对土体结构的地震震源参数的讨论

对土体结构的地震震源参数的讨论

0震源参数的确定1668年城8.5级地震是中国东部最大的地震，显示出最完整的地震断层。大量的野外工作取得了这条地震断层的许多资料,为人们确定这次地震的震源参数和讨论震源破裂的特点提供了依据。但是,迄今为止,还没有人对这次地震的震源参数进行研究,为了弥补这一缺憾,笔者利用多种方法,计算、确定了1668年郯城8.5级地震的震源参数,并对其进行了讨论。相信这些结果对人们深入认识这次地震会有所裨益。1震线西北方为北北东向展布1668年郯城8.5级地震的地震断层为一高角度右旋走滑逆断层,呈北北东向展布,断层面向东倾,地震等震线的长轴方向为北北东向,与地震断层走向一致,震中烈度(Ⅰ0)ⅩⅡ度。根据野外考察资料,前人研究结果和作者提出的公式,计算确定了郯城地震震源参数。1.1断层长度、垂直位移、垂直位移将野外观察获得的震源参数列于表1。表中,L为断层长度,α为断层倾角,USmax为最大水平位移,US为平均水平位移,UDmax为最大垂直位移,UD为平均垂直位移,U为平均总位移。1.2断层应力应变应力场计算利用公式计算获得的震源参数见表2。表2中,h为震源深度,H为断层深度,W为断层面宽度,d为断层宽度,s为断层面面积,r为震源半径,v为震源体积,M0为地震矩,m0为线震矩,Δσ为应力降。Δε为应变降,ησ¯ησ¯为视应力,ES为地震波释放的能量,ET为地震释放的总能量,η为地震辐射率,σ—σ—为平均应力,F为断层面上的动摩擦力,σf为动摩擦应力,σ0为始应力,σ1为终应力,β为切变速度,Vb为破裂速度,f0为拐角频率,λ和μ为拉轴常数,取λ=μ=3.3×10-5N/cm2。上述引用的前人公式中的参数符号有些与原公式不同,这是为了使文中使用的参数符号在各公式中具有统一的含义,特作说明。1.3断层面的动摩擦阻力的性质根据功能原理,地震释放的总能量(ET)等于断层位移带动断层上盘岩体的重量所做的功(PUD)和位移克服断层面上的动摩擦阻力所做的功(FU)以及地震波释放能量(Es)的总和。即:ET=PUD+FU+ES(1)EΤ=ΡUD+FU+ES(1)式中,P=12LdHΡ=12LdΗρ(ρ是密度,取ρ=2.9g/cm3)由公式ET=E+E求得断层释放的总能量,由公式ES=1011.1+1.5Ms求得震波释放的能量,获得了P和U就可求断层面上的动摩擦阻力(F)。定义断层面上的动摩擦应力为单位面积上的动摩擦阻力。即:σf=F/S(2)σf=F/S(2)据此公式可求得断层面上的动摩擦应力σf。由公式(1)和(2)求得的F和σf如表1。2关于这些问题的讨论2.1城地震断层的破裂速度如表1所示,不同方法求得的郯城地震的震源深度差异很大。利用刘正荣公式求得的震源深度为36km,这一深度显然过大,因为郯城震区附近地壳厚度在33km左右。而Karnik公式求得的震源深度为12.4km,这一深度又偏小,与郯城地震的影响范围之大不协调。郯城地震区附近的地壳速度结构显示,在23km处存在一个中地壳与下地壳之间的高速层,上部为6.3km/s,下部为6.5km/s,中间层为6.7～6.8km/s。这一深度与本地区居里面埋深大致相当。因此,认为3种方法的平均值23km作为郯城地震的震源深度是合理的。郯城地震断层的最大水平位移10m,最大垂直位移3m,二者之比为3.3。据此,郯城地震断层属走滑为主兼有倾滑型的地震断层。郯城地震断层的破裂速度为4.62km/s,与其它地震断层的破裂速度(唐山地震为2.7km/s,海城地震为1.3km/s)相比,郯城地震的破裂速度偏大。破裂速度与介质条件有关。因此,认为郯城地震发生在刚性强度较大的脆性介质中。综上结果,郯城地震是发生在具有较大刚性强度的中地壳与下地壳之间高速层的脆性介质中的一次快速破裂事件。2.2逆走断层型地震的震级利用公式ET=PUD+FU+ES求得郯城地震断层面上的总摩擦阻力。由σf=F/S求得断层面的动摩擦应力(8.4×155pa)。然后利用文献中的公式求得郯城地震断层的破裂速度为4.62km/s与其计算和统计的地震断层破裂速度基本一致,为同一数量级。这一公式较合理地解释了不同性质断层与震级大小的关系。逆走断层形式于挤压条件,挤压应力具有增大介质强度的作用,这意味着断层面上的摩擦阻力增大,同时逆走断层在破裂过程中需要克服断层上盘的重力。在这种情况下,公式中的P为正值,F值增大。这决定了挤压条件下逆走断层破裂需要大的能量,即ET大。ES与ET是成正比的,所以逆走断层型地震的震级应该是大的。