（固体力学专业论文）临震次声异常产生的机理研究.pdf

摘要 世界范围内7 级以匕地震发生前若干天内基本都能观测到次声异常信号，因而 次声可能成为重要的地震前兆异常。但目前尚不能确定震中位置，并且对震前次声 产生的机理还不是很清楚。研究次声异常信号的特征和产生的机理，对于临震预报 以及了解孕震、发震过程具有重要意义。 为模拟次声发生过程，采用膨胀扩容孕震模型模拟地震孕育过程，分层考虑不 同深度地质参数，并将空气介质与地质体作为一个分析系统，在给出两者界面处结 构自由度和空气压力自由度耦合方程的基础上，采用瞬态有限元方法计算分析了地 震孕育末期地表变形及其产生的次声波和频率。提出的孕震体膨胀一收缩模型的确能 在空气中产生次声波，且次声波的主要频率是孕震体膨胀一收缩周期的倒数；孕震体 收缩变形阶段的声压波幅远大于膨胀阶段。 最后，以日本地震板块为研究对象，采用走滑机理建立其数值模型，运用二维 瞬态有限元分析方法，分层考虑不同深度地质参数，模拟了太平洋消减板块作用下 日本东北部地区地表的运动，并考虑地表和空气的相互作用，计算得到了地表位移 及次声波压力变化曲线，模拟出了i 临震次声波。并将模拟结果与实际观测结果进行 对比。模拟得到的次声信号波形特征、频率范围与实际观测基本一致，表明提出的 孕震一次声机理模型是合理的。为震前次声波产生的机理提供了重要的依据。 关键词地震预报：次声波；孕震体；有限元 a b s t r a c t i n 丘毽s o u n da b n o r m a l 时。缸nw a so b s e r v e dj u s ts e v e r a ld a y sb e f o r es t r o n ge a n h q u a k e so c c u r r e d a r o u n dt h ew o r i d ，s oi n f r a s o u n da b n o r m a l i t yc ou l db ea ni l n p o 血n te a r n l q u a l ( e p r e c u r s o l i ti s s i g n m c a n tt ot h e i m m i n e n tp r e d i c t i o nt h r o u g hr e s e a r c h i n gi 1 1 f r a s o u n da b n o m a l i t ya n da c c m e d m e c h a n i s m t h ei n f i a s o u n da p p e a r e di nt h ed a y sb e f o r ee a n h q u a k ei sn o to n l yv e r yi m p o n a i l tt ot h ei m m i l l e n t p r e d i c t i o nb u ta l s oa s s o c i a t e dw n hg e 0 1 0 9 i c a la c t i o n sa tt h e1 a s ts t a g eo fe a r c h q u 矗k ei n c u b a t i o n t h e s c h o l a r so fd o m e s t i ca n do v e r s e a sb r o u g h tf o n a r ds o m er e p r e s e n t a t i v em e c h a n i s mm o d e l s ，b u tt 1 1 e m o d e le x p l o r a t i o n sd on o tr e f e rt ot h eb e f a l lo fi n f r a s o u n da tp r e s e n t i nt h i sp a p e ra2 一dm o d e li n w h i c hal a y e r e dr o c kg e o s 廿u c t i l r e ，a i rm e d i aa i l dt h e i ri n t e r a c t i o nw e r ei n c l u d e dw a sp r o p o s e dt o s i m u l a t et l ef b h d a t i o no fi n 胁s o u i l d b yt h e 仃a n s i e md y n 锄i c 矗n h ee l e m e n tm e t h o d t h ew a v e f 0 i t n a n df r e q u e n c yo f t h ei n 丘a s o u n ds i m u l a t e dw e r ea n a i y z e d ，t h er e s u l t ss h o w e dm a tt h ep r o p o s e dm o d e l c o u l dp r o d u c ei n f r a s o u n dw h i c hf r e q u e n c ya 