（固体地球物理学专业论文）板内重复地震的识别及其在活动断裂带的应用研究.pdf

l 分类号密级 单位编号8 5 4 0 1 中国地震局地球物理研究所 博士学位论文 板内重复地震的识别 及其在活动断裂带的应用研究 f i l ll l ii ii l lii l li 1 l l 17 7 8 4 12 i d e n t i f i c a t i o n o fi n t r a - p l a t er e p e a t i n gm i c r o e a r t h q u a k e s a n di t s p p l i c a t i o nt ot h ta c t i v ef a u l tzoneand i t sa p p l i c a t i o nt ot h ea c t i v ef a u l tz 0 n e 研究生： 学科专业： 研究方向： 指导教师： 二0o ) k 年六月 目录 摘要 目录 a b s t r a c t 第一章引言 l m 1 1 活动断裂与小震活动 地震活动性参数b 值研究 1 l 2 1 3 重复地震研究一一一一4 1 4 断层滑动速率研究 1 5 研究背景和目的 1 6 研究思路和框架 第二章数字地震波形资料处理方法 2 1 双差地震定位方法简介 2 2 多事件精确相对定位方法 2 3 h y p o i n v e r s e 地震定位方法 2 4 广义相关时延估计 2 5 频谱补零方法 第三章唐山断裂带小震活动及其重复地震识别 3 1 唐山地区地质构造背景与地震活动 3 2 唐山断裂带小震活动分析 3 2 1 数据分析 3 2 2 地震定位及b 值分析 3 3 唐山断裂带的重复地震识别和滑动速率估算 3 4 小结 第四章北京附近地区的小震活动与隐伏断裂滑动速率估算 4 1 北京地区地质构造背景 4 2 地震活动分析 4 2 1 资料 4 2 2 北京地区小震活动的构造成因分析 4 3 北京地区相似地震和“重复地震” 7 9 0 1 1 3 5 6 9 3 3 4 珥 晒 8 5 7 7 8 9 9 旧 5 o 巧 m n n 犸 埒 m 侈 筋 丛 m 拍 勰 ” 卯 ” 强 镐 钙 目录 4 4 隐伏断裂的滑动速率估算 4 5 滑动速率估算的方法讨论 4 6 小结 第五章滇东地区小江断裂带的小震活动和滑动速率估算 5 1云南地区地质构造背景与地震活动 5 2 小江断裂带的小震活动和滑动速率 5 2 1 地质构造背景 5 2 2 地震活动性分析 5 2 3 “重复地震”和滑动速率估算 5 3 小结 第六章滇西北地区主要断裂带的小震活动和滑动速率估算 6 1 丽江宁蒗断裂带的小震活动和滑动速率 6 1 1 地质构造背景 6 1 2 数据分析 6 1 3 地震活动分析 6 1 4 “重复地震”和滑动速率估算 6 2 红河断裂带的小震活动和滑动速率 6 2 1 地质构造背景 6 2 2 “重复地震 和滑动速率估算 6 3 小结 第七章结论与展望 7 1 结论 7 2 进展 7 3 存在的问题 7 4 展望 参考文献 致谢 作者简介 攻读博士学位期间发表论文和会议摘要 钾 卯 钳 舄 舄 鲐 钻 卯 为 饥 九 n 记 w 他 昭 辨 斛 虬 鳄 鸲 鳄 鳄 卯 n b b - - - - - _ - ，i t i l l 摘要 摘要 地震的重复性是活动断裂带小震活动时空分布规律的重要表现之一。重复地 震是指发生在同一断层位置上且具有高度相似波形的一组地震，重复地震的发现 和应用为我们研究活动断裂深部滑动速率以及寻找潜在的凹凸体提供了新的思 路和方法。 本研究主要围绕唐山断裂带、北京平原的隐伏断裂、云南境内的小江断裂带、 丽江一宁蒗断裂带和红河断裂带，利用首都圈数字化台网( 2 0 0 1 - - 2 0 0 6 ) 和云南 数字化台网( 1 9 9 9 - 2 0 0 6 ) 的地震波形记录和地震观测报告，通过波形互相关分 析和精确定位方法来识别研究区的重复地震，从而进行断层滑动速率估算，研究 断层深部的变形行为。同时进行小震精定位处理，分析现今小震活动的空间非均 匀性，探测现代地震与精细构造在空间上的关系，结合b 值扫描，判定出相对高 应力的闭锁段。 基于波形互相关分析，通过精确定位的进一步确认，在唐山断裂带辨识出了 一组准周期的重复地震，同时获取地表以下约1 5k m 处的滑动速率约为2 6 r a m a | 在北京平原区确认出了4 组“重复地震 ，估算出该地区隐伏断裂在不同 孕震深度处的滑动速率为1 2 1 3m m a | 小江断裂带相似地震和“重复地震 估 算的滑动速率结果表明：小江断裂北段的滑动相对较弱，中段和南段的滑动速率 相对高一些，断裂带中段西支的活动速率明显大于东支；结合“重复地震 的空 间位置分析和1 9 7 6 - - - 2 0 0 6 年b 值空间扫描结果，推测出嵩明附近可能存在一个大 的凹凸体，是未来发生强震的潜在危险区；通过筛选出的两组“重复地震 ，给 出了丽江一宁蒗断裂带在脆一韧性转换带约2 3k m 处滑动速率约为5m n f f a ；而红 河断裂北段的“重复地震”研究得出的滑动速率为3 4 6 4i l l m a 。 