中国地震科学实验场三维断层模型Web展示原型系统

活动断层的三维结构和模型是地震危险性研究的基础参数和重要数据。随着对接近真实形态的活动断层三维模型的应用需求不断增加,对这类模型数据的共享及研究的需求也日益增加。数据共享课题的一个重要议题是如何构建基于Web的三维断层模型展示平台,提高数据共享水平和用户体验。中国地震科学实验场(川滇地区)三维断层模型Web展示原型系统①是基于Arc GIS 10.6企业版的Web App Builder工具构建的一个实验性系统。该系统实现了基于Web GIS的三维展示系统的基本功能,并成功测试了更适用于地震行业标准的用户交互方式、基本功能、场景数据迁移方案和三维场景设计方案。场景数据从三维断层建模平台到GIS平台的迁移,是实现基于Web GIS三维展示系统的基础。场景中展示的三维数据采用与二维数据标准一致且视觉上融合度高的可视化方案。实践结果表明,三维数据从建模平台迁出后,应结合数据可视化方案,在属性层面上与二维数据相融合,以保证二维和三维数据在视觉上较好地融合。

铲形逆冲断层地震破裂动力学模型及其在汶川地震研究中的启示

2008年发生了汶川地震的龙门山断层带是典型的铲形逆冲断层带.利用二维线弹性有限元模型,得到关于铲形逆冲断层带一些具普适性的认识:(1)如果断层带强度不随深度变化,则地震从断层带转换层附近开始发动,破裂沿断层向上传播,当地震蓄积能量足够大时,破裂可以冲破到地表,如汶川地震.(2)一旦到达地表,其最大同震位错将位于断层带出露地表处;且在断层带介质弱化或损伤大致相同条件下,铲形断层倾角越缓,地表的同震位错量越大.(3)与最大同震位错位于地表不同,同震应变能释放最大处位于地壳内十几公里深处的断层带转换层附近.(4)在断层带介质软化或损伤度大致相同条件下,铲形断层倾角越缓,地震对震间期积累应变能的释放越多、范围越广,对地表近断层区域造成的破坏可能越大.(5)冲破到地表的逆冲型大地震会进一步增加铲形断层带下盘转换层以下(约在15～22 km)地壳深处和断层上盘距离断层地表出露点约十几公里处地壳浅部的应变能积累密度;汶川地震之后的余震分布,除了沿主破裂面附近的继续破裂外,也体现了以上地区应变能的继续释放.本文得到的这些认识有助于深入理解汶川地震的动力学机制.

2008年汶川M_s8.0地震发生过程的动力学机制研究

2008年5月12日汶川地震突发在现今并不活动的龙门山断裂带上,该地震发生的动力学机制问题引起广泛关注.文中利用黏弹性接触问题的有限元方法,考虑重力作用,对青藏高原东缘的应力场空间分布及其随时间的演化进行了数值模拟,结果显示应力在空间由分散分布逐渐向龙门山及周边地区转移集中.基于前人的研究成果及计算分析,初步认为汶川地震孕育发生的动力学过程如下:青藏高原的物质东流在向东运动过程中由于受到稳定的四川盆地的阻挡,一部分东流物质在川西地区囤积,造成龙门山隆升;高角度(50°-70°)、犁状的龙门山断层面上的正应力随着川西高原向东运动而不断增大,导致该断层的闭锁性逐步加强,并且分布在断层附近的变质杂岩为存贮高密度弹性应变能提供物质保障.但另一方面随着青藏高原较柔软的下地壳物质的不断向东运动,囤积的东流物质对龙门山断裂带上盘的推挤作用会不断加强,从而导致断裂带上剪应力越来越大;当剪应力超过摩擦强度时,断层解锁产生滑动,发生地震.模拟结果还表明龙门山断层面上的摩擦系数较高,断裂带上地震的平均复发周期约为3163年,这与其他资料结果有一致性.

