360 地震学报 19 卷 图 1 (a) 共和地震前各类前兆 观测台站分布图 Rn 为氡 ;W 为水位 流量 ;M 为地磁 ; T 倾斜 ;S 为地应力 ;L 为长水管 ; ~ 为电磁波 ;E 为地电 ;G 为重力 ;X 为伸缩仪 上升算起 ) 等外围地区扩展 ( 如图 1b 中虚线 所示 );

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1 第 19 卷第 4 期地震学报 Vol.19,No 年 7 月 (359~366) ACTASEISMOLOGICASINICA Jul.,1997 青海省共和 7.0 级地震前兆的数值模拟 赵和云 1) 梁子彬 1) 李炳乾 2) 钱家栋 3) 1) 中国兰州 国家地震局兰州地震研究所 2) 中国西安 陕西省地震局 3) 中国北京 国家地震局分析预报中心 摘要在共和地区简化的介质模型上, 应用固液两相介质的本构关系, 模拟计算了 1990 年共和 7.0 级地震的前兆特征. 结果表明, 模拟得到的介质状态分布 扩展变化与共和地震前可靠异常的时空分布规律大体相似. 由此得知, 共和地震的孕育经历了大面积弹性变形 早期的非弹性膨胀 西宁周围地区的应变软化与弹性恢复 震源附近高密度地体的非弹性膨胀 发震等过程. 可以看出, 它既不是一个简单的裂隙发育贯通过程, 也不是孕震区非弹性体积膨胀 进水过程, 而是介质多种状态此起彼伏的复杂进程, 其具体程式受震源及周围地区的地质构造环境所决定. 由此得出, 不同地震孕育的地质构造环境不可能相同, 其前兆显示的时空分布规律也必然不同. 主题词共和数值模拟地震异常二相介质 引言 1990 年 4 月 26 日共和 7.0 级地震是 1988 年大陆地震活动进入新的活跃期以来, 在西北地区发生的最大一次破坏性地震. 其构造环境 错动方式以及地震前兆, 既与华北 西南地区的 7 级强震有相同点, 又具西北地区自身的特点. 特别是, 地震所处的共和盆地从有文字记载以来, 不曾发生过强烈地震. 显然, 对这样一次有代表性的地震作深入地研究, 不论在地震预报 前兆机理方面, 还是在地震区划及危险性分析方面, 都有着重要的意义. 本文则着重对共和地震的前兆时空分布特征进行数值模拟, 以便探讨前兆显示与孕震过程之间的联系. 1 共和地震前兆的时空分布特征 共和 7.0 级地震前, 周围 320km 范围内的所有前兆观测台站如图 1a 所示. 图 1b 是其中异常信度比较高的台站 自建台以来或最后一次观测环境改造以来的全部观测曲线 ( 这些台站在图 1a 中以 表示 ). 从这些图件中可以看出, 共和地震的可靠前兆异常在地域上主要集中于震中的北东象限 ; 在时间上最早出现的非测震学前兆是刘家峡应力的主压应力值, 它代表了区域应力的增强. 在此背景下, 湟源 西宁地区的水氡先出现异常, 之后异常逐渐向乐都 门源 兰州 西武当 ( 西武当异常从 1988 年 11 月肃南 5.7 级地震后的再 收到初稿, 收到修改稿并决定采用.