基于双差法重新定位后的地震，证实了在唐山断裂带中部存在右旋拐折，唐 山断裂带北段存在两个密集的活动丛，计算得出南北两段的b 值分别为0 8 5 士0 0 3 和1 0 3 士0 0 2 ；分析认为北京平原区地震构造的可能成因存在局部构造块体的运动 变形和深部的动力作用两种，在顺义凹陷和马池口凹陷下方存在近直立的深断 裂，具有发生强震的构造条件；在小江断裂带的几何分段部位存在高倾角的陡立 面；丽江一宁蒗断裂带定位后的地震震源深度分布与研究区的深部构造较为相 符，清晰地展示出脆性上地壳o 8k m 处的相对密集活动与1 5 - 3 0k m 处脆一韧性 摘要 转换带中的小震活动，以及与强震发生的累积能量释放层位相关的8 - 1 5k m 处地 震偏少的活动图像。 关键词：重复地震，断层滑动速率，小震精确定位，波形互相关，小震活动性 a b s t r a o t a b s t r a c t a m o n g t h em a n yf e a t u r e so f s e i s m i c i t y , s p a t i a lc l u s t e r i n ga n dt e m p o r a lr e p e a t i n g a p p e a lt ob ep a r t i c u l a r l yi n t e r e s t i n g r e p e a t i n ge a r t h q u a k e sa r eas e r i e so fe a r t h q u a k e s r e g u l a r l yo c c u r r i n g o n ap a t c ho faf a u l tp l a n e t h e s ee a r t h q u a k e su s u a l l ys h o wn e a r l y i d e n t i c a lw a v e f o r m sw h e nr e c o r d e da tt h es a m es t a t i o n t h ed i s c o v e r yo fr e p e a t i n g m i c r o e a r t h q u a k e sp r o v i d e sai l o wm e a n sf o ri n f e r r i n gt h es l i pr a t ea td e p t ha l o n g a c t i v ef a u l t s ，i m a g i n gt h ep o t e n t i a la s p e r i t ya n dm o r ei m p o r t a n t l ye s t i m a t i n gs t r e s s l e v e l i nt h i ss t u d yw eu s e dt h ed a t ac o l l e c t e db yt h eb e i j i n gm e t r o p o l i t a nd i g i t a l s e i s m i cn e t w o r k s mf r o m2 0 0 1t o2 0 0 6a n dt h ey u n n a nd i 百t a ls e i s m i cn e t w o r k ( y s n ) f r o m19 9 9t o2 0 0 6t oi n v e s t i g a t et h et a n g s h a nf a u l t ，t h eb u r i e df a u l t si n b e i j i n gp l a i na r e a ，a n dt h em a i nf a u l t si ny u n n a np r o v i n c e ，i n d u d i n gx i a o j i a n gf a u l t ， l i j i a n g - n i n g l a n gf a u l ta n dh o n g h ef a u l t u s i n gc r o s s - c o r r e l a t i o nt e c h n i q u ea n df i n e r e l o c a t i o nm e t h o d ，w ef o u n dr e p e a t i n gm i c r o e a r t h q u a k e si nt h es t u d ya r e a sa n du s e t h e mt oe s t i m a t es l i pr a t e sa td e p t h t h ei ns i t us l i pr a t ei sa k e yp a r a m e t e rt oc a l c u l a t e t h es t r e s sb u i l du pr a t e ，l e a d i n gt oab e t t e rq u a n t i f i c a t i o no fs t r e s sl e v e l w eu s e dt h e b u l l e t i na n dr e g i o n a lw a v e f o