地壳形变-地震活动的大地测量研究方法-2014

武汉大学地壳形变课程组地壳形变《地壳形变》1、绪论2、地壳形变测量3、地球参考系与参考框架4、板块构造学说与活动地块学说5、地壳运动监测与数据处理6、地壳应力与应变分析7、连续形变、应变观测与数据处理8、地震活动的大地测量研究方法1,中国地震活动的基本特点2,地震预报的科学思路3,地震地壳形变4,GPS、InSAR在地震研究中应用5,地壳形变监测台网与地震预报地震活动的大地测量研究方法一、中国地震活动的基本特点我国的地震活动，可用“多、大、广、浅”四个字概括其特点，即地震多(频度高)、强度大、分布广、震源浅。表10.1中国分区强震频度统计（1900-2003）震级地区7.0-7.47.5-7.98.0-8.48.5-8.9总和大陆东部51006大陆西部23155245台湾省2352030其它地区110021900-2003年中国大陆强震震中分布图地震预测是一个国际性的科学难题，其难点有三：一是地震物理过程本身的复杂性；二是地球内部的“不可人性”即人们无法深入到地球内部在震源区内设置台站、安装观测仪器；三是大震重复时间的长期性，限制了作为一门观测科学对现象的观测和对经验认知的进展(陈运泰，1998)。从科学技术上来看要完全实现地震预测预报成功，需要达到两点：第一，对地震机理、地震孕育发生的物理过程的全面的完整的认识；第二，要能够有效地监视地震的孕育、发生过程，以便根据孕震过程的发展阶段进行地震预测。目前的地震预测预报研究还处于探索阶段二、地震预报的科学思路对一个自然现象的预测，往往有两种科学途径（张国民等，2001）：一:研究并掌握该自然现象的生成机制和受控因素，通过测定有关因子的数值，按照该自然现象的成因规律对其作准确的预测和预报。二:根据该自然现象与其他现象之间的关系，应用实践中积累的大量资料，总结各种现象与预测对象之间的经验性和统计性关系进行预测和预报。地震预报途径之一：是关于孕震过程和地震模式的理论和实验研究。孕震过程的研究包括震源物理、地震力学等方面的理论、实验和观测研究，试图通过对震源过程物理力学机制的研究，逐步揭示和掌握地震孕育、发展和发生的规律，从而达到预报地震的目的。地震模式的研究从一定的理论前提出发，提出地震发生的模式，从理论上推导各种可能的前兆及不同的关联组合，并通过实际观测不断检验和修改理论模式。地震预报途径之二：是根据在长期实践中积累的大量震例资料，总结出经验性规律推广应用于预测未来地震。两种地震预报途径地震预报方法的分类地震预报的地震学方法地壳形变与地震预报地下水微动态与地震预报水文地球化学地震前兆地震的地电前兆地震的地磁前兆重力预报地震中国的地震预报在上述两条科学途径上探索前进，形成了依据地震异常群体特征对孕震过程实行追踪预报的科学思路，即通过大范围、长时间、多手段前兆的连续观测，监视区域应力场的动态变化，探测其在正常背景上的异常变化，并从场、源和环境相统一的整体观出发，分析异常群体的时空强综合特征及其演化过程：应用从大量震例经验和理论、实验研究取得的对孕震过程阶段性发展的认识，以及各阶段中异常群体特征的综合判据与指标，对孕震过程进行追踪分析，并对地震发生的时间、地点、强度进行以物理为基础的概率性预报。适合板内地震特点，具有中国特色的地震分析预报科学思路具有中国特色的地震分析预报科学思路有以下几个方面1长、中、短、临渐进式预报思路2源兆与场兆思想3源的过程追踪与场的动态监视相结合思想4“块、带、源、场、兆、触、震”协同的思想长期预报是依据历史地震的统计，对地质构造活动的地壳形变的观测分析，以及对近代地震活动图像的分析等多方面研究作出的对某地区今后数年至一二十年地震形势的预报。