同震、震后和震间应力触发

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应力触发是指地震(或火山)发生后造成后续断层(或火山)的力学性质及物理、化学性质的改变,抑制或加速断层错动(或火山活动)现象。在过去近二十年内,库仑应力是解释主余震间、主震间、地震与火山间、火山与火山间相互触发和断层相互作用现象以及评估未来潜在地震断层段的重要量化指标。应力触发已然成为研究地震发生的力学驱动机制的重要方向。然而,应力触发领域仍然存在一些根本性的问题尚待解决:其一为接收断层的合理选择;其二为库仑应力模型对其参数的敏感性;其三为地震周期中的应力转移模式。选择合理的接收断层有利具有可预测性的库仑应力图的构制;明确库仑应力模型对其参数的敏感性有利于应力触发分析结论的可靠性;确立地震周期中不同时段的应力转移模式有利于更完整地认识地壳应力场的时空演化过程以及定位未来潜在地震危险段。因此,本文针对这三个问题从理论分析和震例分析两个方面加以研究:建立库仑应力正反演分析解析模型,将最佳破裂面模型推广至三维情形以及构建库仑应力误差估计式;考察1997年Mw7.6玛尼地震与2001年Mw7.8年可可西里地震间的应力转移以及2008年Mw7.9汶川地震周边断层同震、震后和震间应力演化。基于库仑应力基本理念(断层面所受剪切力与摩擦力之和若为正则断层面倾向于滑动或者若断层面法向应力为拉张正应力则断层上下两盘易于张裂),本文建立了适于库仑应力正反演分析的统一解析模型并推广了常见的二维最佳破裂面模型至三维情形。以2003年伊朗Mw6.6 Bam地震和2008年Mw7.9汶川地震为震例,检测了三维最佳破裂面模型对提高库仑应力同余震空间相关性的性能。结果表明:对2003年Bam地震而言,采用均匀接收断层时库仑应力对余震触发率为47.06%,而采用三维最佳破裂面模型时仑应力对余震触发率为87.53%;对2008年汶川地震而言,采用均匀接收断层时库仑应力对余震触发率为45.68%,而采用三维最佳破裂面模型时仑应力对余震触发率为58.20%。库仑应力对余震触发率的提高源自三维最佳破裂面模型中的接收断层具有更大的自由度,因而可以普遍性地提高库仑应力对余震的触发效能。因此,对大量震源机制未定的余震情形可以采用三维最佳破裂面模型来更好地解释余震的空间分布。基于库仑应力正反演分析统一解析模型,建立了库仑应力模型的误差估计式并系统性地研究了库仑应力模型对源断层的滑动分布、发震断层激发的应力张量、摩擦系数、接收断层的走向、倾角、滑动角等的不确定性和构造背景应力场的敏感性以及库仑应力模型本身。结果表明:(1)若源断层的滑动分布愈精细,则库仑应力空间分布愈平滑;源断层激发的应力张量的误差所致的库仑应力相对误差大体为90%-100%。此两点表明为构制合理的库仑应力图,源断层的滑动分布需予以尽量反演得更精细。(2)走滑型源断层激发的库仑应力对模型系数不太敏感,而倾滑型和张裂型源断层激发的库仑应力对摩擦系数略敏感,因此库仑应力模型中常采用以断层的长期滑移历史确定断层的模型系数是合理的。(3)接收断层的走向误差相对其倾角误差更易于致使库仑应力相对误差偏高,而较之倾角误差其滑动角误差所致的库仑应力相对误差相对偏低,因此接收断层的走向较之其余二者更应予以更好地加以约束。(4)若构造应力场的量值较之地震激发的应力场的量值要小,则构造应力场的大小及方向对库仑应力空间分布影响甚若,反之则构造应力场的方向控制库仑应力空间分布。因此采用顾及构造应力场的最佳破裂面模型时,构造应力场的方向需尽量予以准确确定。(5)采用断层孔隙压力与断层正应力成正比假设的库仑应力模型所构制的库仑应力空间分布与摒弃该假设的库仑应力模型所构制的库仑应力空间分布略有不同,但因这一假设所致的二者量值差异甚为明显,因此在进行库仑应力定量分析时应采用不顾及该假设的库仑应力模型。本文考察了昆仑断层自1937年以来六次强震间的应力转移,结果表明这六次强震可以采用同震应力转移图像来解释。着重分析了1997年Mw7.6玛尼地震和2001年Mw7.8可可西里地震间的应力转移。结果表明:1997年玛尼地震对2001年可可西里地震有一定的促进作用,对可可西里地震断层面上的应力扰动平均为0.002bars,而2001年可可西里在1997年地震断层面上的库仑应力均为正且为0-0.08bars,它对未来于1997年地震断层面上的地震危险性有一定的促进作用。本文从同震库仑应力、震后库仑应力以及震间库仑应力三个方面分析了2008年Mw7.9汶川地震周边断层上的库仑应力及与余震的时空演化模式。地震断层的同震错动、震后下地壳和上地幔物质的粘性流动以及震间地震断层的浅部闭锁均对地壳应力场的调节起着重要的作用。顾及同震、震后和震间的库仑应力空间分布图像可以很好地解释1到2年内余震的时空变化模式。2008年周边断层上的总库仑应力表明玉树-玛曲断裂、鲜水河断裂、安宁河断裂、则木河断裂、大凉山断裂、东昆仑断裂以及海原断裂可能是未来地震危险段。
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