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断层摩擦滑动与地震 精选

已有 7172 次阅读 2013-6-1 00:29 |个人分类:学术观点|系统分类:科普集锦| 地震

 

首先思考的是为什么我们对一些地震曾做过不同程度的预测,而对另一些地震的来临又感到突然呢?就拿1966~1976年间在我国西南地区发生过的5次破坏性地震来说吧,1970年通海地震发生在平行红河断裂带的一条曲江断层上,1973年炉霍地震发生在与之近于平行的鲜水河断裂带上。这两次地震事先没有觉察就发生了。1976年先后发生了龙陵地震、松潘地震与盐源-宁浪地震,这三次地震事先都发生了一些异常现象,引起了警觉,且做了不同程度的预报。进一步分析,发现这五次地震发生的构造条件不同。前面两个地震发生在大型的断裂带上,后面三个地震发生在规模要小得多的断层上。同样,发生在华北的两次大地震,情况也不同。海城地震前有大量的异常而且有丰富的前震,而唐山地震前半年内邻近震中的较大范围内连2级地震都没有发生。由此,人们不能不考虑到地震存在不同的类型。

国内外学者对地震机理的认识也有一个过程。最早人们认识到地震与岩石的破裂有关。1967年美国学者Brace和Byerlee在实验室观察到含平整切口的岩石在高压下的摩擦滑动中出现规则的粘滑现象。这是一种准周期发生的失稳错动,他们认为地震的发生取决于断层稳定性,而不是取决于岩石的强度。中国学者也在实验中提出失稳的前提是匀阻,即断层上的摩擦阻力趋于一致后发生失稳。一些学者用岩石破坏过程中声发射的分布证明了失稳前的匀阻过程,而最终的大地震与匀阻后的失稳有关。

目前,有关断层摩擦滑动,无论在理论还是实验,都取得了很大进展。断层摩擦滑动已经不局限于粘滑、稳滑二元划分了,而是基于速度状态摩擦本构方程,确定断层摩擦滑动的速度依赖性。如果摩擦强度随断层滑动速度增加而降低,被称为速度弱化,断层一定是不稳定滑动,地震成核,但地震的大小无法确定。如果摩擦强度随断层滑动速度增加而增大,被称为速度强化,断层一定是稳定滑动,也就不会有地震发生。

 

中国地震局地质研究所构造物理实验室根据实验结果把地震失稳归纳为三种类型:主要由岩石破裂引起的失稳,称之为破裂型地震;由断层不稳定滑动而形成的地震,称之为粘滑型地震;由不连续断层贯通后粘滑失稳而形成的地震,称之为混合型地震。实验证明这三类地震的机制不同,发生前可能的异常现象也不同。第一种地震即破裂型地震,这种地震应变能往往消耗在一定范围内岩石的破裂中,因此震级往往不大,但发生前可以观测到大量的异常。有人很形象地说这种地震是“雷声大,雨点小”,易于高估未来地震的震级,造成虚报;第二种粘滑型地震,其应变能集中于断层的失稳错动,因此往往震级大,地震前虽也有异常,但是可觉察的异常很弱,而且异常出现得较晚,目前的技术水平难以把握这种前兆,容易造成漏报;第三种混合型地震在其发生过程中既包括了断层贯通过程中岩石的破裂,也包括沿已贯通了的断层发生失稳错动。此类地震震级大,且有前兆,是既有预报意义,又有预报可能性的地震。但想预报这类地震也有很大的难度,最大的困难是发震地点不好判断。

说到这里,我们只提到地震前有无异常,还未涉及到异常出现在哪里以及它们与未来地震发生地点的空间关系问题。1976年唐山7.8级地震给了我们严重的教训。地震发生前北京地区曾发现有8大异常,唐山附近的现象却不那么显著。当人们把注意力集中到北京附近时,却在唐山发生了强烈地震。一些地震工作者不得不感叹地震也会“声东击西”。后来大量震例中也经常出现此种现象,给未来地震的地点预测带来了困难,如1976年松潘地震前大量异常出现在龙门山断裂带,大震却发生在北部山区;1996年丽江地震的异常分布范围也很广,不易判断震中将在何处。这种地震前出现明显异常的地区与未来震中区明显偏离的现象被称为前兆偏离,于是研究异常与未来震中的位置关系成为摆在地震工作者面前的一个新任务。