2 360 地震学报 19 卷 图 1 (a) 共和地震前各类前兆 观测台站分布图 Rn 为氡 ;W 为水位 流量 ;M 为地磁 ; T 倾斜 ;S 为地应力 ;L 为长水管 ; ~ 为电磁波 ;E 为地电 ;G 为重力 ;X 为伸缩仪 上升算起 ) 等外围地区扩展 ( 如图 1b 中虚线 所示 ); 震前半年左右, 异常由外围转向震 中, 湟源流量 共和水氡相继出现异常 ; 临 震前兆则主要集中在震中附近, 多表现为宏 观异常. 这样一幅以水氡 形变为主的前兆 时空分布图象除了与台站的布局有关外, 无 疑与共和地震的孕育发展过程及其周围的地 质构造有很大关系. 2 共和地震的地质构造背景和模拟计算的初始模型 2.1 共和地震的地质构造环境 共和地震发生在共和盆地西南缘, 共和 盆地则在被 4 条大断裂带围限所形成的菱形 块体的北端 ( 图 2). 盆地整体呈北西向展布, 被第 4 系地层复盖, 无出露地表的活动断层. 菱形块体周围的 4 条断裂带中, 以南侧的库 赛湖 玛曲断裂规模最大 地震活动频度最高 ; 在其西段 ( 东经 98 附近及其以西 ) 本世纪 以来就发生过二次 7 级 二次 6 级以上地震. 不过共和盆地与之活动段相距稍远, 最近处 也有 180km. 紧靠盆地北缘的是青海南山断裂, 虽然它是一条规模很大的区域性深大断 裂, 但全新世以来一直比较稳定, 无中强以上地震记载, 小震活动也很微弱 ; 这条断裂再 向东为西秦岭北缘大断裂的西段, 这是一条活动断裂, 其北还有一条规模较小的隐伏断 裂, 小震活动频繁, 也为活动断裂. 菱形块体西缘是鄂拉山断裂, 地震活动的频度较高, 但 强度不大. 菱形块体东缘是扎马日根山断裂, 地震活动相对比较稳定. 在块体的外围东北 方向, 还有大通山断裂和祁连山断裂, 它们都是比较活跃的地震断裂带. 另据航磁资料, 在盆地下 14~30km 深处, 以共和县城为中心存在一近东西向盆形强磁性高密度体, 其界 面形状南陡北缓, 南缘大体与共和地震的发震断层吻合. 共和主震和其后 5 个月内的 5 级 左右余震共 11 次, 或发生于 13km 或发生于 30km 深度附近, 与高密度体的上下界面吻 合. 说明这一磁性高密度体的存在对于共和地震的孕育起着一定的作用. 共和 7.0 地震就 是在这种地质环境中孕育并发生的. 2.2 共和地震的孕震力源 青海省地震局给出的主震震源机制解中, 认为 Ⅰ 节面为地震破裂面, 它的走向为 NW68 倾向 SW 倾角 46, 给出的犘轴方位为 44, 仰角 6. 巩守文等 (1993) 利用水准资 料反演得到的发震构造是走向 NW60 倾向 SW 倾角 47 的隐伏逆断层, 断层错动以逆冲 为主, 兼少量左旋走滑. 另外, 共和主震的等震线长轴方向呈 NWW 向展布, 与震源机制 解及水准资料反演的发震断层走向一致. 余震的空间展布最初为 NW 向, 到后期的优势方 向也逐惭转向 NWW 向. 所有这些资料一致表明, 共和地震是由 NWW 向的隐伏断层逆冲 产生的. 显然, 它是在 NE45 左右的压应力作用下所形成. 要指出的是, 这一压应力的方 向与共和地区的区域应力场方向完全一致.

