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地壳介质弹性、电性各向异性理论及对地震过程的联合解释

阮爱国  
【摘要】:本论文共分10章,第1章为引论,第2-6章为基础理论,第7-10章 为应用研究。主要研究内容可分为五个方面: 1.第1章引论部分综述了地壳介质各向异性现象和分类,从发展沿革、理论方 法及成果、存在的问题这个顺序分别论述了地壳介质弹性各向异性和电性备 向异性。在此基础上提出了本论文的研究思路和主题:将地震学中的S波分 裂法与电法中的大地电磁测深法联合起来解释地震过程中的各向异性动态特 征与发震应力场的关系。围绕这个主题设定了两个核心:一是建立地壳介质 电性各向异性微观模型,在此之前这方面的研究是一个空白;二是基于EDA 裂隙模型将S波分裂法与大地电磁测深法联合应用于对实际震例的分析研 究,该研究具有首创性。并对其它研究内容作了安排。 2.基础理论部分中第一项研究内容是本构关系的理论分析、推导。第2章讨论 弹性各向异性本构关系。除了引用前人给出的公式外,本论文有特色的工作 是:推导了一个应变能公式,给出了各种对称体系下的弹性本构形式,对前 人给出的结果作了验证,指出存在的个别错误;对EDA(广泛扩容各向异 性)构成的薄层介质各向异性弹性常数作了推导,给出了解析表达;对几 种类型的各向异性体系的角散式进行了推导并作了数值计算.第5章讨论电 性各向异性本构关系,本论文在此作了一个有创新性的工作,即本论文的 第一个核心,受弹性各向异性等效弹性模量(Hudson公式)和APE(各向 异性孔隙弹性)理论的启示,建立了等效的电性各向异性微观模型并给出 了数学推导,将此模型称之为电性各向异性裂隙方向性集中体积模型(简称 体积模型);其它有特色的工作是从直流电法和大地电磁测深法来讨论薄层 各向异性和EDA各向异性的特征,并指出了直流电法中的“反常现象”. 3.基础理论部分的第二项研究内容是数值模拟.第3章是引用前人提出的伪谱 法对2.5维弹性波场作了数值模拟,并对快慢S波时间延迟、快S偏振方 向作了分析;第4章对第3章遗留的问题作了进一步研究。有特色的工作 是:全面推导了用特征值法处理伪谱法中各种边界条件的表达式,为以后 这方面的工作提供了便利.第6章是引用前人的方法,对层状EDA各向异 I 中国地震局地球物理研究所博士学位论文:地壳介质弹性、电性各向异性理论及对地震过程的联合解释 性作了大地电磁测深(MT)数值模拟,并对前人公式中的模糊之处作了说 明.数值模拟部分其重要性在本论文中占的份量较小,但工作量却很大,主 要工作是编程计算.这方面的研究目的就是从直观上提高对各向异性的认 识,为下续的研究工作打基础. 4t应用部分的第一项研究内容就是本论文的第2个核心,即基于EDA裂隙模 型联合应用S波分裂法和大地电磁测深法来分析研究地震过程中的前兆各向 异性现象和发震应力场随时间演化的关系。第7章引用前人的方法,对S 波分裂法中的旋转相关法、最大特征值法、波形识别算子作了论述椎导;对 大地电磁测深法资料处理的最小H乘法作了论述推导。第8章用CDSN兰 州台、中法合作朗索台的三分量数字记录小震资料,和中法合作松山台的电 磁连续观测资料,分析了1995年7月22日永登5,8级地震前后快S波偏 振方向、电性主轴方向与震源机制解P轴方向的关系,发现三者震前的协 调一致性;快慢S波时间延迟在时间上随地震的孕育而逐渐增大;从电性 主轴与频率的关系分析出地震孕育造成的动态各向异性在地壳深度一定范围 内是广泛存在的;还发现视电阻率的变化受发震应力场和台站处构造条件的 共同作用。第 9章用同样的方法对 1996年 6月 1日的天祝-古浪 5.4级地 震过程的各向异性现象作了联合解释,得到的结果与第8章是一致的,但 由于资料情况不同、背景应力场不同,震源机制不同,所以该次地震的各 向异性分析结果有自己的一些特点。 5.应用部分的第 h项研究内容(第 10章)是根据 EDA模型、APE理论和本 论文建立的电性模型,从各异性的角度来讨论直流视电阻率地震监测预报方 法的机理,着重点落在离震源较远的场兆问题上。通过讨论、简单计算,认 为根据新的电性模型可解释震前小应变下大的视电阻率变化,可以解释不 同方向观测值不同的原因,可以解释震前视电阻率既可以是下降变化也可 以出现上升变化的现象,排除了临震视电阻率突跳对大量进水或大量出水 的严重依赖性,这些问题是以往标量理论所不能及的。 总之,本论文在电性各向异性理论上有1个较大的创新,建立了一个新 的模型,弹性、电性的联合解释和对地电法机理的研究在应用上是二个鲜 明的创新。其余部分的工作大多是在前人基础上作了一些补充和改进,并 互互


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