第9章-地震地壳形变-2013.ppt

武汉大学地壳形变课程组,第9章地震地壳形变,地震地壳形变的基本概念、分类地震地壳形变表现方式及理论模型地震地壳形变的获取地震地壳形变监测台网与地震预测,地壳在内力及外力作用下所产生的不均匀形变，它导致某些地壳特殊部位上的应力-应变累积，当其突破断层的抗剪切强度时，地壳便突然破裂，从而发生地震。这种与地震的孕育和发生过程直接有关的地壳形变被称为地震地壳形变。,断层错动,1.地震地壳形变的基本概念,FaultsAreClassifiedontheBasisoftheKindofMotionThatOccursonThemJoints-NoMovementStrike-Slip-HorizontalMotion(WrenchFaults)Left-Lateral,地震断层的类型：左旋走滑断层,Right-Lateral(SanAndreas-21Ft.in1906),地震断层的类型：右旋走滑断层,Dip-Slip-VerticalMotionNormal(Extension),地震断层的类型：正断层,ReverseorThrust(Compression)(SanFernando,1971Alaska,1964-upto150Ft.),地震断层的类型：逆冲断层,1.地震地壳形变的分类：震前同震震间及震后形变,断层运动,应力累积与释放,同震形变：地震断层错动时刻所产生的地球介质形变,震间形变：地震断层闭锁段在长期构造加载过程中所产生的地球介质形变,震后形变：地震断层错动后持续的滑动所产生的地球介质形变（震后余滑afterslip）地震断层错动后地球介质的黏弹性松弛所产生的地球介质形变（震后黏弹性松弛postseismicrelaxation）地震断层错动后地球介质的孔隙压力变化所产生的地球介质形变（震后孔隙回弹postseismicporoelasticrebound）,震前形变：孕震过程中的地震地壳形变，也称地壳形变前兆,2地震地壳形变表现方式及理论模型,A震前地壳形变表现方式：断层系和块体运动；近场地壳应变积累；扩容与地表隆起1）断层系和块体运动板块内部有地质块体沿断层的相对运动，导致障碍体上的应变积累，从而形成地震。断层运动及其近场块体的形变受构造运动的驱动,形变主要集中在断层近场,远场形变比较平缓,并且离断层越远形变越平缓。断层近场块体介质的力学特性可以发生很大的变化,这种变化对于块体的变形与释放能量的方式和速度起着控制作用。,2）近场地壳应变积累通过对岩石做模拟实验可以模拟地震发生的环境，了解地壳的运动模式。岩石加压模拟实验结果表明，岩石在应力作用下的应变曲线是分段的，即岩石破裂过程中应力、应变关系呈现出阶段性特征。岩石破裂前后应力、应变曲线大致可分为5个阶段：硬化阶段，线弹性阶段，非弹性变形或弱化阶段，失稳阶段，滑动阶段,岩石差应力应变(或位移)曲线示意图,轴向应力体应变曲线,3）扩容与地表隆起在应力达到破裂强度的2/3左右时，近场区开始扩容，在地表可以观测到隆起，但随着应力的继续增加，主破裂带的逐渐形成，应变将大量集中在一个有限的最终出现断裂的部位上。其余地区裂缝将闭合，应力-应变将下降恢复，膨胀也将逐渐恢复。无震滑动:地壳表面的大部分位移是由无震滑动产生的(例：伊豆半岛东北部所累积的应变能量，大部分是由无震隆升释放的，以地震形式释放的只占一小部分)。,B同震（震时）地壳形变,地震的同震运动:主要表现为地震断层和地裂缝同震形变模型：断层运动模型。断层是地球内部的一个滑动面，在其两侧发生了不连续的岩体运动（或称为错动）。它在地面下的形状无法观测到，一般通过地面观测资料（例如断层长度、地震时的错动等）来建立断层模型。,断层可分为三类（按两盘相对运动的方向）：正断层、逆断层和平推断层。上盘相对下降、下盘相对上升的断层称正断层，断层面倾角一般较陡。上盘相对上升、下盘相对下降的断层是逆断层，断层面倾角变化较大，从陡倾到近水平。如果断层两侧的岩石不是沿断层面上下移动而是沿水平方向移动，则称平推断层。如果把这三类断层与形成的构造应力联系起来，通俗地说，正断层由拉张应力引起，逆断层是挤压应力的结果（故常造成地壳的缩短），平推断层则与剪切应力有关，其断层面常近直立。,2地震地壳形变表现方式及理论模型,同震变形的位错模型,位错模式几何图,在各向同性介质中，表面由于位错产生的位移场如下：,分别表示断层上点的走滑位错，倾滑位错，张裂位错分量,L表示断层的半长度，W为断层宽度，d为断层的深度，为断层的倾角,表示垂直平面的矢量,克罗内克（Kronecker）符号,断层（震源）坐标系(o-xyz)和测量坐标系(O-XYZ)的位置关系,设地面一点在测量坐标系中的位移为，相应的在震源坐标系的位移为,则有：,正演问题：用断层的10个参数计算地表测量坐标系中的位移反演问题：地表位移观测值来确定断层的三个位错分量及其位置参数和几何参数,Okada（1985）关于矩形位错的公式,走滑分量,各分量分别代表点在矩形四个位置上的位移，,为断层中心坐标值（在震源坐标系中），为断层倾角，为断层深度,由位错引起的应变,走滑分量,C震后的地壳形变,地壳的震后运动，一般和震前的运动趋势成反向。