地震機理與瞬間因素對地震的觸發作用
——兼論地震發生的不確定性

馬 瑾

中國科學院院士,中國地震局地質研究所,地震動力學國家重點實驗室,北京100029

地震機理與瞬間因素對地震的觸發作用
——兼論地震發生的不確定性

馬 瑾

中國科學院院士,中國地震局地質研究所,地震動力學國家重點實驗室,北京100029

地震機理 破裂 粘滑 應力 觸發作用

近年來中國連續發生幾次7級以上的強烈地震,給人民的生命財產造成重大損失。地震機理和活動規律的研究受到了高度重視。以往認為：一個地震的發生是由于某地點早就開始孕育,待應力達到臨界狀態時發生。因此,只要對該地區進行充分的觀測與研究,就可以確定某地點在什么時間會發生多大的事件,但是實際情況往往并非如此。近年來的一些觀測事實表明一些地區的小地震可以由遠處大震面波的通過而觸發。實驗室的研究表明很小的法向擾動可以改變斷層原有失穩錯動的規律。這些事實表明地震的發生存在一定程度的不確定性。

地震是重大的自然災害。地震的發生是一個確定性的還是不確定性的事件?這是一個牽涉到如何看待目前地震預報的現狀與研究戰略的大問題。筆者通過一些實驗室的研究結果和野外觀測實例對此加以討論。

1 地震發生機理：破裂和粘滑

在單軸條件下巖石受壓,發生破裂失穩,在地震現場往往觀測到新的破裂和斷層,因此破裂首先被認為是地震的一種機理,被稱為地震破裂說。在圖1(a)所示的單軸受力條件下,常見的巖石變形過程的應力(σ)-應變(ε)曲線如圖 1(b)。其中,σ1＞σ2=σ3=0,(擠壓為正)。由圖可見曲線上有3個重要的特征點：屈服點(y)、強度極限點(p)和失穩點(i)。這3個點把曲線分為4個階段：在屈服點(y)前為線彈性變形階段,如果應力撤去,變形立即恢復。在屈服點(y)和強度極限點(p)之間是屈服階段,這是一個非線性變形階段,標本內部會出現一些微裂隙,如果應力撤去,裂隙可以重新閉合,部分變形會緩慢恢復。標本脆性失穩破壞發生在失穩點(i),在強度極限點(p)和失穩點(i)之間,標本內的微破裂開始擴展、連接和集中化。標本只要變形,就會引起物理量的變化。前兩個階段可稱為中長期變形階段,在此階段物理參數的變化是由應力增強和調整引起,即使發生變化,如果外力減小,失穩將不會發生。在強度極限點(p)和失穩點(i)之間的階段,可稱為短臨階段,一旦變形進入到這個階段,標本內部已經損傷,失穩已不可逆轉[1]。

圖1 標本加載方式(a)和應力應變曲線(b)

地震發生在地下深處,在這種條件下,巖石同樣會變形。與常溫常壓的條件一樣,σ1＞σ2＞σ3,但是這時σ2和σ3不等于0。由于真三軸的實驗條件往往很難滿足,在實驗室高溫高壓實驗中,往往取σ2=σ3,直接用一個高壓容器施加。高壓容器下實驗標本的尺度受限制,很難布置測點。在近地表的條件下,地表巖石中存在很多斷層,變形物理場的觀測也十分重要,采用雙軸的實驗條件(往往取垂直地面方向的應力為0)能較好地滿足上述要求。

如果巖石中預存裂縫,在外力作用下則會發生摩擦滑動。在近地表,巖石的摩擦強度遠低于破裂強度,因此,只要有預存裂紋,巖石就會沿預存裂紋破壞和滑動,這時的滑動是平穩的蠕動。隨著圍壓的升高,摩擦強度會迅速增大。在斷層上正應力達到一定強度后,摩擦面的失穩不再是穩定滑動形式,而是一種伴隨應力下降的失穩錯動,被稱為粘滑?？紤]到地震往往沿已有斷層反復發生,1966年Brace和Byerlee提出的地震粘滑說逐漸引起更多的人的關注[2-3]。1990年Scholz在《地震與斷層力學》一書中寫到：“Brace和Byerlee的文章的意義在于強調了用穩定性而不是強度來解釋地震機制,因此他們的研究結果開創了地震機制研究的新紀元”[4-5]。