r md a t at oa n a l y z et h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fe a r t h q u a k e s a n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns e i s m i c i t ya n df a u l ts t r u c t u r e s a c c u r a t er e l o c a t i o no f t h ee a r t h q u a k e sw e r eo b t a i n e db yb e s tf i t t i n gt h eb u l l e t i np i c k sd i f f e r e n t i a lt i m e sb a s e d o nc r o s s - c o r r e l a t i o nm e t h o d s t h er e l o c a t e dc a t a l o gd a t aw e r et h e nu s e dt oa n a l y z e t h ef r e q u e n c y - m a g n i t u d eo ft h ee a r t h q u a k e s i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ee a r t h q u a k es i z e d i s t r i b u t i o na l o n gaf a u l to ra r e g i o nf o l l o w sap o w e rl a w t h es l o p eo f t h i sp o w e rl a w , t h e b - v a l u e ，i sc o m m o n l yu s e dt od e s c r i b et h er e l a t i v eo c c u r r e n c eo fl a r g ea n ds m a l l e v e n t s l a b o r a t o r ys t u d i e sf o u n dt h a tbv a l u e sa r ei n v e r s d yd e p e n d e n to nd i f f e r e n t i a l s t r e s s w i t ht h er e l o c a t e dc a t a l o g ，w ea l s oi n v e s t i g a t e dt h el a t e r a la n dd e p t hv a r i a t i o n o ft h eb - v a l u e t o g e t h e rw i t ht h es e i s m i c i t yw eh o p e f u l l yt om a po u tt h ea s p e r i t i e s a l o n gt h e s ef a u l tw h e r ef u t u r ee a r t h q u a k e sa len e s t e da n dt h e i rc u r r e n ts t r e s sb u i l d u p l e v e l sq u a l i t a t i v e l y a b s t r a c t u s i n g c r o s s - c o r r e l a t i o na n df i n er e l o c a t i o n a n a l y s e s ，w e i d e n t i f i e da q u a s i - p e r i o d i cr e p e a t i n ge a r t h q u a k e ，a n do b t a i n e daf a u l ts l i pr a t eo f 2 6m l l ：1 aa t - 15 k ma l o n gt h et a n g s h a nf a u l t w ef u r t h e rf o u n d4 r e p e a t i n ge a r t h q u a k e sa n do b t a i n e d a l la n n u a ls l i pr a t eo f1 2 1 3m n f f aa ts e i s m o g e n i cd e p t h sa l o n gt h eb u r i e df a u l t si n b c i j i n gp l a i na r e a t h ed i s t i n c ts l i pr a t e sw e r ef o u n di nt h ed i f f e r e n ts e g m e n t so ft h e x i a o j i a n gf a u l t ，w h i c ha r ec h a r a c t e r i z e db yl o w e