震后滑动主要发生在主震后几天至几个月内。其特点是滑动速率成对数衰减，位错量可等于或超过同震滑动。,震后的地壳形变模型,Pollitz最初在1992年给出基于球体分层粘弹性地球模型的时变震后应力释放的解析表达式。该模型主要计算在球体分层弹性-粘弹性介质内，某个弹性层内发生的断层滑动产生的应力变化所引起的震后响应，这种响应对应着球形运动分量和环形运动分量的球谐展开，每种分量代表一种具有特性的时间延迟和空间变形模式的应力释放，它可以灵活计算在任何深度的时间序列震后变形场-位移场和应变场。,总的位移场,利用上述参数就可以灵活计算任意点在任何深度的时变震后变形场-位移场和应变场,地震地壳形变的实例：同震震间及震后形变,地震地壳形变的实例：同震震间及震后形变,地震地壳形变的断层模式：同震及震间滑动,地震地壳形变的断层模式：同震及震间滑动,地震地壳形变的断层模式实例：震间滑动,地震地壳形变的断层模式实例：震后滑动,地震地壳形变的断层模式实例：复杂滑动,地震地壳形变可以通过地壳变形观测获得。地壳变形观测按时间域分类：连续观测；离散观测地壳变形观测按空间域分类：定点形变(倾斜、固体潮)观测；断层位移观测（局部）；区域形变场观测；全球板块运动监测地壳变形观测按观测手段分类：有空间技术;常规大地测量技术;洞体钻孔应变、倾斜、各类固体潮汐因子等观测。,3地震地壳形变获取,地震地壳形变的监测手段：GPS,2011年3月11日Mw9.0日本大地震,数据处理软件：GAMIT,地震地壳形变的监测手段：InSAR,地震地壳形变的监测手段：InSAR实例,地震地壳形变的监测手段：InSAR实例,地震地壳形变的监测手段：InSAR实例,地震地壳形变的监测手段：InSAR实例,地震地壳形变的监测手段：InSAR实例,数据处理软件：ROI_PAC,Example:SumatraSequence,FromJeffFreymueller,2004Sumatra-Andaman,FromJeffFreymueller,GPSTimeseriesRevealCoseismicSignals,FromJeffFreymueller,TwoclearoffsetsinSSIAtimeseries:January13:15+/-3mmFebruary13:39+/-3mm,SSIA-ElSalvador(closesttotheseismicactivity)MANA-Nicaragua(furthestfromtheseismicactivity),CanweusetheGPSdatatolearnsomethingabouttheearthquakes?,2004Sumatra-Andaman,FromJeffFreymueller,StepstoStudyCollectpost-earthquakedataIdentifydisplacementsintimeseriesHowtoestimatestep?Deformationbetweenpre-earthquakeandpost-earthquakesurveyPostseismicdeformationWhattodowithdisplacements?Elasticdislocationmodel(s)torelatesliponfault(s)todisplacements,ParkfieldEarthquake,FromJeffFreymueller,SeparatingCoseismicandPostseismic,FromJeffFreymueller,ParkfieldeqJ.Langbein,USGS,LessonsfromParkfield,FromJeffFreymueller,PostseismicdeformationappearstobeginimmediatelyafterearthquakeCoseismicandpostseismicmechanismsaredifferentAlmostall“coseismic”estimatesincludepostseismicdeformation,InSARvs/+GPS,FromJeffFreymueller,InSARdoesnotrequirepre-earthquakefieldsurveySpatiallydensemeasurementsButonlyonecomponent,andtheimpactofthelookanglemakesforstrange“look”Minimum30dayrepeatinterval,The2002DenaliEarthquake,FromJeffFreymueller,TheEarthquake,FromJeffFreymueller,November3,2002,about1:30pmlocaltimeMostlyrupturedtheDenalifaultAlsoSusitnaGlacierfault(thrust)andTotschundafault(strike-slip)InitialestimatedmagnitudeMW7.9PrecededbyMW6.7onOctober23PrecededbyML4.5foreshock,Tectonicsetting,FromJeffFreymueller,MainshockandAftershocks,FromJeffFreymueller,EpicentralRegion,FromJeffFreymueller,CoseismicGPSSites,FromJeffFreymueller,CoseismicDisplacementsat232GPSSites,EstimationofDisplacements,FromJeffFreymueller,ContinuousGPSAverageof4daysbeforeandafterearthquakeCampaignGPSwithwell-determinedvelocitiesLinearfittopre-earthquakedataplusdisplacementForsiteswithimprecisevelocity,weusedamodelorinterpolationofsurroundingsitesCampaignGPSwithnopost-earthquakemeasurementsuntilsummer2003Postseismiccorrectionappliedbasedoninterpolationofpostseismicdisplacementsofsurroundingsites.,CoseismicDisplacements-Horizontal,FromJeffFreymueller,Twoscales(3:1),CoseismicDisplacements-Vertical,FromJeffFreymueller,ModeledVerticalDisplacementField(fromGPSdata),RichardsonHwyProfile(andtheTAPScorridor),FromJeffFreymueller,CoseismicSlipModel,FromJeffFreymueller,CoseismicGPSSites,FromJeffFreymueller,ComparisonWithSurfaceOffsetData,FromJeffFreymueller,ComparisonWithSurfaceOffsetData,FromJeffFreymueller,SARRangeOffsetData,FromJeffFreymueller,Unfiltered,Filtered,baddatamaskedout,ModelComparison,FromJeffFreymueller,FromJeffFreymueller,Decayingcurvestypicalofright-lateralstrike-slipmotionDisplacementinLOSacrossthefaultis4m,whichroughlytranslatesto6mofright-lateralslipSpeckletrackingdataagreeswellwithpredictionsfromGPSmodel,particularlynearthefaultwheremodelresolutionishighest,FromJeffFreymueller,Totalmomentof6.85*1020Nm,correspondstoanMw7.89earthquakeAverageof4.5mofdip-slipontheSusitnaGlacierfaultOnDenalifault,nosurfacesliparoundepicenterThreepatchesofhighslip(8.5m-10m)between60and140kmLargestslippatch40kmwestofDTJwithslipreaching10matsurfaceOnTotschundafault,relativelylowslipconcentratedatshallowdepths,CombinedslipdistributionModel,Surfaceslipcomparison,FromJeffFreymueller,4地壳形变监测台网与地震预测,地壳形变测量能精确定量地监测到地震发生前后地壳的一系列运动、变形（位移、速度、加速度、应变、倾斜、蠕滑）、重力和介质物性（密度、勒夫数）的空间分布及其随时间变化。地壳形变测量和测震一样，被科学界公认为是力学型的最直接的地震前兆，是地震预测的基础。我国的地壳形变测量，特别是地壳形变监测台网经过近50年的努力，逐步形成了具有特色的点、线、面和空、地、深相结合的布局，积累了大量的观测资料，成为地球动力学和地震预测预报必不可缺的基础与支柱。