汶川地震前龙门山断裂带闭锁程度和滑动亏损分布研究

利用1999—2007期GPS水平速度场数据,采用Defnode负位错反演程序估算了龙门山断裂在汶川地震前的闭锁程度和滑动亏损分布,结合龙门山断裂带附近地表水平应变率场结果,综合分析了震前地壳变形特征.反演结果表明,震前龙门山断裂中北段处于完全闭锁状态,闭锁深度达到21km(闭锁比例0.99)左右,垂直断层方向的挤压滑动亏损速率约为2.2mm/a,平行断层方向的右旋滑动亏损速率约为4.6mm/a.龙门山断裂南段只有地表以下12km闭锁程度较高(闭锁比例0.99),垂直断层方向滑动亏损速率约为1.4mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为4.6mm/a;在12～16km处闭锁比例约为0.83,垂直断层方向滑动亏损速率约为1.2mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为3.8mm/a;在16～21km处闭锁比例约为0.75,垂直断层方向滑动亏损速率约为1.1mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为3.5mm/a.在21～24km处整条断裂均逐步转变为蠕滑.上述反演结果与区域应变计算获得的龙门山断裂带中北段整体应变积累速率较低、南段应变积累速率较高相一致,均表明中北段闭锁程度高、南段闭锁程度稍低,该特征可以较好地解释汶川地震时从震中向北东向单向破裂现象.

基于GPS速度场变化结果研究汶川地震前后南北地震带地壳运动动态特征

本文针对制约多期GPS速度场动态演化特征分析的关键问题,提出速度场稳定基准选取中顾及基准偏移的影响,给出了改进拟准检定(QUAD)初选指标的方法,有效解决多期速度场的基准偏移对粗差剔除的影响.并在此基础上通过对1999—2013年南北地震带地区多期GPS速度场做以华南地块为统一参考基准的处理、最小二乘配置统一协方差参数估算,获取了南北带地区多期GPS速度场的网格化结果.结果显示:(1)汶川地震影响在震后迅速衰减;震前2004—2007年及2007—2009年相对于1999—2004年南北地震带地区中北部地区存在大范围的北东向运动增强.(2)2007—2009年相对于2004—2007年的速度场差值变化图像显示,这期间汶川地震的调整影响范围较大,鲜水河左旋剪切有所减弱,龙门山南段应变积累增强.(3)川滇块体南东向的挤出滑移在2011—2013年相对2009—2011年有所增强.

基于GPS观测研究2010年青海玉树MS7.1地震震后地壳形变特征及其机制

2010年4月14日青海玉树MS7.1地震发生在青藏高原东南部甘孜—玉树地震带,在震后7～10天内,我们快速建立了由15个GPS测站组成的跨地震破裂带观测剖面,包括1个连续站,3个半连续站和11个流动站,对所有站进行了240多天的观测,获取了该次地震的震后形变时空特征.采用欧拉矢量和位错模型解算了背景速度场,并从GPS观测的形变场中扣除该分量.采用分层黏弹性位错模型计算余震引起的地表形变,结果表明余震对部分测站的位移造成不可忽视的影响.采用对数模型拟合位移时间序列,表明特征衰减时间为6.7±1.2天.利用最速下降法反演震后余滑时空分布,反演结果表明震后断层活动以左旋滑动为主,断层南盘具有少量的抬升.在空间分布上,余滑主要位于同震破裂区的两侧,西北侧的余滑几乎达到地表,而东南区的余滑基本在同震破裂区的下方,余滑最大的区域位于结古镇东南下方10～20km的深度范围.随着震后离逝时间的增加,2个余滑区在空间上保持不变,余滑区的面积逐渐扩大.余滑的矩释放为（1.5～5.1）×10^18 Nm,相当于1个MW6.1～6.4地震释放的能量.分层岩石圈黏弹性模型计算的地壳孔隙弹性反弹形变与地表观测值相差较大,不能解释观测到的震后变形.采用麦克斯维尔流变体模型计算下地壳和上地幔松弛引起的地表形变,显示出其对地表形变的贡献较小.GPS观测得到的震后形变所具有的快速衰减特征,以及余滑模型能够较好地拟合GPS地表形变,表明2010年玉树MS7.1地震后早期阶段的地壳形变主要是由余滑机制决定的.