目e e sw e l lw i t ht h eo b s e r v e da n di tm i g h tb eat m e m e c h a n i s mo fi n f r a s o u n da b n o m a l i t yf o r m a t i o nt h ef r e q u e n c yo ft h ej n f r a s o u n dw a so v e r 血e e x p a n s e c o m r a c i n gp e r i o do ft h ee a r t h q u a k es o u r c eb o d y t h en u c t u a t i n gr 姐g eo fm ea i rp r e s s u r e d u r i n gt h ec o n t r a “i n gw a sg r e a f e rt l l a 工1t h a td u r i n gt h ee x p a i l s e am e c h a n i s mm o d e 】o fi n f r a s o u n dp r o d u c i n gi ne a r t h q u a k ei n c u b a t i n gw a sp r o p o s e di nw h i c h i n t e f a c t i o nb e t w e e na n o s p h e r ea n dd e f o n n a t i o no fe a r t hs u r f 犯ec a u s e db yd y n a m i cb e h a 州o ro f g e 0 1 0 9 i cb o d i e si n f i n a ls t a g eo fe a 胁q u a k ei n c u b a t i o nc a u s e st h eo b s e r v a b l ei n f r a s o u n d a sa i l e x a m p l et ov e r i f yt h em o d e lg e o l o g i c a lb e h a v i o ri n t h en o n h e a s tj a p a na r e aw a sm o d e l e dn u m e c a l l y a n da n a l y z e db yt w od i m e n s i o n a lf m n ee l e m e n tm e 廿1 0 d s ( f e m ) a1 a y e rg e o l o g i c a lm o d e la 1 1 de 龄c t o ft h ep a c 湎cs u b 血c t i n gp l a t ew e r ei n c l u d e di nt h en u i i l e r i c a lm o d e l b a s e do nt h ed y n 枷j cc o u p l i n g t h e o r yb e t 、v e e ns t n i c t u r e sa n df l u i d s ，i n f h s o u n dw a so b t a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s g o o d a 掣e e m e mb e t w e e nt h eo b s e r v e da i l dt h es i m u l a t e ds u g g e s t st h a tt h ep r o p o s e dm o d e l i sr e a s o n a b l e k e y w o r d se a n h q u a k ep r e d i c 廿o n ； i n 矗a s o n i cw a v e s ； t h ee a r t h q u a k es o u r c eb o d y ；f e m i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谓 的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：鱼幸_ 隰盟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：缉萃导师签名 日期：加彩 1 1 引言 1 1 1 地震的破坏性 第1 章绪论 吼前人们常把预报地震与治疗癌症同称为现代科学的阿大难题，癌症的研究与 诊治可以通过解剖人体等于段进行，而且治疗癌症已经取得了突破- 眭进展，而刘于 地震的研究还处于刚刚起步阶段【lj 。地震灾害给人类带束的生命财产损失是难以估计 的，是地球带给人类的重大灾害之一口 。强烈地震常常以其猝不及防的突发性和巨大 的破坏力给社会经济发展、人类生存安全和社会稳定、社会功能带来严蕈的危害， 据减灾必读地震出版社，( 1 9 9 0 ) 一书统训，历史i 一各种自然灾害曾毁灭了世界各 地5 2 个城市。