3 4 期赵和云等 : 青海省共和 7.0 级地震前兆的数值模拟 361 图 1 (b) 可信度较高的异常变化曲线 2.3 模拟计算的初始模型鉴于上述共和地震孕育的地质构造环境和力源作用方式, 为研究孕震过程与前兆之间的关系, 我们取包括发震断层和前兆集中区在内的北东向矩形平面区域进行数值模拟. 具体位置如图 2 中虚线所示. 在数值模拟中, 我们将不考虑垂直力的作用, 只研究水平方向的二维平面应力问题. 矩形区域的长为 300km 宽为 175km. 其内包括有发震断层 高密

4 362 地震学报 19 卷 图 3 模拟计算的初始模型 图 2 共和地震的地质构造环境 Ⅰ 孕震断层 ;Ⅱ 高密度体 ;Ⅲ 断层度体 青海南山断裂 少部分西秦岭北缘断裂以及向北的隐伏活动断层 大通山断裂和祁连山断裂. 由于青海南山断裂比较 ( 据 中国南北地震带近期强震危险区预测图 ) 稳定, 计算中用高密度体与周围普通介质 的界面代替. 祁连山断裂距共和地震震中约 220km, 又处于计算区域的边缘, 因而不予考 虑. 这样就得到如图 3 所示的简化模型. 各部分介质的初始参数列于表 1 中. 这些参数是 参照牛志仁等模拟计算唐山地震前兆的初始模型 1, 并根据附近花石峡 门源地震测深的 波速资料稍加修改后选定的. 3 数值模拟方法与结果 牛志仁等 (1991) 的孕震动力学方程组实际上给出了二相介质的本构关系. 由于它充分考虑了固 液相介质的宏观连续性 孔隙流体的渗透性以及固体骨架的非线性体积膨胀性, 因而依据它进行介质应力 应变计算 表 1 各部分介质模拟计算的初始参数 介质名称 弹性模量 泊 松 比 区域介质 犈 0 γ 犆 高密度体 1.15 犈 0 γ 犆 孕震断层 0.9 犈 0 0.8γ 犆 其余断层 0.6 犈 γ 犆 犈 0= kg/cm 2 ; γ 犆 =0.25 能将非弹性膨胀 断层滑动 地下水活动等在地震前兆变化中经常起作用的基本因素都加以考虑. 故本文选用由孕震动力学方程组所编制的程序进行数值模拟. 因选定矩形区域的长边方向与共和地震孕育的主压应力方向一致, 所以在数值模拟中取如下的边界条件 : 两侧短边以垂直边界匀速位移进行加载, 而平行边界的方向上位移取为零 ; 长边上的正应力为零, 并沿长边以不同的位移进行加载, 位移大小随距长边中点的长度渐变到零 ( 图 3). 具体计算时取 个单元,2601 个节点 ; 边界上每增加一个位移增量作为一个时段狋, 直至孕震断层失稳. 图 4 是模拟区域在不同时段的几个典型介质状态图. 表明共和地震的孕育经历了以下几个阶段. 3.1 弹性变化阶段前 3 个时段的计算结果表明 ( 以狋 2 的状态图为代表 ), 整个计算区域基本上处于弹性变 1 牛志仁, 陈党民, 李炳乾,1994. 地震孕育过程及地震前兆场物理机制的数值模拟研究.

5 4期 赵和云等 青海省共和 7 0 级地震前兆的数值模拟 363 形状态 只是在 3 条活动断层上出现了非弹性膨胀 3 2 初期非弹性膨胀阶段 这一阶段的最大特点是有连片的非弹性膨胀区出现 由狋4 状态图看到 从狋4 起 西宁 以南的计算单元首先出现了成片的非弹性膨胀区 它标志着区域应力已增强到某些介质破 裂强度的 2 3 这时 应相当于刘家峡地应力的主压应力值出现异常增加 图 1b 在狋5 的 状态图上看到 非弹性膨胀区已从狋4 的 西 宁 以 南 地 区 向 东 东 北 西 北 扩 展 到 包 括 湟 源 西宁 乐都 门源直至计算边界的广大区域 显然从狋4 到狋5 有一个扩展过程 在这一过程 中 由于膨胀区中微裂隙的大 量 增 加 氡 的 释 放 量 增 多 因 而 在 刘 家 峡 应 力 异 常 后 与狋4 膨胀区相邻的湟源 西宁 乐都 水 氡 会 率 先 出 现 正 异 常 并 且 随 着 膨 胀 区 向 外 围 扩 展 门 图 4 模拟计算结果 介质状态图