rs l i pr a t el o c a t e di nt h en o r t h s e g m e n t ，a n dh i g h e rs l i pr a t ei nt h em i d d l ea n ds o u t hs e g m e n t s t h e r ea r et w os u b p a r a l l e lf a u l t ss t r a n d si nt h em i d d l es e g m e n t ，t h es l i pr a t eo nt h ew e s ts t r a n di sh i g h e r t h a nt h a to nt h ee a s ts t r a n d t h el o c a t i o n so fr e p e a t i n ge a r t h q u a k ea n dt h en o w b - v a l u e st o m o g r a p h yf r o m19 7 6t o2 0 0 6e a r t h q u a k ec a t a l o g u ec o m m o n l yi m a g et h e e x i s t e n c eo fa s p e r i t ya r e al l e a rs o n g m i n gw h e r ef u t u r es t r o n ge a r t h q u a k e sl i k e l y o e g u l b a s e do nt w oq u a s i - p e r i o d i cs e q u e n c e s ，w ea l s oo b t a i n e dt h es l i pr a t ea b o u t5 m m y ra t 2 3k md e p t ho ft h el i j i a n ga n dn i n g l a n gf a u l t t h es l i pr a t e3 4 - - 6 4i n m a d e r i v e df r o m r e p e a t i n ge a r t h q u a k el o c a t e dn o r t hs e g m e n to fh o n g h ef a u l t t h er e l o c a t e ds e i s m i c i t y 谢t l lt h ed o u b l ed i f f e r e n c em e t h o dc l e a r l ye x h i b i t sa d e x t r a lb e n di nt h em i d d l eo ft h ef a u l t m o s te a r t h q u a k e sw o r ef o u n di nt h et w o d u s t e r sf o r m i n gt h en o r t h e r ns e g m e n t t h ebv a l u e sc a l c u l a t e df r o mt h es e i s m i c i t y o c o m i n gi nt h en o r t h e r na n ds o u t h e r ns e g m e n ta r e1 0 3 4 - 0 0 2a n do 8 5 4 - 0 0 3 ， r e s p e c t i v e l y t h er e l o c a t e ds e i s m i c i t yi m p l i e st h et w op o t e n t i a lm e c h a n i s m s 、析t 1 1d e e p d y n a m i c sa n dl o c a lt e c t o n i cb l o c k sm o t i o na n dd e f o r m a t i o nf o re a r t h q u a k e sa r o u n d b c i j i n gm e t r o p o l i t a na r e a t h er e l o c a t e ds e i s m i c i t yi nt h ec a p i t a la n di t sa d j a c e n ta r e a d u r i n gt h ep e r i o d19 8 0t o2 0 0 6s u g g e s t st h er e g i o no a nb ed i v i d e di n t os c ：、i e r a ls u b b l o c k s t h er e l a t i v em o t i o n sw h i c hm i g h tb ed r i v e nb yb a s a lv i s c o u sd r a gc o n t r o lt h e r e g i o n a ls e i s m i c i t y t h er e l o c a t e ds e i s m i c