速度-状态摩擦本构定律及其在地震断层中的应用研究进展

本文首先回顾了速度—状态摩擦本构定律的发展历程,给出了其基本形式,并对本构参数的计算、在实际断层中应用所涉及的尺度问题等进行了介绍.其次,基于数值模拟速度步长试验和滑动—控制—滑动试验,比较分析了不同形式本构定律的适用情况.再次,对速度-状态摩擦本构定律的实际应用研究进展进行了介绍,包括稳定性分析、愈合与应力降性质、震后余滑和断层的流变性质等方面.之后,介绍了该摩擦本构定律在各国的研究进展.最后,综合分析了目前使用的本构定律存在的问题以及下一步可能的进展.

联合GPS和GRACE观测研究日本M_W9.0地震震后变形机制

利用GPS和GRACE观测数据研究了日本M_W9.0地震的震后变形特征.GPS观测显示,区域震后位移呈现随指数函数变化特征,变化速率符合大森公式的衰减特性;近五年的震后水平位移累积已达到东向60~165cm,南向20~65cm的量值,距震中较远站点已超过同震变化量,且震后变形仍然持续.GRACE观测到显著的震后重力变化,地震破裂两侧的重力变化总体均呈上升趋势,但海洋侧的变化速率较快.联合震后余滑和黏弹性位错理论对震后变形进行了模拟,探索了GPS和GRACE观测的综合应用方法.研究发现,综合考虑震后余滑和黏滞性松弛效应可以对日本地震的震后变形做出较合理的解释,震后初期余滑起主要作用,1至2年以后逐渐减弱,黏滞性松弛作用逐渐增强.在震后变形模拟和区域黏滞性结构反演中形成GPS和GRACE观测结合应用的方法,先基于震后GPS形变估算区域黏滞性结构,而后利用GRACE观测修正深部的黏滞系数,并综合利用这两种观测微调浅层黏滞系数,最终确定区域黏滞性结构.基于该方法反演了日本震源区的地幔黏滞性结构,地震断层破裂两侧的流变参数存在差异,大陆侧的地幔顶层黏滞系数在1.0×10^(19) Pa·s量级,而海洋侧的则略小于大陆的,在6.0×10^(18) Pa·s量级.

川滇交界东段昭通、莲峰断裂带的地震危险背景

川滇交界东段NE向昭通、莲峰断裂带的研究程度较低.为了了解该断裂带是否存在发生强震/大地震的危险背景,我们基于区域活动构造与动力学、重新定位的小震分布和震源机制解、历史地震破裂区、GPS形变场、现代地震活动及其参数图像等多学科的信息进行综合研究.结果表明:昭通、莲峰断裂带是川滇-华南活动块体/地块边界带的一部分,也是活动及变形的大凉山次级块体与相对稳定的华南地块之间的边界带;结构上表现为2个平行展布、朝南东推覆的断裂带,现今运动为带有显著逆冲分量的右旋走滑性质.沿昭通断裂带无大地震的时间至少为1700余年,目前存在地震空区.GPS变形图像反映昭通、莲峰断裂带已不同程度闭锁.另外,昭通断裂带的鲁甸附近以及莲峰断裂带的南段分别存在异常低b值区或高应力区.已由低b值区和小震空白区识别出昭通断裂带上的鲁甸—彝良之间存在高应力闭锁段,并估计出其潜在地震的最大矩震级为MW7.4.本研究因此认为昭通断裂带存在发生强震/大地震的中-长期危险背景,而莲峰断裂带的危险性还需进一步研究.

