“是否存在有助于预报的地震前兆”的讨论

经过几十年地震预报探索实践,已发现了很多地震前兆异常,其中部分前兆还通过了优秀地震前兆标准的检验,并分析总结了前兆异常的群体特征.但用这些前兆异常,通过经验性统计方法进行地震预报成功率很低,其根本原因是地震孕育、发生的空间尺度较大,前兆异常的挑选较为困难;地震复发周期较长,已积累的震例资料不足于研究地震孕育发生的规律;地震的孕震环境复杂,与周边的动力、构造环境密切相关,不同地震之间前兆异常差异较大;前兆观测分布在地球表面,只是地下应力、应变的间接反映,所获取的异常与地震前兆关系有待深入研究.在目前情况下,下一次地震完全按统计得到的共性特征演化明显是不可能的.地震前兆观测应从单点观测向直接观测地下应力、应变场过渡,地震预报从经验性统计预报向基于地球物理场动态观测的物理预报过渡.     

力学在地震预报中的作用

地震预报是当代自然科学中的几大难题之一。研究预报是我国杜会主义建设的需要和人民群众的迫切愿望。解决地震预报将涉及多种学科、多方面的相互关联与渗透。本文从研究地壳力学状态入手。把整个地球的地壳看成是一个薄壳弹性体来处理,研究其应力应变及应力场的变化。论证了在地壳岩石与土层中,地应力引起的位移位属于同一数量级,求解出位移位随地壳深度的变化规律;认为地壳力学状态及其应力应变场的变化,是地震预报中最直接的前兆因素。通过研制的电阻式地应力观测系统,进行连续七年观测实验,获取了大量观测资料。经计算分析证明,可测得地壳力学状态及构造应力场的参数。从而证明:地震的孕育和发生与构造应力场参数变化密切相关。通过观测实验还发现,中强地震临震前在近场观测到有低频率应力应变波动群出现,进而探讨这一特征及其机理,将有助于寻找临震预报的一种可靠途径。     

基于水准数据的芦山7.0级地震震间期和同震位移场特征

利用1985~2010年跨龙门山断裂带南段的精密水准观测,并消除2008年汶川地震同震变形的影响,获取了龙门山断裂带南段震间期的地壳垂直形变场.结果表明,双石-大川断裂(龙门山前山断裂)和新开店断裂(大邑断裂南段)之间的芦山地块处于正、负垂直形变梯度带相交的区域,说明该区域在芦山地震前25年内已闭锁.根据2010~2013年穿过震区的水准观测数据,同时消除震前近3年的地壳垂直变形,得到了芦山地震同震垂向位移.同震位移场揭示距离震中最近的达多35水准点最大同震位移达到198.4 mm(相对马雅165基),西北盘(上盘)相对东南盘(下盘)向上运动,显示发震断层以逆冲错动为主.对比芦山地震垂向同震变形和震间期变形,可发现该地震符合弹性回跳学说,芦山地块震间期积累的弹性应变能(位移亏损)在震时得到弹性回跳释放.     

2022年泸定MS6.8地震同震形变特征及周边强震危险性

2022年四川泸定6.8级地震发生于鲜水河断裂磨西段,为揭示此次地震的同震形变特征,收集了震中200 km范围内的连续全球定位系统(global positioning system, GPS)测站和震中50 km范围内的强震动数据,进行了高精度处理以提取测站的同震水平位移.此外,还收集了覆盖震中区域的Sentinel和ALOS-2降轨数据,通过干涉差分技术处理并获得了卫星视线向同震形变场.结果显示:水平同震形变呈四象限分布,表明泸定地震的震源机制为左旋走滑;距震中16 km的强震动台站记录到了明显的位移波形,其峰值位移达14 cm、永久变形约为12 cm;合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)显示断层近场30 km×30 km区域具有明显的同震变形,断层西侧卫星视线向最大位移达15 cm,挖角乡附近的局部形变超过15 cm;野外调查推测在“二台子-爱国村”间的断层段发育地表破裂,但从InSAR形变场上难以判定,同震是否破裂到地表仍需详细的野外考察予以确定.反演了川滇块体北东边界主干断裂在泸定地震前的闭锁分...     

