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新豪天地登录网址:汶川地震的发震载体有多大

时间:2019-08-24 15:06来源:科学研究
我曾在博文《“地震能否被预测”是科学命题吗?》中指出,地震区标志性事件——在锁固段和次级锁固段体积膨胀点和峰值强度点处发生的地震,其遵循确定性演化规律且具有明确的

我曾在博文《“地震能否被预测”是科学命题吗?》中指出,地震区标志性事件——在锁固段和次级锁固段体积膨胀点和峰值强度点处发生的地震,其遵循确定性演化规律且具有明确的物理意义,故这类事件具有可预测性;而其他的地震,无论大小,依靠目前的知识则无法预测。标志性事件,如1976年唐山地震和2008年汶川地震,是地震区某一演化时段发生的最大地震,常造成严重的人员伤亡和财产损失。那么,这类事件的可预测时间尺度是多大呢? 为此,本文从地震平静期现象入手,以锁固段标志性地震为例,阐释其可预测时间尺度。

孕震系统在演化过程中,总会收到外界和内部某些因素的扰动,如外界荷载的变化、潮汐作用、应力涨落、地震波作用等。注意哦,所谓扰动,指与驱动板块与断层运动的力——地幔对流相比十分微小的力。

近期以能量为抓手,搞懂了有关岩石或锁固段破裂过程中的能量转化与能量分配“密码”,也导出了锁固段破裂发震时计算地震波辐射能的公式,即:

诸多学者基于岩样破裂实验研究,探寻可作为地震前兆的物理量(Dieterich,1979;唐春安和徐小荷,1990;尹祥础等,1994;马瑾等,1996)。图1示出了岩样变形破坏过程中物理量响应特征,可看出当其损伤累积至体积膨胀点至峰值强点之间时,其监测物理量均发生显著变化,这说明其断裂前是有前兆的(耿乃光等,1986;Rudajev et al.,2000)。我们的研究表明,受载锁固段在其体积膨胀点和峰值强度点处均会发生一次标志性地震。因此,从上述研究推断,起码在峰值强度点处的标志性地震发生前,应能观测到显著的物理前兆,如电磁信号异常、波速比异常等。

不少人士晓得,地震预测按时间尺度可分为不同类型。根据我们近10年对地震“脾气秉性”的理解,我们建议的类型如表1所示。

为便于理解扰动对系统稳定性的影响,以小球稳定性为例加以说明。如小球位于平衡位置b点,受外界扰动作用从b点到b’点,扰动作用去掉后,小球围绕b点作几次反复震荡,最后又回到b点,这时称小球处于稳定状态。如果小球的位置在ac点,在微小扰动下,一旦偏离平衡位置,则无论怎样,小球再也回不到原来位置,则称小球处于非稳定状态。

E=0.5VDtDe =0.5GVDe2=0.5VDt2/G

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我们最新的研究表明:第k个锁固段在峰值强度点前且通常近邻该点发生一次显著前震后,再经过一个可忽略的应变,第k 1个锁固段损伤至体积膨胀点处发生标志性地震;除主震外的标志性地震,均发生在锁固段的体积膨胀点处。基于上述认识,易知在显著前震发生后、后续标志性地震发生前,第k 1个锁固段的损伤状态处于体积膨胀点前的稳定破裂阶段。

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式中,V为锁固段体积;G为锁固段剪切弹性模量;Dt为应力降;De为伴随应力降产生过程的剪切应变增量,即发震时锁固段沿断层的滑移应变。

图1 岩样变形破坏过程中监测物理量响应特征

由于在显著前震发生时,伴随有较大的应力降产生,即作用在锁固段上的构造应力(梯级加载方式,在较长一段时间内可视为恒应力加载)发生较大的卸载,所以构造应力须加载至不小于显著前震发生前的应力水平,才可能发生较大的后续地震。鉴于构造应力加载速率极其缓慢,所以应力恢复过程较长。

显然,只有小球处于非稳定状态时,扰动才可能导致其失稳;反之,小球处于稳定状态时,扰动不能导致其失稳。

据式,咱就可以完成以前想做但没法做的事儿——计算锁固段体积。我们曾推测,能发生一次MS8.0左右标志性地震的载体尺度起码得有数十公里,但到底有多大靠拍脑袋不行,得采用科学方法确定才行。