,4地壳形变监测台网与地震预测,地壳形变监测台网正在朝着综合地壳形变测量的多种手段，全景而实时地监测地球表层形变和重力场的时空动态变化过程,实现卫星重力、INSAR监测以及GPS监测有机结合，实现水平形变网、垂直形变网和重力观测网的统一，联系跨断层剖面和定点形变台站，形成各手段相互配合、优势互补的综合监测系统的数字化综合观测地表台网（阵）方向发展。,我国地壳形变台网技术指标和仪器装备,按功能分级：全球地壳形变台网、国家地壳形变台网、区域地壳形变台网、社会地壳形变台网四级,地壳形变监测台网分级,1）全球地壳形变台网包括空间定位（GPS）台网、倾斜应变台网和重力台网。2）国家地壳形变台网由GNSS台网、倾斜应变台网、重力台网、水准台网、地块边界观测、地壳形变综合观测实验场组成。3）区域地壳形变台网是建立在特定的构造单元、以监测特定的区域地震活动和构造活动为主要对象的监测台网。4）社会地壳形变台网由社会有关行业、部门和地方为其专项任务而建设，是全国形变监测台网的补充，例如三峡水库形变台网、新丰江水库形变台网，北京、上海、深圳GPS综合服务网等。,谢谢各位！,ThankYou,2.1研究地震地壳形变位错理论的目的及意义,望闻切问,症状,黄帝内经,药方,GPS/InSAR,形变数据,位错理论,地震规律,.uk/matscicdrom/manual/di.html,Edgedislocation,Screwdislocation,Dislocation:simpleidealizationofdisplacementdiscontinuityincontinuousbody,2.2位错的概念,断层错动,2.2位错理论的直观图像,F,力,形变,位错理论为刻画地震断层的错动与地球介质形变间的关系的函数！,断层位错量,2.3位错理论的断层模型参数,如何将力转化为断层的位错量？,地震矩张量,断层错动,2.4位错理论的形变响应格林函数,2.4位错理论的形变响应格林函数:同震格林函数,如何确定同震格林函数G？,Okada,Y.Internaldeformationduetoshearandtensilefaultsinahalf-space.Bull.Seismol.Soc.Am.,1992,82(2),1018-1040.,如何确定同震格林函数G？,2.4位错理论的形变响应格林函数:同震格林函数,球谐函数的级数展开！,Pollitz,F.F.Coseismicdeformationfromeartquakefaultingonalayeredsphericalearth.Geophys.J.Int.,1996,125,1-14.,2.4位错理论的形变响应格林函数:同震格林函数,2.4位错理论的形变响应格林函数:震后格林函数,弹性介质V.S.粘弹性介质,Pollitz,FF.etal.StresschangesalongtheSundatrenchfollowingthe26December2004Sumatra-Andamanand28March2005Niasearthquake.Geophys.Res.Lett.,2006,33,L06309.,2.4位错理论的形变响应格林函数:震后格林函数,2.4位错理论的形变响应格林函数:震间格林函数,2.4位错理论的形变响应格林函数:震间格林函数,2.4位错理论的形变响应格林函数:震间格林函数,同震、震间及震后格林函数对应的形变曲线比较,2.4位错理论的形变响应格林函数:震间格林函数,震间应变曲线,1906M7.8SanFranciscoEarthquakeBeginningofmodernearthquakescience,2.4位错理论的形变响应格林函数:震间形变实例,1906earthquakesurfacerupture.8fenceoffsetabove/Earthquake_Center/1906EQ/1906thumb.htmlAnd/info/1906/images/fenceoffset_big.html,“Reidselasticreboundhypothesis,/info/1906/reid.html,Idealizationofbrittlecrustwithembeddedstrikeslipfault(Thatcher,1990),Strike-slipparalleldisplacementsfromsimplescrewdislocationmodel(Thatcher,1990),1906coseismicdisplacements,Bestfitdepth:7000m,BuriedscrewdislocationtointerpretsteadyinterseismicmotionalongcentralSAFFromswathofSCECcrustalmotionmodel(derivedfromgeodeticmeasurementsofbenchmarkmotionGPS+oldertrila