中期预报是根据地震活动图像、地壳介质的物理性质、地壳形变、地下水动态、水化学成分、地电阻率、地球磁场、重力场及地壳应力应变等多方面的监测研究，依据多种趋势性异常所作的一至数年的地震危险区及地震强度的预报。短期预报是根据趋势异常加速或转折性变化和短期异常的出现等所作的数月内的地震预报。临震预报则是根据突发性快速变化的异常所作的几天至十几天的地震预报。阶段性地震预报思想就是使预报过程追踪地震孕育过程的发展，以渐进的方式向未来地震时空强三要素逐步逼近。1长、中、短、临渐进式预报思路2源兆与场兆思想源即震源，源的研究系指对震源形成及演变过程的研究。源兆即为在此过程中震源区及近源地区出现的各种效应。场即区域应力场，地质构造块体在边界力作用下形成区域应力场，由于块体内部不均匀结构，因而在一些特殊部位形成多个应力集中区，其中有的可能发展成为孕震区，有的则为可能反映应力场变化的敏感点。场兆即为在震源形成及演变过程中，大范围区域应力场在众多敏感点显示的异常现象。3源的过程追踪与场的动态监视相结合思想源的过程追踪思想基于对孕震过程及其可能产生的效应的研究。孕震过程可分为弹性变形、非弹性变形和破裂加速阶段。长期预报阶段主要追踪弹性应变和应变能的积累过程。中期预报阶段追踪非弹性变形如微破裂发展(微破裂数量和线度增加)或扩容等，以及伴随的效应如流体运移等导致的中期异常发展过程。在短临阶段主要追踪突发性异常，即由于岩体有效强度降低、破裂扩展加速及贯通、断层加速蠕动和不稳定形变区内宏观断裂形成等造成的一系列突发性短临异常。场的动态监视思想基于中国板内地震具有异常范围较大，异常群体动态演化过程与上述震源孕震过程同步起伏等基本事实，固而大面积监视场的动态就可以获得震源孕育过程的相关信息或背景性变化。由于场和源的相互作用，实现地震预报必须将源的过程追踪和场的动态监视两者结合起来，地震异常在时间上阶段性发展和在空间分布上集中性特点主要反映源的发展演化过程，而前兆现象在空间上和时间上的离散性分布则更多地反映孕震过程中场的变化。4“块、带、源、场、兆、触、震”协同的思想“块”即地震构造块体。大陆地壳是由大大小小的不同层次的块体嵌套而成的。“带”为构造块体之间的边界带，亦称构造带。在地球动力因子作用下，地质构造块体间，出现“压、拉、扭、错”多种力学性质的相对运动。边界带是集中反映这种运动的剪切带、形变带、应力应变集中带、地球物理和地球化学等异常带。“源”即边界带上摩擦强度大的阻挡构造块体运动的地段，显然这里将积累应力应变和能量，是可能孕育地震的震源区。“场”即区域应力场，随着构造活动的持续，应力应变的积累，形成了不断变化和增强的构造应力场和震源应力场。“兆”就是应力场发展过程中形成的反映地震孕育发展过程的异常变化。“触”是指在孕震晚期震源处于不稳定状态，外场(如天体引力、太阳活动、气压场等)的某些微小扰动，可能对地震的发生起触发作用。最后，在上述条件统一作用过程中发生地震。三、地震地壳形变1，地震地壳形变概念：由于地壳结构的不均匀性，在内力与外力的作用下就会产生不均匀的地壳形变，它导致某些地壳特殊部位上的应力-应变积累，当这一累积应变达到地壳的极限应变值或已有断层上的应力积累达到了断层的抗剪强度时，地壳便突然破裂，发生地震，这种与地震的孕育和发生过程直接有关的地壳形变过程称为地震地壳形变。震前地壳形变：孕震过程中的地震地壳形变，也称地壳形变前兆；同震地壳形变：震时地壳破裂引起的地壳形变；震后地壳形变：震后继续调整过程的地壳形变。地震地壳形变2，地震地壳形变获取的方式及分类：地震地壳形变可以通过地壳变形观测获得。地壳变形观测按时间域分类：连续观测；离散观测地壳变形观测按空间域分类：定点形变(倾斜、固体潮)观测；断层位移观测（局部）；区域形变场观测；全球板块运动监测地壳变形观测按观测手段分类：有空间技术;常规大地测量技术;洞体钻孔应变、倾斜、各类固体潮汐因子等观测。