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大地震后的地震触发和应力场演化是人们十分关心的问题。本文提出了一种研究这个问题的新方法,它包括地震触发和地震危险性变化的判断准则(地震触发因子C和地震危险度变化△C)和有限元新模型两个部分。新方法可以用来研究地震序列中应力场的连续演化,可以研究介质和应力场的不均匀性、断层的相互作用以及应力松弛对地震触发的影响。
新方法与目前广泛使用的基于地震位错理论的库仑应力变化方法相比有以下明显的特点:
1.新方法中的地震触发因子C和地震危险度变化△C明显不同于目前常用的库仑应力变化△CFS,主要有以下差别:1)地震触发因子C是一个无量纲的量,是由地震前后总的应力场计算得到的,可以考虑复杂应力场和介质不均匀的影响。而△CFS是有量纲的量(应力量纲),是根据地震位错理论由地震引起的应力场变化得到的,没有考虑初始应力场和介质不均匀性的影响;2)C≥1是地震触发的充分条件,△CFS>0仅仅是地震触发的必要条件,△C>0和△CFS>0仅仅表示地震危险性增加而不一定真正触发地震。在介质和应力场均匀的情况下,△C和△CFS一致,因此△CFS仅仅是△C的一个特例;3)C≥1的区域是有限的,和余震区较为吻合,而△CFS>0得到的地震危险性增加的区域非常大,理论上可以达到无穷远,与余震区相比过大。
2.在有限元新模型中,发震断层被视为有一定厚度的断层带,对于研究近场的变形和应力问题,这个断层模型比地震位错模型更接近实际。有限元新模型中断层错动通过应力场驱动下断层带介质软化来模拟,这不同于地震位错模型中将位错直接加到地震断层面上。
3.利用FEPG系统自主开发了一套基于有限元新模型的Fortran程序(串行程序和并行程序),可以用来解决具有复杂的几何、材料和边界条件的地震触发和应力场演化问题。
在验证了有限元新模型程序的基础上,利用这个新方法研究了区域应力场方向、介质的不均匀性、断层的相互作用和应力松弛对地震触发的影响。结果表明:1)区域应力场方向的改变对地震触发的影响很大,不可忽略;2)在介质非均匀性很强的地区和存在断层相互作用的地区,研究地震触发和应力场演化问题需要考虑它们的影响。震源区介质越不均匀,震前应力状态越复杂,其对地震触发的影响越大;3)地震后应力松弛也会对地震触发产生影响,但是量级太小,因此它能否触发地震,还要看震前的应力状态。
最后,本文利用新方法研究了1)1976年唐山地震序列介质不均匀性对地震触发的影响;2)区域应力场对1992年美国Landers地震序列地震演化的影响;3)应力松弛对1971年美国San Fernando地震触发的影响;4)最后探讨了汶川大地震的震前应力场演化对汶川大地震发生的影响。
本文提出的新方法旨在推进地震触发和应力场演化问题的研究。初步研究结果已经表明,这个方法至少在考虑应力场和介质非均匀性方面比库仑应力变化方法更接近实际。尽管开展这方面的工作会遇到很多困难,但是这个方向是正确的。随着观测技术的不断发展和财力的不断投入,与地震预测有关的地震触发问题势必推向深入。