2022年门源M_(S)6.9地震前断层活动及应力状态的数值模拟

2022年1月8日门源M_(S)6.9地震是继1986年和2016年2次门源M_(S)6.4地震后,冷龙岭断裂西段再次发生的M_(S)>6强震。为探讨此次门源M_(S)6.9地震前近震区的断层运动、应力状态和强震多发的孕震环境,文中以地震前1991—2015期和2017—2021期GPS速度场作为边界约束,通过建立精细的三维黏弹性有限元动力学模型,计算分析了祁连山构造区在长期的构造运动环境下应力积累的基本格局,区域内断层的长期滑动速率、应力累积速率,以及这些量值在门源M_(S)6.9地震前约5a的变化特征。1991—2015期的计算结果显示:门源M_(S)6.9近震区长期受到NE-SW向挤压和NW-SE向拉张的应力场作用,最大剪应力积累比周围区域快,应力积累整体上以促进NWW向断层的挤压和走滑运动为主;与周围断层段相比,受几何拐折形态影响,冷龙岭断裂西段的滑动速率偏低,断层剪切应力的累积速率较高,发震断层上运动的亏损与应力的快速积累有利于孕育走滑型地震。2017—2021期相对于1991—2015期的增量结果显示,在临近地震约5a的时段内,冷龙岭断裂西段走滑速率进一步减小,断层的剪应力累积速率显著增高,利于促进走滑型地震的发生。冷龙岭断裂西段具有较强的动力学背景和有利的强震发生条件,未来依然存在发生强震的危险。

于田2008年和2014年两次M_S7.3地震孕育的应力环境

2008年3月21日新疆于田发生MS7.3级地震,2014年2月12日于田再次发生MS7.3级地震,两次地震相距约110km.但是,前者震源机制为正断层,后者震源机制为左旋走滑断层.为进一步探讨这两次地震的孕育应力环境、发震机制及其动力学成因,本文进行三维有限元数值试验分析,计算了该区域在GPS约束条件下的速度场、应力和应变场变化,并与实际观测资料进行对比.数值计算得到的区域内几条主要大的走滑断层错动性质,与实际地质观察到的断层左旋或右旋性质吻合,验证了计算结果的可靠性.结果表明于田及其临近区域整体上处于北东—南西向挤压和北西—南东向拉张状态.在GPS速度约束条件下,2008年于田地震震中区域最大主张应变率大于最大主压应变率,处于以拉张为主的应力状态,NE走向断层受到北东—南西方向的拉应力作用,从而形成正断层;2014年于田地震处于拉张应变率与压应变率几乎一致的区域,NEE走向断层在NE-SW主压应力和NW-SE主张应力作用下发生左旋走滑.

华北地区地下水开采对地壳应力的影响

近50年来华北地区遭受持续大面积过量开采地下水,已形成区域地下水漏斗、地面沉降、地陷地裂等地质灾害.然而,地下水的抽取减小了地壳的载荷,造成地壳应力场变化,这一点至今尚未被充分认识.为探索华北地区地下水超采对地壳应力场的影响,本文建立了二维有限元模型,定量计算地下水超采引起地壳变形和应力场变化.结果表明:华北地区地下水开采会引起地表抬升达+12.4cm;漏斗区上、中地壳的水平拉应力增量分别达到70kPa和35kPa;而在地下水开采区外围,水平压应力增量达20kPa;而华北地区构造主压应力积累速率约为0.5kPa·a-1.通过对比华北地区1980年前后5级以上地震的分布状况,本文认为地下水开采对区域构造应力场的扰动不可忽略,其卸载过程可能对华北地区大地震孕震过程存在减缓作用.

青藏高原东北缘海原-六盘山断裂带现今地壳应力环境的数值分析

海原-六盘山断裂是青藏高原东北缘的大型边界断裂带,是中国大陆典型的地震危险区。地壳构造加载特征的定量研究有助于分析区域孕震环境,参考青藏高原东北缘GPS形变和岩石圈精细结构等资料,本文建立海原-六盘山断裂带周缘的三维岩石圈分层模型,分析现今构造加载作用下区域地壳形变和应力演化特征。数值计算结果显示:青藏高原东北缘现今处于以北东-南西向的水平挤压为主导和北西-南东向的水平引张的变形特征。青藏高原东北缘中-下地壳流变性质影响上覆脆性地壳应力环境,中地壳较低粘滞系数对应的模型地壳应力计算值与研究区实际地壳应力场相近。海原断裂中-西段构造加载作用显著,具有相对较高的库仑应力积累和最大剪应力分布;而六盘山断裂周缘地壳应力和最大剪应力小于海原断裂带。构造应力积累的空间分布差异说明六盘山断裂具有较弱的构造孕震环境,而研究区走滑型断裂的孕震加载作用显著。尽管六盘山处于较低的应力状态,但仍不能轻易忽视其长期存在的强震空区所暗示的发震潜力。