正走断层形式于引张条件下,张应力具有降低介质强度的作用。这意味着断层面上的摩擦阻力减小。同时正走断层在破裂过程中是从重力中获得能量。在此种情况下,公式中的P应为负值,F值减小。这决定了引张条件下,正走断层破裂需较小的能量,即ET小,所以正走断层型地震的震级应是小的。走滑断层是挤压应力产生剪切力偶作用的结果。在纯剪切过程中,不需要克服断层上盘的重力,断层面上的摩擦阻力小于逆走断层,大于正走断层。因此,走滑断层型地震的震级介于逆走断层型和正走断层型地震之间。这一结果与全球地震发生的实例相一致。综上分析,认为本文提出的公式(1)、(2)是合理的,用它们求断层面上的摩擦应力,并将其作为断层面上的终应力亦是大致可行的。2.3断裂面的应力始应力是地震发生之前断层面上的应力(σ0)。终应力是地震发生后断层面上的应力(σ1)。应力降是始应力与终应力的差值,即Δσ=σ0-σ1。平均应力P(σ¯σ¯)也称视应力,σ¯=σ0+σ12σ¯=σ0+σ12。将始应力定义为断层面上的静摩擦力,视其为断层破裂所需的应力。将终应力定义为断层面上的动摩擦应力,视其为断层停止滑动所需的应力。始图所示,随时间的推移,断层面上的σ0、σ1和Δσ均逐渐变小。假定在同一条断层上,Ms与Δσ成正比,可以推论,随时间的推移,断裂上发生地震的震级会逐渐变小,破裂属性发生变化,由粘滑破裂逐渐向蠕滑过渡。这符合断层上发生地震和破裂属性变化的演化过程。σ¯σ¯是反映断裂附近整体应力水平的一个参数,随着断层的破裂,σ¯σ¯逐渐变小,这解释了断裂带上的应力测量值由断裂向远离断裂逐增大的实事。美国的圣安德烈斯断裂和中国的郯庐断裂均显示了这一应力分布特征。2.4断层破裂方向的变化和强余震的发生σ0-σf是应力降,它反映了地震解除断层面上应力的程度。σfσ0σfσ0表示终应力在始应力中占的比例。其值0<σfσ0<10<σfσ0<1。定义C=(σ0-σf)/σ0为地震断层的破裂彻底度,其值0<c<1,它表示应力降在始应力中所占的比例,反映了地震断层应力释放的彻底程度。主震发生后,是否发生强余震以及余震发生的强度、位置和迁移途径可通过σ0—σf、σfσ0σfσ0和C这几个参数来确定。C值越大说明地震释放应力越完全,标志着断层破裂越彻底。即σ0-σf较大,σfσ0σfσ0较小。由公式(1)可知地震断层规模大,位移量大。破裂彻底的地震断层,主震已将断层上积累的绝大部能量释放掉。因此,沿断层再次发生强余震的概率较小。断层破裂彻底,就必然产生较大的位移。在断层运动产生的引张区内附加较大的张应力。张应力具有降低破裂强度的作用,使引张区原来尚未达到破裂的断层破裂发生强余震,引张区内的余震震级一般不会很大。C值越小说明地震释放应力越不完全,标志着断层破裂越不彻底。即σ0-σf较小,σfσ0σfσ0较大,野外表现为地震断层规模小,位移量小。破裂不彻底的断层,主震发生后,并没有将断层积累的绝大部分能量释放掉,因此,强余震将沿断层走向,在断层倾向一侧发生。若能弄清地震断层的破裂方式,可对强余震发生的位置作出较准确的预报。强余震沿断层破裂方向发生,尤其是主断层与次级断层的交汇部位应作为重点监视地区。断层运动产生的引张区,也有可能发生强余震,但相对沿断层走向发生的强余震是属于第二位的。在时间上,强余震由断层向破裂产生的引张区迁移。根据σ0−σf‚σfσ0σ0-σf‚σfσ0和C值的大小,将地震断层的破裂彻底度分级(表3)。利用此方法对郯城、海源、阿尔泰和唐山地震的地震断层的破裂彻底度和强余震强度作了反演,其结果与实际结果基本一致(表4)。从而证明,利用σ0-σf、σfσ0σfσ0和C判定断层破裂彻底度,对主震发生后和余震强度、震中位置和迁移途径作出预测是可行的。2.5明城与唐山大地震的对比以上综合分析了郯城、唐山、海城和邢台地震的震源参数。结果表明郯城地震的位移量、断层规模、地震矩、应力降、地震释放总能量和破裂速度都较大,与唐山地震相比,郯城地震是一个地震断层破裂彻底的地震,而唐山地震是一个地震断层破裂不彻底的地震。3断层破裂彻底度的计算3.1郯城地震是一个典型的,地震断层破裂彻底的地震。地震断层属倾走滑型断层。地震发生在刚性强度较大的,中地壳与下地壳之间的高速层内。3.2利用本文提出的公式(1)和(2),求断层面上的动摩擦阻力和应力,并将其作为终应力是大致可行的。3.3σ0-σf、σfσ0σfσ0和C三个参数判定地震断层破裂彻底度的有效指标,据此可对主震后强余震的强度,位置和迁移途径作出预测。最后需要说明的是,本文计算获得的震源参数所引用的野外资料是建立在实地考察基础之上的,并在正式刊物