i t ya l s or e v e a l san e a r - v e r t i c a ld e e pf a u l t b e n e a t ht h es h u n y id e p r e s s i o na n da n o t h e ro n eb e n e a t ht h em a c h i k o ud e p r e s s i o n t h e r e l o c a t e ds c i s m i c i t yw i t l lt h ed dm e t h o dr e v e a l st h ee x i s t e n c eo fs t e e p i n c l i n e d s t r u c t u r ep l a n e s ，w h i c ha g r e ew i t ht h el o c a t i o n so fg e o r n e t r i es e g m e n t a t i o no ft h e x i a o j i a n gf a u l t t h ef o c a ld e p t hd i s t r i b u t i o no fr e l o c a t e de a r t h q u a k e sa l o n gt h e l i j i a n g - n i n g l a n gf a u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h er e g i o n a ls e i s m i cv e l o c i t ys t r u c t u r e h i g h s e i s m i c i t ya r ef o u n di nt w od e p t hr a n g e s0 f o - 8k mi nt h eb r i t t l eu p p e rc r u s ta n do f - 15 - 3 0k mi nt h ed u c t i l e - b t i t t l et r a n s i t i o nz o n e si nt h el o w e rc r u s t 1 h el a c ko f s e i s m i c i t ya t 8 15k md e p t h sc o u l da l s oa t t r i b u t et op r e v i o u so rf u t u r e s t r o n g e a r t h q u a k e s k e yw o r d s ：r e p e a t i n ge a r t h q u a k e ，s l i pr a t eo ff a u l t ，s m a l le a r t h q u a k ef i n er e l o c a t i o n , w a v e f o r mc r o s sc o r r e l a t i o n ，m i c r o s e i s m i c i t y v 第一章引言 第一章引言 小震活动在空间上的分布特征揭示了活动断裂的几何结构，地震在断裂带上 的活动强度差异也表现了不同段落的应力积累和释放的状态，地震活动性参数b 值研究为判断断裂带上潜在危险区( 凹凸体) 提供了依据，重复地震的发现为我 们定量研究断裂带深部的滑移习性提供了新的思路。本章在综合文献调研基础上 给出了本论文的研究背景和研究框架，即利用现代数字地震波资料来研究活动断 裂的小震活动时空分布特征，通过数字波形分析寻找可能存在的重复地震，从而 进一步定量研究断裂的活动和运动状态。 1 1 活动断裂与小震活动 地震是现代地壳运动的一种重要表现形式，是断裂活动的直接反映，大多数 地震的发生与断层( 尤其是活动断层) 有着密切的关系。深部断裂作为地幔热物 质上涌的通道，可能成为引发地震的直接因素。而与浅层断裂相比，深部断裂和 隐伏断裂很难从地表直接勘察。通过地震来研究活动断裂是一种最直观最直接的 方法。但常规地震报告中给出的震源参数具有很多的不确定因素，各种定位误差 的存在常常影响到研究结果的可靠性。在数字地震观测时代，随着精定位技术的 发展，各种定位误差都得到了不同程度的解决，相应地采用地震精定位来研究活 动断裂也成为一活跃的领域。 1 9 9 9 年s h a w 和s h e a r e r ( s h a wa n ds h e a r e r ，1 9 9 9 ) 综合利用石油钻井的资料、 地震精定位的活动图像、地震反射剖面，发现了在大都市洛杉矶下方存在着一条 隐伏逆冲活断层，这一发现开创了应用地震精定位技术寻找活动断层的新思路。 2 0 0 0 年w a l d h a u s e r 和e l l s w o r t h ( w - a l d h a u s e ra n de l l s w o r t h ，2 0 0 0 ) 提出了一种比绝 对定位方法精度高、适用于比主事件法空间跨度大的地震事件群体的相对定位法 双差定位法。