其中因地震而毁灭的城市有2 7 个，包括1 ：= i 本关东8 级大地震、美嗣 洛杉矾8 级地震、中国的唐山78 级火地震都是发生在人口稠密的城市，给城市带来 了毁灭性的灾难。地震之外的其他各种灾害，如水灾、火灾、火山喷发、风灾、沙 灾、旱灾等毁灭的城市为2 5 所，地震占总数的5 2 。目前每年全世界由地震灾害 造成的平均死亡人数达80 0 0 一1 00 0 0 人次，平均绎济损失每次达几十亿美元。据联 合国统计，上个世纪，全世界园地震死亡的人数达1 2 0 万，占全球自然灾害所造成 的死亡总和的5 8 。可见地震灾害确系“群害之首”。这在当前全球城市化进程急剧 发展，尤其是我国城市数量剧增的情况下，更展出防震减火的苇要性和紧迫性”j 。 地震给人类社会造成的巨大灾难和损失，促使世界各国认识到开展地震学研究、 进行地震预测的重要性和紧迫性。地震预报对于减少人民生命财产损失，保证圉家 经济健康、持续发展都具有不可估量的作用。地震预报分为长、中、短、临四种方 法【”。长期预报是指对未来l o 年内可能发生破坏性地震的地域的预报；中期预报是 指对未来一、二年内可能发生破坏性地震的地域和强度的预报；短期预报是指列未 来3 个月内将要发生地震的时间、地点、震级的预报；临震预报是指对1 0 日内将要 发生地震的时间、地点、震级的预报。其中又以临震预报最为重要，只有做好临震 预报工作，才能真正做到防震减灾9 j 。 1 1 2 中国地形的特殊性造成地震频繁 中国位于世界两大地震带“环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板 块、印度板块和菲律宾海板块的挤压。2 0 世纪中，我国大陆地区在占伞球陆地面积 7 的国土上，发生了占全球3 5 的7 级以上大陆地震。2 0 世纪全球囚地震死亡的总 人数近1 2 0 万人，我国大陆地区就有近6 0 万，山一半左右o ”。我国有5 3 的圈土， 人数近1 2 0 万人，我国大陆地区就有近6 0 万，占一半左右o ”。我国有5 3 的国土， 北京工业大学工学硕士学位论文 近l 2 城市、2 3 百万人口以上城市位于七度以上的高烈度区，而美国七度以上高烈 度区仅占其国土面积的1 2 。建国以来地震造成的直接死亡人数达2 8 5 万。占同期 所有自然灾害造成直接死亡人数的5 4 。 1 1 3 地震预报的复杂性 我国地震预报研究工作是从1 9 6 6 年河北邢台地震后开展起来的【8 。我国地震的 活动可用“多大广浅”四个字概括其特点，即地震多( 频度高) 、强度大、分布广、震源 浅【9j 。中国地震预报的科学思路及技术途径具有自己的特色，从实践中总结经验，逐 步形成和发展了地震预测理论和方法【1 0 。4 0 年来，我国地震科技工作者克服重重困 难，从对地震进行现场调查入手，多种学科协同作战，广泛地收集整理。分析被认 为可能与地震有关的各种现象，探索实现地震预报途径，进行地震预报实践，屹 。 到9 0 年代初，在我国大陆已经建立了包括地震学、地磁、地电、重力、地壳形变i l ”、 应力应变、地下流体、地热和电磁辐射等九大学科的地震监测方法。 地震现象既是一个高度非线性的复杂系统，又是一个开放的系统【l “。迄今为止， 地震学家尚未找到一种确定性的地震前兆，可以在所有大地震之前被无一例外的观 测到；并且一旦出现这种异常现象，无一例外的发生大地震。相反，地震前兆的出 现常因地而异，甚至在同一地区的不同地震发生之前，地震前兆现象也有很大差异。 它表现为空间分布上的不均匀性，异常形态上的多样性，不同地区的差异性，异常 与地震关系的不确定性等，除无前兆异常无地震外，往往还出现有异常无地震和无 异常有地震的情况。不同地区、不同类型、乃至不同时期发生的地震，其前兆异常 的种类、数量、形态、幅度、时间进程、空间展布等往往有相当大的差别。由于人 们对地震前兆的复杂性和产生这种复杂性的物理机制缺乏认识，所以即使在震前发 现了部分异常现象，也难以据此做出完全准确的预报。因此，需要开辟新途径，并 且找出新方法来进行地震预报监测j 。 1 2 国内外研究现状 早在2 0 世纪3 0 年代人们就已经发现次声，但真正引起重视并开展研究是在6 0 年代【1 8 】。它最早由法国科学家g a v r e a u 于1 9 6 6 年提出【1 9 】，1 9 7 2 年巴黎国际噪声专业 会议正式确定次声的定义，并就有关次声的问题展开讨论。以后作为一门新兴学科， 次声逐渐在法、俄、美、英、日等国展开。我国从7 0 年代以来，也逐渐开展次声波 的研究【2 0 。它具有穿透能力强、率减小等非常显著的特点。在普通大气中，每小时 可以传播12 0 0 ( k m ) ，而在水中传播速度更快，达每小时60 0 0 ( k m ) 。它的波长很长， 传播距离也比一般的声波、光波和无线电波都远。但是人类对次声的研究目前尚处 于起步阶段“。 第1 章绪论 1 2 1 火山次声 1 9 8 8 年5 月，几名地质学家聚会在日本的樱花岛火山，在其周围的地上安置1 0 个传声器，他们记录了火山于5 月1 9 日爆发之前几天的读数。