台湾碰撞带现今地壳变形场特征及其动力学成因的有限单元法模拟研究

台湾是菲律宾海板块与欧亚板块会聚、碰撞的产物,区内地质构造复杂,地震频发,变形强烈.为定量研究台湾地区变形特征及其动力学成因,文中运用二维不连续变形体弹性力学的有限单元计算方法,利用台湾地区1995—2005年GPS的观测结果作为边界约束,对台湾地区地壳变形场进行了模拟.计算结果显示,台湾中部地区主要呈压缩状态,但在台湾的东北部及南部地区出现了拉张的变形环境.变形程度最大的区域位于台湾东部海岸山脉及其附近海域,同时,计算给出台湾纵谷断裂滑移速率约为13.8～23.5mm/yr,由于纵谷断裂对变形的吸收,因此变形在纵谷断裂以西及西北地区迅速衰减.此外,计算结果还发现,计算给出的台湾岛上的速度值与GPS观测结果吻合得较好;计算给出的主应力方位与地应力观测及震源机制解结果也颇为一致.由此说明文中的有限元模型是合理的.此外,计算结果还表明,菲律宾海板块向北西方向的推挤,板块边界形状,观音、北康高地的抵阻,冲绳海槽扩张及琉球海沟的向南后撤以及断裂作用等,共同造成了台湾地区现今变形场的主要格局.

云南地区地壳各向异性及其动力学意义

本文使用中国地震局地壳应力研究所2010—2011年期间在云南地区布设21个宽频带野外流动地震台记录到的波形资料,经时间域迭代反褶积求取远震接收函数,并挑选高质量Pms(莫霍面转换)震相,利用切向能量最小化方法获得283对高信噪比的径向和切向对应的Pms分裂参数,从而得到云南地区各台下方地壳各向异性.结果显示,研究区内慢波时间延迟量在0.125s和0.40s之间变化,平均为0.25s,且各向异性强弱与构造分布有一定相关性.在扬子地台和保山地块表现为相对较强的各向异性,而思茅地块相对弱些,说明这些块体受下地壳流的影响作用各不相同.从各向异性快波方向分布来看,在扬子地台和思茅地块除红河断裂带和澜沧江断裂带走向变化明显地区(如YNL04和YNL12台)外,各向异性方向均与断裂带走向近似平行,说明研究区内大型断裂带控制着下地壳流的构造变形.腾冲地区的各向异性与其他三个块体均不相同,在该块体内部各向异性快波方向近似呈现出以火山为中心发散状分布,可能说明腾冲火山下方地幔热物质上涌到达下地壳后受上地壳的阻挡作用向四周发散的原因.

青海玉树地震(M_s=7.1)产生超剪切破裂过程的动力学机制研究

由于2010年玉树地震(Ms=7.1)产生了超剪切地震破裂,所以地震灾害特别严重.国内外地球科学家对该地震产生超剪切破裂过程的物理机制一直非常关注,但至今没有给出满意的解答.为此,文中根据玉树地震发震断层的实际几何构建有限单元数值模型,模型中的断层由2个断层段构成,它们之间有约10°的夹角,形成断层拐折.模拟结果表明,玉树地震的破裂由2个子事件组成;当破裂在震源所在的断层上成核后,先在第一个断层段上传播,其速度为亚剪切波速度;当破裂一旦越过断层拐折,在第二个断层段上传播时,破裂速度就立即转变为超剪切波速度.计算结果显示,当断层发生超剪切破裂时,断层上的位错幅度、破裂产生的地震波速度及加速度都会显著增大,从而造成地震灾害大大增加,这很可能是玉树地震的震害特别严重的重要原因.从模拟实验中还看到,若是模型中的断层没有发生拐折,在模型的其他参数都保持不变的情况下,破裂速度不会发生变化.但是,若初始应力场的方位与断层之间的夹角发生变化,这时断裂系统中尽管存在断层拐折,也不是一定能产生超剪切破裂.只有当初始应力方位与断层之间的夹角以及断层走向变化的偏角二者之间的关系恰到好处时,断层拐折才有可能促使断层破裂由亚剪切转化为超剪切破裂.所以,玉树地震之所以能产生超剪切地震破裂,恰恰是发震断层几何与初始应力场方位之间的关系达到某种"最佳状态"的结果.这也可能是天然地震中超剪切破裂事件稀少的原因之一.因此,研究超剪切地震破裂过程的动力学机制,对于深入研究地震震源过程、地震灾害评估等有着非常重要的科学意义.