GPS测定的尼泊尔M_w7.9和M_w7.3级地震同震形变场

2015年尼泊尔M w7.9和M w7.3级地震致灾范围包括尼泊尔、印度北部、巴基斯坦、孟加拉和中国藏南地区,地震应变应力调整将对震区和邻区的地震活动产生不同程度的影响.尼泊尔境内的GPS连续观测数据、"中国大陆构造环境监测网络"GPS基准站和地震应急流动站观测数据计算结果揭示了尼泊尔地震的静态和动态同震形变场.对M w7.9级地震,尼泊尔境内近场静态同震GPS水平位移最大为1.89 m,距震中100~400 km的中国藏南地区观测到几毫米到几十厘米的静态水平位移,毗邻尼泊尔的聂拉木县最大形变54.0 cm.M w7.3级地震静态同震形变最大为2 cm,局限在震中附近200 km范围内.距震中约2000 km内的GPS基准站均记录到M w7.9大震明显的动态形变信号,高频GPS动态形变幅度与地震破裂方向有关,位于破裂方向上的测站动态形变幅度明显大于其他方向的测站.用弹性半空间位错模型正演模拟了震区和青藏高原南部格网点上的同震形变,并分析了地震应变影响,认为尼泊尔地震对中国藏南地区产生一定程度的拉张型应力变化,需要持续关注.     

基于SAR差分干涉测量的张北-尚义地震震源参数反演

基于欧洲遥感卫星（ERS）合成孔径雷达差分干涉测量技术（D-InSAR）获取1998年1月10日张北-尚义地震形变图,通过弹性半空间位移模型模拟形变场,由最佳参数解得到张北-尚义地震的震源参数.模拟结果表明,张北-尚义地震的发震构造为走向95°,倾向西南,倾角30°的具右族性质逆断层,断层面长12 km,宽14 km,震源（断层面中心）深度7.5km,震中位置为北纬40°58＇,东经114°21＇.断层滑动角105.95°,滑动方向为北西I3.26°,位移量为0.728m,地震矩M0为2.69×1018N·m.根据震源参数和区域构造背景分析,断裂活动可能与张家口-蓬莱断裂北西端的活动有关.     

相邻左旋走滑和逆冲断层之间的相互作用: 1976年松潘震群

根据前人研究所得1976年四川省松潘地震序列的震源参数, 构造了主要地震事件的断层模型, 并计算了该序列中主要地震引起的邻近区域内静弹性库仑应力变化. 计算结果显示, 松潘地震序列的余震主要集中分布在库仑应力增加的区域, 说明大地震较好地触发了余震. 计算结果还显示, 左旋走滑机制的1号地震(M_S = 7.2)引起逆断层性质的2号地震(M_S = 6.7)震源处库仑应力增加了约5 bar, 说明1号地震对2号地震有明显的触发作用. 3号地震也是左旋走滑型事件, 计算显示3号震源受到1号和2号地震的共同触发不太明显. 通过对右旋走滑断层和正断层理论模型的计算, 显示出相邻的右旋走滑断层与逆断层间存在较好的触发关系, 而平行走滑断层间的触发关系相对较弱. 对比松潘地震序列中3个大震的断层组合关系, 研究认为3号地震存在被触发的可能.     

全球定位系统测定的2011 年日本宫城MW 9.0 级地震远场同震位移

据覆盖日本全境的GEONET 网络GPS 观测资料显示, 2011 年3 月11 日的日本宫城M_W9.0 级地震造成日本半岛向东移动, 最大达到了5.3 m. 利用国家重大科技基础设施项目“中国大陆构造环境监测网络”的GPS 观测资料, 分析此次地震对中国大陆构造形变场的同震影响,结果显示, 地震造成我国东北和华北地区产生毫米至厘米级的同震水平位移, 最大值为35 mm.通过应变分析发现, 地震导致东北和华北地区一系列北北东走向的断裂产生了不同程度的张性应变. 虽然在东北地区张性应变相对比较明显, 最大处约为40 nano-strain, 但对断裂带的静态库仑应力加载有限, 不会对区域地震活动产生大的影响.     

利用GPS 位移反演日本Mw 9.0 仙台地震及Mw 7.9 强余震静态位错模型

基于GPS 观测的M_w 9.0 日本仙台地震同震形变及震后8 h 的地表形变, 考虑分层介质模型的影响, 反演了主震及震后8 h 的断层的位错分布. 结果显示, 主震位错对应的矩震级为M_w 8.98, 最大同震位错量可达23.3 m, 在震中区显示出纯逆冲特性, 震中两侧断层错动显示出一定的走滑分量. 另外, 约90%的地震能量发生在40 km 深度以上. 而由震后8 h 的地表形变反演的结果显示, 这一期间释放能量约相当于一个M_w 8.13 的地震, 位错主要分布在主震破裂的西南区域, 最大位错量约1.5 m, 破裂峰值区与M_w 7.9 强余震有明显的对应关系, 暗示震后8 h的断层错动主要是由M_w 7.9 强余震引起的. 另外, 主震破裂的深部延伸面在震后0.2~0.4 m 的滑动可能主要是无震余滑.     