汶川地震和九寨沟地震断层作用及动力学过程研究进展--纪念汶川地震十周年

2008年5月12日汶川地震(M_S8.0)发生后,各部门组织开展了一系列汶川地震相关的地学研究,包括国家科技专项"汶川地震断裂带科学钻探"项目.经过十年的持续探究,在地震地质、震源物理、地震实验、地震动力学、深部地球物理和长期监测等方面研究取得了一系列重大突破与重要成果.在汶川地震十周年之际,《地球物理学报》集中在2018年第5期刊发39篇文章作为汶川地震十周年专辑,专辑涵盖了汶川地震和九寨沟地震断层作用与动力学过程以及相关领域的一批最新研究成果.这些工作涉及汶川地震断层作用、地震参数及地震动力学数值模拟、汶川地震前地震活动性与多参数异常、晚第四纪构造与地震活动及其地表作用、青藏高原东部壳幔结构与龙门山断裂带深部构造和九寨沟地震等六方面的研究.本文将从这六个研究方向简要介绍收入本专辑论文的研究工作,呈现地震断层作用及动力学过程等研究成果,为深入认识大地震孕育和发生过程提供重要的基础.

2024年1月23日新疆乌什M_(S)7.1地震地质灾害和地表破裂

2024年1月23日新疆乌什M_(S)7.1地震是自1992年吉尔吉斯斯坦Suusamyr M_(S)7.3地震以来发生在天山地震带内的最大地震。主余震初步精定位和第一时间野外调查结果表明,乌什MS7.1地震的余震带总体走向NE,长约62km,主要分布在盆山交接部位。地震产生了边坡失稳、岩崩、滚石、地裂隙等次生地质灾害,主要集中在沿构造走向微观震中两侧30km范围内。由微观震中向N约7km、向S约13km以外,地质灾害迅速减轻,且山前断层陡坎(F_(5))未见任何新鲜的活动迹象。结合中国地震局地质研究所产出的InSAR同震形变场初步结果,判定此次主震的发震断层为一条倾向NW、未错出地表的逆冲断层。在GCMT震中所在的恰勒玛提河,沿西域砾岩背斜南翼发现了总体走向N60°E、长约2km、最大垂直位错约1m的地震地表破裂带。该地表破裂在较老地貌面上基本沿先存断层陡坎发育,总体受一条倾向SE、与主震发震断层倾向相反的逆断裂控制。地表破裂带长2km,规模远小于乌什M_(S)7.1地震余震带,其是由M_(S)7.1主震所致还是因M_(S)5.7余震造成的,以及产生地表破裂的SE倾逆断层与NW倾主震发震断裂之间是何种关系,还需进一步研究。

国际诱发地震研究进展与展望——2024年EGU大会地震成核和诱发地震专题会议侧记

欧洲地球科学联盟(European Geosciences Union,EGU)2024年度学术大会(EGU General Assembly 2024)于2024年4月14—19日在奥地利维也纳举行。本次会议共有20979名科学家注册参会。其中,来自116个国家的18388名科学家现场参会,来自109个国家的2591名科学家线上参会。

龙门山断层地震周期及其动力学过程模拟研究

在断层面上引入速率-状态相依摩擦本构关系、考虑铲形逆冲断层几何结构特征、断层下盘和上盘中下地壳及上地幔为黏弹性介质、上盘上地壳为弹塑性介质,本文用二维有限元动力学模型模拟了龙门山断层上大震准周期复发行为、分析了断层上地震孕育位置、地震周期不同阶段的应力/应变场演化特征.不同于近垂直走滑断层上的地震周期行为,大陆铲形逆冲断层上的构造应力的积累和释放过程更复杂、有其独特性.我们得到如下认识:(1)铲形逆冲断层上的地震复发是准周期行为.(2)龙门山断层最大库仑应力位于断层17~20km深处,应力长期积累和同震释放都在此深度最大,说明地震会在此处孕育、发动.(3)在断层破裂的深部和浅部,同震滑动大小和构造应力释放大小并非同步,而是差异悬殊.(4)地震仅部分释放区域积累的应变能,断层上盘上地壳顶部和底部的褶皱、破裂等永久变形形式也是释放应变能的重要形式.(5)应变能密度增量的演化图像分为:震间、同震、震后期,清晰反应了龙门山断层附近的地震动力学过程.(6)地震发生除释放能量外,同时也对近断层的中地壳和断层底部有很大的应变能加载;这些加载,在震后期可能通过震后滑移、余震或中下地壳乃至上地幔的驰豫形变用几十年时间释放.以上对大陆内铲形逆冲断层上变形特征的了解,有助于我们在其地震周期行为中评估地震危险性.