为何岩样被加载至体积膨胀点后,监测物理量呈现显著变化呢?这归因于其损伤已演化至非稳定破裂阶段。显然,每次裂纹扩展都会引起锁固段物理力学性质的劣化,特别在非稳定破裂阶段,裂纹丛集导致的这种劣化作用更加突出,所以势必导致监测物理量的显著变化。

再者,从岩石破裂试验知,当岩样被加载至稳定破裂阶段时,其声发射活动性较弱。我们以孕震断层中存在两个锁固段为例进行了数值模拟研究,从图2可看出,在第1锁固段峰值强度点B1与第2锁固段体积膨胀点C2之间,声发射能率确实很小、事件数也少,这亦佐证了图1示出的结果。

学过岩石力学的童鞋们知道,通常认为受载岩石处于峰值强度点时,其处于非稳定状态,适当的扰动可触发其失稳。对孕震系统而言,也理应如此。然而,我们的研究表明,尽管某次标志性地震对应着第k个锁固段的峰值强度点,但发震载体为第k 1个锁固段,标志性地震发生在该锁固段的体积膨胀点;预震发生在在体积膨胀点与峰值强度点之间;只有主震发生最后一个锁固段的峰值强度点。这意味着如果扰动能能影响孕震系统的稳定性,只有在主震时才能见分晓。遗憾的是,当前各地震区主震尚未发生,且距主震临界状态尚远。鉴于此,当前地震周期主震发生前的地震均与扰动作用无关。

以下,以2008年汶川地震(MW7.9/ MS8.1)为例,根据式算算该震的发震锁固段体积有多大。

鉴于在某个加载步下锁固段破裂发生地震时,会有应力降产生,较大的地震对应着较大的应力降。因此,只有当构造应力加载至不小于前一次地震发生前的应力水平时,才可能发生下一次地震。这意味着地震产生过程是非连续的,即裂纹扩展具有间歇性特征。

综合上述两点分析可知,显著前震发生后、标志性地震发生前应出现较长的地震平静期。

若不信,我们看几个实例。

汶川地震后,不少机构和学者开展了该震的破裂过程反演,获得了关于该震地震波辐射能、地震矩、滑移量与应力降等参数的数值结果。从所得结果的一致性考虑,咱觉得USGS给出的结果(陈学忠等,2008)较有代表性,其给出的地震波辐射能E=1.58x1016,应力降D*t*=2.06。此外,地震学上常采用的剪切弹性模量为*G*=3*x*104。把这些参数代入式,则可计算汶川地震的发震锁固段体积。

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以昆仑山口西地震区为例,该区已发生了3次标志性地震,即1924年7月3日和14日新疆民丰东MS7.25双震、1973年7月14日西藏尼玛北部MS7.5地震与2001年11月14日青海昆仑山口西MS8.0地震。可看出,1997年西藏玛尼MS7.3地震是该区第2锁固段在峰值强度点前的1次显著前震,该震发生后昆仑山口西地震区处于临界状态,直至2011年才发生MS8.0地震,滞后约4年,期间曾发生诸多低于MS5.6(Mv=MS5.6)的中小地震,其中最大一次地震为1998年1月13日玛尼MS5.4地震,显然这些地震均能引起应力涨落,但即使最大的一次也并未能级联性地发展成标志性地震;;此外,在长达约4年的时段潮汐效应也能起到扰动触发作用,该地震区应在达到临界状态后不久发生标志性地震。然而,事实并非如此,说明扰动不会引起标志性地震的发生。

将有关参数代入式得,V=2.24x1014。感觉好大哦!为便于形象地理解有多大,咱按体积等效原则把其视为一个圆球体,可算得等效球体的半径约为38km。虽然地震参数的不确定性会给体积计算结果带来误差,但用上述方法可大致估算体积的量级,从而知晓锁固段是一个很大尺度的岩体,是没有问题滴。

图2 唐山地震区1500~2000年间MS≥5.0地震序列

图1 蚀变花岗片麻岩应力与声发射事件率随时间的变化(改自张鹏海等,2017)