青藏高原GPS位移绕喜马拉雅东构造结顺时针旋转成因的数值模拟

GPS测量结果表明青藏高原水平位移场在其东部绕喜马拉雅东构造结呈顺时针转动, 其地球动力学成因难以在二维模型中模拟. 由于青藏高原地壳巨厚、下地壳温度高, 岩石层流变性质可能会呈现脆性的上地壳、柔性的下地壳和黏滞系数较大的岩石圈上地幔, 在岩石圈下又存在黏滞系数较低的软流层的复杂分层流变结构. 在上述研究成果的基础上, 利用三维球坐标系下的Maxwell体有限元模型模拟了青藏高原在印度板块推挤下的变形. 模拟结果显示, 柔软下地壳的存在使整个青藏高原在印度板块的推挤下表现为整体抬升, 高原南缘和喜马拉雅东构造结抬升迅速, 而由于周边地块下地壳相对较硬而封闭、仅高原东南部存在高温柔软的通道, 青藏高原软的下地壳的存在还使得高原整体隆起达到一定高度后, 下地壳和软流层的物质向东、东南流动, 并拖曳上地壳作类似运动, 形成绕喜马拉雅东构造结的顺时针转动.     

近垂直共轭断层在地震中的动态激活:来自2023年土耳其Mw 7.6地震的启示

地表破裂迹线、有限断层反演和余震分布均表明, 2023年土耳其Mw 7.6地震具有复杂的多段破裂特征,尤其在西侧存在一对在同震中被激活的近垂直共轭断层.根据经典断层力学理论,在均匀应力、脆性变形和小应变条件下,很难同时激活两个近垂直共轭断层.为了调查该现象,我们通过数值模拟二维情形下断层上的地震破裂过程和断层外介质的弹-塑性变形,来研究近垂直共轭断层在地震中的激活情况.模拟结果表明:(1)近垂直共轭断层在地震中并非同时被激活,而是在应力传递的作用下依次发生破裂,即二者间存在因果触发关系;(2)在一定夹角范围内,共轭断层均可能在地震中被动态激活,但具体的激活程度依赖于断层的几何构型和摩擦性质;(3)当前一个断层在交界处存在障碍体而非保持连续均匀时,与之成近垂直关系的后一个断层更容易被触发.这些结果从动力学角度为理解2023年土耳其Mw 7.6地震的主震破裂过程和余震分布提供了参考.由于在许多观测实例中(包括本次土耳其地震)后一断层的触发都发生在前一断层的拉张象限,我们推测正应力的动态释放在其中扮演了关键角色并且断层上的有效摩擦系数不能太低,从而不再需要援引高孔隙水压、低断层摩擦系数或者韧...     

东海OBS深部地学探测断面及其地质意义

利用主动源海底地震仪(ocean bottom seismometer,简称OBS)进行东海地壳深部结构地震探测,对探讨东海大地构造演化意义重大.采用立体气枪阵列延迟激发震源新技术,完成了一条横跨东海陆架盆地-琉球岛弧的OBS深部地学地震探测测线(OBS-2015),获得了地壳内部主要地层界面和莫霍面的地震反射/折射震相.对OBS台站记录经预处理、震相识别与拾取后,通过射线追踪、走时拟合等正反演处理,得到了沿测线的二维地壳速度结构剖面.剖面的地质解释与综合研究认为,东海陆架中-新生代沉积盆地沉积层厚度大、分布广,中-新生界最大叠合厚度达13 km左右;东海陆架区地壳是大陆地壳向海区的延伸,莫霍面起伏小、埋藏深度在30 km左右.钓鱼岛隆褶带到琉球岛弧区域莫霍面起伏剧烈,呈由西向东快速抬升的趋势.冲绳海槽区地壳厚度只有东海陆架盆地的一半左右,并呈中轴线最薄(13 km左右)、向两侧快速加厚(19 km左右),莫霍面上方发育速度达7.1 km/s的下地壳高速地质体,东部坳陷地区莫霍面已出现明显抬升,与盆地存在明显镜像关系,推测为盆地拉张作用所致.冲绳海槽的纵向速度结构与陆壳差异大,与洋壳的速度结构较为接近.综合以上因素并结合区域地质背景分析认为,南冲绳海槽进入了海底扩张的初始阶段,地壳具有非典型洋壳的特征.本次探测结构为东海深部地壳结构研究及区域地质演化研究提供了重要的基础资料.     