断陷湖盆中深层砂体地震沉积学研究——以南堡凹陷老爷庙地区东三上亚段为例

南堡凹陷老爷庙地区断坡控砂型的中深层储集体存在埋藏深、有效地震信号弱,砂体横向变化快、砂体形态刻画不清等问题,制约了高效井部署和剩余油挖潜。基于岩心、测井、地震等资料的分析,探索出了以能量半衰时地层结构识别、最小成本函数法层序地层追踪以及相对泊松比识别岩性等3种方法为主的“三域三要素”地震沉积解释方法。结果表明:(1)研究区东营组三段上亚段沉积体纵向上具有“下砾上砂”的沉积特征:下部发育近岸水下扇沉积,上部发育辫状河三角洲沉积。(2)东三段上亚段以老爷庙走滑断裂转换带为界,庙北河间滩较发育,呈“砂岛式”沉积;庙南发育近岸水下扇沉积体系,沉积早期至沉积晚期扇体规模先扩大后缩小,形态由裙边状逐渐演化为狭长条带状水下分流河道沉积,扇体靠近油源断裂,是油气勘探开发的接替区。(3)“三域三要素”地震沉积储层表征方法,对于复杂构造区沉积微相表征、有利储层分布预测具有较好的适用性,砂体厚度预测符合率达到90%。

基于连续－离散单元法的汶川地震动力学二维自发破裂全周期模拟研究

首先利用地震地质调查、地震剖面探测结果对汶川地震的发震断层几何形态及周边块体介质参数进行约束,建立了3个包含有不同主断层的龙门山断裂带二维黏弹性有限元模型;然后基于连续-离散单元法对汶川地震的孕育与发生进行了全周期模拟,包括震间应力积累阶段、同震应力释放阶段及震后恢复调整阶段。模型对比研究结果表明,龙门山断裂带中由于断层几何结构及断层面剪切应力与正应力的综合作用,使得最先达到断层破裂准则阈值的灌县-江油断层率先破裂,初始破裂在深度15~20km处,破裂进一步传导至映秀-北川断层;同时由于灌县-江油断层与映秀-北川断层的破裂导致系统内应力大幅度降低,使得灌县-江油断层不具备产生同震破裂的应力条件。然而,尽管汶川-茂汶断层上的应力水平与汶川地震前相比有所减弱,但仍积累了较高的震间应力,可能预示其在汶川地震后具有较高的地震危险性。模拟结果还表明,铲型逆冲断层系统的深部断层破裂能够推动浅部高倾角区域发生被动破裂,因而其发震断层的倾角上限很可能比传统认识的大。

鄂尔多斯活动地块边界带地震动力学模型与强震危险性研究项目及进展

鄂尔多斯地块及其周缘地区的地震动力学和强震危险性研究,是检验和发展活动地块理论的理想场所。近年来,伴随青藏高原动力学研究视角的不断扩大,逐渐成为国内外新的地学研究热点。项目以"丝绸之路"经济带东端、我国重点强震危险区之一的鄂尔多斯活动地块为研究对象,构建活动地块及边界带三维深浅结构和构造变形模式,建立适用于板块内部的强震孕育动力学模型,完善大陆强震孕育和发生的活动地块理论,研发具有物理意义的时间相关强震预测理论模型,提出地震危险性理论预测技术规程。我国科学家20世纪末提出的大陆强震受控于活动地块的理论,为中国大陆强震危险地点预测提供了重要理论指导,但是如何将该理论更好地应用于实际的强震危险性预测研究中,还需要进一步深入研究活动地块运动和变形如何控制边界带强震的孕育和发生过程。选择鄂尔多斯活动块为研究的目标区,重点开展以下几个方面的研究内容:地块边界带断裂活动习性与强震复发行为;地块及周缘现今三维地壳运动与应变分配;地块及边界带深部结构与深-浅构造耦合;活动地块理论完善与边界带强震危险性研究。项目执行两年来,在几个方面均取得了进展和初步成果,建立了主要边界带断裂强震复发行为模式,获得了地块及周缘不同类型现今三维地壳运动状态,建立了关键区域地块边界带深-浅构造耦合构造模型,开展了边界带强震危险性研究。

