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《中国地震局地质研究所》 2004年
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流动宽频带地震台阵:首都圈横波分裂与地壳应力场

赖院根  
【摘要】:近年来,大陆岩石圈地震台阵观测技术的发展和推广,为发展以天然地震台阵观测为主的高分辨率大陆岩石圈结构成像理论和方法提供了技术基础.宽频带流动地震台阵日益成为大陆动力学研究的一种重要手段。对于大型的密集台阵,台站的间距可以达到公里级。利用这种高分辨率观测阵列记录的资料进行地震定位、震源机制、震源破裂过程和地震成像研究可以大大改善研究结果的精度,并且为地震波形数据研究开拓了新的广阔前景。随着宽频带密集地震台阵技术的发展,使重点地区高分辨率地震学综合研究成为可能。 首都圈地区经济发达,不但是我国政治、经济和文化的中心,同时也是地震灾害多发地区。有史料记载以来,首都圈地区曾发生震级M≥6破坏性地震14次,其中震级最大的一次地震是1679年三河-平谷8级地震。首都圈地区所在的华北北部也是中国大陆强震活跃的地区,1966年至1976年期间曾发生1966年河北邢台7.2级地震、1969年渤海7.4级地震、1975年辽宁海城7.3级地震、1976年唐山7.8级地震等。这表明首都圈所在的华北北部地区是一个地震构造活动区和地震危险区。正因为如此,1996年,首都圈地区成为经国务院批准确定的今后一段时间内存在发生破坏性地震背景的地震重点监视防御区之一。 在一定地质时期内,构造运动格局受区域构造应力场控制。研究地壳应力状态和变形情况及其分布规律,有助于地震成因研究和地震危险性预测。鉴于首都圈地区及其应力场研究的重要性,很多学者曾经采用不同的方法研究过首都圈地区的应力场特征,其中主要采用的方法是震源机制解分析方法。他们的主要论点一致表明:首都圈地区存在一个一致性相当好的地壳应力场,其最大主压应力轴为NEE-SWW向。 由于受客观条件和研究方法的限制,前人的研究无法得到整个首都圈区域详细的应力场分布特征,同时,研究结果也无法解释首都圈区域地震震源机制解P轴方向非常不一致的原因。 近年来,裂隙介质各向异性的研究已成为地震学家关注的热点之一。英国地震学家Crampin发展了裂隙介质横波分裂的理论。此后,人们进一步深入探讨了 裂隙介质横波分裂的识别方法、形成机理及其与地壳应力场的关系。大量的观测 研究结果已证明,地壳上部裂隙介质及其相关的横波分裂现象普遍存在,而快波 的偏振方向与研究区域最大主压应力方向平行。这些结论为利用横波分裂现象研 究区域应力场特征奠定了理论基础。 宽频带流动台阵除了记录远震数据之外,同时还能记录到大量的近震。这为 横波分裂的研究和进一步的区域应力场的研究提供了可能。 为深入探讨首都圈区域现今大地震形成的构造背景及成因,对该区域内的中 长期破坏性地震预测提供定量化的科学依据,中国地震局地质研究所大陆岩石圈 地震台阵研究中心在2002年在首都圈区域布设了宽频带地震台阵进行连续观测 记录。作为宽频带流动地震台阵地震学综合研究的一部分,本文的目的在于利用 地震台阵和首都圈固定台网观测到的大量近震数据,开展区域内的横波分裂研 究,进而给出首都圈区域地壳应力场特征。 本文的内容包括两部分: 第一部分,简要介绍了地壳应力场研究的常用方法、横波分裂研究的历史和 计算横波分裂参数的几种方法。利用宽频带流动地震台阵和首都圈固定台网记录 到的近震数据,研究了观测区域内的横波分裂现象。在此基础上,给出了首都圈 地区最大主压应力方向的分布特征。我们的研究结果表明: 1.首都圈区域的应力场整体特征表现为NE向的区域背景场和受张家口一蓬 莱断裂带控制的NW向的局部应力场; 2.在北京和天津附近的区域,最大主压应力方向为NE60”~70“;唐山大震 区附近和其东部最大主压应力方向为近WE向; 3.首都圈地区的局部应力场最大主压应力方向比较一致,基本上都与张家 口一蓬莱断裂带走向平行,为1200~1300。这表明张家口一蓬莱断裂带对首都圈区 域应力场起着重要的控制作用; 4.首都圈地区震源机制研究结果表明43%地震P轴取向为NW。我们的结果 与其吻合。 第二部分,采用二维线弹性模型有限元方法进行了地壳应力场的数值模拟研 究。具体研究内容包括:l)断层介质变化对区域应力场的影响;2)断层均匀滑 动对区域应力场的影响;3)断层不均匀滑动对区域应力场的影响。我们的结果 表明: 1.断裂带的存在对区域应力场有着非常大的影响。断裂带的存在是区域内 局部应力场发育的一个重要原因。局部应力场是区域内地震的重要成因; 2.断层内外介质物性参数的差异,对区域应力场应力大小分布的影响非常 明显,但对区域应力场最大主压应力方向的影响不大;局部应力场最大主压应力 方向的改变主要受断层的控制; 3.当断层均匀滑动时,在断层两端将出现应力集中,而在断层中部应力大 小和应力方向都没明显变化;当断层不均匀滑动时,断层对局部应力场的应力方 向影响非常明显; 4.在断层的交错部位,局部应力值增强,应力场变化剧烈,这解释了为什 么首都圈区域地震总发生在断层交错处的原因; 5.对线弹性材料模拟研究结果表明,弹性模量和泊松比的物性不均匀性对 构造应力场的影响不大。 关键词:首都圈,大陆岩石圈地震台阵,横波分
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