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根据咱前两篇博文的分析,地震波辐射能取决于锁固段被加载至某一点时的可释放应变能密度、地震效率和锁固段体积。所以说,锁固段体积是影响地震震级的重要参数,不容忽视。

标志性地震:1597.10.6 渤海MS7.5地震,1668.7.25郯城MS8.0 地震,1679.9.2三河-平谷MS7.8地震,1888.6.13渤海湾MS7.8地震和1976.7.27唐山MS7.8地震

II——弹性阶段;III——稳定破裂阶段;IV——非稳定破裂阶段

图2 中国及其周边地震区划分图

因为可储存最大应变能密度与锁固段强度有关,即强度大的锁固段可储存的最大应变能密度也大;再者,地震区最后一个锁固段断裂导致主震发生时,会有相当大的应力降产生,相应地地震效率也较高,这能导致储存能量得以充分释放。据此,可认为主震震级主要取决于锁固段强度和体积。鉴于每个地震区锁固段的强度和锁固段的尺度均存在上限,故地球所能发生的最大地震震级也存在上限。

以电阻率为例,说明其随时间的演化特征。这里,为便于阐述其演化机理,设在锁固段体积膨胀点至峰值强度点之间流体的应力腐蚀作用不变。当裂纹从点A扩展到点B时,一次地震过程完成,故在震时阶段锁固段的电阻率线性下降;其后不地震时,电阻率不变。在下一次地震前,由于从点B到点C的电阻率没有变化,故不出现物理异常——地震物理前兆。基于上述分析,可认为地震物理前兆出现在震时阶段,而不是震前阶段。再者,就峰值强度点处的标志性地震而言,尽管电阻率呈整体下降趋势,但下降到何种程度该震将发生,目前仍没有可靠的方法。至于想准确判断该震的发生时间,更是困难重重,因为其发生前通常有一个较长的地震平静期。

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这个上限究竟是多大呢?目前还不能给出一个定值,但估计MW10.0搂不住,因为:根据我们的预测分析,曾发生MW9.5标志性地震的瓦尔迪维亚地震区和曾发生MW9.3标志性地震的旧金山地震区,均处于向下一次标志性地震的演化过程中;每个地震区的地震周期历时均很长,在主震发生前会发生多次标志性地震,且主震前发生的地震表示地震区处于能量积累状态;随着主震前地震区能量的不断积累,后续承载力较高的锁固段破裂会发生更大的标志性地震;某地震区具有最高承载力的最后一个锁固段断裂时将发生该区当前地震周期最大的一次标志性地震——主震。基于上述分析,起码可认为这两个地震区未来具有发生不小于MW10.0主震的潜力。

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图2 数值模型中锁固段剪切应力与声发射能率随剪切应变的变化

图3 考虑误差修正后昆仑山口西地震区1924.7.3-2015.11.21之间

震级与应力降无关吗?

图3 每次裂纹扩展引起的电阻率变化

那么,这个平静期究竟有多长呢?这得分板内地震区和板间地震区,不能一概而论。由于对板间地震区的加载速率较快,一般为数月至数年;而对板内地震区的加载速率较慢,一般为数年至数十年。

MS≥5.6地震的CBS与时间(t)关系

以地震效率为纽带,掀开Benioff应变的“盖头”

总结下,尽管从整体上看物理量有显著变化,但具体到每一次地震,事前不可能观测到地震物理前兆。全球地震学家寻找物理前兆的努力已经有几十年啦,但为何以失败告终呢?上述简短分析已经揭示了其根本原因。在此,顺便提醒下同行们,不从地震发生的具体物理机理入手,任何盲目的做法只能功败垂成。

例如,北海道地震区是一个板间地震区,在2011年3月11日日本宫城东部海域MW9.0标志性地震前,曾发生2008年7月5日鄂霍次克海MW7.7显著前震(据我们对显著前震震级的定义, MW≥9.0标志性地震的显著前震震级不应小于MW7.5)。该区后续前震事件均小于该震,且其对CBS的贡献很小,表明在显著前震发生后、标志性地震发生前,该区处于地震活动相对平静期。该区标志性地震滞后约两年零八个月。

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岩石变形破裂过程中的能量转换与能量守恒

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图4 昆仑山口西地震区1997.11.8-2001.11.14间MS-t

