地震活動的大地測量研究方法

1、地震活動的大地測量研究方法,《大地構(gòu)造與地殼形變》,主要內(nèi)容,1. 中國地震活動的基本特點(diǎn)2. 地震預(yù)報(bào)的科學(xué)思路3. 地震地殼形變,一、中國地震活動的基本特點(diǎn),我國的地震活動，可用“多、大、廣、淺”四個字概括其特點(diǎn)，即地震多(頻度高)、強(qiáng)度大、分布廣、震源淺 。,二、地震預(yù)報(bào)的科學(xué)思路,地震預(yù)測是一個國際性的科學(xué)難題，其難點(diǎn)有三：一是地震物理過程本身的復(fù)雜性；二是地球內(nèi)部的“不可知性”即人們無法深入到地球內(nèi)部在震源區(qū)內(nèi)設(shè)置臺站

2、、安裝觀測儀器；三是大震重復(fù)時間的長期性，限制了作為一門觀測科學(xué)對現(xiàn)象的觀測和對經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知的進(jìn)展(陳運(yùn)泰，1998)。從科學(xué)技術(shù)上來看要完全實(shí)現(xiàn)地震預(yù)測預(yù)報(bào)成功，需要達(dá)到兩點(diǎn)：第一，對地震機(jī)理、地震孕育發(fā)生的物理過程的全面的完整的認(rèn)識；第二，要能夠有效地監(jiān)視地震的孕育、發(fā)生過程，以便根據(jù)孕震過程的發(fā)展階段進(jìn)行地震預(yù)測。 目前的地震預(yù)測預(yù)報(bào)研究還處于探索階段,兩種地震預(yù)報(bào)途徑,對一個自然現(xiàn)象的預(yù)測，往往有兩種科學(xué)途徑（張國民等

3、，2001）：一: 研究并掌握該自然現(xiàn)象的生成機(jī)制和受控因素，通過測定有關(guān)因子的數(shù)值，按照該自然現(xiàn)象的成因規(guī)律對其作準(zhǔn)確的預(yù)測和預(yù)報(bào)。二: 根據(jù)該自然現(xiàn)象與其他現(xiàn)象之間的關(guān)系，應(yīng)用實(shí)踐中積累的大量資料，總結(jié)各種現(xiàn)象與預(yù)測對象之間的經(jīng)驗(yàn)性和統(tǒng)計(jì)性關(guān)系進(jìn)行預(yù)測和預(yù)報(bào) 。,兩種地震預(yù)報(bào)途徑,地震預(yù)報(bào)途徑之一：是關(guān)于孕震過程和地震模式的理論和實(shí)驗(yàn)研究。孕震過程的研究包括震源物理、地震力學(xué)等方面的理論、實(shí)驗(yàn)和觀測研究，試圖通過對震源過程物理力

4、學(xué)機(jī)制的研究，逐步揭示和掌握地震孕育、發(fā)展和發(fā)生的規(guī)律，從而達(dá)到預(yù)報(bào)地震的目的。地震模式的研究從一定的理論前提出發(fā)，提出地震發(fā)生的模式，從理論上推導(dǎo)各種可能的前兆及不同的關(guān)聯(lián)組合，并通過實(shí)際觀測不斷檢驗(yàn)和修改理論模式。 地震預(yù)報(bào)途徑之二：是根據(jù)在長期實(shí)踐中積累的大量震例資料，總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律推廣應(yīng)用于預(yù)測未來地震。,地震預(yù)報(bào)方法的分類,地震預(yù)報(bào)的地震學(xué)方法地殼形變與地震預(yù)報(bào)地下水微動態(tài)與地震預(yù)報(bào)水文地球化學(xué)地震前兆地震的地

5、電前兆地震的地磁前兆重力預(yù)報(bào)地震,適合板內(nèi)地震特點(diǎn)，具有中國特色的地震分析預(yù)報(bào)科學(xué)思路,,具有中國特色的地震分析預(yù)報(bào)科學(xué)思路有以下幾個方面：1 長、中、短、臨漸進(jìn)式預(yù)報(bào)思路 2 源兆與場兆思想 3 源的過程追蹤與場的動態(tài)監(jiān)視相結(jié)合思想 4 “塊、帶、源、場、兆、觸、震”協(xié)同的思想,長、中、短、臨漸進(jìn)式預(yù)報(bào)思路,長期預(yù)報(bào)是依據(jù)歷史地震的統(tǒng)計(jì)，對地質(zhì)構(gòu)造活動的地殼形變的觀測分析，以及對近代地震活動圖像的分析等多方面研究作出的