青藏高原东缘岩石圈结构对现今地表垂向运动影响的数值分析

参考青藏高原东缘松潘—甘孜地块至四川盆地陡变地形起伏和地壳密度结构的横向差异,本文建立了二维牛顿黏性流体有限元模型,计算分析构造加载、陡变地形和重力效应控制下青藏高原东缘岩石圈变形特征,探讨横向不均匀的地壳密度结构、陡变地形和岩石圈流变性质对区域现今垂向运动的影响.计算结果显示:在构造加载作用下,松潘—甘孜地块至四川盆地地表抬升微弱.区域横向不均匀的地壳密度结构驱使松潘—甘孜地块地壳整体抬升,速率高达2mm·a^(-1),四川盆地整体下沉,速率约1mm·a-1,与龙门山两侧现今观测到的地表垂向变形模式相近.龙门山地区陡变地形驱使柔性地壳流动,调整区域地壳局部变形;岩石圈流变结构影响重力驱动作用下的模型变形量值和岩石圈变形耦合程度,松潘—甘孜地块较低的中地壳黏滞系数引起上、下地壳的变形解耦;模型较高的岩石圈地幔黏滞系数使重力驱动作用下区域垂向变形量降低.因此,青藏高原东缘地壳密度结构差异、地形起伏和岩石圈流变性质是现今区域垂向变形的重要动力学控制因素.

天山北部强震活动对区域应力扰动的分析——以2012年伊犁M6.6地震和2017年精河M6.6地震为例

天山地区为典型地震活跃区,为定量分析该构造活跃区强震对周边构造变形和地震活动的影响,本文基于地震位错理论和岩石圈分层模型计算了天山北部近期发生的2012年伊犁和2017年精河两次M6.6地震对周围地壳形变和应力的影响。计算结果显示伊犁地震和精河M6.6地震引起震中附近地表同震位移达数厘米,地表同震应变量级约为10-7;对比天山北部地区年平均构造形变特征,M6.6强震释放了震中附近近十年的构造主压应变积累;地震引起震中附近(80 km内)同震库仑应力变化大于1 kPa,而距震中较远区域活动断层上库仑应力变化微弱。结合天山北部现今地壳变形特征及区域地震分布,初步推测两次M6.6地震的发生对震后余震有显著的触发作用,而对区域后续微震活动的影响微弱。

拉分盆地形成机制三维数值模拟--以海原断裂带老龙湾盆地为例

拉分盆地是走滑断层系中受拉伸作用形成的断陷盆地.一般在两条平行断层控制下发育.盆地形似菱形,几何形态主要受两条主控走滑断层错距和叠接长度影响.本文以青藏高原东北缘海原断裂带老龙湾拉分盆地第四纪所处的构造环境为基础,参考盆地周围断层几何分布,建立了三维有限元数值模型,模拟该拉分盆地的演化过程;进一步分析了断层力学性质、地壳分层结构等各因素对盆地形成和演化的影响.模拟结果显示,盆地地表沉降伴随有下地壳物质的上涌,此上涌对盆地地表沉降存在阻碍作用.各因素的影响具体表现为：（1）断层力学性质（弹性模量和黏滞系数）越弱,其对构造应力较低的传递效率导致盆地两端差异性运动越明显,从而形成较大的盆地地表沉降和明显的上地壳减薄.（2）平行主控断层的叠接长度反映盆地形成的拉伸作用范围,叠接长度越大,相同的差异性运动在单位面积形成的拉伸应力越小,盆地地表沉降较小.（3）下地壳流变性影响其物质的上涌量,下地壳黏滞系数越小,其对上部拉伸作用的响应越明显,上涌量越大,此上涌对上地壳沉降形成的阻碍作用也越明显.根据老龙湾拉分盆地所处的构造格局,将平行断层的叠接长度取20km,当断层黏滞系数取值为周围基岩的1/10,参考该盆地第四纪构造演化历史,模拟得到的盆地第四纪下沉量与盆地内第四系沉积层厚度在规模上近似,下地壳黏滞系数取值在（2.5～5.0）×10^21 Pa·s范围内时,盆地下沉量模拟结果与老龙湾拉分盆地第四系地层厚度吻合较好.

钻孔应变观测同震阶变时的一个问题及对策分析

针对分量式钻孔仪记录同震应变阶跃时常出现的ΔεⅠ+ΔεⅢ与ΔεⅡ+ΔεⅣ观测值不等,无法自检,且观测到的应变/应力阶跃大于理论计算值等现象,利用有限元方法计算分析可能的原因,建立不同围压和地震波应力扰动条件下的多种模型,运用各向同性"杀死单元"和横向各向同性"杀伤单元"法,模拟分量式钻孔仪的金属外壁和固结水泥环之间产生张裂隙或剪切滑动的情况。计算结果显示,若钻孔内的金属圆筒和水泥环之间发生剪切滑动,基本不会影响到观测;然而两者之间发生张裂会使得ΔεⅠ+ΔεⅢ与ΔεⅡ+ΔεⅣ出现较大差异,严重影响到同震阶变的观测。今后在井下安置探头时应该尝试新的改进方法。