研究中发现,一个区域在变形过程中,所有的相关部位,包括震中区与外围区均参加变形,但是,由于不同构造部位在变形中所起的作用不同,变形形式不同,因而,异常表现也就不同。一些异常类型是易于察觉的,如地震活动性增强,断层位移加剧,以及水位变化等;另一些也是异常,如地震活动平静、断层闭锁等,但它们是不易察觉的。

由于地震发生在地下深处,地下的构造情况有很多地方并不十分清楚。观测点稀疏、台站建立时间短、震例资料少等等都给这方面的研究工作带来困难,使我们对这些震例的了解,不论在时间上还是在空间上均是残缺的。为了克服野外观测中遇到的上述困难,了解地震的孕育过程及周围异常点的时空演化过程,找出未来震中与异常空间分布上的规律,中国地震局地质研究所构造物理实验室结合野外地震观测的项目,在实验室建立了一套多通道、高分辨率、宽频域、数字化的动态观测记录系统。该系统可联结多种传感器,用于多参数物理场的同步动态观测。其中包括低频连续信号观测系统及高频瞬态信号观测系统。前者可以测量应变场、沿断层带的位移分布、轴向载荷、轴向位移以及横向载荷等物理量;后者可以测量声发射与波动场。这个系统能够记录并以图像方式重现物理场的动态过程,从中获得前兆信息。与此同时,实验室还研制了双向、三向伺服压机,以便研究含不同构造组合的标本的变形破坏过程。这些设备大大拓宽了利用实验室手段研究地震的能力。于是实验室内外的专家纷纷设计各种构造组合模型,利用这套实验系统来研究自己想要解决的问题,结合前兆偏离就曾做过一系列的模型。

大量实验结果表明,完整岩石的破裂与断层摩擦滑动在力学特性与声发射并不完全相同。断层滑动分为稳滑与粘滑,只有粘滑才被认为是发生地震的原因。同样是断层摩擦滑动,与单断层相比,2条断层相互作用,其摩擦滑动行为、声发射的时间与空间分布等,要明显复杂的多。断层交叉、拐点等,都会影响断层相互作用,从而影响声发射分布规律(地震发生的时间、地点,主震前的微震或前兆等)。

例如,一个含5°拐折断层模型就分布了几个起不同作用的构造单元:制动(闭锁)单元是断层上正应力大的段落,在变形中承担了阻碍断层运动和协助积累应力的作用;让位单元是断层上正应力小的段落,起着协调变形的作用;错动单元是断层上较平直的段落,该处能产生快速错动,往往是大地震发生的部位;阀单元是最大剪应力积累区,该处积累的应变能促进错动单元的快速错动;敏感单元为对断层错动反应灵敏的部位,区域变形情况往往通过这个单元表现出来。

敏感单元往往位于应力状态变化复杂的构造部位,如拐折部位、雁列部位和交汇部位。研究表明,组合雁列中的压性雁列等部位,它是一个对应变变化和错动情况反映灵敏的部位;错动单元往往位于应力易于释放的部位,如平直断层段、组合雁列中张性雁列部位等。它们可以相互重叠,也可以不重叠,破裂型地震中两者往往重叠,粘滑型地震中两者则往往不重叠。在后一种情况下,就出现前兆偏离现象。换句话说,前兆出现在高应力单元,而地震失稳发生在易错动的单元。

上述这些起不同作用的单元空间分布不相同,敏感单元与发震构造的关系也不相同。而且实际断层的结构比实验室模型要复杂的多。

因此,用简单实验模型或断层滑动模型预测地震时空分布,有其必然局限性,因为实际断层滑动与地震并不符合这些简单模型。

 

 



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