隐伏逆断层破裂扩展特征的实验研究及其地震地质意义

通过模拟实验研究了逆断层活动过程中上覆沉积层的破裂扩展特征,采用投影条纹测试方法分析了沉积层表面离面(即垂直)位移场的演化过程。结果表明,在沉积层厚度和断层倾角一定的条件下,基岩中的逆断层逐渐向上扩展,并在沉积层表面围绕基岩断层上断点的投影线形成一个离面位移梯度带(即形变带),基岩断层的位移越大,沉积层中的形变带越宽、变形越强烈;但当断层扩展至沉积层表面后,形变带宽度将保持稳定,只是变形随断层位移增加而更集中。对于同样的基岩断层位移和断层倾角,沉积层厚度越大,受基岩断层控制的形变带越宽,即基岩断层的影响范围越大;当沉积层厚度超过某一临界值时,沉积层中会发育因隆起引起的表面拉张破裂。在沉积层厚度和基岩断层位移量一定的情况下,基岩断层倾角的增加将会使表面形变带的宽度减小,但会使变形破坏程度更强烈。实验结果意味着,临界断层位移、临界沉积层厚度以及断层倾角对于确定隐伏逆断层发震产生的地表变形和破坏特征具有重要意义。文中的研究结果有助于进一步认识汶川MS8.0地震的地表变形特征。

1999年集集地震前后台湾地区地应变率场的分布及其动力学成因

利用集集地震震前(1990—1995年)及震后(2003—2005年)的GPS观测资料,对台湾及附近地区的地应变率场进行了计算。计算结果显示,集集地震前后,台湾地区的应变率场分布格局基本一致,最大主压应变率的最大值位于台湾东部的海岸山脉地区,方向与台湾岛倾斜相交;主压应变由东向西迅速衰减,在中央山脉地区主压应变率小于主张应变率,呈现拉张的应变状态;在台湾西部平原主压应变率很小。同时,计算的主应变率方位与台湾中强地震震源机制解中的P、T轴方向基本一致。最大剪应变率的高值区分布在海岸山脉地区,该地区面膨胀为负,其数值在整个台湾地区为最大;但沿着中央山脉的南北两侧面膨胀率为正值。这些计算结果说明海岸山脉地区是台湾与吕宋弧碰撞的中心地带,碰撞后物质分别向东北和西南两个方向逃逸。集集地震4年后的2003—2005年,最大剪应变率在主震及余震区比震前明显增大,这可能是地震后震源区介质物性变化造成的;同时也说明在这些地区介质还没有完全恢复到主震前的状态。

2020年7月12日河北唐山5.1级地震发震断层判定及其区域构造意义

2020年唐山古冶5.1级地震是唐山地区继1995年古冶M5.0地震以后时隔20多年发生的又一次超过5级的地震,但有关此次地震的发震断层尚无准确判定,这增加了唐山地区未来地震危险区域的判断难度。文中基于唐山地区的构造活动特征分析,结合震后应急科学考察、野外地质地貌调查、区域形变场数据、震源参数和小地震重定位等资料,综合分析得出唐山古冶地震的地表宏观震害呈NE向和NW向十字交叉形态,震害和应力集中区域内只有NW向的抹轴峪断裂为一条中更新世断层,NE向的唐山-古冶断裂是区域最重要的全新世活动断层,且2条共轭断层的性质与唐山古冶地震的震源参数和地震序列重定位结果具有很好的一致性。由于唐山断裂带呈右旋走滑运动且区域主压应力方向为NE—NEE,唐山-古冶断裂在向E扩展过程中受到青龙山复背斜的阻挡,深部资料显示青龙山复背斜是区域物性差异的分界部位,因此综合判定唐山-古冶断裂和抹轴峪断裂为唐山古冶地震的共轭发震断层。唐山古冶地震是华北平原一次典型的中等强度走滑型地震。晚更新世晚期以来,华北平原内的地震以走滑型为主,这是华北克拉通对来自青藏高原向E扩展的远程效应和太平洋、菲律宾板块向W俯冲共同作用下的应变响应。

