地震机理与瞬间因素对地震的触发作用——兼论地震发生的不确定性

马 瑾

中国科学院院士,中国地震局地质研究所,地震动力学国家重点实验室,北京100029

地震机理与瞬间因素对地震的触发作用
——兼论地震发生的不确定性

马 瑾

中国科学院院士,中国地震局地质研究所,地震动力学国家重点实验室,北京100029

地震机理 破裂 粘滑 应力 触发作用

近年来中国连续发生几次7级以上的强烈地震,给人民的生命财产造成重大损失。地震机理和活动规律的研究受到了高度重视。以往认为：一个地震的发生是由于某地点早就开始孕育,待应力达到临界状态时发生。因此,只要对该地区进行充分的观测与研究,就可以确定某地点在什么时间会发生多大的事件,但是实际情况往往并非如此。近年来的一些观测事实表明一些地区的小地震可以由远处大震面波的通过而触发。实验室的研究表明很小的法向扰动可以改变断层原有失稳错动的规律。这些事实表明地震的发生存在一定程度的不确定性。

地震是重大的自然灾害。地震的发生是一个确定性的还是不确定性的事件?这是一个牵涉到如何看待目前地震预报的现状与研究战略的大问题。笔者通过一些实验室的研究结果和野外观测实例对此加以讨论。

1 地震发生机理：破裂和粘滑

在单轴条件下岩石受压,发生破裂失稳,在地震现场往往观测到新的破裂和断层,因此破裂首先被认为是地震的一种机理,被称为地震破裂说。在图1(a)所示的单轴受力条件下,常见的岩石变形过程的应力(σ)-应变(ε)曲线如图 1(b)。其中,σ1＞σ2=σ3=0,(挤压为正)。由图可见曲线上有3个重要的特征点：屈服点(y)、强度极限点(p)和失稳点(i)。这3个点把曲线分为4个阶段：在屈服点(y)前为线弹性变形阶段,如果应力撤去,变形立即恢复。在屈服点(y)和强度极限点(p)之间是屈服阶段,这是一个非线性变形阶段,标本内部会出现一些微裂隙,如果应力撤去,裂隙可以重新闭合,部分变形会缓慢恢复。标本脆性失稳破坏发生在失稳点(i),在强度极限点(p)和失稳点(i)之间,标本内的微破裂开始扩展、连接和集中化。标本只要变形,就会引起物理量的变化。前两个阶段可称为中长期变形阶段,在此阶段物理参数的变化是由应力增强和调整引起,即使发生变化,如果外力减小,失稳将不会发生。在强度极限点(p)和失稳点(i)之间的阶段,可称为短临阶段,一旦变形进入到这个阶段,标本内部已经损伤,失稳已不可逆转[1]。

图1 标本加载方式(a)和应力应变曲线(b)

地震发生在地下深处,在这种条件下,岩石同样会变形。与常温常压的条件一样,σ1＞σ2＞σ3,但是这时σ2和σ3不等于0。由于真三轴的实验条件往往很难满足,在实验室高温高压实验中,往往取σ2=σ3,直接用一个高压容器施加。高压容器下实验标本的尺度受限制,很难布置测点。在近地表的条件下,地表岩石中存在很多断层,变形物理场的观测也十分重要,采用双轴的实验条件(往往取垂直地面方向的应力为0)能较好地满足上述要求。

如果岩石中预存裂缝,在外力作用下则会发生摩擦滑动。在近地表,岩石的摩擦强度远低于破裂强度,因此,只要有预存裂纹,岩石就会沿预存裂纹破坏和滑动,这时的滑动是平稳的蠕动。随着围压的升高,摩擦强度会迅速增大。在断层上正应力达到一定强度后,摩擦面的失稳不再是稳定滑动形式,而是一种伴随应力下降的失稳错动,被称为粘滑。考虑到地震往往沿已有断层反复发生,1966年Brace和Byerlee提出的地震粘滑说逐渐引起更多的人的关注[2-3]。1990年Scholz在《地震与断层力学》一书中写到：“Brace和Byerlee的文章的意义在于强调了用稳定性而不是强度来解释地震机制,因此他们的研究结果开创了地震机制研究的新纪元”[4-5]。

2 双向加载条件下的粘滑试验

图2表示在应力达到一定水平后,岩块沿断层发生粘滑。实验在双轴实验条件下进行 (图2(a))[6]。实验中在 Y方向施加一个等速位移,位移速率为0.5μm/s,在实验过程中 Y方向的载荷最大达到120 t。X方向的压力始终保持常数(12.5 t)。实验过程可以分为三个阶段：1阶段：X方向的压力保持常数;2阶段：在 X方向压力保持不变下,在 Y方向施加周期为16 s幅度为1 t的正弦扰动(图2(b));3阶段：在 X方向叠加正弦周期性扰动,扰动量是 X方向载荷的30分之1(约0.45 t),周期16 s(图2(c))。

图2 在双轴加载条件下 Y方向的压力随时间的变化(a)标本加载示意图;(b)Y方向周期性扰动;(c)X方向压力扰动

以下讨论三种条件下断层失稳错动过程的变化。由图2可见,第1阶段 X方向压力保持常数,Y方向保持等位移速率的条件下,Y方向压力线性持续增高。在压力达到一定水平后,发生准周期的粘滑失稳;第2阶段 Y方向在附加周期性扰动下持续加载,在 X方向压力出现间歇性脉冲,粘滑应力降略有增大,但仍保持周期性的粘滑失稳;第3阶段,在 X方向的载荷保持一致的背景上附加正弦运动时,粘滑的准周期性被破坏,并且出现应力降幅度很大的失稳错动(图3a)。把第3阶段两个方向的变化放大(图3b)发现,所有大失稳事件均发生在 X方向压力最小的时刻,但不是 X方向压力最小的所有时刻都发生大失稳事件。换句话说,法向应力扰动发生频率很高,并不是所有减小时均发生失稳,失稳仅发生在纵向应力接近或达到临界值时。