基于速率-状态摩擦定律的地震二维准动力学数值模拟:浅层正应力变化对断层演化的影响

本文基于结合速率-状态摩擦定律(RSF)的二维准动力学数值模型,以半空间垂直走滑断层为研究对象,通过比较两种正应力随深度变化模型的模拟结果,研究了浅层正应力变化对断层演化参数、地震孕育过程、震后滑移传播等方面的影响.结果显示,我们的数值模型在给定模型参数和约束条件下,能够完整模拟出地震周期中震间、震前、同震以及震后多个特征阶段.常数正应力模型下,动态破裂在浅层速率强化区停止,而在浅层变化正应力模型下动态破裂可以传播至自由表面,导致浅层更高的最大滑移速率和同震滑移量.两种模型下的地震矩、地震周期、平均应力降和震后滑移传播等差别不明显.两种滑移模型的傅氏振幅谱与理论K-2模型傅氏振幅谱均符合较好,且浅层变化正应力模型下的拐角波数值高于常数正应力模型,说明两种模型均符合地震同震滑移模型的运动学特征,并且浅层变化正应力模型下最终应该产生高于常数正应力模型的高频强地面运动水平.我们认为选用不同的模型参数对最终结果存在显著影响,应当根据具体问题来选择模型参数,这样才能在保证结果准确前提下有效提高计算效率.

1994年美国北岭地震震源区构造应力状态反演及动力学解释

针对余震震源机制解相对比较复杂、紊乱这一现象,借助ZMAP软件包的特点,提出在尽可能减少人为分区因素情况下,利用余震震源机制解反演计算震源区应力状态的具体思路。利用1994年美国北岭MW6.7地震的余震震源机制解,采用Michael提出的应力张量反演算法,对震后震源区的构造应力状态及其分布进行反演分析,探讨了地震后震源区应力状态的调整变化及其与地质构造的关系。结果表明:1)震后震源区最大主应力为近水平,方向为北北东向,北北东向的水平挤压是北岭震源区构造应力状态的一个明确特征;2)震后震源区深浅部的构造应力状态可能不完全一致,虽然深部和浅部的最大主应力方向均为北北东向,但震源区深部的应力类型为逆断型,震源区浅部的应力类型为走滑型,深部数据组的反演结果与区域构造应力场相一致。认为北岭地震后震源区深浅部构造应力状态的差异可能与震源区的地震构造和北岭主震的错动方式有关。北岭主震是一次逆冲型地震,地震发生后,在区域构造应力的作用下,震源区应力继续释放,隐伏的北岭断裂(可能包括其周围的小断层)继续逆冲运动,从而产生一些逆冲型的中小余震。深部构造应力状态没有发生明显的改变,但北岭断裂的逆冲运动有可能引起了震源区浅部应力状态的变化。