2015年尼泊尔M_S8.1地震的地壳重力均衡背景与地表形变响应特征

对2015年尼泊尔MS8.1地震的地壳均衡背景及其引起的地表形变特征进行了研究,结果表明：（1）尼泊尔MS8.1地震震中以南的印度板块岩石圈有效弹性厚度大约为9km,加载主要来自地幔;地震以北的拉萨地块岩石圈有效弹性厚度大约为2km,加载主要来自地表.（2）尼泊尔MS8.1地震震中以南地区的地壳均衡异常大约为-100mGal（10-5 m·s-2）,但其北部的地壳均衡异常则为300~400mGal,尼泊尔MS8.1地震发生在地壳均衡负异常向正异常过渡的高梯度带上.（3）尼泊尔MS8.1地震使震中周围地区的地壳整体向南运动,最大水平位移超过1.5m,分布在震中东南.震中以北的同震垂向位移总体为负值,最大下降幅度超过0.5m,同震重力变化总体为正值,最大超过60μGal（10-8 m·s-2）;震中以南的垂向位移总体为正值,最大升幅超过0.7m,同震重力变化总体为负值,最大降幅超过-120μGal.（4）尼泊尔MS8.1地震使＂世界屋脊＂喜马拉雅山脉产生沉降,最大同震降幅超过120mm,震后松弛效应将使＂世界屋脊＂持续缓慢下降.该强震使世界最高峰珠穆朗玛峰降低了2~3mm,有可能被GPS、InSAR等现代大地测量工具检测到.

汶川、芦山地震前龙门山断裂带地壳形变特征对比分析

为研究2008年汶川地震和2013年芦山地震前地壳形变特征,本文利用1999—2015年四期GPS速度场和1990—2017年跨断层短水准资料,对跨断层GPS速度剖面、GPS应变率场、断层闭锁程度和滑动亏损、跨断层年均垂直变化速率等进行了分析讨论,总结了汶川和芦山地震前后龙门山断裂带三维地壳变形演化特征。结果表明,汶川地震前龙门山断裂带中、北段处于强闭锁状态、断层面应力应变积累水平很高,而龙门山断裂带西南段闭锁较弱、变形速率明显高于中北段、依然可以积累应力应变,汶川地震震源位于闭锁相对弱的部位,这可能是导致汶川地震自初始破裂点沿龙门山断裂带向北东方向单侧破裂,而震中西南方向断层并没有发生破裂的原因之一。汶川地震的发生引起龙门山断裂带西南段应力应变积累速率加快、断层闭锁程度增强、闭锁面积增大,这在一定程度上促进了芦山地震的发生,而芦山地震震源位于汶川地震前强闭锁和弱闭锁的高梯度过渡部位。因为芦山地震只释放了龙门山断裂带西南段有限的应变能,并没有显著缓解该段的地震危险性,所以汶川和芦山地震之间的地震空段以及芦山地震西南方向的地震空段,依然需要持续关注。此外,本文还收集和对比分析了多次6～9级地震前地壳变形特征,同样显示地震成核于闭锁高梯度带区域而非完全闭锁区域内部,并且随着震级升高闭锁断层面的长度也在增大,这一现象还需在高分辨率形变数据的帮助下进行深入研究和分析。

汶川M_S8.0地震前后龙门山断裂带CO和CH_4排气增强

利用卫星高光谱数据研究了汶川地震前后震中周围及沿断裂带相同面积区域的CO和CH_4总量的变化和相关程度。结果表明:(1)龙门山断裂带地区常年有地下气体沿断裂带向大气中释放,CO沿断裂带释放,受构造控制明显,而CH_4除了受构造控制影响外,还受川西地区地下天然气的弥漫式扩散影响;(2)汶川地震的发生促进了地下气体的释放,汶川地震前约1.5个月至震后3个月左右有大量的地下CO和CH_4气体沿龙门山断裂带释放到大气中,并且距离震中越近,排气量越大。研究结果对地震监测、地气交换和环境地球化学监测有重要意义。