2022年门源M_(S)6.9地震的同震滑动分布:联合InSAR、GPS和地表位错的贝叶斯建模

2022年1月8日青海省门源M_(S)6.9地震发生于托莱山断裂东段和冷龙岭断裂西段的交汇部位,其运动学特征关系到青藏高原北缘的动力学行为,同时也是区域地震危险性评估中的基础数据.本研究针对该地震,综合InSAR和GPS观测的同震位移场,以及野外地质调查的同震位错数据,采用贝叶斯反演方法,构建同震滑动分布,断层模型采用三角网格更好地刻画断层的不规则几何形态.结果显示,本次左旋走滑型地震的主要滑动发生在冷龙岭断裂西段,深度范围约2~6 km,计算的地震矩为0.95×10^(19)N·m,对应矩震级M_(W)6.65.利用多数据的联合反演解析出,沿走向存在两个滑动集中区,东侧的最大滑动达约4.8 m.震间亏损能量和库仑应力分析表明,托莱山断裂和冷龙岭断裂仍存在未来发震潜能;该地震造成的应力变化,对长期地震空区金强河—毛毛山段落有加载作用,因此,该段未来地震危险性值得关注.

注水诱发地震的研究进展

研究注水诱发地震的特征、发生机理和最大可能震级等对开展诱发地震的预防、危险性评价、减灾策略制定等方面的工作具有重要意义。文章系统地梳理了国内外关于注水诱发地震研究的主要认识和分歧。结果表明:(1)诱发地震的最大可能震级由断层大小和应力状态等地质条件决定,受注水压力和累积注水量等参数的影响;(2)识别诱发地震的可靠方法取决于地震和注水之间的时空相关性,统计模型的参数以及断层活化分析等一系列证据链条;(3)当断层与流体储层之间存在水力连接时,孔隙压力扰动是诱发地震的主要发生机制,反之岩石基质体积变形引起的孔隙弹性应力变化主导了诱发地震的过程。此外,注水诱发的稳定滑动传播到断层的孕震部分、流体的化学作用和小地震级联触发效应也可能在注水诱发地震中发挥重要的作用。研究结果将为注水诱发地震机理研究和减轻破坏性诱发地震灾害提供一定的科学参考。

2022年门源M_(W)6.7地震的同震破裂模型及应力研究

2022年1月8日,青海省门源县发生M_(W)6.7地震。文中运用Sentinel-1A数据,采用InSAR技术获取震区的LOS向形变场,其中最大形变量分别为7.0cm和7.2cm,结合升、降轨卫星的飞行方向,判定发震断层的运动性质以左旋走滑为主,其中最大形变量位于冷龙岭破裂段。此外,以InSAR形变场数据为约束,基于Okada弹性位错模型,厘定了发震断层的几何结构及破裂面的精细滑动分布特征,反演结果揭示出2个断层破裂面。冷龙岭破裂段是滑动主要集中的区域,最大左旋滑动量为3.66m,最大滑动深度为5km;而托莱山断裂处存在1.95m的左旋滑动量,位于5km深度处。判定发震断层为冷龙岭断裂西段,地震同时使托莱山断裂发生破裂。在此基础上,计算了库仑应力变化,结果显示震中300km区域内的库仑应力变化图像呈现走滑型地震特有的四象限分布特征。同时,震中破裂的NW-SE区域和NE-SW端的ΔCFS≥0.01MPa,这些区域后续的地震危险性值得关注。最后,相对于鄂尔多斯块体的GPS速度场显示冷龙岭地区存在一个显著的面应变高值区,未来该区的地震活动性可能持续较强。此外,文中还讨论了2016年和2022年2次门源地震的发震构造特征及发震关系,2次地震整体都是该地区应力积累的一次局部调整,它们都是青藏高原向NE推挤运动的表现。