在加州地区，经双差法重新定位后地震图像揭示了在h a y w a r d 断层的地表迹线下存在一个几近直立的断层带，且多数地震活动集中在西北方向 延展的构造上( w a l d h a u s e ra n de l l s w o r t h ，2 0 0 2 ) ；在c a l a b e r a s 断层则发现了很多 重复地震和近水平的断层迹线( s c h a f fe ta 1 ，2 0 0 2 ) ；沿i m p e r i a l 断层则存在一条与 地表迹线平行的、深度约为9k m 宽2k r n 的断层( s h e a r e r , 2 0 0 2 ) 。朱艾斓等人 ( 2 0 0 5 a ；2 0 0 5 b ) 通过对我国川西和首都圈地区小震重新定位，发现在局部地段 板内重复地震的识别及其在活动断裂带的应用研究 存在隐伏活动断裂，而且在川西高原存在厚度约5k m 的缺震层。李乐等人( 2 0 0 7 ) 对首都圈及其邻区1 9 8 0 - - 2 0 0 4 年发生的地震进行重新定位结果展示了首都圈地 区可能存在局域构造块体的运动变形和深部构造的动力作用的二种不同地震构 造成因。 1 2 地震活动性参数b 值研究 古登堡和里克特( g u t e n b e r ga n dr i c h t e r ，1 9 4 4 ) 在研究世界地震活动性时， 总结出地球上各大地震区的6 级以上的地震的数目与震级的经验公式： l g n = a b m ，口值表示某一地区某一时期内地震活动的程度，6 值表示统计间隔 内的大小地震的比例。若发生的强震多，馗减小，反之，6 值变大。6 值与应力 强度和岩石均匀程度有关，同时也是断裂结构方式的重要度量。 b 值一般依赖于岩石的类型、应力和围压条件，而其中最主要的可能是应力 状态。岩石压力实验( s c h o l z ，1 9 6 8 ) 展示6 值随应力的增加而减小的关系。岩层 介质性质表现了一定的相对稳定性，应变能“积累 和“释放 之间的关系， 也具有相对的稳定性。此时相应的6 值也表现得比较稳定。若6 值有变化，意味着 应力分布有较大的变化，就有发生大地震的可能性。当应力增加时，6 值下降， 如果应力接近岩石破裂强度时，雅下降加速。因此，6 值的大小在某种意义上反 映了应力水平的高低。 凹凸体是指断层面上可以积累大量应变能并在地震中释放出来的较坚硬的 部分( k a n a m o r i ，1 9 8 1 ) 。凹凸体通常具有较高的断面粗糙度，高摩擦，低空隙 压力，从而其所在的断裂面上往往表现出高应力，相对闭锁的习性，而地震时则 是控制主破裂及其释放主要能量的断裂段。因此，凹凸体是断裂带上最有可能的 潜在的地震危险段，由于应力的高低与震级一频度关系中的增成反比，使得有 可能根据b 值的分布勾绘出活动断裂带上的凹凸体( w i e m e ra n dw y s s ，1 9 9 7 ； w y s s e ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 6 值在断裂带闭锁区( 凹凸体) 表现为低值，在蠕变区为高值，这一显著差 异在实验室的岩石破裂实验已得到印证，在实际地震活动性分析中也得出了上述 结论( w i e m e ra n dw y s s ，1 9 9 7 ：a m e l u n ga n dk i n g ，1 9 9 7 ：s c h o r l e m m e ra n dw i e m e r ， 2 0 0 5 ) 。因为闭锁区比蠕变区的剪切强度要高，故而导致了闭锁区的高应力和低 b 值与蠕变区的低应力和高b 值。s c h o r l e m m e r 和w i e m e r ( s c h o r l e m m e ra n d 2 第一章引言 w i e m e r ，2 0 0 5 ) 通l 立2 0 0 4 年p a r k f i e l d 的6 级主震前的2 0 多年小震活动的b 值分析发 现，该主震及其随即发生的两个5 级余震都发生在低6 值区，即高应力区。其它地 区的研究如1 9 9 9 年土耳其的i z m i t 的地震，1 9 2 3 年日本的k a n t o 地震，以及南加州 地区1 9 8 4 年m o r g a nh i l l 地震实例分析都证实上述的结论( w i e m e ra n dw y s s ， 2 0 0 2 ) 。s c h o r l e n 助e f 等人( s c h o r l e m m e re ta 1 ，2 0 0 5 ) 对全球不同类型震源机制 解的地震活动6 值统计发现，正断层类型地震的6 值最高，逆断层的最低，走滑断 层的6 值位于中间，并指出b 值作为一个“应力计 ，对于全球范围内的地震适用。 6 值在空间分布上的变化不仅与应力状态有关，同时受介质的复杂程度的影 响也很大。m o g i ( 1 9 6 2 ) 在实验室内对不同类别的不均匀结构的样品的研究表 明，不均匀介质中的破裂性质与均匀介质中的有非常大的差异。在不均匀介质中， 发生大破裂的概率小，而小破裂较频繁地发生；相反，在均匀介质中，小破裂很 少发生，但发生大破裂的概率很高。尹祥础等( 1 9 9 0 ) 根据断裂力学的基本理论， 认为b 值反映了介质断裂构造状态，而介质断裂构造状态可能是介质不均匀性的 一种表现。