2 雙向加載條件下的粘滑試驗

圖2表示在應力達到一定水平后,巖塊沿斷層發生粘滑。實驗在雙軸實驗條件下進行 (圖2(a))[6]。實驗中在 Y方向施加一個等速位移,位移速率為0.5μm/s,在實驗過程中 Y方向的載荷最大達到120 t。X方向的壓力始終保持常數(12.5 t)。實驗過程可以分為三個階段：1階段：X方向的壓力保持常數;2階段：在 X方向壓力保持不變下,在 Y方向施加周期為16 s幅度為1 t的正弦擾動(圖2(b));3階段：在 X方向疊加正弦周期性擾動,擾動量是 X方向載荷的30分之1(約0.45 t),周期16 s(圖2(c))。

圖2 在雙軸加載條件下 Y方向的壓力隨時間的變化(a)標本加載示意圖;(b)Y方向周期性擾動;(c)X方向壓力擾動

以下討論三種條件下斷層失穩錯動過程的變化。由圖2可見,第1階段 X方向壓力保持常數,Y方向保持等位移速率的條件下,Y方向壓力線性持續增高。在壓力達到一定水平后,發生準周期的粘滑失穩;第2階段 Y方向在附加周期性擾動下持續加載,在 X方向壓力出現間歇性脈沖,粘滑應力降略有增大,但仍保持周期性的粘滑失穩;第3階段,在 X方向的載荷保持一致的背景上附加正弦運動時,粘滑的準周期性被破壞,并且出現應力降幅度很大的失穩錯動(圖3a)。把第3階段兩個方向的變化放大(圖3b)發現,所有大失穩事件均發生在 X方向壓力最小的時刻,但不是 X方向壓力最小的所有時刻都發生大失穩事件。換句話說,法向應力擾動發生頻率很高,并不是所有減小時均發生失穩,失穩僅發生在縱向應力接近或達到臨界值時。

圖3 第3階段開始前后壓力時間過程(a)以及圖a中箭頭所示事件的放大圖(b)。黑線表示 Y方向載荷時間過程,細灰線為 X方向的正弦擾動過程

由此可見,斷層法向的應力擾動可以很小,但可以改變斷層活動狀態和進程,也可以觸發大失穩錯動。因此,當我們注意應力增強與大地震的關系時,瞬間張應力擾動的作用也不容忽視。

3 自然界瞬間張應力的作用

以上是實驗室的結果,自然界也存在不少的實例。地震既可以由于應力場的局部調整而觸發(靜態觸發),也可以由于遠處大震的面波通過而觸發(動力觸發)。前者很早就被人注意到,而后者在1992年Landers 7.2級地震引起的遠程地震觸發作用被認識后[7],得到廣泛的關注[8-12]。2004年12月26日印尼發生9級巨震,該地震對阿拉斯加小震的觸發作用,給了我們很大的啟示。據Michael West等報道,該地震的瑞雷波經過遠在11000 km以外的阿拉斯加Wrangell山上的11 min中,觸發該區發生14個局部地震。長周期的瑞雷波與局部地震同時被當地的三個地震臺記錄到。令人震驚的是這些小震竟然都發生在瑞雷波垂直正向地面運動最大時,也就是瑞雷波引起該處發生微弱的水平張應力時[11]。需要強調的是瑞雷波峰值附近引起的水平張應力僅為25 kPa。這個事實再一次證明瞬間的張應力的作用,即使是微弱的,也不容忽視。

4 結 論

不論是室內實驗,還是地震觀測事實均說明不僅應力增強對引發大地震十分重要,減小斷層面法向應力的作用也不容忽視。地震的發生存在一定程度的不確定性。

關于動力觸發的機制和引起觸發的條件有不少討論[12-13],主要認為觸發作用主要由斷層面接觸狀態變化引起。以下我們利用圖4莫爾園和破裂準則線來說明。由圖可見,要使應力狀態處于灰色半圓的斷層發生失穩需要改變其應力大小,使之與破裂準則線交切。其途徑既可以是使其剪應力增大至白色半圓,也可以是使斷層法向應力減小,使之左移至黑色半圓。從力學條件上看,剪應力的增強需要周圍地區對發震區域輸入能量,而法向張應力可以在一瞬間使之左移到破裂準則線。由此可見,后者比前者容易實現。