6、對某地區(qū)今后數(shù)年至一二十年地震形勢的預(yù)報(bào)。中期預(yù)報(bào)是根據(jù)地震活動圖像、地殼介質(zhì)的物理性質(zhì)、地殼形變、地下水動態(tài)、水化學(xué)成分、地電阻率、地球磁場、重力場及地殼應(yīng)力應(yīng)變等多方面的監(jiān)測研究，依據(jù)多種趨勢性異常所作的一至數(shù)年的地震危險區(qū)及地震強(qiáng)度的預(yù)報(bào)。短期預(yù)報(bào)是根據(jù)趨勢異常加速或轉(zhuǎn)折性變化和短期異常的出現(xiàn)等所作的數(shù)月內(nèi)的地震預(yù)報(bào)。臨震預(yù)報(bào)則是根據(jù)突發(fā)性快速變化的異常所作的幾天至十幾天的地震預(yù)報(bào)。階段性地震預(yù)報(bào)思想就是使預(yù)報(bào)過程追

7、蹤地震孕育過程的發(fā)展，以漸進(jìn)的方式向未來地震時空強(qiáng)三要素逐步逼近。,源兆與場兆思想,源即震源，源的研究系指對震源形成及演變過程的研究。源兆即為在此過程中震源區(qū)及近源地區(qū)出現(xiàn)的各種效應(yīng)。場即區(qū)域應(yīng)力場，地質(zhì)構(gòu)造塊體在邊界力作用下形成區(qū)域應(yīng)力場，由于塊體內(nèi)部不均勻結(jié)構(gòu)，因而在一些特殊部位形成多個應(yīng)力集中區(qū)，其中有的可能發(fā)展成為孕震區(qū)，有的則為可能反映應(yīng)力場變化的敏感點(diǎn)。場兆即為在震源形成及演變過程中，大范圍區(qū)域應(yīng)力場在眾多敏感點(diǎn)顯示的異

8、?，F(xiàn)象。,源的過程追蹤與場的動態(tài)監(jiān)視相結(jié)合思想,源的過程追蹤思想基于對孕震過程及其可能產(chǎn)生的效應(yīng)的研究。孕震過程可分為彈性變形、非彈性變形和破裂加速階段。長期預(yù)報(bào)階段主要追蹤彈性應(yīng)變和應(yīng)變能的積累過程。中期預(yù)報(bào)階段追蹤非彈性變形如微破裂發(fā)展(微破裂數(shù)量和線度增加)或擴(kuò)容等，以及伴隨的效應(yīng)如流體運(yùn)移等導(dǎo)致的中期異常發(fā)展過程。在短臨階段主要追蹤突發(fā)性異常，即由于巖體有效強(qiáng)度降低、破裂擴(kuò)展加速及貫通、斷層加速蠕動和不穩(wěn)定形變區(qū)內(nèi)宏觀斷裂形成等

9、造成的一系列突發(fā)性短臨異常。場的動態(tài)監(jiān)視思想基于中國板內(nèi)地震具有異常范圍較大，異常群體動態(tài)演化過程與上述震源孕震過程同步起伏等基本事實(shí)，固而大面積監(jiān)視場的動態(tài)就可以獲得震源孕育過程的相關(guān)信息或背景性變化。 由于場和源的相互作用，實(shí)現(xiàn)地震預(yù)報(bào)必須將源的過程追蹤和場的動態(tài)監(jiān)視兩者結(jié)合起來，地震異常在時間上階段性發(fā)展和在空間分布上集中性特點(diǎn)主要反映源的發(fā)展演化過程，而前兆現(xiàn)象在空間上和時間上的離散性分布則更多地反映孕震過程中場的變化。