在火山爆发前两天， 信号的数量和强度明显增大，接收到的声信号的频率特别低1 2 ”。表明：火山爆发之 前会产生声波，而且这种声波是低频的次声波。 美国华盛顿大学j b j o h n s o n 教授的文章吲指出：早在1 9 6 3 年，砌c h a r d s 就从在 夏威夷和斯特隆布利市附近活动的火山记录到了次声口”，认为火山活动产生了低频 声能。j o h n s o n 教授历时5 年对s 打o m b o l i 等五处活火山进行监控，得出火山次声是 由于火山喷发时，喷发物的外向通量引起的大气扰动而产生的。并通过测量火山辐 射出的次声波的频谱和大小来区分火山活动的类型、计算火山喷发的能量( 如图1 1 所示) 。 卜 o51 0 t ，盯* 饼 一5 一铂 d 憾s 鞠l 措m 岫e 龇s o o m p f 明s 啪p 喇ea 1 2 5 0 0 m j v 051 0 畦m e 忙 ( a )( b ) 图l l ( 8 ) 实际接收到的次声( b ) 模拟的次声信号 夏威夷大学g a r c e s 教授在2 0 0 0 年发表在i e e e 上的文章【2 5 】中指出：内部岩浆喷 涌压力过大导致火山爆发，火山爆发可以产生次声波。在火山孕育过程中，火山不 断的“颤动”，内部岩浆和气体的混合物与之形成共振，产生频率为1 1 0 ( h z ) 的声波， 即次声波。 1 2 2 核爆次声 次声监测己被联合国列入全面禁止核试验条约的国际监测系统口6 1 。一套完善、可 靠、实时的监测系统和及时发布公报能为现场核查提供依据2 7 1 。它可对大气层核爆 群 博 仲 5 o 富d嚣鬈jd 8 8 4 塑 0 2 一啐d)宴r露 北京工业大学工学硕士学位论文 炸，尤其是陆地上空的大气层爆炸进行检测和定位。在核禁试会议中，次声监测专 家组提出国际次声监测系统，全球建6 0 个次声阵台站1 2 ”( 如图1 2 ( a ) 所示) ，每个阵 列安装4 8 个接收器，接收器间距l 3 ( k m ) ( 如下图1 2 ( b ) 所示) 。为了减少其它的噪 声信号，阵列的每个接收器都安装了一个风噪音滤波系统( 如图1 - 2 ( c ) 所示) 。接收器 接收到的数据先传输到当地的实时监控中心，然后通过卫星传输到奥地利首都维也 纳的国际数据中心。几小时之内发出公告，定位精度为l 当量爆炸可以在1o o o ( k m ) 远处探测，定出源方位偏差在1 0 0 ( k m ) 之内【2 。数据处理与国际数据中心联网，提供 次声信号到达时间、周期、幅度、视速度、相关系数、定位、三维动态谱、识别等 信息【3 0 ，圳。 划 臻紫矛 忒彦 零劢 黟蓼帮 ：簇 ! 鬻 ( b )( c ) 图1 2 ( a ) 国际次声监测系统分布图( b ) 次声阵列模型( c ) 空间减噪滤波器 谢金来等1 9 9 7 年发表在核电子学与探测技术上的文章【矧指出：次声技术是证明确 实有用的一种大气层核爆炸监测和定位技术。一个周密设计的系统可在几小时内检 测出事件，定位精确度在1 0 0 ( k m ) 之内，而且可以实时估计出当量并以其所独舆的事 件识别能力做出判断和分类。 + 2 3 炙流星次蔗 2 0 0 3 年4 月2 1 日在美国夏威夷和加利福尼亚附近出现一个流星爆炸，爆炸被远 在10 0 0 ( k m ) 之外的德国南部安装的次声阵接收到”】。加利福尼亚、夏威夷以及阿拉 斯加的次声阵列滤踪了2 0 0 1 年6 月下旬太平洋的热带风暴“芭芭拉”。下图即必火流 麓写 瀑螽，摄摄接收黧戆次声售号分掇缮窭懿定整强( 蘩黟l - 3 瑟示) 。 。2 4 岩石矮缨破螺试验 图1 - 3 火流星爆炸定位图 地震前的次声波异常是否与岩石破裂有关，是否产嫩予震源岩石受力的过程， 这是需要用实验求证实的。大型岩石破裂过程与地震发擞过程是相似的，做大型岩 石破坏性实验，w 以寻找岩石破坏过程中释放次声波的规律，从而研究微破裂、主 破裂时释放次声波豹频率及波形状况。1 9 8 2 年北京工业大学地震实验室曾对藏黼岩、 大理砉等死秘蠢蠢缀了3 5 次破舔毽实猃，发嚣在岩石受力过程中，可錾续接浚蠲次声 波信号f 3 铂。 、 前苏联曾用5 万吨压力机对尺寸为0 5 5 o 5 5 0 6 5 ( m 3 ) 的混凝土进行单轴压缩实 验( 混凝土中包括含有大小为1 屯( c m 3 ) 花岗岩碎石) ，在聪缩过程中，接收到次声波。 后又经过多年的及复观测实践，发现了适合临震预测的次声波频段。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 5 次声波异常信号与地震的统计关系 j e 京工业大学地震研究所自1 9 7 6 年l o 月成立以来，一赢从事临震前兆观测方 法及邀震预报的研究。二十多年来，直致力于临震预测方法的研究。发现在十多 种观溯方法中，次声波异常方法与地震之简存在着很好的对应关系 弼。图i _ 4 为2 0 0 4 年1 2 月2 6 豳南亚和东南亚围家发生的地震和海啸前接收到的次声波辨常信号图口“， 圈1 5 为2 0 0 5 年0 1 月1 9 西发生在醋本本州溉区m s 7 1 级的缝震前接收到的次声渡 异常信号图【j ”。 