利用原地应力实测资料分析芦山地震震前浅部地壳应力积累

龙门山断裂带南段的芦山Ms7.0级地震给雅安地区人民群众和当地社会带来巨大的损失,如何从地壳应力积累的角度来研究该次地震对于深入认识孕震发震机理将有很大的帮助.项目组在过去21年中在该区域积累了22个钻孔的应力实测资料,这些应力资料显示该区域的应力状态为逆冲断层应力状态,最大水平主压应力方向为N44＆#176;-64＆#176;W,而且在过去20多年里,该区域的应力状态是稳定的.文中提出利用平均差应力和平均有效应力之比μm来表征地壳应力积累的能力和水平.通过理论分析可知μm的物理意义与μ是近似的,完全可以用μm代替μ来开展分析.利用实测应力数据计算得到的μm范围为0.39～0.56,接近于Byerlee定律所定义的μ=0.6的下限值,该范围与龙门山断裂带震后断层泥稳态摩擦系数的范围完全吻合,芦山地震的发生说明研究区的地壳应处于摩擦极限平衡或者亚平衡状态.芦山地震的震源机制解反应的应力状态为逆冲断层应力状态,主压应力轴方向为122°,与该区域的应力测试数据所反应的应力状态一致.通过与他人的研究成果对比分析可知,芦山地震可看作汶川地震对龙门山断裂带南段区域的断层加载而诱发产生的一次地震.

华北地区地震活动与地壳热结构关系研究

本文应用双差定位法对2009—2015年华北地区发生的地震进行了重新定位,共得到6 225次地震的精确定位结果.结果显示,重定位后的小震更加集中分布于断裂附近,震源深度多为5—15km.利用基于三维分形磁化模型的中心点法获得了华北地区的居里点深度并计算了磁性层的平均地温梯度,进而利用随温度变化的热导率一维稳态热传导方程获得了华北地区的地壳温度结构.结果显示:1除张渤地震带中东部地区以外,大多数地震均发生在地温梯度较小的地方;2 1966年邢台M_S7.2地震和1976年唐山M_S7.8地震均发生在地温梯度较小的地方,二者发生的温度约为200℃—300℃;3大多数M≥2.0地震发生的温度为100℃—500℃,M≥4.0地震发生的温度多为200℃—400℃.这些温度与实验室地壳岩石脆-塑性变形过渡区的温度测量值相当,表明华北地区的地震多发生在地壳脆-塑性变形过渡区.

井水温观测分析中的水-热动力学研究综述

从井水温动态影响因素、井水温对动力加载的响应机理、水-热动力学理论模型三方面阐述了井水温研究进展。高精度数字化观测技术,为井水温的科学研究提供可靠、有效的数据支持。补给源和水动力作用是影响井水温动态变化的两大因素,补给源决定了井-含水层系统温度的垂直分布曲线的形态,水动力作用决定了含水层地下水补给量的多少和地下水流速的快慢,从而影响井-含水层系统温度变化的大小,而动力加载作用影响井-含水层系统内部的水流流动速度,改变水温变化情况。通过对井水温动态影响因素与水-热动力学形成机理研究的总结,有助于厘清井水温动态和含水层的关系,为井水温动态的定量分析和机理解释提供重要的研究思路。

中国东北地区SKS分裂的上地幔各向异性结构与动力学

本研究收集了中国东北地区2008-2016年九年时间内207个固定地震台站和127个NECESSArray流动地震台站的波形资料,利用SKS波分裂的最小切向能量网格搜索方法获得了243个台站的有效分裂结果.研究结果显示,尽管研究区各向异性快波方向基本以NW-SE向为主,但无论是在快波方向上还是快慢波时间延迟上不同构造单元内部与不同构造单元之间均存在着较大差别.大兴安岭造山带北部的各向异性快波方向自北向南由NNE-SSW向转变为NNW-SSE向,在中部以NW-SE向为主,而南部自北而南由NE-SW向逐渐转变为近E-W向;松辽盆地的各向异性快波方向在北部自西向东主要表现为由NNW-SSE向逐渐转变为NW-SE向,在中部自西向东由NE-SW向转变为近E-W向,而在南部既有NE-SW向又有NW-SE向;佳木斯地块各向异性方向由西部的NW-SE转变为东部的NNW-SSE,同时快慢波时间延迟逐渐变大;长白山造山带北部自北向南由NW-SE向逐渐转变为近E-W向,中部各向异性快波方向为NNW-SSE向,且快慢波时间延迟较大,而南部以NW-SE向为主;燕山造山带的各向异性快波方向主要沿E-W向分布,基本平行于燕山造山带的走向.这些结果说明,尽管复杂的各向异性快波方向与局部岩石圈拆沉和热物质上涌有关,但更重要是与"大地幔楔"中物质水平流等动力过程密切相关,也有待将来结合更多地震资料如面波不同深度的特征各向异性进行分析.在阿巴嘎火山群、哈拉哈火山群、长白山火山、龙岗火山和镜泊湖火山区及五大连池火山区等特殊构造区的周边地区,各向异性快波方向围绕这些构造区随方位均发生明显变化,暗示了火山区下方热物质上涌可能影响了"大地幔楔"中的软流圈物质水平流方向.

