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为什么锁固段能主控构造地震产生?

已有 1085 次阅读 2020-7-21 10:47 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 锁固段, 构造地震

多位朋友曾问我:“无锁固段的活断层能发生大震吗?锁固段能主控构造地震产生吗?”这些都是好问题。鉴于不少同行或对此尚存疑惑,因此就把我的解释略加整理写成这篇博文,期望有所裨益。

活断层内介质及其力学行为的不同,决定了断层运动模式的不同,也决定了构造地震震级的上下限不同,须分情况栓释。

1、活断层内仅有软弱介质

受载软弱介质的宏观剪切应变,主要由颗粒的断裂及其位置变化引起。在一定温压条件下,软弱介质呈现应变硬化行为(图1a))。在点A(塑性应变起点)前,软弱介质中颗粒断裂能发生小地震;在点A,标志着所有的颗粒已发生断裂;在点A后,随应变增长应力缓慢增长,即只有应力增而无应力降,故无地震发生。因此,这种情况只能发生小地震,并无更大地震发生。

 image.png

 剪应力-剪应变关系

a)应变硬化;(b)应变软化

上面为啥用“断裂”术语还没用“破裂”术语呢?这是因为颗粒尺度很小,其均匀性强,具有这样属性的介质通常仅在其峰值强度点发生一次由脆性破裂(断裂)导致的地震。

在特殊的温度、压力、流体等环境下,软弱介质呈现准理想弹塑性行为,可导致慢地震的发生。

2、活断层内含有软弱介质和锁固段

锁固段是断层中强度高且尺度大的地质结构,故承载力高。高承载力的锁固段是积累高能量的载体,其主控断层运动方式。在一定温压条件下锁固段呈现应变软化行为(图1(b))。

以单锁固段为例,无论峰值强度点前后,受载锁固段每次脆性破裂发震时,均产生应力降释放地震能——主要包括地震波辐射能、摩擦热能与表面能。其中后两者被耗散在锁固段内部,而前者则给断层两盘相对运动提供动能,造成断层突然滑动,从而引起地面振动。卸荷(应力降)必导致锁固段和断层两盘发生回弹,其回弹量与应力降值成正相关。上述过程标志着一次构造地震的产生过程。

当加载到峰值强度点时,最大应力降产生,即主震发生;主震后的地震为余震。

按一般理解,发震结构的强度和尺度越大,则其承载力越高、储能越高,相应地震级也会“水涨船高”。我们的研究亦表明,当以震时滑移应变(伴随应力降产生)为参量计算震级时,震级与发震结构的承载力呈正相关。 因为锁固段的承载力通常远大于软弱介质和非锁固段(承载力介于软弱介质和锁固段之间)的承载力,故前者破裂事件的震级一般远大于后两者事件的震级换句话说,每个地震区较大的地震通常由锁固段脆性破裂产生。因此,只要锁固段的承载力和某次破裂的滑移应变足够大,别说大震了,巨震也没啥问题。由于在相当大的程度上发震结构尺度大小决定了震级大小,故在震级影响因素研究中,不应仅注重其强度特性而忽视几何特性。我算过2008年“5.12汶川地震所属锁固段的体积,约为2.24x1014(m3),这相当于一个半径约38km的球体。汶川地震震级为何如此大,由此可见一斑。

虽然构造运动对断层的加载速率十分缓慢,但锁固段内裂纹的萌生和扩展速率很快(如无机材料的裂纹扩展速率可达声速的40%-60%),这可导致震时发震断层快速滑动。

由上述分析知,地震波辐射能本质上由锁固段提供而非断层两盘,断层两盘的回弹释能(结果)源于锁固段脆性破裂释能(原因),且锁固段脆性破裂事件的震级较大,故锁固段是主控构造地震产生的地质结构。

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