图1 _ 4 印尼地震前接收到的次声波信号圈1 5 日本震前接收到的异常信号 亩上面的两个图我稍可戳看出，无异常辩，接段鞠躬次声应该是一条光溺裹线， 但魑由于有外界因素干扰，肖微小波动，在零值附近振荡。当有异常时，出现正弦 叠垂线，疆篷蜜纯较大。蠹予次声渡鑫身疆特豹特点，金整赛7 缀淤上戆造震，一簸 在震前都能收到次声波异常信号。次声波观测能预测临震的发震时间和震级，时间 误蓑在4 天叛内，鬟缓误差小予g ，8 级。毽是瓣予震墓蓼次声波产生豹撬疆还不怒缀清 楚。 蔻了寻羧次声波舞豢售琴与遣震愆薄盛关系，簇杰怼全球7 级黻上静遮震与 次声波异常的关系进行了统计【3 8 】。以1 9 9 2 年1 月1 网到1 9 9 9 年1 2 月3 1 目众球发 生戆7 级以上遗震秽次声波撵头接收涮戆大予9 5 0 ( m v ) 【声压荧7 。6 ( p a ) 】电压戆次声波 异常信号为研究对象，以及1 9 9 2 年1 月l 目到1 9 9 9 年1 2 月3 1 臼次声波探头接收 到蛇大予9 5 0 ( m v ) 电压的次声波异鬻信号与太阳黑予为研究对象，秘步研究窀们鳇 相美性。在这8 年中，1 9 9 2 年和1 9 9 6 年为闰年，其余为平年，因此样本数为 萨3 6 5 6 + 3 6 6 2 = 2 9 2 2 ( 天1 ，谯这段时阀里全燃界发生的七级以上地震1 6 0 次，北京 第l 章绪论 工业大学地震研究所接收到的大于9 5 0 ( m v ) 电压信号的次声波异常信号为1 0 9 次。 把地震发生事件和接收到的次声波异常信号序列以及次声波异常信号和太阳黑子看 作以时间为参数的随机过程，由于这9 年里地球环境未经历大的改变，因此上述两 对随机过程可看作平稳随机过程。统计得到的次声波异常与地震的对应关系如图1 6 所示。 123 4 56 789 时间间隔厌) 图l - 6 尸。( ) 一关系图 如图1 6 所示，尸i ( m 为次声波异常信号天内地震发生的概率，为时间间隔。 从图中可以看出在出现次声波信号后7 天内出现地震概率为7 8 左右，9 天内出现地 震的概率为9 7 左右。运用时间追踪法我们可以认为次声波信号的异常和地震发生 有很大的相关性。为次声波异常信号预测地震这一方法的可能提供了依据。 从以上统计来看，次声波异常与实际发生地震的对应比例很大，所以次声波异 常不失为预报地震的一种重要方法。这种方法尚不能预测震中位置。为此，本论文 将从研究震前次声波产生的机理出发，对震前次声波加以研究。 1 3 论文主要工作 本文以北京工业大学地震研究所提出的次声波异常方法预报地震为背景，为震 前次声波产生的机理提供理论依据。 本文的主要工作有： ( 1 ) 筛选模型，确定孕震机理模型。采用膨胀一扩容理论模型，由于第四纪覆盖 物对于前兆信息从震源向上传递到地表会产生一些直接的影响，并且接收的声波需 1 9 日 7 6 5 d 3 2 1 口 ， 明 吖 叫 帕 o 僻率鲁州栽驾*联z譬书申睾壮域辎甜鳝 北京工业大学工学硕士学位论文 通过大气传播，因此所选模型分岩石层、土层和大气对流层。 ( 2 ) 针对地质体的结构特点，采用适应性较强的二维四节点实体单元模拟地质 体，建立地质体运动微分方程及地质体与空气耦合计算微分方程，并利用傅立叶变 换得到频谱密度函数。 ( 3 ) 基于膨胀孕震模型，考虑地质体结构与空气的相互作用，用有限元方法模拟 地震孕育末期地质体的变化情况。包括地表位移的变化以及所引起的大气压力的变 化。并用谱分析得出空气中压力波动所产生的声波的频率。与实际接收到的次声波 异常信号对比。 ( 4 ) 孕震末期地质结构动力行为( 如膨胀、走滑等) 引起的地表变形与空气的耦合 运动导致可观测的次声波。以日本东北部地区俯冲带为主的地质构造为例，考虑不 同地质层力学性质的不均匀性，建立其数值分析模型，采用二维瞬态有限元分析方 法模拟孕震末期太平洋消减板块( 即俯冲带) 作用下引起的地表运动，考虑地表和空气 的相互作用，模拟计算空气中的次声波，并将模拟结果与实际观测结果进行对比。 第2 章地震孕育过程及理论模型 第2 章地震孕育过程及理论模型 作为地震科学探索的重要组成部分，构造地震的孕育过程及其前兆机理的研究 一直是国内外地震学家们关注的重要领域。2 0 世纪7 0 年代，国内外学者提出了一系 列孕震模型和模式，如：坚固体模型【3 9 、d d 模型【“、i p e 模型、组合模式等， 对孕震过程、前兆的形成等问题给出了一定的解释。随着研究的不断深入，人们已 逐步认识到，地震的孕育过程、前兆及前兆场的形成与演化图像远比上述模式所描 述的形式复杂得多。因而，在8 0 年代，对孕震模式及前兆机理的研究主要是进行室 内岩石实验和野外地震实验场的观测与研究。到了9 0 年代，随着地壳深部探测技术 与岩石力学实验技术的日臻完善与发展，获得了更为可靠的实际观测资料和实验结 果，同时，大量强震前兆资料的总结研究也更加精细和深入【4 3 。因此，孕震模式及 前兆机理的研究也得到新的深化，提出了一系列具有创新思想的理论。 