图3 北海道地震区地震构造图

再以汶川地震区为例,该区自1976年8月松潘-平武MS7.2前震震群发生后,处于临界状态,直至2008年5月12日汶川MS8.1地震发生,滞后约32年。在长达约32年期间内,既有内外和外部的应力扰动、地震波作用(如2001年昆仑山口西MS8.0地震)、潮汐效应(期间出现了4次超级月亮)等,但无济于事,并且汶川地震也并没发生在2008年5月份的潮汐组合期间。

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图4 CBS误差修正后北海道地震区144.2.15-2016.2.24之间

图5 考虑误差修正后汶川地震区638.2.14-2015.11.21之间

MW≥7.0地震的CBS与时间(t)关系

MS≥5.5地震的CBS与时间(t)关系

再如,唐山地震区是一个板内地震区,在1976年7月27日唐山MS7.8标志性地震前,曾发生1969年7月18日渤海MS7.4显著前震。之后至唐山地震发生前,该区仅发生了3次MS5.1~5.5地震,其对CBS的贡献几可忽略,表明地震活动处于相对平静期。该区标志性地震滞后约7年。

接着再谈谈外界荷载变化对孕震系统的作用,还是举例说明吧。这些年北京新建了许多高楼大厦,人口和汽车数量等猛增,这些荷载叠加起来比潮汐效应厉害多了,为何没能触发较大的地震?嗯,北京地下是有活动断层滴,历史上也曾发生多次不小于6.0级地震。

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上述分析有力地说明,除主震外的其它地震,扰动不会影响孕震系统的稳定性,起决定作用的是地幔对流这个驱动力。嗯,“蚂蚁”永远是蚂蚁,绝不可能视为“大象”。

图5 唐山地震区地震构造图

任何学说,必须要有基本原理和坚固证据的支撑,否则就是“空中楼阁”。

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超级月亮触发了厄瓜多尔7.5级地震吗?

图6 CBS误差修正后唐山地震区公元前1767-2015.11.21之间

MS≥5.0地震的CBS值与时间(t)关系

显著前震发生后,其所属地震区通常处于或十分接近临界状态。之后平静期的历时因地震区和其所处的演化阶段而异,没有规律性可言。这意味着标志性地震的滞后时间具有强非确定性,即临界状态不等于临震。因此,即使我们知道某地震区处于临界状态,也难于准确判断何时发生标志性地震。鉴于此,再考虑到震级测定值的误差问题,目前较有把握的是根据锁固段理论做标志性地震的中长期或长期预测。与以前的经验、统计预测相比,这种预测是确定性的物理预测,而不是概率性的估计。

特别对板内地震区,由于标志性地震发生前存在较长的地震平静期,可能会蒙蔽吃瓜群众,造成大地震危险性较小的错觉。事实上,严重的地震危险性往往潜伏在“风平浪静”中。我们对诸多板内地震区震例的分析表明,某地震区发生一次标志性地震后,间隔或长或短的时间较大的地震将频发,之后地震活动将处于较长的地震平静期,但这并不意味着大地震变“老实”了,而是往往预示着下一次大地震的来临。

由于地震平静期的存在,期间发震锁固段的物理状态几乎不变,因此不管是板内地震区还是板间地震区,在标志性地震发生前均难以出现可判识的短临物理前兆。为何圈内专家寻找可靠短临物理前兆的长期努力令人失望呢?其原因就在于此。

此种现象的出现说明,实现标志性地震短临预测的难度极大。尽管如此,我们也不应放弃努力,须迎难而上。我们目前认为,从应力降和发震断层的加载速率入手,可能是突破板内地震区标志性地震中期预测与板间地震区标志性地震短期预测难题的关键。

关于地震可预测性,我十分欣赏美国地震学家Wyss说过的一段话:“However, there can be no doubt that a preparatory process to earthquake rupture exists (foreshocks demonstrate this), and I am confident that ingenious and resilient people, who will come after us and will be amused by this tempest in a teapot about the prediction of earthquakes, will eventually improve our ability to predict some earthquakes in favourable areas, although not often with time windows as short as demanded by the moderator. ”他老人家看待地震预测问题确实有前瞻性,晚辈不服不行啊。

地震能否被预测”是科学命题吗?

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