理量.(2)它是一个绝对力学标度,对任何大小地震都有意义,可测量,且不产生饱和问题.(3)它和我们已熟悉的震级标度可衔接.(4)它是一个均匀的震级标度,适用于宽尺度的地震统计.因此,M_w 是一种值得推广的震级标度.

中国强地震动位移衰减关系的研究

根据断裂力学破裂模式，发现峰值地震动加速度（PGA）、速度（PGV）和位移（PGD）均对构造环境剪应力场量值了τ0有强烈的依赖性．本文把了τ0值定量地引入到PGD的预测方程中，并同时考虑得到了PGD的优势频率fd对震级的依赖性.基于以上两点改进，从理论上寻出了PGD的预测方程（CLB98d）．用观测资料验证了此方程可用于震中距△＝10─250km范围内的Mw＝4─7．2地震．世界不同地区的τ0值会有差异，但对PGD的预测方程影响不大．

新疆伽师强震群震源应力环境分析

本文基于能量辐射系数 (Ag)和环境剪应力 (τ0 )讨论了伽师强震群发生的应力环境背景。 1988年以来 11年的环境剪应力τ0 值表明 ,伽师震群发生在相对低的应力环境下 ,1992年以来 8年的能量辐射系数Ag 值显示震源区介质强度较弱 ,震中位于介质性质发生变化的过渡区。同时 ,震源区 (喀什 )能量辐射系数Ag 自 1994年 5月起系统性地降低 ,较好地显示了 1996年 3月 19日至 1998年 8月 2 7日期间震源区发生的 10次强震前 (包括 1996年 3月 19日阿图什6 9级地震 )震源区介质性质的前兆性异常变化 ,本文由此对伽师强震群的成因进行了讨论。

华北地区强震前的信号震及其预测意义

根据对华北地区1970年以来MS≥6地震以前中小地震活动空间图像变化特征的分析,研究了"信号震"发生的时空特征及其地震活动背景,由"场 源"关系特征对一般地震进行严格的筛选识别,从而得出信号震的有关预测指标。信号震一般发生在强震前的2年之内,多数发生在15个月内;信号震与强震的距离不超过200km,多数在100km之内;震级强度一般为ML4.0～5.3。信号震一般发生在局部的ML≥4.0地震平静区内,一般发生在中小地震条带上或条带附近,在其周围或附近存在中小地震空区。检验结果表明,信号震发生后的9个月之内,其预测概率Pt即超过0.5,Rt值达到0.27;预测区域半径在距信号震震中100km之内时,其发生概率Pd可以达到0.73;预测强震震级一般为MS≥6.0。研究表明,信号震的环境应力值τ0明显高于其他地震,显示了高应力背景的异常显著性,它所辐射的地震波中很可能含有未来强震孕震区的大量的本质性信息。

利用加速度或速度记录快速测定矩震级的一种新方法

根据峰值加速度、速度、位移对构造环境剪应力场和地震矩的依赖关系，导出了直接计算矩震级的公式．用北京怀来小台网（速度记录）、唐山强震观测台网（加速度记录）和北京地区台网（速度记录）的地震记录资料，检验了这些公式的可用性．结果表明，利用加速度或速度记录测定的矩震级与常规方法（根据位移谱高度）测定的矩震级十分接近．证明了这些公式的正确性，从而拓宽了用于测定震级的资料类型，即不仅限于位移记录，速度和加速度记录都可用于测定震级．

反应谱对构造环境剪应力场的依赖性

在以前理论工作的基础上,导出了构造环境剪应力值对反应谱的影响.在美国知名学者Boore等建立的预测公式BJF94的基础上,提出了新的预测公式CLB20.在CLB20中引进了应力场量值τ0对SA的影响项.BJF94主要是基于美国西部的强震观测资料作出的经验预测公式,而SEA99是基于全球张性地区的强震观测资料作出的预测公式.我们把两者的预测结果进行了全面的比较,发现BJF94的预测值lg(Y)减去0.16个对数单位后,与SEA99的预测值十分接近.这说明张性地区的lg(Y)较小;地区性差异主要表现在构造环境剪应力场的差异上.如果这个因素在预测公式中能得到适当体现,同时预测公式中的震级标度都用全球统一的矩震级,距离都使用多数人倾向使用的断层投影距,那么预测公式的地区性差异将大大减轻,以至最后消失,有可能构造出全球适用的预测公式.我们的抗震设计直接引用美国研究者发表的反应谱衰减结果(例如BJF94和SEA99),不会导致太大的误差.

中国与美国西部平均构造剪应力值的比较

提出了一种估计一个地区平均构造剪应力值的方法.用这种方法,选取哈佛大学公布的1977～1999年共15 993次地震的矩张量数据,估计了美国西部19个地区、中国和邻区43个地区（每个地区为10°X10°范围）的平均环境剪应力值.结果表明,美国西部南加州西部海域和南加州应力最高,达13.7和12.0MPa,然后向北、向南和向东逐渐递减,但最小也达8.7MPa,是最高值的63％.中国新疆西北部地区和西藏察隅地区应力水平最高,达17.2和12.9MPa,比美国高.中国的华北、云南、四川、台湾和美国南加州的应力水平差不多.中国南北地震的应力水平为13MPa左右,比南加州略高.两个重要地区的平均剪应力值分布图,提供了地学的基本数据.这些结果可为研究地震活动的大背景提供依据,对研究强地面运动参数（如峰值加速度及反应谱等）的衰减关系也是有用的.

构造环境应力场在确定新疆地震危险区中的应用

基于断裂力学的研究成果和位错理论，提出了断裂力学地震破裂模式，进而推导出了几个从地震波观测资料直接计算震源处构造环境剪应力场量值τ０ 的公式。根据这些公式计算了中国地区中小地震的构造环境剪应力值。结果表明：τ０ 值的大小与分布和大震发生的地点有密切的关系，即剪应力水平较高的地区将容易发生大地震，而剪应力水平较低的地区通常只发生小地震。据此，从１９９２ 年开始，根据环境应力场进行寻找地震危险区的尝试总有效率达７０％ 。把此法用于新疆地区。