地震斷層面上凹凸體和障礙體含義的解析＊

李正芳 周本剛

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

地震斷層面上凹凸體和障礙體含義的解析＊

李正芳 周本剛

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

摘 要由凹凸體和障礙體研究引入的非均勻地震破裂模式，可解釋主震前破裂的成因及主破裂之后的應(yīng)力集中，對(duì)地震危險(xiǎn)性分析具有重要的理論價(jià)值。本文在國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，深入研究了凹凸體和障礙體在地震破裂過(guò)程中的作用和意義，解析了凹凸體和障礙體的本質(zhì)含義，對(duì)比分析了兩種模式的異同之處，給出了兩種模式在不同滑動(dòng)模型中的適用性，為地震安全性評(píng)價(jià)提供了有力的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞凹凸體；障礙體；不均勻體；地震斷層面

引言

凹凸體和障礙體均是地震斷層面上不均勻體的表現(xiàn)形式，不均勻體的概念最初是為了解釋地震波的高頻輻射成分提出來(lái)的，由于材料強(qiáng)度相對(duì)于所受應(yīng)力大小的不同，斷層面上的某些區(qū)域可能在破裂傳播后仍保持不破裂，也可能只是最初不發(fā)生破裂，但最終在集中應(yīng)力的作用下也發(fā)生破裂[1]，把用來(lái)反映斷層面上應(yīng)力明顯高于周?chē)牟糠?，稱為不均勻體。由不均勻體的研究引入的非均勻地震破裂模式，能較好地解釋地震波中的復(fù)雜成分、主震前破裂的成因以及主破裂之后的應(yīng)力集中，即不均勻體被認(rèn)為是斷層面上破裂的起始器、阻力器和集中器[2]。在研究不均勻體在破裂過(guò)程中所起的作用時(shí)，地震學(xué)家提出了多種模式，目前應(yīng)用較廣泛的模式主要為凹凸體和障礙體，而這兩種模式在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常被混淆。本文將結(jié)合國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)和研究成果，對(duì)這兩種模式的概念進(jìn)行厘定，探討其在地震危險(xiǎn)性分析中的作用。

1　凹凸體的定義及作用

凹凸體是斷層破裂面上不均勻體的一種表現(xiàn)形式，Kanamori和Stewart[3]將凹凸體的概念描述成斷層面上應(yīng)力更強(qiáng)的或是更集中的部分。Aki[4]認(rèn)為，地震破裂面上的滑動(dòng)是不均勻的，將滑動(dòng)量明顯高于其他部分的破裂范圍稱為凹凸體。Lay等[5-6]將凹凸體簡(jiǎn)單定義為斷層面上阻礙斷層錯(cuò)動(dòng)被卡住的主要區(qū)域，地震通常是從一個(gè)凹凸體開(kāi)始破裂，凹凸體的破壞是高頻波產(chǎn)生的原因。Somerville等[7]將凹凸體定義為滑動(dòng)量大于斷層上平均滑動(dòng)量1.5倍或以上的區(qū)域，以此確定斷層上凹凸體的有效長(zhǎng)度、寬度和面積。通過(guò)上述學(xué)者對(duì)凹凸體的定義，認(rèn)為凹凸體在斷層面上主要體現(xiàn)出以下特點(diǎn)，滑動(dòng)

量大、應(yīng)力降大、地震矩釋放量大，投影到地表區(qū)域的峰值加速度大。如果地震發(fā)生后這些區(qū)域恰好是人口居住密集區(qū)，也往往是震害較嚴(yán)重的區(qū)域。因此，研究凹凸體在斷層破裂面上的分布，對(duì)于地震動(dòng)模擬、地震動(dòng)的空間變化及其震害分布都具有重要意義。

凹凸體在地震破裂過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用。主震和大震的發(fā)生一般可以利用凹凸體的破壞來(lái)解釋。由于斷層上的耦合強(qiáng)度等于斷層面上作用應(yīng)力的接觸面積與接觸帶上平均應(yīng)力的乘積。因此，可以說(shuō)，大的凹凸體將產(chǎn)生大的耦合強(qiáng)度，而斷層面上的強(qiáng)耦合能夠克服剪切段所產(chǎn)生的作用，從而形成規(guī)模較大的地震破裂帶，所以大震的發(fā)生常與凹凸體模式相聯(lián)系[8]。最初將凹凸體引入地震理論研究的是1978年Kanamori 等[3]用凹凸體模式解釋了1976年危地馬拉地震的過(guò)程。他們認(rèn)為，震前斷層面上存在著許多不均勻體，斷層面上應(yīng)力是不均勻分布的，隨著小凹凸體的破壞和大凹凸體應(yīng)力強(qiáng)度的增加，應(yīng)力分布不斷發(fā)生變化，最終使凹凸體全部破壞，從而發(fā)生了大震，而震后斷層面上的應(yīng)力又均勻分布。這種模式說(shuō)明凹凸體最終破壞的過(guò)程正是大震發(fā)生的過(guò)程，同時(shí)也是應(yīng)力均勻化的過(guò)程[8]。

