中国大陆强震前应变释放特征

【摘要】： 作为本文研究的基础,首次提出并实现了穷举与最小二乘相结合的加速模型最优参数求解方法。这一方法具有精度高、收敛快、遍历性等突出特点。在曲率参数C对实际Benioff应变释放加速或减速判定的前提下,引入柯尔莫哥洛夫检验方法对实际观测数据与幂律理论分布之间的差异程度进行检验,在统计层面上确认观测数据与模型拟合之间的紧密程度。 以1970年以来中国大陆记录基本完备的21次7级左右地震为例,系统检测大震前震中附近中小地震活动应变释放的加速及减速现象,进而讨论中国大陆强震前的应变释放特征及应变释放模式的复杂性;探讨中国大陆强震前中小地震活动应变释放模式数年尺度的前兆预测意义;分析应变释放加速或减速的时、空分布范围及模型参数m的数值分布特征。21次7级左右震例震前应变释放模式大体上可分为5类:第1类(DA)是震前震中附近较大范围应变释放加速、而震中附近较小范围应变释放减速;第2类(AD)是震前震中附近较大范围应变释放减速、而震中附近较小范围应变释放加速;第3类(A)仅能检测出应变释放加速特征;第4类(D)仅能检测出应变释放的减速特征;第5类仅1例,中小地震应变基本上匀速释放。这几种应变释放模式震前前兆性地震序列的持续时间差异不大,DA及AD模式应变加速释放的时间一般比应变减速释放的时间长3~6年;而单纯的DSR或ASR模式,前兆性地震序列的持续时间一般为10年左右。DA模式震前具有稳定的应变释放加、减速特征的临界区域大约是260~400km及100~200km,两者数值分布互不重叠,并且前者大约是7级左右地震破裂尺度的3~5倍,后者大约是7级左右地震破裂尺度的1~2倍;AD模式震前应变释放加、减速特征的临界区域范围大约与此相反;单纯的ASR或DSR空间尺度差异不大,分别约为150~420km及200~450km。模型参数m值具有较好的稳定性,从应变加速情形来看,无论DA、AD、抑或单纯的ASR,m值介于0.3~0.6之间,表明7级左右地震前无论何种应变释放模式、无论应变释放的量值大小如何,其加速释放速率大体上相同;而从应变释放减速情形来看,m值对DA模式介于1.8~2.8之间、对AD模式介于1.3~1.9之间、对单纯的DSR模式介于1.5~2.4之间,似乎DA模式中应变减速释放的特征最明显,单纯的DSR模式次之,AD模式中的减速特征最不突出。 首次利用高温高压岩石破裂实验数据,通过加速模型讨论不同温压条件下岩样内部群体微破裂事件的应变释放特征。重点探讨加速模型参数m值与温度和压力环境的关系,结合地下介质状况及力学属性,在概念上对模型参数m值的物理含义进行一定程度的讨论。该项工作具有一定的创新意义。由于岩石破裂过程与尺度无关的性质,这一工作对进一步认识地震应变释放特征及其物理机理具有一定的参考价值。结果显示,常温条件下随围压的增加,微破裂应变释放显示出一定的加速特征,m值随围压的增加未显示出趋势性的变化,因而实际地震ASR模型m值的大小可能与震源地方的力学环境及外加载荷的强弱关系不大。在400MPa较高围压条件下,随温度的增加,微破裂累积应变释放显示一定的趋势变化。温度较低时为纯粹的脆性破裂,微破裂应变显示典型的加速释放特征,m值较低;逐渐提高温度,微破裂累积应变释放速率降低、加速特征减弱,m值有所提高;进一步提高温度,m值接近1,微破裂显示均匀的应变释放特征;由于较高的温度与较低的介质强度相对应,因而这意味着介质强度是区域范围内中小地震应变释放模式(加速、减弱、均匀)的重要控制因素之一。在随深度变化的温压条件下,以低压准突发破坏为特征的地壳浅部深度范围内,样品破坏前有一定程度的加速释放特征,m小于1。在以渐进式破坏为特征的深度范围内,应变释放呈逐渐减弱的减速特征,m值明显大于1。实际地震发生于深部温压条件下,破坏以系统失稳为特征,破裂前即有逐渐密集的微破裂活动,累积应变呈明显的加速释放特征,m值明显较低。这一现象意示着,大震前震中附近不同范围、不同时段中小地震不同类型的应变释放模式(DA或AD等),可能与统计时空范围内中小地震的主体分布深度有关,同一区域范围中小地震应变释放模式的改变,在一定程度上可能缘于地震主体分布深度的改变。研究结果还显示,完整岩样宏观破裂前应变释放加速特征较为明显,m值明显较低。岩样破坏之后各阶段微粘滑累计应变释放加速特征逐渐减弱,m值逐渐变大,逐渐趋于均匀释放。这表明,岩石状况对AER模型m值影响较为显著,岩样完整性好、强度高,则岩石受力变形过程中随宏观破裂的临近,微破裂应变呈明显的加速释放特征;而当岩样宏观破裂之后,强度降低,在进一步的受力变形过程中,随宏观粘滑失稳的临近,微粘滑应变释放加速特征愈来愈弱,逐渐呈现均匀释放特征。在准周期粘滑过程中,随时间的推移,m值逐渐增大,因而较小m值的AER可能显示震源地方较高的介质强度。随外加载荷的逐渐增强,当差应力克服地下高围压条件下的介质强度时,将发生不可逆转的破裂失稳。类似的现象在地震活动的新区尤其值得关注。.