6 364 地震学报 19 卷 源地倾斜也会出现异常. 根据膨胀区的发展趋势, 可以推断假若计算区能包括兰州 西武当等地, 随着膨胀区的继续外扩, 其相应的形变 水氡也会出现异常. 这一计算和分析结果显然与第一节中提到的刘家峡应力异常后湟源 西宁 乐都水氡首先出现异常, 并向门源 兰州 西武当发展的前兆演化特征相一致. 此外, 从狋 5 的状态图还能看到, 与非弹性膨胀区扩展同步, 跨越西宁的长边方向 ( 即实际的北东方向 ) 出现了应变软化带, 即介质破坏发生小震或断层蠕动区. 它与张雅玲和马文静 (1993) 指出的 1988~1989 年由西宁到兴海出现的北东向小震条带的位置大体一致, 不过计算结果远比实际条带短得多. 3.3 中期非弹性膨胀阶段这一阶段的特点是除高密度体外, 其它广大计算区域都发生了非弹性膨胀. 经过狋 6, 狋 7 后, 非弹性膨胀区逐惭扩大至孕震断层的另一侧, 直至除高密度体以外的全部区域, 形成了非弹性膨胀区对孕震断层和高密度块体的包围. 与之相伴随, 西宁及周围计算区的非弹性膨胀大部分恢复到弹性变形状态 ( 参见狋 7. 狋 6 略 ). 弹性恢复意味着介质遭受破坏或塑性变形后将发生应变恢复, 裂隙闭合. 显然, 狋 6~ 狋 7 的计算结果应预示湟源 西宁 乐都地区水氡值要恢复下降. 同时由于介质恢复到弹性变形状态, 小震频次也会明显降低. 这与图 1b 中相应台站在 1989 年下半年异常的变化趋势也相吻合. 3.4 后期非弹性膨胀阶段这一阶段的显著特点是与孕震断层伴生的高密度体发生了非弹性膨胀. 狋 8 后, 高密度体边缘出现了非弹性膨胀, 并逐渐向高密度体中心逼近 ( 狋 8, 图略 ). 当膨胀区发展到共和时 ( 参见狋 9), 可理解为共和水氡出现了正异常. 这一模拟结果与图 1b 显示的湟源 乐都水氡下降后共和水氡出现上升异常相符. 它标志着地震孕育进入短期阶段. 之后, 高密度体全部发生了非弹性膨胀 ( 狋 10). 计算狋 10 时刻由震中向西宁方向各有关单元的体应变, 得到如图 5 所示的体应变曲线 ( 实线 ). 可以看出, 震中附近体应变最大, 向外很快减小, 之后又有所增大但数值较小. 这也可以理解为模拟计算得到的垂直变形. 如果以这一地区水准实测平面图 ( 巩守文等,1993) 为依据, 同样作从震中到西宁方向的实测垂直形变剖面图 ( 虚线 ). 对比两者不难看到, 模拟计算与实测结果的变化趋势相似. 不过由于模拟计算是平面问题, 不好在量级上与实际观测对比. 另从狋 9, 狋 10 还能看到, 在高密度体发生非弹性膨胀的同 图 5 狋 10 时刻震中 西宁地区体应变曲线 ( 实线 ) 与震中 西宁实测垂直形变图 ( 虚线 ) 图 6 湟源孔隙压模拟变化曲线