2 1 孕震模型方案论证 2 1 1 坚固体孕震模式 坚固体孕震模式【4 4 】又称硬包体孕震模式。该模式认为，地壳中一定规模高速体 ( 坚固体) 的存在是积累高应力的必要条件，它可导致高素体内变形局部化或裂纹由稳 态扩展走向失稳。该模式认为，上地幔物质沿下地壳微裂隙倾入，会产生种种“源兆” 异常，而散布于震源区以外的大量“场兆”异常，是由震源体下面物质的扰动引起的。 该模式尽管在理论上尚需不断完善，但对我国孕震模式及前兆成因解释的研究起到 了重大的影响作用，此后出现的许多模式和模型都受到该模式的启示。 2 1 2 坚固体膨胀与热物质涌落模型 车用太在“八五”攻关研究中提出了该模式【4 5 1 。该模式解释了中短期前兆的发生 机制：地壳中存在相对高速体( 坚固体) ，在应力达到足以使坚固体进入张性微破裂发 育的阶段时产生岩石膨胀，其结果对地壳浅层产生拉张应力作用；上地幔物质沿下 地壳中存在的深部断裂带进入具有微破裂的坚固体中，一方面使坚固体弱化并导致 地震，另一方面也对地壳浅部产生拉张应力作用；震前发震断层发生预滑动，使膨 胀震源体产生收缩并对地壳浅部产生相对压应力作用；深部物质的上涌作用在时间 上是连续的，空间上是局部的；热物质的上涌过程，在发震前将受阻，一是因为膨 胀的裂隙已被充填，二是因为断层蠕动，结果热物质运动由上涌转为相对回落；深 部物质的上涌与回落，直接导致了震前重力值的上升与下降异常变化；震源体的膨 胀与发展、断层的蠕动及深部物质的上涌与回落，都引起浅部地壳的拉张与压缩作 北京工业大学工学硕士学位论文 用，由此导致了震前地表面的隆起与下沉、井水位的下降与上升或快速下降与下降 变慢、地电阻率下降速率的快与慢的变化过程。该模式也揭示了中期前兆在一定区 域范围内出现，并表现出一定的同步性的机理。 2 1 3 震源硬化模型 陈立德于1 9 9 8 年提出该模型【4 “。该模型认为，由于地壳内发育了若干长短、深 浅、相对运动方向和方式均不尽相同的断裂，这些断裂将地壳分割成若干大小不等 的多层弹性板桩单元体。在区域应力场作用下，单元体边界或内部的某些特殊部位， 可以先后出现多个应力集中程度不同的单元体。根据岩石实验的有关估计结果，当 应力水平达到单元体破裂应力的8 0 以上应力状态时，因某些单元产生明显位移， 故可观测到形变异常；某些单元则产生裂隙，而这些裂隙又将气体、矿化度、离子 组分浓度以及水温、孔隙度、饱水等不同的地层相互沟通，发生物质迁移和交换， 于是观测到流体和地电等项出现异常。由于应力状态维持时间有长有短，因此就出 现了中期、短期、临震等不同时段的异常。 2 1 4 岩石膨胀及断层蠕动模式 石耀霖于1 9 9 4 年提出该模式m 。该模式把震源体视作一活动断层上的闭锁段， 闭锁段的介质弹性强度很大，能积累较多的应变能，而断层的介质强度较小，不能 积累很多能量，所以闭锁段上将会有高应力集中，在高剪应力下，岩石将会产生大 量微裂隙，引起扩容。这时候扩容岩石的力学性质为各向异性弹塑性的，作为对扩 容现象力学影响的初步探讨，用非线性各向异性弹性来近似描述扩容岩石的力学性 质。给定初始物性参数，利用有限元方法计算出各个单元的应力状态，由于微裂隙 的排列方向一般与最大主压应力方向平行，所以可以把各个单元的最大压应力方向 求出，然后把这个单元处理为层状介质( 即横向各向同性介质) ，它的各向异性参数由 这时的差应力状况决定，接着计算应力、应变时就采用这时的各向异性参数，因此， 孕震体各处的介质参数不是人为地改动，而是完全由该处的应力状态决定的。由于 孕震过程中随着区域应力场的增强和断层的蠕动，各点的应力应变在不断地变化， 介质参数也随时变化，所以整个孕震过程将出现地震活动性、波速比、体应变、重 力、地电阻率等一系列复杂的动态变化图像。从而能够直观地了解孕震过程中各个 量的变化特征。 2 1 5 包体膨胀模型 唐春安【4 8 】等1 9 9 7 年发表在地震学报上的文章中介绍了一种包体膨胀模型。所谓 塞：耋兰量兰塞堡堡垒矍篁堡呈 包体，根据陈颓【4 9 1 ( 1 9 8 8 ) 的定义，就是在一个较大范围的地质体内，存在一个其性质 与周围地质体有明显差异的有限地质体。文献中假设包体内的介质强度低于周围介 质而刚度略高。模型中单元的强度和弹性参数是按某种统计分布函数在空间做无规 则分布的。 圈2 1 包体膨胀模型示意图 包体模型的孕震过程存在着4 个基本阶段： 第1 阶段：长期的、缓慢的压缩变形过程，时间尺度很大，这一时期尽管也伴随 着少量微破裂而产生应力释放，但主要表现为应力的积累过程，少量微破裂的发展， 是一种无规成核、无序扩展和局部连接等过程，基本上是由岩石性质的无序性所控 制，岩石的变形也显示出一种无序性的特点。 第2 阶段：微破裂加速发展的阶段，这一阶段主要表现为微破裂从小尺度到大尺 度的相互作用过程，岩石的变形局部化和成核作用加强。微破裂的分布呈现出一种 沿包体一定方向的有序性发展。 第3 阶段：裂纹的形成阶段。这一阶段主要表现为微破裂的串级连接过程。众多 的微破裂在较短的时间内同时发生，形成岩包体长轴方向贯通的宏观裂纹( 断裂) 。变 形出现失稳，产生主震。 第4 阶段：微破裂再度减少，并沿着裂纹或断裂带的两端逐步发展，构成地震学 中的孕震阶段。