青藏高原及周缘地壳浅层构造应力场量值特征分析

以"中国大陆地壳应力环境基础数据库"中的实测地应力数据为基础,合理筛选出地理空间范围为21°N-40°N,73°N—110°N的近2000条数据,深度范围0~2 km.通过将研究区内实测地应力扣除重力影响,并考虑数据样本数量沿深度分布不均匀的问题,分析构造应力场的作用.重力影响的扣除采用海姆假说与金尼克假说两种模式估算其下限与上限,给出了青藏高原及周缘及青藏地块、南北地震带北、中、南段上构造应力和构造差应力随深度分布的特征和量值范围,结果显示:(1)青藏高原及周缘地区最大水平应力σ_H、最小水平应力σ_h随深度D呈线性增加:σ_H=22.115D+5.761、σ_h=14.893D+3.269;最大水平构造应力σ_T、最小水平构造应力σ_t的量值估算范围分别为4.609<σ_T<15.522D+4.609、3.121<σ_t<6.366D+3.121(D>0);构造差应力σ_T-σ_t=7.222D+2.492,地表值(D=0 km)为2.5 MPa左右,随深度增加以7.2 MPa.km^(-1)的梯度增大;(2)在测量深度范围内,青藏地块、南北地震带北、中、南段研究区σ_T、σ_t、σ_T-σ_t,随埋深均呈线性增大;D=1 km时,各地块σ_T的统计回归值中最大为30.1 MPa,最小为17.6 MPa,量值由大到小排序依次为:青藏地块、南北带北段、南北带中段、南北带南段;D=1 km时,各地块σ_T-σ_t,的统计回归值中最大为15.8 MPa,最小为8.9 MPa,量值由大到小排序依次为:青藏地块、南北带北段、南北带中段和南北带南段.总体表现为青藏地块强、南北带较弱的基本特征.(3)与南北带相比较,青藏地块地壳在从南向北的挤压作用下呈现出明显的"浅弱深强"特点.

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.

前郭M_S5.8和松原M_S5.7地震震源区地壳速度结构与孕震环境

为了解2013年11月23日吉林前郭MS5.8和2018年5月28日吉林松原MS5.7地震震源区的地壳速度结构及其孕震环境,本研究收集了东北地区CEA固定台站、NECESSArray流动台站和五大连池WAVESArrary流动台站的连续波形数据,使用背景噪声成像方法,获得了前郭地震和松原地震震源区地壳S波速度结构.结果显示,这两个地震主要发生在相对高波速异常区,而震源区下方存在明显低波速异常,且该低速层呈北北东走向,并有向北延展的趋势.结果表明,震源区相对高波速异常区易于积累能量孕育地震,而震源区下方的低波速异常可能代表了流体作用.这种流体作用会降低断层面有效正应力从而触发地震.这种流体作用可能和太平洋板块深俯冲至我国东北地区(包括前郭地震和松原地震震源区)下方的地幔转换内形成“大地幔楔”结构与动力学密切相关.在“大地幔楔”结构中,由于地幔转换带中滞留板块脱水作用和地幔角流作用,容易形成热湿物质上涌,进而导致松辽盆地中北部岩石圈物质拆沉、地幔流体入侵至中下地壳、然后作用于断裂带,从而导致了两个震源区中强度地震的发生.