7 4 期赵和云等 : 青海省共和 7.0 级地震前兆的数值模拟 365 时, 弹性恢复区也逐惭增大至包括门源在内的东 东北边界. 这一结果表明, 门源地倾斜 也要恢复到正常. 实际门源异常恢复距发震已不足 4 个月, 这就说明模拟计算的孕震进程 在狋 10 后逐渐进入临震阶段. 此外, 为了考察在这一时段对湟源泉水前兆 ( 图 1b) 的模拟结 果, 图 6 还给出了模型中湟源单元在整个加载时段的孔隙压变化曲线. 由图可以看到, 狋 9 ~ 狋 10 时段, 湟源单元的孔隙压迅速上升. 这就意味着水位上升, 流量增加. 显然, 这一计算结果也与实际观测相符. 3.5 孕震断层弱化 地震发生阶段 狋 11 之后, 震源区及其周围介质的状态格局没有大的变化 ( 狋 11 略 ). 至狋 12 时, 孕震断层出 现了应变弱化, 断层破坏 地震发生. 至此, 完成了整个模拟计算. 但从狋 12 状态图看到, 在 临震阶段震源周围的介质状态比较单一, 而湟源 西宁至共和之间的介质状态比较杂乱. 而实际共和地震中, 临震观测到的宏观前兆主要集中在震中附近, 湟源 西宁 共和周围 则杂乱分布. 看来, 宏观异常的分布与模拟计算揭示的介质状态格局存在一定的关系. 综合以上狋 1~ 狋 12 的计算结果, 可以看出, 共和地震经历了弹性变形积累 早期的非弹 性膨胀 西宁周围地区的应变软化和弹性恢复 高密度体内的非弹性膨胀 孕震断层发震 等过程. 在此过程中, 震中及其周围介质显示了类似于图 1b 的多种前兆时空分布规律. 4 讨论与结论 (1) 从上节的论述可以看到, 计算结果大体模拟了共和地震中 短期可靠地震前兆的时空演化特征, 特别对于水氡 地下水异常, 不仅能模拟有无异常的出现, 还能说明其上升与下降. 之所以有这样的模拟效果, 主要是两方面的原因 :1 使用了二相介质应力 应变计算程序. 由于二相介质不仅考虑了固相介质自身的本构状态, 还考虑了由于流体运移所引起介质之间的相互影响, 即介质的整体变化行为. 事实上, 地下介质中水是非常活跃的因素, 它与介质应力 应变状态关系密切, 同时也是许多前兆表现的基础. 因此采用固 液二相介质比以往的单相介质更符合地下实际 ;2 所取的介质结构更加接近实际. 在我们的模型中, 不仅考虑了孕震断层, 还考虑了对孕震断层影响较大的活断层 ; 不仅考虑了普通介质, 还考虑了高密度体. 当然, 模拟结果也有几方面明显的不足, 主要有 :a) 模拟结果与实际多种异常的起始时间间隔不能一一对应 ;b) 受计算程序和计算量的限制, 计算范围未能包括兰州 西武当等可靠异常点, 而只能给出推断结果. 这些将在今后的研究中改进. (2) 模拟结果表明, 共和地震的孕育经历了弹性变形 早期非弹性膨胀 西宁周围地区的应变软化与弹性恢复 高密度地体的非弹性膨胀 发震等过程. 它既不是一个简单的裂隙发育贯通过程 (IPD 模式 ), 也不是孕震区非弹性体积膨胀 进水过程 (DD 模式 ), 而是介质多种状态此起彼伏的复杂过程. 这一过程与梅世蓉等 (1989) 给出的唐山 7.8 级地震孕育过程也不相同. 尤其需要指出的是, 牛志仁等曾利用同样的二相介质计算程序模拟了唐山 7.8 级地震的前兆特征, 得到唐山地震的孕育进程主要经历了弹性积累 早期的非弹性体积膨胀 断层第 1 次加速软化 天津 宁河一带第 2 次非弹性膨胀 断层第 2 次加速软化 发震等若干阶段 1. 对比共和与唐山两次地震的孕育进程, 可以看出, 尽管两次地震 1 牛志仁, 陈党民, 李炳乾,1994. 地震孕育过程及地震前兆场物理机制的数值模拟研究.