2011年日本M_W9.0地震震后形变机制与震源区总体构造特征

本文利用较为完备的球体位错理论,结合4.5年的震后位移数据,优化了2011年日本M_w9.0地震震源区岩石圈弹性层厚度与地幔黏滞性因子,更新了该强震断层余滑时空演化过程.首先,基于日本列岛215个均匀分布的GPS连续观测站震前2年与震后4.5年的观测数据,提取了2011年日本M_w9.0地震引起的震后位移时空变化;接着,依据断层余滑衰减相对较快的特点,利用黏弹性球体位错理论对震后3~4.5年的GPS观测数据进行反复拟合,确定2011年日本M_w9.0地震震源区地幔黏滞性系数和岩石圈弹性层厚度的最优解分别为6×10^(18)Pa·s和30 km;然后,从震后3年内GPS观测数据中剔除地幔黏滞性松弛效应,获取了断层余滑对应的震后位移场;最后,利用基于球体位错理论的反演算法,反演了2011年日本M_w9.0地震断层余滑的时空演化过程.结果表明,2011年日本M_w9.0地震引起的断层余滑在震后半年内变化显著,震后2年主震区域余滑基本停止,断层的两端存在一定的余滑效应,断层余滑的累计矩震级达到8.59;地震后4年,地幔黏滞性松弛效应对震后位移场的贡献在总体上超过断层余滑的贡献.

2014年鲁甸6.5级地震GPS同震位移及反演分析

本文综合GPS流动和连续观测结果,并利用最速下降法(SDM)反演方法,给出并分析了2014年鲁甸6.5级地震同震位移、断层面滑动位移分布特征.GPS同震位移结果表明:此次地震沿北西方向表现出左旋应变释放特征、沿北东向表现出拉张应变释放的同震特征,并且随着离开断裂带距离的增加,拉张变形衰减;受包谷垴—小河断裂控制的左旋剪切应变释放的位移在莲峰、昭通—鲁甸断裂附近较弱,说明该断裂可能没有完全切割昭通—鲁甸断裂,不属于该区域主干断裂;昭通—鲁甸断裂带有一定的右旋应变释放,而逆冲应变释放不明显,表明该断裂带处于受南东向挤压的强闭锁状态.SDM反演结果表明,鲁甸地震以左旋走滑为主并兼有拉张性质,地震矩震级为MW6.3左右.综上所述,并结合其他研究成果,我们认为莲峰、昭通—鲁甸断裂带仍存在强震危险性.

1976年唐山M_S7.8地震同震及现今形变特征

基于1976年唐山M_S7.8地震的同震位移和现今GPS速度结果,本文分析了该地震的同震破裂参数、同震应变释放分布及其现今应变积累特征.对唐山同震位移二维位错解析公式的拟合结果显示,唐山地震前的断层闭锁深度约为18—23km,断层倾角可能介于74°—90°之间,同震位错量约为3.1—3.4m.在同震过程中沿发震断层表现出显著的右旋错动特征,在发震断层两侧沿NE向表现出左旋应变释放特征.在本文现有的GPS测站密度和精度情况下,尚无法识别出现今阶段沿唐山断裂的明显蠕滑特征.唐山同震应变释放和现今GPS应变率积累结果均显示,唐山断裂SE侧的剪切形变(速率)量值大于其NW侧,同震与现今阶段的形变量值相差约1 000倍.