2　障礙體的定義及作用

障礙體是斷層破裂面上不均勻體的另一種表現(xiàn)形式。地震發(fā)生時(shí)，斷層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，兩側(cè)巖層出現(xiàn)局部的滑動(dòng)，但仍存在未滑動(dòng)或未受破壞的區(qū)域，我們將破裂面上的該塊體稱為障礙體。障礙體的形成過(guò)程也是應(yīng)力不均勻化的過(guò)程，當(dāng)?shù)卣鸬钠屏褌鞑ビ龅秸系K體時(shí)，障礙體可能被破壞，也可能在破裂通過(guò)后仍未破壞，或當(dāng)時(shí)雖未破壞，后期隨著周?chē)膭?dòng)應(yīng)力即構(gòu)造應(yīng)力與障礙體強(qiáng)度值比值的增加，最終發(fā)生破壞。而破裂通過(guò)時(shí)是否發(fā)生破壞，取決于障礙體區(qū)域的大小及其自身的抗應(yīng)力強(qiáng)度[8]。如果障礙體的強(qiáng)度大于破裂傳播通過(guò)的能量，則障礙體就起到阻止破裂傳播的作用，破裂就此停止傳播，我們把此類可以阻止破裂傳播的障礙體稱為“持久性障礙體”。如果障礙體的強(qiáng)度與地震破裂所產(chǎn)生的應(yīng)力相當(dāng)或更小時(shí)，此時(shí)障礙體就會(huì)被地震破裂所貫通，發(fā)生破壞，我們把此類障礙體稱為“非持久性障礙體”。

障礙體在地震破裂傳播過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①障礙體的存在可以解釋地表破裂的不規(guī)則行為；②可以用來(lái)給斷層分段，從而解釋其斷層痕跡的不連續(xù)現(xiàn)象；③障礙體可作為破裂的阻力器。當(dāng)破裂傳播時(shí)，斷層面上的障礙體不管是否發(fā)生破壞，都會(huì)對(duì)破裂起到阻止的作用，從而造成應(yīng)力的集中。

3　基于凹凸體和障礙體建立模型的對(duì)比分析

凹凸體和障礙體的存在都是由于其內(nèi)部強(qiáng)度高于周?chē)橘|(zhì)強(qiáng)度的緣故，正是由于這些區(qū)域的存在，使得斷層面上的位錯(cuò)和應(yīng)力降分布很不規(guī)則，表現(xiàn)在震源斷層面上發(fā)生破裂過(guò)程中具有的不規(guī)則性。但它們?cè)诘卣鸢l(fā)生過(guò)程中承擔(dān)的作用卻完全不同，凹凸體可以簡(jiǎn)單地理解為震前斷層面上存在的一些高強(qiáng)度的未發(fā)生破裂的區(qū)域，可能是下次地震發(fā)生的起始點(diǎn)。障礙體則把強(qiáng)硬的應(yīng)力集中區(qū)作為斷層破裂段的邊界，起到限制破裂，在極端情況下還會(huì)終止破裂的作用[2]，詳細(xì)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1中的大部分特點(diǎn)在地震破裂過(guò)程的研究中，都是比較便于觀察的。一般障礙體的強(qiáng)度大于其所受的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，可以承受一定程度的集中應(yīng)力作用，當(dāng)破裂傳播遇到障礙體時(shí)，就會(huì)起到阻止破裂的作用，充當(dāng)了破裂帶傳播的止裂區(qū)。破裂發(fā)生之后，障礙體所在區(qū)域周?chē)膽?yīng)力會(huì)緩慢地增加，但該應(yīng)力的積累水平遠(yuǎn)小于可以使其發(fā)生破裂

的水平，因此，該破裂之后在障礙體的周?chē)赡艹霈F(xiàn)微震群活動(dòng)。凹凸體所處區(qū)域的強(qiáng)度基本等于或者小于其所受的應(yīng)力，一旦凹凸體內(nèi)所受的應(yīng)力與使其破裂的界限值相當(dāng)，只要該區(qū)域的應(yīng)力稍有增加就會(huì)發(fā)生地震，從而產(chǎn)生宏觀破裂，此時(shí)該凹凸體所在的區(qū)域稱之為地震發(fā)生的起裂區(qū)，由于應(yīng)力從最初較快較強(qiáng)的釋放形式逐漸轉(zhuǎn)緩，因此，主震發(fā)生以后，該區(qū)域會(huì)出現(xiàn)較多的余震?；诎纪贵w和障礙體建立的不均勻破裂模式在地震孕育和發(fā)生過(guò)程中承擔(dān)著完全不同的作用，本文將以圖示的方式解釋兩種模式震前震后的應(yīng)力分布狀態(tài)（圖1）。