非均匀断层上的破裂传播及对震级预测的挑战

针对发震断层上的潜在地震开展震级和地表震动预测,对开展地震灾害区划、防震减灾等工作十分关键.由于断裂带本身的多种非均匀性,如断层几何、介质结构、应力的非均匀分布,准确预测震级面临着众多挑战.本文简要回顾了影响地震破裂传播及震级的因素,指出了应力分布状态、断层孕震带尺度、断裂带介质结构对破裂传播过程的影响.在非均匀应力分布下,震级对破裂起始位置(震中)具有强烈的依赖性,即震中-震级存在“测不准”关系,震中对破裂是否延伸到地表也有控制作用.走滑断裂带孕震带尺度(在倾向上的深度)对破裂是否发展为“逃逸型”大地震有控制作用.近断裂带的介质结构对破裂方向性、延展尺度都有显著影响.未来可通过密集地震台阵观测获取高分辨率断裂带结构,并结合实验室流变性质测量,推断发震断层的流变结构,为刻画可能发震的凹凸体提供支撑.针对震中对震级的影响,可以通过破裂动力学模拟,结合大地测量观测、地震学观测、实验室摩擦实验结果,进行数值实验,探索可能发生强震的震中区域,为野外观测提供参照.此外,动力学数值模拟结果也可以弥补大地震近场地表震动观测数据缺乏的不足,为开展基于地震物理过程的灾害区划提供参考.     

四川芦山7.0级强震:一次典型的盲逆断层型地震

芦山地震区发育着龙门山推覆构造带南段大邑隐伏断裂、双石-大川断裂、盐井-五龙断裂、耿达-陇东断裂等活动断层.地震现场应急科学考察表明,沿这些活动断层及其邻近地段没有发现明显的地震地表破裂带,地表可见到一些脆性水泥路面挤压破裂现象,说明在双石镇、太平镇、龙门乡、隆兴乡等地存在着NW-SE向局部的地壳缩短,结合余震的空间分布特征、震源机制解等资料,推测芦山地震属典型的盲逆断层型地震.龙门山推覆构造带尚未发生历史地震破裂的地震空段应引起有关部门高度重视.     

GPS观测的2015年尼泊尔M_S 8.1级地震震前应变积累及同震变形特征

2015年4月25日,在印度板块与欧亚板块交界区的喜马拉雅地震带上发生了尼泊尔MS 8.1级大地震.震前GPS速度场和应变率场显示,喜马拉雅地震带整体表现为15.94±1.82 mm/a的压缩特征,同时还具有分段活动特征.此次地震发生在速度场顺时针旋转和逆时针旋转的分界带,该处最大主压应变率的量值在喜马拉雅地震带并非最大.GPS观测的同震位移场揭示了尼泊尔MS 8.1级地震引起的地壳变形特征,分别有9和6个测站观测到明显的水平向和垂向同震位移,其水平分量的运动方向整体表现为南向运动,位于震中东南侧的3个测站垂直分量表现为上升,其余测站为下降.中国境内距离震中最近的5个测站的垂向同震位移显示,此次地震造成珠穆朗玛峰的沉降量约为4mm.依据GPS观测到的同震位移场,利用非负最小二乘方法反演震源断层面上的滑动分布.反演结果表明最大滑动量为6.84 m,滑动量较大的区域分布在加德满都附近及其以北区域的下方,这可能是造成加德满都地区具有较大破坏的原因之一,该滑动分布模型能够很好地解释GPS观测到的同震位移.利用此滑动分布模型计算的地震矩为8.21×1020 N m,对应的矩震级为MW7.9.     

汶川Mw8.0级地震震源破裂过程研究: 分段特征

利用全球台网中均匀分布的远场台站记录的39个长周期P波和SH波波形数据, 研究了5月12日汶川8级地震的矩张量解、破裂过程及破裂特征. 研究结果表明汶川地震由可分辨的5次7.3级以上地震组成, 这5次子事件在时间上连续发生, 空间上由在起始破裂点处的一次走滑破裂, 距起始破裂点80 km范围内的2次逆冲破裂, 以及在北川附近的2次右旋走滑破裂组成. 前3次破裂的震级分别为M_w7.3, 7.6, 7.4级, 后2次的震级分别为M_w7.5和7.4级. 破裂过程反演结果表明整个破裂在时间上持续了105 s, 在北川-映秀断裂上自起始破裂点所在的南西端向北东方向单侧扩展, 造成沿断层地表破裂近230 km, 地表平均位错达4 m. 研究结果揭示此次地震破裂过程至少由2段组成, 在起始破裂点所在的西南段即都江堰-汶川段, 破裂以逆冲错动为主, 最大错动位移达8.2 m; 在绵竹附近, 破裂开始转变为向北东方向扩展的右旋走滑错动, 断层错动区域较西南段浅, 主要发生在北川-青川段10 km深度以上, 最大位移位于地表, 为6.53 m. 相应地在地表出现了两个位移达6 m以上的地段, 其一是都江堰-汶川段, 地表的最大位移为6.44 m; 其二是北川-青川段, 最大位移6.53 m. 这种分段性存在一定的构造背景.     