基于GPS、水准和强震动观测资料联合反演2013年芦山7.0级地震同震滑动分布

为了更好理解2013年四川芦山MS7.0级地震的发生过程及其与发震构造和地表多种观测资料的动力学关联,本文综合重新定位的余震分布与地质、地球物理信息构建3D发震构造模型,采用水平层状介质模型,并以震区GPS、水准、强震动等同震位移/形变观测资料为约束,联合反演了芦山主震的同震滑动分布.其中,断层解译结果表明震源区包含5条相关断层F1—F5,通过对所有可能的断层组合模型进行反演分析,显示采用F1＋F3＋F4＋F5的组合模型反演效果相对最好,是最可能的发震断层模型.反演得到的芦山主震矩震级为MW6.5,其中同震滑动主要分布在NW倾的主断层F1的断坡周围,最大值为0.86m,滑动角92.88°,纯逆冲型;F1上方反倾的次级断层F3上最大滑动量为0.37m,滑动角119.92°,表现出以逆冲为主兼右滑的斜向反冲作用;而沿另一条反倾的次级断层F4的最大滑动量为0.40m,滑动角97.98°,几乎为纯逆冲作用.此外,震区还存在一个NW缓倾深度为5-8km的浅部滑脱面F5,它分隔了浅部沉积盖层与深部变质基底,限制了其下方F1、F3及F4等断层的同震破裂继续向更浅部扩展.主震时深部F1和F3断层夹持的冲起构造发生了上冲运动,除了使浅层和地表产生响应运动及变形外,还引起冲起构造顶面即F5底面的NE段和SW段分别产生了NE和SWW向调节滑动,最大值0.25m.总之,基于文中构建的F1＋F3＋F4＋F5的发震断层模型,反演结果能很好拟合地表多种观测资料,还能解释地表GPS观测的同震＂左旋＂运动与地震学观测的震源断层逆冲运动的＂不协调性＂.

苏门答腊2004、2005年两次大地震前后CO和O3遥感信息

利用卫星遥感数据提取了苏门答腊2004年12月和2005年3月两次8级以上地震前后震中及其附近CO和O3总量随时间变化的信息,并讨论了CO、O3气体异常与两次大地震之间的关系。AIRS高光谱遥感数据信息提取结果表明,CO总量和O3总量分别在2004年12月26日Ms 8.9地震前约4个月和8个月出现了异常;在异常时段CO总量的标准偏差增大。CO总量与O3总量均在2005年3月28日Ms 8.6地震前约2个月出现异常。两次大地震前后遥感信息异常与地震活动对应较好,这可以归因为孕震应力场作用下地下气体的逸散及其与大气气体组分发生的化学反应。研究结果对利用卫星高光谱分辨率遥感数据提取地震气体地球化学异常信息及其在地震监测中的应用具有重要意义。

苏门答腊两次M>8.0地震前后CO和O_3卫星遥感气体地球化学异常与地面验证

利用印度尼西亚Bukit Koto Tabang(BKT)观测站的地面和大气红外探测仪(AIRS)卫星观测数据,分别提取了该观测站2004年和2005年苏门答腊两次M>8.0地震前后地面和卫星观测所获得的CO总量、近地面(1 000 hPa)CO体积分数和O3总量的高光谱气体地球化学信息,对BKT台站附近卫星观测数据和地面观测数据进行了相互验证。结果表明两次大地震前卫星和地面观测均捕获到了CO和O3异常,其中卫星观测获得的CO总量和CO体积分数与地面测得的CO浓度呈强正相关,相关系数分别为0.83和0.75,表明CO浓度异常可能主要源于孕震过程中地下逸出的气体,大气中的化学反应对CO异常的贡献次之。O3卫星观测结果与地面观测结果也呈正相关关系(r=0.49),地震前O3异常可能主要归因于地震前地下逸出的气体在大气中的化学反应。地面观测的CO和O3浓度在两次地震前标准偏差变大,且CO和O3浓度变化与分别以地面观测站和地震震中为中心从卫星数据提取的气体浓度与地面观测数据变化趋势一致。研究结果丰富了利用高光谱卫星数据提取地震前后气体地球化学异常信息的方法。

十三陵地震台gPhone重力仪的仪器性能与水文响应分析

对安置于十三陵地震台的两台gPhone重力仪（109、118号）在2013-04~08的连续观测数据进行潮汐分析和提取重力残差处理。结果表明,gPhone重力仪监测到降水导致μGal量级的重力变化;gPhone重力仪获取的二阶重力残差变化与距离十三陵地震台15km的沙河地震台静水位变化之间存在4d左右延迟的正相关对应关系,显示了地下水位观测对重力观测解释的必要性。因此,有必要对我国的连续重力观测网补充地下水位观测,提高连续重力观测的数据处理精度。

