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汶川8.0级地震断层摩擦特征研究

李振  
【摘要】:从研究地震断裂摩擦特征看,地震是断裂带在应力作用下的一种复杂的滑动摩擦过程。整个地震过程中,断层的滑移运动状态、地震应变能释放方式、释放速率、能量分配等都与断层摩擦特性有关。2008年5月12日汶川地震就是巴颜喀拉地块与华南地块沿龙门山断裂带发生相对逆冲滑移摩擦造成的。本文开展了汶川地震断层面滑移分布、摩擦物理性质、地震能量分配在内的综合地震断层摩擦特性研究。 采用BBT-01测温系统对穿越汶川地震断层的WFSD-1钻孔进行高精度温度测量,测量数据显示分辨率0.001℃高精度铂温度测量探头,可满足汶川地震带科学钻探科研测温需求。测温数据分析发现多处温度异常,综合分析,存在于不透水断层泥中的温度异常符合摩擦热和热扩散规律,判定580-610m为断层位置。利用测得WFSD-1钻孔断层带温度异常,建立断层摩擦热一维热传导模型,得出断层摩擦系数μ=0.16~0.32,摩擦强度τ=3,0MPa。数值较室内试验小,考虑结果受到相对温度梯度不完全热平衡、钻探冷却钻头造成热对流而降低温度异常幅度、流体受热气化流动、断层滑移速度弱化以及如断层带熔融、断层带碎屑流润滑、流体润滑作用、断层带热压效应等物理机制综合作用的影响,综合考虑动摩擦系数应在0.25左右,并由此估算了断层总摩擦热EF=6.12×1018J,推算地震瞬间断层面摩擦升温为368℃。利用经验公式,估算了地震波辐射能,ER=5.46×1016J。基于汶川地震断层面的岩样透射电子显微镜(TEM)、X光透射显微镜(TXM)、扫描电子显微镜(SEM)等光、电显微镜测试,进行断层泥颗粒级配分析,估算汶川地震断裂表面能8.82×1016J。基于断裂带温度异常监测,建立一维热传导模型,估算摩擦参数,估算断层摩擦热6.12×1018J。综合能量分配研究得出汶川地震地震效率仅为0.87%,破裂能效率1.41%,摩擦热效率97.72%。由此可见,断裂带所释放的弹性应变能主要用于克服断层摩擦而转化为断层摩擦热。 汶川地震视应力为0.76Mpa,静态应力降Δσ为7.64MPa,动态应力降为4.58MPa。而按照断层摩擦组合定律所得动态应力降水平达到5.62-8.73Mpa,较陈学忠等人计算的动态应力降要大些,可能是有所取的静水压力相对较小引起的。表明在地震过程中除了速度弱化原理降低断层摩擦应力外,可能还有其他弱化机制在起作用,如流体润滑、空隙流体气化、流体热压等,降低空隙流体压力而有效正应力降低,减小了断层摩擦应力。为此,在综合地震能量分配特点及震源区地质环境,探讨了地震过程中应力的演变及其发生机制。另外,还利用GPS地表同震位移通过有限元模型反演断层面滑移分布,并取得了初步成果。


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