10、,“塊、帶、源、場、兆、觸、震”協(xié)同的思想,“塊”即地震構(gòu)造塊體。大陸地殼是由大大小小的不同層次的塊體嵌套而成的?！皫А睘闃?gòu)造塊體之間的邊界帶，亦稱構(gòu)造帶。在地球動力因子作用下，地質(zhì)構(gòu)造塊體間，出現(xiàn)“壓、拉、扭、錯”多種力學(xué)性質(zhì)的相對運(yùn)動。邊界帶是集中反映這種運(yùn)動的剪切帶、形變帶、應(yīng)力應(yīng)變集中帶、地球物理和地球化學(xué)等異常帶?！霸础奔催吔鐜夏Σ翉?qiáng)度大的阻擋構(gòu)造塊體運(yùn)動的地段，顯然這里將積累應(yīng)力應(yīng)變和能量，是可能孕育地震的震源區(qū)。“

11、場”即區(qū)域應(yīng)力場，隨著構(gòu)造活動的持續(xù)，應(yīng)力應(yīng)變的積累，形成了不斷變化和增強(qiáng)的構(gòu)造應(yīng)力場和震源應(yīng)力場。“兆”就是應(yīng)力場發(fā)展過程中形成的反映地震孕育發(fā)展過程的異常變化?！坝|”是指在孕震晚期震源處于不穩(wěn)定狀態(tài)，外場(如天體引力、太陽活動、氣壓場等)的某些微小擾動，可能對地震的發(fā)生起觸發(fā)作用。最后，在上述條件統(tǒng)一作用過程中發(fā)生地震。,三、地震地殼形變,地震地殼形變概念：由于地殼結(jié)構(gòu)的不均勻性，在內(nèi)力與外力的作用下就會產(chǎn)生不均勻的地殼 形

12、 變，它導(dǎo)致某些地殼特殊部位上的應(yīng)力-應(yīng)變積累，當(dāng)這一累積應(yīng)變達(dá)到地殼的極限應(yīng)變值或已有斷層上的應(yīng)力積累達(dá)到了斷層的抗剪強(qiáng)度時，地殼便突然破裂，發(fā)生地震，這種與地震的孕育和發(fā)生過程直接有關(guān)的地殼形變過程稱為地震地殼形變。震前地殼形變：孕震過程中的地震地殼形變，也稱地殼形變前兆；同震地殼形變：震時地殼破裂引起的地殼形變；震后地殼形變：震后繼續(xù)調(diào)整過程的地殼形變。,地震地殼形變,地震地殼形變獲取的方式及分類： 地震地殼形變可

13、以通過地殼變形觀測獲得。 地殼變形觀測按時間域分類：連續(xù)觀測；離散觀測 地殼變形觀測按空間域分類：定點(diǎn)形變(傾斜、固體潮)觀測 ；斷層位移觀測（局部） ；區(qū)域形變場觀測 ；全球板塊運(yùn)動監(jiān)測 地殼變形觀測按觀測手段分類：有空間技術(shù);常規(guī)大地測量技術(shù);洞體鉆孔應(yīng)變、傾斜、 各類固體潮汐因子等觀測 。,震前地殼形變,表現(xiàn)方式：斷層系和塊體運(yùn)動；近場地殼應(yīng)變積累；擴(kuò)容與地表隆起 1> 斷層系和塊體運(yùn)動板塊

14、內(nèi)部有地質(zhì)塊體沿?cái)鄬拥南鄬\(yùn)動，導(dǎo)致障礙體上的應(yīng)變積累，從而形成地震。斷層運(yùn)動及其近場塊體的形變受構(gòu)造運(yùn)動的驅(qū)動,形變主要集中在斷層近場,遠(yuǎn)場形變比較平緩,并且離斷層越遠(yuǎn)形變越平緩。斷層近場塊體介質(zhì)的力學(xué)特性可以發(fā)生很大的變化,這種變化對于塊體的變形與釋放能量的方式和速度起著控制作用。,震前地殼形變,2> 近場地殼應(yīng)變積累 通過對巖石做模擬實(shí)驗(yàn)可以模擬地震發(fā)生的環(huán)境，了解地殼的運(yùn)動模式 。 巖石加壓模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)

15、果表明，巖石在應(yīng)力作用下的應(yīng)變曲線是分段的，即巖石破裂過程中應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出階段性特征。 巖石破裂前后應(yīng)力、應(yīng)變曲線大致可分為5個階段 ：硬化階段 ，線彈性階段 ，非彈性變形或弱化階段 ，失穩(wěn)階段 ，滑動階段,震前地殼形變,震前地殼形變,3> 擴(kuò)容與地表隆起 在應(yīng)力達(dá)到破裂強(qiáng)度的2/3左右時，近場區(qū)開始擴(kuò)容，在地表可以觀測到隆起，但隨著應(yīng)力的繼續(xù)增加，主破裂帶的逐漸形成，應(yīng)變將大量集中在一個有限的最終出