利用接收函数研究兴蒙造山带阿巴嘎地区的地壳结构

本文利用内蒙阿巴嘎地区布设的38个宽频带地震台站记录到的远震数据,采用P波接收函数共转换点叠加方法(CCP)揭示台站下方Moho面起伏形态,并利用H-κ方法进一步得到地壳厚度和壳内平均波速比值.结果显示,研究区地壳厚度为35~44km,均值约为40km,西南部的鄂尔多斯盆地边缘地壳较厚,东北部的阿巴嘎火山群地区地壳显著变薄.研究区地壳平均波速比值在1.70~1.87之间,均值为1.76,其中阿巴嘎火山地区波速比值明显偏高.CCP叠加结果显示研究区Moho界面较平缓,但在缝合带附近存在明显的变化.我们推测,新生代阿巴嘎火山地区薄的地壳和高波速比值可能是由于火山活动底侵作用引起上地幔铁镁质物质侵入下地壳所致.

中国大陆井水温对汶川8.0级、玉树7.1级、芦山7.0级和岷县6.6级地震响应特征的对比研究

收集和统计了2008年汶川MS8.0地震、2010年玉树MS7.1地震和2013年芦山MS7.0、岷县MS6.6地震引起的中国大陆井水温同震响应现象,分析了其特征。结果显示:这4次地震对中国大陆地下流体影响显著,井水温同震响应特征有很大差异,后三次水温同震响应范围、幅度和持续时间远不及汶川地震,即使震级相差不大的玉树和芦山地震,同震响应的特征也不尽相同。最后探讨了这种现象的成因机理。

地震触发研究中库仑应力随摩擦系数增加而增大的矛盾及其解决

近年来,通过计算库仑破裂应力变化研究地震触发及断层的相互作用,进而估计地震灾害已经成为国际上研究的热点.研究中,为考察库仑模型触发地震的效果,计算时往往要改变模型参数进行检验,特别是让有效摩擦系数从0.0到0.8之间变化.许多研究人员的计算结果表明,库仑破裂应力随着摩擦系数的增加而增大,即断层上摩擦系数的增大可以导致触发地震能力的提高.这显然与我们的常识相违背:摩擦总是阻碍断层滑动、抑制地震发生的,即断层面上的摩擦越大,地震越是难以被触发.文中通过对库仑破裂应力的计算公式进行详细分析后发现,之所以出现摩擦越大,地震越容易被触发的现象,其原因是研究者在计算中没有考虑在构造应力作用的环境里,摩擦系数本身的变化所带来的附加库仑应力变化.若某个地震使一个位于地下15km的典型断层面上的正应力增加2 MPa,如果只考虑静岩压力,当摩擦系数从0.3增大到0.4后,传统库仑破裂应力变化为0.8 MPa;而综合库仑应力变化则大约为-39.2 MPa.所以,若从整体上来分析断层在地震位错及摩擦系数变化所造成的综合库仑应力改变,就不可能出现库仑应力随摩擦系数增加而增加的不正常现象.由此可见,今后在利用库仑模型研究地震触发问题时,应综合考虑构造应力场及摩擦系数本身变化所带来的库仑应力变化.

利用横波分裂分析方法研究地壳各向异性综述

利用横波分裂分析获取地下介质的各向异性参数,已成为研究壳幔介质变形特征最为有效的方法之一。本文首先介绍横波分裂理论方程的推导过程;然后阐述目前几种较为常用的拾取横波分裂参数的方法;最后总结近年来横波分裂分析方法的发展现状及其在地壳介质各向异性研究方面取得的成果。我们认为尽管横波分裂分析方法被广泛应用于地壳介质各向异性研究,但是它也存在一些固有的局限性,期望未来能发展一种更为可靠、有效的方法以及数据处理流程来准确拾取横波分裂参数。