巴颜喀拉块体东缘形变及九寨沟地震孕震环境数值分析

2017年8月8日四川发生九寨沟M7.0地震,是继2008年汶川M8.0地震后发生在巴颜喀拉块体东部的又一强震.现今GPS速度观测数据显示,2008年汶川地震前后的1999-2007年和2011-2016年两个时间段内巴颜喀拉块体东部地表速度场存在明显的差异.本文以实际GPS速度观测资料为约束,构建三维有限元地球动力学模型,分别计算分析了两个时段内震源区及周边现今地壳形变、弹性应变能和应力积累特征,进一步探讨汶川地震的发生对九寨沟地区变形及应力的影响.数值模拟结果显示,汶川地震之后(2011-2016年)巴颜喀拉块体东部的地壳形变、弹性应变能积累及应力积累速率均明显大于震前,增加量值达1.5-3倍;九寨沟地震发震断裂上库仑应力增长率在1999-2007年约为0.7 kPa·a^(-1),2011-2016年间增至1.2 kPa·a^(-1).上述结果表明,现今巴颜喀拉块体东部地壳应力积累过程有利于左旋走滑型九寨沟地震的发生,汶川地震的发生调整了区域应力状态,加速了九寨沟地震的孕育过程.

从多地震活动参数角度定量分析芦山地震的背景活动性

2013年4月20日龙门山断裂带南段发生Ms7.0级芦山地震,通过计算多个地震活动参数,定量分析芦山地震发生的背景地震活动性及与汶川地震的关联性.结果表明:1)历史记载龙门山断裂南段仅有3次6.0级以上强震,存在地震空区的历史地震背景;2)通过a值分析可知,芦山地震发生前30年背景地震活动性较高;3)分析汶川地震前后b值的空间分布差异,发现龙门山断裂南段在汶川地震后仅部分区域b值下降,应力增强,芦山地震发生在b值明显下降区.

天山造山带及邻区孕震应力场及断裂带活动性特征的数值实验分析

天山造山带构造环境复杂,活动断裂带和强震分布广泛,且主要分布于阿尔泰山、天山、西昆仑—帕米尔弧形构造带上,尤以天山地区最为集中.迄今为止,天山造山带地区的主要断裂带的活动特征与孕震应力场特征之间的动力学机理尚未有清晰的认识.本文以GPS等实际观测数据为约束,建立有限元数值模型,计算了研究区域地壳形变、应力/应变积累速率、弹性应变能密度以及库仑应力变化率等关键因素.模拟计算结果显示地表速度场与研究区域实际GPS观测值基本一致,且主要断裂带上弹性应变能密度分布与实际地震活动性也基本吻合,验证了数值模型和结果的可靠性.结合最新的观测和数值模拟结果分析发现,研究区的断层和地震活动性主要受控于近南北向的主压应力,与主要观测特征相一致.同时,帕米尔高原北部边界带—塔什库尔干断裂(TKF)、天山造山带南边界的东侧—迈丹断裂(MDF)、兴地断裂(XDF)库仑应力增大明显,在未来强震发生的可能性较高,应予密切关注.

GPS观测结果反映的南迦巴瓦地区地壳形变特征

本文将南迦巴瓦构造结地区(经度:88~104°E、纬度:20~34°N)共400多个GPS站点的速度资料通过球面相似变换,归化到"印度板块整体固定"参考框架下,整合后的GPS站点速度矢量通过选用印度板块上相对稳定的21个IGS站点(BELP、ISRR、MABU、DHAR、IITB、UDAI、DELH、BHOP、KODI、BAN2、PLNI、IISC、CHEN、MANP、HYDE、IITK、LUCK、BHUP、BHUB、DHAN、DURG)构建形成(Jade et al.,2017)。GPS站点速度资料以“中国地壳运动观测网络”GPS站点资料为主,并汇集了近年来在南迦巴瓦地区的GPS站点资料,包括Jade等(2017)、Zheng等(2017)、Gupta等(2015)、Kreemer等(2014)、Liang等(2013)、Banerjee等(2008)和Gan等(2007)。

长江经济带中-东部地区地壳形变数值分析

长江经济带是具有全球影响力的内河经济带,也是我国综合实力最强最大的区域之一.长江经济带中-东部地块构造相对稳定,但仍存在一些可能造成潜在威胁的活动断裂.随着我国大陆环境监测网络工程实施,华南地区已开展了大量GPS速度场观测工作.据此,本文选取长江经济带中东部区域为主要研究对象,基于活动构造、深部地球物理和现今GPS速度场等资料,建立长江经济带地区三维有限元数值地质模型.以GPS速度观测数据为约束,计算长江经济带在现今构造驱动下的区域应变和应力场,进而分析和探讨在构造加载下长江经济带中东部现今地壳变形趋势,初步评估了区域地震危险性.研究结果初步显示该区域应变率积累量级约为10^(-9)/a,主要活动断层上库仑应力增加约50～200 Pa/a,说明长江经济区构造变形和应力积累过程相对微弱,处于构造相对稳定的状态.