图3 第3阶段开始前后压力时间过程(a)以及图a中箭头所示事件的放大图(b)。黑线表示 Y方向载荷时间过程,细灰线为 X方向的正弦扰动过程

由此可见,断层法向的应力扰动可以很小,但可以改变断层活动状态和进程,也可以触发大失稳错动。因此,当我们注意应力增强与大地震的关系时,瞬间张应力扰动的作用也不容忽视。

3 自然界瞬间张应力的作用

以上是实验室的结果,自然界也存在不少的实例。地震既可以由于应力场的局部调整而触发(静态触发),也可以由于远处大震的面波通过而触发(动力触发)。前者很早就被人注意到,而后者在1992年Landers 7.2级地震引起的远程地震触发作用被认识后[7],得到广泛的关注[8-12]。2004年12月26日印尼发生9级巨震,该地震对阿拉斯加小震的触发作用,给了我们很大的启示。据Michael West等报道,该地震的瑞雷波经过远在11000 km以外的阿拉斯加Wrangell山上的11 min中,触发该区发生14个局部地震。长周期的瑞雷波与局部地震同时被当地的三个地震台记录到。令人震惊的是这些小震竟然都发生在瑞雷波垂直正向地面运动最大时,也就是瑞雷波引起该处发生微弱的水平张应力时[11]。需要强调的是瑞雷波峰值附近引起的水平张应力仅为25 kPa。这个事实再一次证明瞬间的张应力的作用,即使是微弱的,也不容忽视。

4 结 论

不论是室内实验,还是地震观测事实均说明不仅应力增强对引发大地震十分重要,减小断层面法向应力的作用也不容忽视。地震的发生存在一定程度的不确定性。

关于动力触发的机制和引起触发的条件有不少讨论[12-13],主要认为触发作用主要由断层面接触状态变化引起。以下我们利用图4莫尔园和破裂准则线来说明。由图可见,要使应力状态处于灰色半圆的断层发生失稳需要改变其应力大小,使之与破裂准则线交切。其途径既可以是使其剪应力增大至白色半圆,也可以是使断层法向应力减小,使之左移至黑色半圆。从力学条件上看,剪应力的增强需要周围地区对发震区域输入能量,而法向张应力可以在一瞬间使之左移到破裂准则线。由此可见,后者比前者容易实现。

图4 应力莫尔园与破裂准则线

5 讨 论

(1)到目前为止,野外仅观测到动力触发小震的例子,但是在实验室观测到微小的法向扰动可以引起大的失稳。是否可以这样理解：即,小的应力波动可以触发小地震,也可以触发大地震。断层法向应力变化可以触发断层上的应力释放,但是单纯的应力增强或单纯的法向应力减小都不足以触发大地震。大失稳事件仅发生在断层上剪切应力接近或达到临界值时,而法向压力又相对较小的时刻。因此,研究应力增强和瞬间的张应力作用都很重要。失稳事件的大小与区域应力本底条件有关,什么时间发生失稳则与法向扰动有关。

(2)既然地震波可以在很远的距离,以很小的应力变化触发地震,那么能够触发地震的因素就可以列举很多,例如,日、月引力作用下的固体潮、孔隙压力增大以及远程的大地震的地震波等。此外,人类活动如采矿、深井注水、开采油井,修建水库、地下核爆炸等活动也都可能引起动态的应力扰动,这显然增加了地震时间预测的不确定性。

(3)强震所引起的应力场静态调整范围局限在其周围一定距离内,而动态的瞬时引张作用可能发生在很大范围内。一些作者认为只要振幅大于几个微应变,这种动态触发作用可以发生在距离很远的地方[14]。这也就增加了地震空间预测的不确定性。

进一步分析动力触发机制,研究引起地震的不确定因素,了解不同地区应力本底条件和可能引起触发的因素无疑是一个十分有意义的研究问题。

(2010年8月16日收到)

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[14]GOMBERG J,JOHNSON P A.Dynamic triggering of earthquakes[J].Nature,2005,437：830.

(责任编辑：方守狮)

Uncertainty of theEarthquakes and Earthquake Mechanism and Seismic Triggering Effect of Instantaneous Factors

MA Jin
CAS Member,State Key Laboratory of Earthquake Dynamics,Institute of Geology, China EarthquakeAdministration,Beijing 100029,China

Several strong earthquakes with magnitude 7 up struck China in recent years,causing tremendous losses of life and property.The research of earthquake mechanism and seismic activity has been paid much attention now.Traditional ideas are that an earthquake occurs when it reaches the critical state of stress,after a long period of preparation.Therefore,it seems that as long as there are fully observation and research,we can determine the location,time and magnitude of an earthquake.But it is often not so optimistic under the real condition of an earthquake.In recent years,some of the observed facts show that small earthquakes in some areas can be triggered by surface waves of strong earthquakes in the distance.Laboratory studies show thatsmallnormalperturbation could change the original law of fault unstable sliding.These facts indicate that there is a certain degree of uncertainty in the occurrence of earthquakes.

earthquake mechanism,rupture,stick slip,stress,trigger effect

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.06.001