表1　凹凸體和障礙體巖石強(qiáng)度與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)對(duì)比[1]

（a）震前受構(gòu)造應(yīng)力作用的斷層面；（b）障礙體模式（主破裂之后留下一些高強(qiáng)度閉鎖段）；（c）凹凸體模式（主震本身是由閉鎖段的破裂引起）；（d）應(yīng)力得到釋放后的斷層面圖1　主震前后障礙體與凹凸體模式的對(duì)比[4]

圖1對(duì)比了地震前后斷層面處的不同應(yīng)力狀態(tài)及其凹凸體和障礙體模式的表現(xiàn)形式。圖中的陰影部分表示斷層尚未發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，可承受剪應(yīng)力作用，空白區(qū)域表示斷層面兩側(cè)已發(fā)生相對(duì)位移，不能再承受剪應(yīng)力作用。圖1a的陰影部分代表震前斷層面的應(yīng)力狀態(tài)；圖1d的空白區(qū)域表示震后斷層面上的應(yīng)力釋放狀態(tài)，沒(méi)有任何閉鎖區(qū)域存在；從圖1a～b的破裂過(guò)程中，認(rèn)為障礙體模式是一種“應(yīng)力糙化”過(guò)程[1]，該模式在地震發(fā)生前斷層面上的應(yīng)力是均勻的，而震后斷層面上出現(xiàn)了應(yīng)力集中。所以這些被稱為不均勻塊體的障礙體模式可以用來(lái)分析地震的強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)，解釋其中的高頻地震波的輻射成分[9-12]，同時(shí)障礙體周?chē)募袘?yīng)力的釋放可以用來(lái)解釋余震的發(fā)生[13-15]。且國(guó)內(nèi)部分學(xué)者也對(duì)有障礙體存在的破裂過(guò)程進(jìn)行了研究，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述的觀點(diǎn)[16-17]。圖1c～d的破裂過(guò)程中，認(rèn)為凹凸體模式是一種“應(yīng)力均勻化”過(guò)程，在地震發(fā)生前，斷層面上存在的未發(fā)生破裂的區(qū)域，其周?chē)瞻讌^(qū)域的應(yīng)力已在前震中釋放，這些未發(fā)生破裂的不均勻塊體稱為凹凸體，國(guó)外學(xué)者利用這種模式成功地解釋了1976年的危地馬拉（Guatemala）地震[3]。針對(duì)凹凸體模式，地震發(fā)生前的區(qū)域所受的應(yīng)力是不均勻的，而地震發(fā)生后凹凸體內(nèi)的集中應(yīng)力得到釋放，斷層面上的應(yīng)力趨于均勻，所以這一過(guò)程被稱為“應(yīng)力均勻化”過(guò)程，方便與障礙體模式的“應(yīng)力糙化”過(guò)程相對(duì)比。Hanks[18]在1974年利用凹凸體模式成功地解釋了圣安德烈斯斷層上發(fā)生的地震，得到了凹凸體所在位置就是地震破裂起始位置的結(jié)果，且這個(gè)位置具有較高的應(yīng)力降。

由于障礙體和凹凸體模式的主震破裂方式不同，與其相應(yīng)的前震或余震就會(huì)存在明顯的差異。如果是以凹凸體模式為主震的破裂方式，可能主震前有較多的前震發(fā)生。如果是以障礙體模式為主震的破裂方式，很可能沒(méi)有前震發(fā)生，但余震活動(dòng)頻繁，而且很可能有中強(qiáng)余震。因此，凹凸體模式可以用來(lái)描述斷層活動(dòng)分布的總體特征[3-4]，而障

礙體模式，破裂起始于某一斷層段，然后突破段落之間的障礙體單側(cè)或雙側(cè)向相鄰的段落傳播。這種情況下，障礙體與諸如彎曲、斷錯(cuò)等可識(shí)別的斷層幾何特征相關(guān)，而且地震產(chǎn)生的滑動(dòng)分布也明顯地表現(xiàn)出與該障礙體相應(yīng)的特征[19]。

4　凹凸體和障礙體在不同斷層滑動(dòng)模型中的應(yīng)用

斷裂活動(dòng)與地震的關(guān)系一直是地震學(xué)家關(guān)注的問(wèn)題。一些學(xué)者從應(yīng)力積累的角度討論強(qiáng)震的發(fā)生條件，提出單一斷面的階步、兩個(gè)斷面交叉、多個(gè)斷面交叉或交接等“閉鎖”類型，作為強(qiáng)震地點(diǎn)的特征；而另一些地震學(xué)家則從地震波的研究中，提出斷層的凹凸體和障礙體模式。不論是利用哪種模式來(lái)解釋地震破裂特征，都必須考慮破裂單元的整體性、段的持久性和獨(dú)立性。