8 366 地震学报 19 卷 数值模拟中使用了相同的计算程序, 初始模型中又都有坚硬地体, 但得到的地震孕育进程却大不相同. 共和地震相对唐山地震, 其孕育进程比较简单. 究其原因, 主要是两次地震孕育的介质环境不同. 这种不同包括介质的力学特性 构造展布 断裂性质等等. 由此可见, 不同地震所经历的孕震过程是不可能完全相同的, 因为它们周围的介质结构不可能完全相同. 当然, 由此产生的前兆时空分布也会不同, 这是前兆显示复杂性的基本原因. (3) 虽然不同地震的孕育进程不同, 但是在震源周围介质中, 或此或彼 或迟或早都会经历非弹性膨胀 断层蠕滑 弹性恢复以及地下水运移等状态过程. 这些状态会使介质的应力 应变 孔隙流体含量发生变化, 从而导致基于介质这些特性的观测项目出现异常变化. 这是每次地震前都会观测到一些地震前兆的原因所在. 显然, 地震前兆场具有这样的双重性质 :1 每次地震前都会有异常 ;2 每次地震异常的时空分布又都不相同. 分析共和地震的前兆, 发现异常群体由向外扩展 转折向震中发展有预报意义. 首先, 异常扩展方向的转向特征比较明显, 易于发现 ; 其次, 将这一特性与数值模拟结果对比, 它对应于与孕震断层共生的高密度体出现非弹性膨胀, 这就意味着共和孕震断层走向最后破坏已不可逆转, 也即异常扩展方向的转向有鲜明的物理内涵. 事实上, 唐山 7.8 级地震前兆也有扩展方向的转向现象 ( 国家地震局 一九七六年唐山地震 编辑组,1982). 因此, 应该加强对这一异常特征的深入研究. (4) 发震断层附近的高密度地体 ( 即坚硬体 ) 对孕育 7 级大震起到了重要作用. 首先, 高密度地体与周围相对软弱的岩层之间容易形成应力集中, 是未来孕育大震的有利场所. 实际上, 高密度体的北 西 东三面已形成了深大断裂, 其南面孕育下次强震已成为必然 ; 其次, 高密度地体起到了能量积累作用. 由计算结果可以看出, 在区域应力由狋 1~ 狋 8 的增强过程中, 高密度体一直保持了弹性变形状态, 而周围介质则通过非弹性膨胀 应变软化 弹性恢复等过程将部分能量转移到了高密度体, 使其成为能量积累单元. 直至应力水平很高的情况下, 高密度体的边缘才出现了非弹性膨胀, 并逐惭向其中心逼近. 反映这种能量积累过程的地震空区, 出现了空区面积由大到小 围空震级下限由高到低的空区嵌套缩小现象 ( 赵和云等,1997). 计算结果还显示, 只有当高密度体完全发生非弹性膨胀之后, 孕震断层才发生错动. 所有这些都表明, 高密度体对强震的孕育 发展和发生都起到了重要作用. 近年来梅世蓉等人用 CT 技术对华北地壳的介质结构进行研究, 发现强震分布在高速体与低速体的交接部位或高速体一侧, 从而提出了孕震的 坚固体 模式. 共和地震也处于高密度的坚固体附近. 因此本文可作为对坚固体模式的支持. 本文得到牛志仁教授的指导和帮助, 在此深表感谢. 参考文献 巩守文, 王庆良, 林继华,1993. 共和 6.9 级地震垂直形变场位错模式及其演化特征的研究. 地震学报,15(3):289~ 295 国家地震局 一九七六年唐山地震 编辑组,1982. 一九七六唐山地震. 北京 : 地震出版社,257~262 梅世蓉, 梁北援, 朱岳清,1989. 唐山地震前兆机制的数值模拟. 中国地震,5(2):27~34 牛志仁, 李炳乾, 陈党民,1991. 地震综合预报的物理方法. 见 : 国家地震局科技监测司 ( 编 ), 地震预报方法实用化研究文集综合预报专辑. 北京 : 地震出版社.307~316 张雅玲, 马文静,1993. 青海及邻近地区几次六级以上地震前地震活动异常的探讨. 高原地震,5(1):42~50 赵和云, 钱家栋, 夏玉胜, 等,1997, 甘 宁 青地区地震前兆的某些特征. 西北地震学报,19(3):( 待发表 )

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