2014年云南景谷Ms6.6地震的应力触发研究

利用有限震源模型计算2014-10-07云南景谷Ms6.6地震产生的同震静态库仑应力变化。结果显示,75.42%的余震由主震触发。考察景谷地震周围断层上的库仑应力变化发现,仅澜沧江断裂和红河断裂小部分区域的库仑应力上升,而其他断裂的库仑应力减小,可见该地区未来发生地震的可能性下降。但从整个云南的地震活动性看来,其发生中强震的可能性增强。

青藏高原东部及邻区地震断层面上的潮汐应力触发效应

根据已发布震源机制解目录(哈佛大学CMT),将青藏高原东部及邻区划分为5个构造应力场分区,并对各分区的地震逐个计算其发震断层面上的固体潮汐正应力、剪应力、库仑破裂应力及相位角,分析潮汐应力分量对不同类型发震断层的作用效果及其随深度变化特征.基于库仑破裂应力判断准则,研究潮汐应力对各种类型地震的触发作用;基于Schuster检验方法,统计分析潮汐应力对各个震级档、不同构造类型地震的影响.综合运用上述两种分析方法,探讨潮汐应力对不同震级地震以及处于不同构造块体、发震断层、震源深度地震的触发机制.结果表明,潮汐应力对印度块体和拉萨块体的正断和逆断型地震,滇缅泰块体、印支块体和松潘一甘孜块体的走滑和斜滑型地震,川滇菱形块体的斜滑型地震均存在不同程度的触发效应,且触发效应的强弱依赖于震源深度、震级大小、发震断层类型及其所处区域构造应力场.

首都圈地区精细地壳结构——基于重力场的反演

本文以地质与地球物理资料作为约束条件,利用小波多尺度分析方法,对首都圈地区重力场进行了有效分离,应用Parker位场界面反演法及变密度模型对莫霍界面进行了反演分析,并构建了两条地壳密度结构剖面模型,对该区精细地壳结构进行了深入研究.研究结果表明首都圈地区受多期构造运动的改造,形成坳、隆相邻,盆、山相间,密度非均匀性,壳内结构与莫霍面埋深相差比较大的地壳分块构造格局.受华北克拉通岩石圈伸展、减薄以及岩浆的上涌底侵作用,首都圈地区莫霍面起伏比较大,莫霍面区域构造方向呈NE—NNE方向,在盆地向太行山、燕山过渡地带形成了莫霍面陡变带;盆地内部莫霍面形成东西向排列、高低起伏的框架,最大起伏约5km,但平均地壳厚度比较小,北京、唐山地区地壳厚度最小约29km,武清凹陷地壳厚度最大约34km.在重力均衡调整作用下,西部太行山区地壳厚度较大,但地壳密度小于华北裂谷盆地内部;中上地壳重力场特征与地表地形及地貌特征具有很大的相关性.受新生代裂谷作用影响,首都圈中上地壳结构非常复杂,形成了NNE方向为主体的构造单元,断层多下延至中地壳;下地壳发生明显的褶曲构造,表现出高低密度异常相间排列的典型特征;首都圈地区地壳密度具有明显的非均匀性.研究认为首都圈地区地震的发生与上地幔顶部及软流层物质的上涌有一定关系.

2015尼泊尔M_S8.1地震中等余震震源机制研究

本研究利用西藏台网记录的波形数据,采用gCAP方法反演了2015年4月25日尼泊尔MS8.1大震5次中等余震(5.0≤MS≤6.5)及西藏定日MS5.9地震震源机制解.结果显示,6次地震包含2个正断、2个走滑及2个逆冲型地震.其中2个正断型地震位于主震的东北方向,即发震断层的上盘,表明该区域受到主震同震位移的影响,表现出应力拉张的变化特征;2个走滑型地震在主震破裂的东南方向上,说明随着破裂往东南方向延伸,余震的走滑分量增强;另外2个逆冲型地震位于5月12日MS7.5强余震区域,与MS7.5地震的滑移状态一致,可能与主震同震位移引起该区域处于应力挤压状态密切相关.这些结果表明,尼泊尔MS8.1主震发生后,由于同震位移的影响,不同区域处于不同的应力状态,从而使中等余震表现出不同的震源类型.