地震地壳形变3，震前地壳形变表现方式：断层系和块体运动；近场地壳应变积累；扩容与地表隆起3.1断层系和块体运动板块内部有地质块体沿断层的相对运动，导致障碍体上的应变积累，从而形成地震。断层运动及其近场块体的形变受构造运动的驱动,形变主要集中在断层近场,远场形变比较平缓,并且离断层越远形变越平缓。断层近场块体介质的力学特性可以发生很大的变化,这种变化对于块体的变形与释放能量的方式和速度起着控制作用。地震地壳形变3.2近场地壳应变积累通过对岩石做模拟实验可以模拟地震发生的环境，了解地壳的运动模式。岩石加压模拟实验结果表明，岩石在应力作用下的应变曲线是分段的，即岩石破裂过程中应力、应变关系呈现出阶段性特征。岩石破裂前后应力、应变曲线大致可分为5个阶段：硬化阶段，线弹性阶段，非弹性变形或弱化阶段，失稳阶段，滑动阶段岩石差应力—应变(或位移)曲线示意图轴向应力—体应变曲线地震地壳形变3.3扩容与地表隆起在应力达到破裂强度的2/3左右时，近场区开始扩容，在地表可以观测到隆起，但随着应力的继续增加，主破裂带的逐渐形成，应变将大量集中在一个有限的最终出现断裂的部位上。其余地区裂缝将闭合，应力-应变将下降恢复，膨胀也将逐渐恢复。无震滑动:地壳表面的大部分位移是由无震滑动产生的(例：伊豆半岛东北部所累积的应变能量，大部分是由无震隆升释放的，以地震形式释放的只占一小部分)。4,同震（震时）地壳形变地震的同震运动，主要表现为地震断层和地裂缝同震形变模型：断层运动模型。断层是地球内部的一个滑动面，在其两侧发生了不连续的岩体运动（或称为错动）。它在地面下的形状无法观测到，一般通过地面观测资料（例如断层长度、地震时的错动等）来建立断层模型。断层可分为三类（按两盘相对运动的方向）：正断层、逆断层和平推断层。上盘相对下降、下盘相对上升的断层称正断层，断层面倾角一般较陡。上盘相对上升、下盘相对下降的断层是逆断层，断层面倾角变化较大，从陡倾到近水平。如果断层两侧的岩石不是沿断层面上下移动而是沿水平方向移动，则称平推断层。如果把这三类断层与形成的构造应力联系起来，通俗地说，正断层由拉张应力引起，逆断层是挤压应力的结果（故常造成地壳的缩短），平推断层则与剪切应力有关，其断层面常近直立。4.1同震变形的位错模型位错模式几何图duuuuFukjkikjinnijkji1在各向同性介质中，表面由于位错产生的位移场如下：),,(321ju),,(321xxxui321,,UUU分别表示断层上点的走滑位错，倾滑位错，张裂位错分量L表示断层的半长度，W为断层宽度，d为断层的深度，δ为断层的倾角表示垂直平面的矢量kjk克罗内克（Kronecker）符号断层（震源）坐标系(o-xyz)和测量坐标系(O-XYZ)的位置关系设地面一点在测量坐标系中的位移为，相应的在震源坐标系的位移为,则有：),,(ZYXUUU),,(zyxuuuzyxZYXuuuuuu1000cossin0sincos321,,,,,,,,,,,,,||,,UUUbaLWdOYXUUZYXZYX正演问题：用断层的10个参数计算地表测量坐标系中的位移反演问题：地表位移观测值来确定断层的三个位错分量及其位置参数和几何参数4.2Okada（1985）关于矩形位错的公式||]sinsin)(~[2||]sincos)(~[2||]sintan)([24121111IRqRRqdUuIRqRRqyUuIqRRRqUuzyx走滑分量),(),(),(),(),(WpLxfpLxfWpLxfpLxff各分量分别代表点在矩形四个位置上的位移，sincosdypyx,d为断层中心坐标值（在震源坐标系中），为断层倾角，为断层深度由位错引起的应变走滑分量