焦远碧等人( 1 9 8 9 ) 认为非均匀性( 各种预存裂缝、障碍体或包体等) 对声发射时间序列、空间分布的影响也很明显。马胜利等( 2 0 0 4 ) 的实验结果表 明，含有大量微裂纹的花岗岩变形过程中b 值具有降低趋势，而几乎不含微裂纹 的花岗斑岩变形过程中b 值则随应力而增加。蒋海昆等( 2 0 0 6 ) 认为预存构造的 差异比力学条件对b 值有更重要的影响，在双向压缩条件下非均匀断层实验结果 展示了当断层破坏表现为突发失稳时，6 值在弹性阶段后期至弱化阶段显示出“前 兆”性降低；而当断层表现为渐进式破坏( 无强震) 时，b 值变化平稳。陈顺云 等人( 2 0 0 5 ) 的实验研究表明不同的构造活动模式会对b 值产生不同的影响，提 出b 值可能蕴含有构造活动模式的某些特征，有可能成为分析区域构造活动模式 的一种新手段。 m o i l 和a b e r c r o m b i e ( 1 9 9 7 ) 系统研究了美国加州地区b 值随深度的变化，发 现6 值随震源深度的增加具有明显减小的趋势。其后，g e r s t e n b e r g e r 等人( 2 0 0 1 ) 对该现象给出了系统验证，认为b 值随震源深度的变化不是由数据随机波动或系 统误差等因素所引起，同样认为其物理机制与应力及物质的不均匀程度有关。而 其他一些研究有关日本地区和意大利西西里岛的地震，尤其是火山地区的b 值分 析展示了不同的结果( w y s sa n dm a t s u m u r a ，2 0 0 2 ；w y s s 髓a 1 ，1 9 9 7 ；w i e m e ra n d m c n u t t ，1 9 9 6 ；m u r r r ue ta 1 ，1 9 9 9 ) 。w i e m e r 等人( 1 9 9 8 ) 发现火山地区地震 板内重复地震的识别及其在活动断裂带的应用研究 活动的b 值随深度的增加而减小，而在非火山地区b 值随深度增加而增加；在火山 区准表现为高异常区，并用于岩浆房的确定( w y s se l ；a 1 ，1 9 9 7 ；m u r m ie ta 1 ， 1 9 9 9 ) 。美国s a nj a c i n t oe l s i n o r 断层带的研究展示出该区域6 值随深度的变化没有 系统规律可循( w y s se ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 上世纪8 0 年代以来，研究者们发现b 值与描述地震活动层次结构的分形维数 紧密相关( k i n g ，1 9 8 3 ) 。 1 3 重复地震研究 按照弹性回跳理论( r e i d ，1 9 1 0 ) ，地震的复发行为可以简单的视为能量积 累过程和能量释放的过程，大震的发生应该是有一定周期的。s h i m a z a k i 和n a k a t a ( 1 9 8 0 ) 将地震的复发行为理想化为三种情况，提出了“严格周期模型刀、“时间 可预报模式 和“滑动可预报模式”。如果应力加载率恒定且已知，并且对相继 发生的地震来说，破裂应力和最终应力始终不变，则未来地震的位移和复发时间 是相同的，并且是可预测的( 严格周期模型) 。如果仅仅是破裂应力保持不变， 那么至下次地震的复发时间能以先前地震的应力降为基础计算出来( 时间可预报 模式) 。如果仅仅是最终应力保持不变，那么，一旦一次地震发生，其应力降可 由上次地震以来的时间计算出来( 滑动可预报模式) 。在时间可预报模式中由于 重复地震中的每个地震的应变释放量不同，从而造成了重复间隔的变化。s c h w a r t z 和c o p p e r s m i t h ( s c h w a r t za n dc o p p e r s m i t h ，1 9 8 4 ) 根据美国w a s a t c h 断裂和s a n a n d r e , a s 断裂上的古地震研究得到的每个地震的位移资料，发现在连续的破裂带 地表地震期间，其位移保持不变，并提出了特征地震模式，震级或同震位移值相 近的地震以规则或不规则的时间间隔在活动断裂带的一个同震破裂段上不断的 复法行为( 特征地震模式) 。由于引起地震发生原因的复杂性，严格周期的地震 复发行为十分少见，因此，s a v a g e 和c o c k e r h a m ( 1 9 8 7 ) 提出了地震原地复发的 准周期模型。b a k u n j ；f l l m c e v i l l y ( 1 9 8 4 ) 讨论了不同的模式，试图解释重复地震 的准周期性，并提出当无震滑动和有震滑动的比率随时间变化时，时间可预测模 式可以用于解释重复地震。重复地震及其模型解释一直以来都存在争议( k a g a n ， 1 9 9 3 ) 。上述有关重复地震各种模式都是围绕特定地区发生的大地震提出的，虽 然地震复发模型在地震长期预报中得到了广泛的应用，但大地震的轮回需要数百 年甚至更长的时间，发生的几率相对也很小，而且历史地震的记载是十分有限， 4 第一章引言 所以研究者们也开始关注小震的复发问题。 