Schwartz等[20]在1984年提出了3種斷層滑動(dòng)模型，分別為可變滑動(dòng)、均一滑動(dòng)和特征地震模型（圖2）。3種滑動(dòng)模型可進(jìn)一步歸并為兩類，其中可變滑動(dòng)模型破裂事件隨機(jī)分布于斷裂帶上，具有可變的破裂位置和破裂規(guī)模，即一次破裂的發(fā)生并不能保證下次破裂原地重復(fù)發(fā)生，破裂段不具有穩(wěn)定性；均一滑動(dòng)模型和特征地震模型，大震具有固定的位置和規(guī)模，顯示出大震重復(fù)段斷裂活動(dòng)的相對(duì)獨(dú)立性，即一次大破裂的發(fā)生同時(shí)顯示了下一次破裂的范圍，大震破裂段在斷層活動(dòng)中具有持久性[21]。這樣，根據(jù)前人提供的理論模型和事實(shí)資料，把破裂段按照穩(wěn)定時(shí)間的差別分為3類：①不穩(wěn)定的破裂段。相當(dāng)于可變滑動(dòng)的情況，即一次破裂的發(fā)生對(duì)下一次破裂發(fā)生的空間位置影響很小，不存在作為破裂單元的穩(wěn)定破裂段。②非持久性破裂段。在斷層發(fā)生的一定時(shí)間段內(nèi)，作為穩(wěn)定的破裂單元重復(fù)破裂。③持久性破裂段。破裂段作為永久性的破裂單元存在。3種類型的破裂段對(duì)未來(lái)預(yù)測(cè)的意義是不同的，類型①由于極不穩(wěn)定，很難對(duì)未來(lái)破裂進(jìn)行預(yù)測(cè)；類型③可以很好地預(yù)測(cè)未來(lái)破裂的范圍；類型②則需判斷現(xiàn)在所處的狀態(tài)。因此，從預(yù)測(cè)意義上講，類型③是最有意義的類型。而本文研究的不均勻地震破裂模型的目的就是將其應(yīng)用于地震危險(xiǎn)性的分析中，對(duì)類型②和類型③的破裂段具有實(shí)際意義，對(duì)類型①的破裂段的研究意義不大。

圖2　斷層滑動(dòng)模型[22]

5　結(jié)論

凹凸體和障礙體模式是斷層面上不均勻性的兩種表現(xiàn)形式，兩者之間的共同點(diǎn)是其內(nèi)部均由高強(qiáng)度的介質(zhì)構(gòu)成，不同點(diǎn)是其兩種模式的運(yùn)動(dòng)機(jī)制存在較大差異。當(dāng)斷層面上沿塊體發(fā)生主震時(shí)，一般凹凸體模式起主導(dǎo)作用；而當(dāng)沿?cái)鄬用嫔铣霈F(xiàn)較多的余震群時(shí)，障礙體模式占主導(dǎo)作用。但在實(shí)際的地

震實(shí)例中，也存在較大的障礙體引發(fā)主震的情況，導(dǎo)致主震的遷移和擴(kuò)展，所以無(wú)論是凹凸體模式還是障礙體模式都是在某一特定條件下，特殊斷層面上的模式，它們不可能對(duì)斷層面上發(fā)生的任一地震都給出較好地解釋，更甚至一個(gè)真實(shí)的斷層面可能是一個(gè)同時(shí)具有凹凸體和障礙體的綜合體，在利用其解釋主震的發(fā)生或余震的序列時(shí)，應(yīng)該同時(shí)將兩者納入考慮范圍。

（作者電子信箱，李正芳：lizhengfang07@163. com）

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Analysis on the meaning of the asperity and barrier located on the seismic fault plane

Li Zhengfang，Zhou Bengang

（Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China）

AbstractThe model of asperity and barrier could explain the complex components and the mainshock rupture of seismic waves as well as the main rupture stress concentration.It has great theoretical value for seismic hazard analysis.Based on the results of previous studies in domestic and abroad，we studied the effect of asperities and barriers in the process of seismic rupture，and analyzed the meaning of asperity and barrier.We also compared the similarities and differences between asperity and barrier.The applicability of the two models in different sliding model was presented.The study provides a strong theoretical basis for seismic safety evaluation.

Keywordsasperity；barrier；inhomogeneous body；seismic fault plane

基金項(xiàng)目：地震行業(yè)專項(xiàng)“南迦巴瓦地區(qū)水電工程地震安全性評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)研究”（2015419024）資助。

收稿日期：＊2014-11-02；修回日期：2015-01-21。

中圖分類號(hào)：P315.3；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.05.005