2023年甘肃积石山M_(S)6.2地震:一次逆冲为主的浅源强震

基于区域数字地震台网波形数据,在三维空间内利用波形拟合反演方法获得2023年12月18日甘肃积石山M_(S)6.2地震最佳震源机制解,结果表明:节面Ⅰ走向305°,倾角56°,滑动角61°;节面Ⅱ为走向169°,倾角43°,滑动角125°;矩震级M_(W)6.02。最佳拟合的空间精细位置为102.377°E,35.968°N,深度9 km。结果显示,地震破裂沿NW方向扩展。初步推断此次地震的发震断层面为节面Ⅱ,发震断层是拉脊山北缘断裂(积石山东缘断裂),是一次逆冲为主,兼少量走滑分量的浅源强震事件。

平原M5.5地震土壤气地球化学特征及成因

2023年8月6日2时33分,山东省德州市平原县发生M5.5地震。文中跨震中布设4条长30km的勘测线,现场测量了土壤气Rn、CO_(2)和Hg浓度。结果表明:1)土壤气浓度表现出明显的空间差异,震中区与4条测线的东、西两端气体浓度相对较高。2)土壤气浓度的空间分布特征在震中及其东部地区相似,但在震中西部差异较大,在西部旧城断裂(F_(3))附近,Rn和CO_(2)的浓度高于震中区,推测应与地震活动和F_(3)控制的鼻状构造有关。3)Rn、CO_(2)和Hg的浓度在陵县-冠县断裂(F_(1))和F_(3)附近出现高值异常,余震自F_(1)向F_(3)发展,结合地质与地球物理研究资料推断,平原M5.5地震应与F_(1)和F_(3)共同作用有关。以上结果表明,气体地球化学方法能较好地指示隐伏断层的位置与展布方向。

华北地区现今地壳运动动力学初步研究

本文基于GPS、断层形变等规测资料,实现华北地区构造运动有限元数值模拟,研究其现今地壳运动及形变动力学机理.结果表明,鄂尔多斯地块、华南地块、东北亚地块等周边构造块体的相对运动基本决定了华北地区现今表面运动及应力场格局.而另一方面,当考虑区域下部岩石层较快速的"拖动"作用时,表面速度场可以得到更好模拟,并同时形成共轭分布的剪应力梯度带.可见太平洋板块的俯冲作用、印-欧板块的碰撞挤压作用等可能造成岩石层深部、浅部运动差异,从而对研究区现今地壳运动产生深刻影响.此外,地形重力作用、断层分布及区域流变结构非均匀性也对现今地壳运动具有一定影响作用,但处于次要地位.

华北盆地强震孕育的动力学机制研究

强震活跃区通常出现在地壳变形剧烈的地区.但是,华北盆地地壳变形速率小,而破坏性强震却十分频繁.文中利用有限元方法对华北盆地发震断层下方可能存在的速度异常体进行了力学分析,计算结果显示:无论这个异常区是低速异常还是高速异常,在水平构造力的作用下(无论是挤压还是引张力作用),应力及应变能密度都在空间某些区域积聚.根据本文的工作及前人的研究结果,认为华北盆地强震孕育的物理机制如下:华北克拉通在减薄、破坏过程中,浸入的岩浆或上涌的地幔物质经过漫长的地质时期演化,成为低速异常体.当断裂带下面存在这种低速异常体时,水平向构造力的作用,会使异常体上方应力集中、应变能积聚.当异常体上方的应力水平达到某种限度,介质发生破坏.在破坏过程中,异常体释放的能量,使断裂带上的应变能集聚速度加快;另一方面,异常体的破坏使断层的闭锁面积减小.随着外部构造应力的持续加载,当发震断层上的应力及能量积累达到一定极限,断层产生错动,发生强震.同时,文中结果还显示,断层在从闭锁、积累能量到解锁、发生强震的过程中,其下方的低速异常体起着重要的推进作用.