若继续加载，则出现裂纹在整个矩形区域的贯通破坏。 2 1 6 膨胀圆台体震源模型 马钦忠1 9 9 7 年发表在西北地震学报上的文章中介绍了一种上地幔物质上涌模型 ：5 0 】。地震前兆是由于震源作用在地面附近造成的力学效应而引起的，震源的情况相 当复杂，为此将其简化为某种特定的形式而加以研究。 北京工业大学工学硕士学位论文 ；!l hill 蕊- 图2 2 地质体的计算模型 力源模型为两层介质的下方有一均匀膨胀圆台体的模型，用来模拟震源所产生的 应力场、应变场及位移场。圆台体的均匀膨胀问题可化为温度应力等效处理。 在水平两层介质下方有一膨胀圆台体。日是上层介质的层厚，日。是地表距膨胀 圆台体顶部的深度，打：是地表距膨胀圆台体底部的深度。r 0 是膨胀圆台体上底面半 径，目是圆台体的锥角。 2 2 孕震模型的选取 实际工程问题往往是一个非常复杂的问题，必须将其简化以得到可以分析计算 的力学模型，但是简化必须是合理的。“合理”是指简化后的模型能反映问题的主要 特征，即能抓住主要矛盾，而忽略次要矛盾。 2 2 1 孕震体埋深位置的确定 按照膨胀孕震体理论，孕震体在膨胀一收缩后期会导致其上部岩层发生破断并 引发地震。因此，本文所说的孕震体是在震源之下、莫霍界面之上。选取中国大陆 平均情况，震源平均深度为1 7 ( k m ) ，莫霍界面平均深度为3 3 ( k m ) ，因此将孕震体放 置在地下2 5 ( k m ) 处【5 1 】。 2 2 2 考虑土层的作用 在地震预报中，许多统计公式表明，前兆观测所记录到的可确认异常强度一般与 震源参数、前兆台站的震中距有关，由于大多数前兆观测是在地面上进行的，因而 前兆异常强度还往往受到台站下方地下介质结构的影响。例如松软的第四纪的覆盖 第2 章地震孕育过程及理论模型 物 5 2 】，对一些浅部观测方法常常有比较显著的影响。覆盖层是和人类活动以及自然 界中季节性因素关系密切的一层。它的存在可能会造成对前兆记录的种种周期性和 非周期性地干扰变化，使与地震有关的信噪比减弱；另一方面，由于它们的物理性 质与其下伏基岩有着明显的差异，因而对于前兆信息从震源向上传递到地表也可能 会产生一些直接的影响。因此，机理模型需考虑土层的作用。 2 2 3 考虑大气对流层的作用 前面所述模型大致经历了从单纯的震源模型到考虑流变物质的影响，从简单的 包体模型到考虑膨胀效应的作用，进而分层考虑的过程。但是对这些模型的研究还 未涉及到次声波的产生。 由于次声波频率非常低，因此可以传播很远的距离并且衰减很小，因此无论地 上、地下都可以接收到次声波信号。但是由于地下接收次声信号受各种地震波以及 人为因素干扰较大，因此选择地上接收次声信号，这样接收到的次声信号更接近于 实际情况。因此，所选模型除考虑地下地质体活动外还要包括大气层。 自地面向上，地球大气可分为对流层、平流层、中层和热层等。对流层顶距地 面的高度一般在8 ( k m ) 到1 6 ( k m ) 之间，人类的活动都包含在此范围内，因此只考虑 大气对流层即可。 2 2 4 孕震机理模型 所选模型分三层考虑，第一层为岩石层，孕震体位于地下岩石层中；第二层为 软土层，第三层为大气对流层。如图2 3 所示。 i i i 对流层 n 覆盖屡 i 基岩 羔 图2 3 孕震地质体一空气耦合模型 孕震体可以是各种各样的形状，在采用有限元方法模拟时，孕震体的形状不会 成为困难。但为简单起见，采用平面圆形孕震体均匀膨胀一收缩模型1 53 1 。所选模型 北京工业大学工学硕士学位论文 如图2 - 3 所示，孕震体直径为d ，处于基岩i 中，基岩厚度为自。；i i 为覆盖层，其 厚度为吃；为大气对流层，尺寸为如。 2 3 本章小结 本章系统的介绍了目前孕震模拟常用的机理模型，并通过整理筛选出适合本课题 的孕震机理模型。模型分三层，考虑土层、大气对流层的作用。并确定了孕震体的 形状以及埋深位置。 第3 章次声模拟的基本理论和方法 第3 章次声模拟的基本理论和方法 3 1 地质体力学模型的有限元离散 为了能够真实地模拟地质体并简化计算，本文采用四节点二维实体单元对孕震 体进行离散，如图3 1 所示的四节点单元，在物理坐标系内单元体结点坐标为0 ，均， 在单元中心的局部坐标内为( 董，仉) 。 y 乙 图3 1 四面体四节点单元 选取几何形函数为 l2 玄( 1 一踟。q ) ：= ；( 1 + 州l 训 3 = 丢( 1 + “1 + 7 ) d = 丢( 1 訇( 1 + ) 也可以写成下面的形式 。= ：( 1 + 笔x 1 + 口巩) ( 卢l ，2 ，3 ，4 ) 则单元体内任一点的空间位置可由形函数表示为 x = j 皓，v b ， y = j 皓，玎h 。 写成向量形式为 写成向量形式为 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 黔酬身 革元淘位移戆交仡蔑襻篷霹餍荤元节煮位移程形黼数采表示 黔喜m 鼢 可垮上式冀残下羲形式 再= m 。 式中占。单元肉节点位移。 平厦阅题的几何方程为 h s 2 岛2 o i l j 材 巍 卯 掰 a “a v 印瓠 旦。 