16、現(xiàn)斷裂的部位上。其余地區(qū)裂縫將閉合，應(yīng)力-應(yīng)變將下降恢復(fù)，膨脹也將逐漸恢復(fù)。 無震滑動: 地殼表面的大部分位移是由無震滑動產(chǎn)生的(例：伊豆半島東北部所累積的應(yīng)變能量，大部分是由無震隆升釋放的，以地震形式釋放的只占一小部分 )。,同震地殼形變,地震的同震運(yùn)動，主要表現(xiàn)為地震斷層和地裂縫同震形變模型：斷層運(yùn)動模型。斷層是地球內(nèi)部的一個滑動面，在其兩側(cè)發(fā)生了不連續(xù)的巖體運(yùn)動（或稱為錯動）。它在地面下的形狀無法觀測到，一般通過地面觀

17、測資料（例如斷層長度、地震時的錯動等）來建立斷層模型。 斷層可分為三類（按兩盤相對運(yùn)動的方向）：正斷層、逆斷層和平推斷層。上盤相對下降、下盤相對上升的斷層稱正斷層，斷層面傾角一般較陡。上盤相對上升、下盤相對下降的斷層是逆斷層，斷層面傾角變化較大，從陡傾到近水平。如果斷層兩側(cè)的巖石不是沿?cái)鄬用嫔舷乱苿佣茄厮椒较蛞苿?，則稱平推斷層。如果把這三類斷層與形成的構(gòu)造應(yīng)力聯(lián)系起來，通俗地說，正斷層由拉張應(yīng)力引起，逆斷層是擠壓應(yīng)力的結(jié)果

18、（故常造成地殼的縮短），平推斷層則與剪切應(yīng)力有關(guān)，其斷層面常近直立。,同震地殼形變,在各向同性介質(zhì)中，表面Σ由于位錯 產(chǎn)生的位移場 如下： 分別表示斷層上點(diǎn)的走滑位錯，傾滑位錯，張裂位錯分量 L表示斷層的半長度，W為斷層寬度，d為斷層的深度，δ為斷層的傾角,同震地殼形變,位錯模式幾何圖,同震地殼形變,設(shè)地面一點(diǎn)在測量坐標(biāo)系中的

19、位移為 ，相應(yīng)的在震源坐標(biāo)系的位為： , 則有： 正演問題：用斷層的10個參數(shù)計(jì)算地表測量坐標(biāo)系中的位移反演問題：地表位移觀測值來確定斷層的三個位錯分量

20、及其位置參數(shù)和幾何參數(shù),同震地殼形變,Okada（1985）關(guān)于矩形位錯的公式 :走滑分量 各分量分別代表點(diǎn)在矩形四個位置上的位移， x , y 為斷層中心坐標(biāo)值（在震源坐標(biāo)系中）,𝛿 為斷層傾角,d 為斷層深度,同震地殼形變,Okada（1985）關(guān)于矩形位錯的公式 :走滑分量形變：,震后地殼形變,地殼的震后運(yùn)動，一般和震前的運(yùn)動趨勢成反向。震后滑動主要發(fā)生在主震后幾天至幾個月內(nèi)。其特

21、點(diǎn)是滑動速率成對數(shù)衰減，位錯量可等于或超過同震滑動。,震后地殼形變,Pollitz最初在1992年給出基于球體分層粘彈性地球模型的時變震后應(yīng)力釋放的解析表達(dá)式。該模型主要計(jì)算在球體分層彈性-粘彈性介質(zhì)內(nèi)，某個彈性層內(nèi)發(fā)生的斷層滑動產(chǎn)生的應(yīng)力變化所引起的震后響應(yīng)，這種響應(yīng)對應(yīng)著球形運(yùn)動分量和環(huán)形運(yùn)動分量的球諧展開，每種分量代表一種具有特性的時間延遲和空間變形模式的應(yīng)力釋放，它可以靈活計(jì)算在任何深度的時間序列震后變形場-位移場和應(yīng)變場。