圖4 應力莫爾園與破裂準則線

5 討 論

(1)到目前為止,野外僅觀測到動力觸發小震的例子,但是在實驗室觀測到微小的法向擾動可以引起大的失穩。是否可以這樣理解：即,小的應力波動可以觸發小地震,也可以觸發大地震。斷層法向應力變化可以觸發斷層上的應力釋放,但是單純的應力增強或單純的法向應力減小都不足以觸發大地震。大失穩事件僅發生在斷層上剪切應力接近或達到臨界值時,而法向壓力又相對較小的時刻。因此,研究應力增強和瞬間的張應力作用都很重要。失穩事件的大小與區域應力本底條件有關,什么時間發生失穩則與法向擾動有關。

(2)既然地震波可以在很遠的距離,以很小的應力變化觸發地震,那么能夠觸發地震的因素就可以列舉很多,例如,日、月引力作用下的固體潮、孔隙壓力增大以及遠程的大地震的地震波等。此外,人類活動如采礦、深井注水、開采油井,修建水庫、地下核爆炸等活動也都可能引起動態的應力擾動,這顯然增加了地震時間預測的不確定性。

(3)強震所引起的應力場靜態調整范圍局限在其周圍一定距離內,而動態的瞬時引張作用可能發生在很大范圍內。一些作者認為只要振幅大于幾個微應變,這種動態觸發作用可以發生在距離很遠的地方[14]。這也就增加了地震空間預測的不確定性。

進一步分析動力觸發機制,研究引起地震的不確定因素,了解不同地區應力本底條件和可能引起觸發的因素無疑是一個十分有意義的研究問題。

(2010年8月16日收到)

[1]中國地震局預測預防司.大陸地震預報的方法和理論—中國“八五”地震預報研究進展[M].北京：地震出版社,1998.

[2]B YERLEE J D.Frictional characteristics of granite under high confining pressure[J].J Geophys Res,1967,72：3639-48.

[3]B YERL EE J D.Friction of rock[J].Pure Appl Geophys,1978,116：615-626.

[4]SCHOL Z C H.地震與斷層力學[M].馬勝利,等,譯.北京：地震出版社,1996.

[5]SCHOL Z C H.Earthquakes and friction laws[J].Nature,1998,391：1.

[6]崔永權,馬勝利,劉力強.側向應力擾動對斷層摩擦影響的實驗研究[J].地震地質,2005,27,4：645-652.

[7]HILL D P,REASENBERG P A,MICHAEL A,et al.Seismicity remotely triggered by the magnitude 7.3 Landers,California,earthquake[J].Science,1993,260：1617-1623.

[8]GOMBERG J,BEEL ER N M,BLANPIED M L,BODIN P.Earthquake triggering by transient and static deformations[J].J Geophys Res,1998,103,B10：24411-24426.

[9]VELASCO A A,HERNANDEZ S,PARSONS T,et al.Global ubiquity of dynamic earthquake triggering[J].Nature Geoscience,2008,1：375-379.

[10]STEACY S,GOMBERG J,COCCO M.Introduction to special section：Stress transfer,earthquake triggering,and timedependent seismic hazard[J].J Geophys Res,2005,110：B05S01.

[11]WEST M,SAáNCHEZ J J,MCNU TT S R.Periodically triggered seismicity at mount Wrangell,Alaska,after the Sumatra earthquake[J].Science,2005,308：1144-1146.

[12]PERFETTINI H,SCHMITTBU HL J,COCHARD A.Shear and normal load perturbations on a two-dimensional continuous fault：2.dynamic triggering[J].J Geophys Res,2002,108(B9)：2409.doi：10.1029/2002JB001805

[13]JOHNSON P A,JIA X.Nonlinear dynamics,granular media and dynamic earthquake triggering[J].Nature,2005,437：871-874.

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

(責任編輯：方守獅)

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