僦 d 旦 移 aa 耱瓠 ( 3 固 ( 3 - 5 ) 燎式( 3 5 ) 代入上式，霹缛 8 = 嚣d 。( 3 7 ) 式中嚣擎元应交矩箨，露= 【嚣1 嚣：嚣。】，蔟中豹子矩阵为 鼙= 盟oo 靠 。盟。 洲 塑盟 西瓠 由于形函数是蜀部坐标的溺数，两描绘结构中菜状态的坐标通常浆甭二维直角 坐橼，圜此要对不同灼坐标系进行坐标转换，建立转换关系。 形酾数对总体坐标和局部嫩标的导数满足 穰坑 麓 飙 0 珂 式中，j o b i 艇阵，且 i ，= 缸踟 8 8 l 教参 a 叩a 叩 歹可以显示遣表示为螽然黧稼静函数。 烽式( 3 3 ) 代入( 3 - l o ) 中则可以褥到 = ， 嬲1 虿 劫j ( 3 一l o ) 、；kf，j ”v o ，t，、，；，l 、0，；，l，；，j d d 塑苏塑砂 ，jlit_lztt_i移一鸳旁一切鱼苗堡叻 ，：剿： a 悖，叩) 酬 鹫 8 n a 玎 a j a 毒 a 2 a ” 则形函数对总体坐标的导数为 a j 西 。3 a ” 8 n 鸳 a n a 町 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 式中，_ 矩阵，的伴随阵。 这样，通过式( 3 8 ) 以及式( 3 - 1 2 ) ，可以得到二维四节点单元的应变矩阵丑。 应变向量和位移向量间的几何关系可以通过矩阵形式表示为 d = 上s ( 3 1 3 ) 式中工= 旦。 蹴 。旦 d v aa 砂缸 单元应力与单元应变之间的关系可以通过弹性矩阵d 来表示，即 仃2 d s ( 3 一1 4 ) 式中仃= 扛，盯，p 。 而弹性矩阵【d 】反映的是结构材料本身的性质，其表达式为 口一一墨! ! 二塑 ( 1 + y ) ( 1 2 v ) l 上o l 一， 一 1o oo 旦l 由式( 3 - 7 ) 和式( 3 1 3 ) 可以得到 盯2 d 占占。= s d 8 ( 3 一1 5 ) 矩阵s = d 丑称为单元的应力矩阵。 3 2 地质体计算的动力学微分方程 在动力分析中，因为引入了时间坐标，所以处理的是三维 0 运动方程问题。 在有限元分析中一般采用部分离散的方法，即只对平面域进行离散，这样来，所 处理的问题就由三维问题变为二维力问剐5 4 1 。 弹性体被离散后，普遍适用的平衡方程为： y y y y新却如斯 扩jjioooi业 帆一鸳毗一却 上w = 斟 砒百叭一砂 北泉工业大学工学硕士学位论文 p 7 疗d s = f 。+ p 8 + 冠。 0#e 式中盯单元内二点的应力向量； 嚣蕈元或变矩箨； f 。单元体力载衙向鬃，f 。= l 。7 ，d s ； 单元表面力载荷向量，p 8 = ，p d 工： 霄8 荜元静节煮集中力载穗向量。 由于只对赛闻域进行裹数，所以单元出位移的捶毯分别波示必 g ，弘f ) 一0 ，y 沁；( f ) v e ，y ，f ) 。，e ，岁h e ) ( 3 一1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 或写成 “= d 9 ( 3 - 1 8 ) 式中跖= 陇珊 n = 融i 2 。j。= ，。2 芦l ，2 ，哟； d 8 = l 矗确瓴，+ 五一膨；，一膨v 冷s 一 一幽，瓴殍，一霉三 ( 3 1 9 ) 鼹上式熬第一璎j ；矗毽呜。，嚣遴行分罄获分，并钱入物瓒方程，测从上式哥竣褥 到 f 秘白d 抽+ 蚝彬。+ a 吨彬。，洳= l 缸，z 积一轧霉越 ( 3 以o ) 将空间离散后的位移表达式代入上式，并注意到绪点位移变化占a 的任意性，最 终褥銎| 系统装求解方程失 朋占+ c 6 + 茬d = q 式中善系统的绺点力日速度向量； 群系统鹊覆量矩阵； c 系统的阻尼矩阵； 石系统的剐度矩阵； q 系统的缩点载荷淘蹙。 分别由各是的攀元矩障和向量集戏，郎 ( 3 战1 ) 第3 苹次声模拟的基本理论和方法 m ：丐m 2 c = y c e x = k c q = q 。 式中m 。单元的质量矩阵，肘。= f 1 嘏； 单元的阻尼矩阵，c 。= 量1 酊； 五。单元的刚度矩阵，五。= 陋1 d 剧峪； q 。单元的载荷向量，q 。= 量7 芦+ 7 眦。 如果忽略阻尼的影响，则运动方程简化为 f 占+ 眉d = q ( 3 _ 2 2 ) 在本文分析中不考虑阻尼作用的影响，所以c 向量为零。式( 3 2 2 ) 是地质体动应 力分析的有限元方程。 3 。3 地质体与空气耦合计算微分方程 图3 - 2 空气微团的应力和位移 平面问题中，空气微团的应力分量如图3 2 所示，并设x ，y 方向位移分量分别为 “，v 。随时间变化的空气密度厄和压力死，可分解为不随时间变化和随时间变化两 部分，即 瓦( x ，y ，f ) = p 。( x ，y ) + p ( z ，y ，r )( 3 2 3 a ) 芦。( x ，y ，f ) = p 。( x ，_ y ) + p ( x ，y ，f ) ( 3 - 2 3 b ) 式中成没有声波时空气的密度； 以没有声波时空气中的压力； p 声波引起的空气密度的波动值； 口声波引起的压力的波动值。 将(