早在1 9 8 0 年g e l l e r $ 1 1 m u e l l e r ( g e l l e ra n dm u e l l e r ，1 9 8 0 ) 就研究了美国加州 的c a l a v e r a s 断层和s a na n d r e a s 断层上小震的复发现象。数值模拟的实验结果表明 ( k a t oa n d h i r a s a w a ，1 9 9 7 ) ，在板块边界上，稳滑区域包围的闭锁区域( 凹凸体) ， 会同时发生滑动，并且在时间上具有周期性。但在实际的板块边界上，凹凸体的 分布是不均匀的，所以地震重复的间隔也会在不同程度上受到相邻的凹凸体的影 响。在另一种环境下，如果在板块边界上，存在一些小的凹凸体，且分布较为分 散，则它们相互之间的影响是可以忽略的，如在蠕变区，板块边界是几乎解耦的， 且只有若干小的凹凸体上有小震发生。实际上，在位于板块边界的美国圣安德烈 斯断裂带的p a r k i i e l d 地区( e l l s w o r t ha n dd i e t z ，1 9 9 0 ；v i d a l ee ta 1 ，1 9 9 4 ；n a d e a u e ta 1 ，1 9 9 5 ； n a d e a ua n dj o h n d o n ，1 9 9 8 ) 、日本东北俯冲带( m a t s u z a w ae ta 1 ， 2 0 0 2 ；i g a r a s h ie ta 1 ，2 0 0 3 ；u e h i d a te ta 1 ，2 0 0 7 ) 的微震研究中发现了很多重复 地震，最近在台湾东部地区的池上断裂带也发现了重复地震( c h e l ae ta 1 ，2 0 0 7 ； r a ue ta 1 ，2 0 0 7 ) 。这些重复地震都发生在板块边界的蠕变区，具有很大的蠕动 速率或很低的地震耦合系数。n a d e a u 等人( 19 9 5 ) 定义重复地震是发生在同一 个断层位置( f a u l tp a t c h ) 上的一组地震，这些地震通常震级相近，地震复发间 隔几乎相同，具有极为相似的地震波形和震源机制的一组地震。因为除了重复地 震外，一些余震( a f l e r s h o c k ) 的波形也具有较高的相似性，r u b b i i l 和g i l l a r d ( 2 0 0 0 ) 更加严格给出了重复地震和余震的本质区别，重复地震的破裂面积是相互重叠 的，而余震的破裂面积是彼此分开的，两者在空间位置上存在差异。n a d e a u 和 j o h n s o n ( 1 9 9 8 ) 将重复地震的发生机理解释为稳滑区域( 大的蠕变区) 包围的 强的凹凸体的重复破裂，但这一重复破裂是在稳定的区域应力加载下完成的( 滑 动速率2 3c r n a ) ，由此却得出2g p a ( 2 0k b a r ) 量级的高应力降。针对这一问题， a n o o s h e h p o o r f i = l l b r u n e ( 2 0 0 1 ) 将p a r k f i e l d 段上的重复地震解释为由大的闭锁区包 围的凹凸体的模式，在这种模式下，通过周围闭锁区的屏蔽来降低重复地震的加 载速率，从而在局部会产生相对小的滑动速率，从而避免了上述模型中的所必需 的高应力降和强的凹凸体的存在。室内断层泥实验结果表明每次粘滑事件前都会 发生无震蠕动，b e e l e r 等人( 2 0 0 1 ) 则提出一个简单的粘滑和蠕滑模式，也就是 在重复地震间隔期存在明显的无震蠕动，从而导致低的应力降，但是这种模式在 一定程度上偏离了重复地震的重复间隔和地震大小的比例t 芪肘关系。s a m m i s 板内重复地震的识别及其在活动断裂带的应用研究 和r i c e ( 2 0 0 1 ) 则提出了另一种解释模式，认为重复地震是发生在大的闭锁区和 蠕变区接壤处的弱的凹凸体上，从而解释了低应力降和t m 的比例关系，另 一方面因为地震多发生在边界地带，所以地震在空间分布上形成带状甚至线状， 这一模型解释与r u b b i n ( 19 9 9 ) 等人研究蠕变断裂带微震活动的条状分布特征正 好吻合。j o h n s o n 和n a d e a u ( 2 0 0 2 ) 提出了一种地震凹凸体模式( e a r t h q u k ea s p e r i t y m o d e l ) 来解释，其假设重复地震主要是由蠕滑区域包围的一组相互作用的小的 凹凸体群( a s p e r i t yp a t c h ) 造成的，在区域应力加载下，凹凸体群( a s p e r i t yp a t c h ) 周围是位错的阴影区，存在位错不足( d i s p l a c e m e n td e f i c i t ) 。 重复地震发生的机理表明，如果能够发现独立存在的重复破裂的凹凸体，就 为长期地震预报提供了依据。m a t s u z a w a 等人( 2 0 0 2 ) 分析了1 9 5 7 年到1 9 9 5 年的 地震资料，在日本东北部地区发现了一组复发间隔约为5 3 5 年的m 4 8 左右的地 震，并成功预测发生在2 0 0 1 年m 4 7 地震。u c h i d a 等人( 2 0 0 5 ) 对上述重复地震的 研究表明，在邻近区域大震发生之后，重复地震的重复周