汶川地震对芦山地震孕震环境影响的数值模拟

利用有限元数值模拟方法,以汶川地震和芦山地震的野外地质调查、同震位移和汶川地震前形变观测结果为约束,分析研究了高海拔地形蓄积的重力位能作用下,中地壳低速层的存在以及中央断裂和前山断裂同时破裂的条件下汶川地震的发生对龙门山南段孕震环境的影响.模拟计算结果显示,在一定的模型壳幔介质属性及空间结构下,龙门山断裂带西侧低速层的存在、青藏高原向四川盆地过渡带的地形特征以及汶川地震时中央断裂和前山断裂同时破裂的条件,是控制汶川地震对芦山地震孕震环境影响程度的重要因素.其中,地形和低速层对汶川地震引发的芦山地震孕震环境库仑破裂应力变化的影响最为显著,在所选剖面的北东段,地形特征的影响更为明显,而汶川地震双破裂面的影响则较小.     

青藏高原东边缘地壳“管流”层的电磁探测证据

通过对青藏高原东边缘及其附近地区石棉-乐山剖面大地电磁资料的研究发现, 青藏高原东边缘带和四川地块的电性结构有明显差别, 东部的四川地块地壳总体电阻率大, 西部的青藏高原东边缘带地壳总体电阻率小. 西部地壳分为上中下3层, 中地壳为厚约10~15 km的低阻层, 电阻率最小达3~10 Ωm, 推测它含有较低黏滞度的部分熔融和(或)含盐流体, 易于变形和流动, 是青藏高原东边缘带向东南方向挤出作用下形成的“管流”层. 它使上地壳和下地壳解耦, 上地壳高阻的脆性层以左旋走滑和逆冲的断层运动为主, 地表抬升, 地震主要发生在上地壳内. 低阻层把鲜水河-安宁河深大断裂带截成上下两段. 地壳上、中、下层各自厚度的横向变化, 综合产生了青藏高原东边缘带地壳厚度西部厚、东部薄、地形西部高、东部低的过渡带.     

2022年青海门源Mw 6.6地震的发震断层及孕震构造模式

2022年1月8日青海门源盆地北缘发生Mw 6.6地震,震源机制反演表明此次地震属于左旋走滑事件.震后10 d内,近600个余震被检测到,最大余震为M 5.1级.此次地震发生在祁连-海原左旋走滑断裂系统的冷龙岭段,该断裂段全长127 km,由古地震研究确定的特征地震大小在Mw 7.3～7.5.为了更为全面理解此次地震的震源机制以及当地孕震模式,我们分析了地震波形,获取了主震和17个Ms≥3.0余震的震源机制与矩心深度.利用升、降轨道SAR数据获取的像元偏移数据和同震干涉相位(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)确定了两条地表破裂带的位置,并利用InSAR数据反演了主震的滑动模型.研究发现,此次地震破裂带对应于冷龙岭断裂西段和托莱山断裂的阶区,发震断层存在3个形变中心,最大滑动量约为4 m,出现在冷龙岭断裂上,形变中心深度为4 km.滑动模型显示释放了累计能量～1.58×10¹⁹Nm,约合矩震级Mw 6.68,与本文利用地震学方法得到的Mw 6.58接近.结合区域活动构造特征、1986和2016年两次门源地...     

热测应力:测震学证据

通过基岩温度观测可以获取地壳应力动态变化信息(称热测应力),但缺乏与其他观测手段的对比验证.本研究基于康定Ms6.3级地震同震温度响应,结合测震学结果,对同震应力变化的量级和空间分布特征等开展对比分析.结果显示:(1)热测应力与测震学两种方法获得的结果,应力变化的量级一致;从应力张压特性与温度变化上看,拉张降温,挤压升温,与理论和实验结果相吻合.(2)依据不同基岩温度测点获得的应力变化的张、压分区情况,康定地震的震源体深度更接近于测震学研究结果的上限范围.这意味着,基于基岩温度获取的地壳应力变化结果,可对震源分析提供一个新的约束条件.总之,随着基岩温度测量技术的提高,基岩温度观测有可能成为一种观测地壳应力动态变化的常规手段.