利用GRACE卫星数据提取苏门答腊地震同震和震后重力变化

基于GRACE重力卫星数据,采用P3M6去相关滤波技术、350km半径的高斯平滑技术与差分方法,提取2004年苏门答腊Mw9.3地震的同震和震后重力场时空演化过程。该地震断层下盘同震重力变化达到4.6μGal,上盘同震重力变化最大值为-8.3μGal,该结果与球体位错理论计算结果在量级和分布形态上具有较好的一致性。震后7a断层下盘重力变化累计达到5.6μGal,超过同震变化信号;而断层上盘震后重力变化只有0.6μGal,仅为同震变化信号的11%。该现象表明,断层下盘所在海洋地层的粘滞性较低,地层相对柔软,其地层在震后由于较大的粘滞性松弛效应而持续变形,并伴随较大的重力变化;而断层上盘所在的地层接近陆地地壳特性,地层相对脆硬,震后受地层的粘滞性响应而导致的重力变化相对较小。

汶川地震断裂带岩脉矿物拉曼谱峰特征

对汶川地震断裂带深溪沟出露的基岩错动面两侧岩脉中的石英矿物进行了拉曼谱峰测定,并根据所测石英的464cm-1拉曼谱峰向高波数的偏移量估算了断裂带中的压应力分布。测试结果表明,错动面附近岩脉中石英的464cm-1拉曼谱峰向高波数偏移量为3.29cm-1,相应的压应力值为368.63 MPa,明显低于错动面两侧应力积累,这可能是由于错动面的多次活动导致了应力不断得到释放。断裂南东盘(下盘)远离错动面,岩脉中石英的464cm-1拉曼谱峰向高波数偏移量具有增加的趋势,相应的应力积累也逐渐增强,距错动面21m处的石英样品的464cm-1拉曼谱峰向高波数偏移4.40cm-1,相应压应力可达到494.77MPa。剖面北西盘(上盘)在距错动面10m处,样品464cm-1拉曼谱峰的偏移量达到最大值,相应的应力积累为519.87 MPa,其后远离错动面应力积累开始减弱,在北西盘17 m处,应力积累骤然下降至400.37MPa。在西北盘距错动面27m处,岩脉石英的464cm-1拉曼谱峰向高波数偏移量下降至3.21cm-1,应力已经减弱到359.59 MPa,这可能是由于该处位于断裂带的边缘,远离错动面,受到了较小的断层活动的影响。因此,汶川地震断裂带内的应力虽然得到部分释放,但剩余的应力分布并不均匀,而且在局部还存在较高的应力积累,这反应了断裂带中岩石的力学性质在空间上具有不均匀性。

2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗MS5.8地震前后CH4和CO变化

基于卫星高光谱数据讨论鄂尔多斯西缘CH4和CO气体背景场特征和2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗MS5.8地震前后气体异常变化。结果表明,CH4和CO气体总量在时间上均存在显著的季节变化,空间分布上受构造地质背景、地形地貌影响,高值区位于银川、吉兰泰、河套断陷盆地。2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗MS5.8地震当月,CH4异常沿鄂尔多斯西缘断裂带呈线性展布,地震前1周左右,震中两侧油气田出现CH4异常,异常幅度达到6倍标准偏差,与地震引起附近油气田CH4逸出增加有关;CO异常空间分布与CH4基本一致,时间上滞后CH4异常1周左右,持续2周左右后消失。CH4和CO关系密切,CO异常部分源自CH4氧化。

遥感气体探测技术在地震监测中的应用

扼要介绍了卫星高光谱红外大气遥感的原理,气体组分探测技术、反演技术和研究应用的发展历程,着重介绍了该技术在地震监测中的研究应用。遥感气体地球化学在地震监测方面的应用大致可以分为间接观测和直接观测2个方面:1利用卫星红外遥感间接监测地震断裂带脱气;2利用卫星探测大气成分的传感器直接监测地震前后的气体地球化学异常。通过分析地下气体逸散引起的物理化学异常与地震活动的关系,提取地震气体地球化学信息。介绍了典型震例的气体地球化学异常特征及其可能的形成机理,提出了存在的问题以及未来的研究重点。