拐折斷層地震活動性研究進(jìn)展

張增換，馬曉靜，王 時

河北地質(zhì)大學(xué) a. 研究生學(xué)院、b. 資源學(xué)院，河北 石家莊 050031

拐折斷層地震活動性研究進(jìn)展

張增換a，馬曉靜b，王 時a

河北地質(zhì)大學(xué) a. 研究生學(xué)院、b. 資源學(xué)院，河北 石家莊 050031

論文從拐折斷層地震活動性特征、斷層黏滑運(yùn)動的巖石物理實驗和數(shù)值模擬實驗角度分析總結(jié)了拐折斷層的發(fā)震特征與發(fā)震機(jī)理。對實際震例的監(jiān)測與野外觀測結(jié)果表明：拐折斷層的角度和拐點(diǎn)對地震的發(fā)生、震級的大小、斷層的破裂方向有重要影響，而室內(nèi)的實驗研究表明斷層帶內(nèi)的物質(zhì)成分、斷層的摩擦系數(shù)、應(yīng)力擾動等因素對斷層黏滑運(yùn)動特征有很大影響。作為自然界普遍存在的斷層形式，拐折斷層的黏滑運(yùn)動特征及其影響因素的研究有助于我們了解地震的發(fā)生機(jī)理，在未來的研究中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。

拐折斷層；地震活動性；黏滑運(yùn)動；數(shù)值模擬

一、引言

地震會給人民的生命財產(chǎn)造成重大損失，而淺源地震的危害尤為嚴(yán)重。目前，地震預(yù)測模型及其形成、發(fā)展的標(biāo)志性可定量要素尚未找到[1]。而地震發(fā)震機(jī)理的研究是地震預(yù)測的前提，斷層的黏滑運(yùn)動作為大震發(fā)生的一種機(jī)制已被越來越多的人接受。然而自然界的斷層面很少以簡單連續(xù)的面狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，通常都表現(xiàn)為復(fù)雜的斷層帶，大多是不連續(xù)結(jié)構(gòu)，例如拐折斷層、雁列式斷層、階步式斷層、分支斷層等[2]。這些特殊的構(gòu)造形式對斷層應(yīng)力集中、應(yīng)變分配、斷層滑動以及地震孕育發(fā)生及破裂的傳播過程有重要影響。許多震例表明斷層的拐折部位對地震活動起著至關(guān)重要的作用，因此對拐折斷層黏滑運(yùn)動過程的研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

本文首先總結(jié)了拐折斷層的地震活動特征與導(dǎo)致其發(fā)生的原因，對發(fā)震機(jī)理——斷層的黏滑運(yùn)動相關(guān)研究進(jìn)行了分析。闡述了拐折斷層的地震活動特性、拐折斷層的地震前兆位置、拐折斷層的破裂特征特征、斷層黏滑活動的影響因素。同時也分析了物理研究方法與數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢與局限性。并建議未來研究方向應(yīng)為有更適用地學(xué)研究的物性參數(shù)并涉及多物理場的數(shù)值實驗，以及有更先進(jìn)儀器設(shè)備和更合理的觀測手段的物理實驗室研究，以便為強(qiáng)震發(fā)生的機(jī)制提供更多的理論基礎(chǔ)。

二、拐折斷層的地震活動性特征

地震的發(fā)生大多是先存斷裂的活化，實際震例表明，許多強(qiáng)震大都發(fā)生在拐折斷層上。例如，在San Andreas大斷裂分別于1690年、1630年和1857年發(fā)生的三次地震均位于大拐折的附近；1975年、1976年分別發(fā)生于土耳其的Lice與Caldiran地震和1976年發(fā)生在唐山大地震同樣為拐折斷層的活動；而1989年發(fā)生在Loma Prieta的地震和1994年發(fā)生在Lander的地震以及1999年發(fā)生在Izmit的地震也發(fā)生在斷層的拐折附近[3-4]；類似的是2002年發(fā)生在Denali斷層上的地震和1976年發(fā)生的危地馬拉地震亦發(fā)生于拐折斷層活動帶上；2008的汶川地震也與拐折斷層相關(guān)。

（一）拐折斷層地震特征

Kato[5]的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)拐折斷層的動力學(xué)破裂屬于“雙震型”，而事實上確實如此，例如，2006年發(fā)生在日鹽津縣豆沙鎮(zhèn)的兩次5.1級地震，兩次地震均位于NE向斷裂的同一構(gòu)造區(qū)，這次雙震型地震被認(rèn)為是由于障礙體存在而導(dǎo)致的[6]。云龍[2]的實驗結(jié)果表明單拐折斷層的失穩(wěn)事件往往是時間相隔很短的雙震事件，而壓性雙拐折斷層的失穩(wěn)事件往往由時間間隔較長的兩次事件組成。Kato[5]提出拐折斷層的兩次破裂受主壓應(yīng)力夾角的控制，低角度破裂早于高角度，且始于低角度的破裂終止于拐點(diǎn)，而始于高角度的破裂則貫穿整個斷層，也可以說拐折部位正應(yīng)力場的變化控制著破裂的起點(diǎn)和終點(diǎn)。而初始剪應(yīng)力、正應(yīng)力的分布影響著拐點(diǎn)處的破裂速度[7]。然而，雙震的發(fā)生時間間隔因?qū)嶒炛袘?yīng)變與觀測手段等的差異并不相同，例如kato等[5]的結(jié)論是10.8ms-3.5s，而郭彥雙等[8]的實驗結(jié)果則是100ms-200ms。此外，馬瑾[9]通過拐折斷層的溫度場實驗研究也同樣觀測到雙震甚至多震而引起的溫度場變化，并提出下斷層先錯動，上斷層后錯動，兩者的時間間隔為0.92s，拐折角度、巖石厚度、巖石類型等條件的不同都會對雙震的時間間隔有影響。

“雙震型”這一特點(diǎn)的原因或許可以歸為拐點(diǎn)的控制作用，而Kato[5]認(rèn)為速度狀態(tài)基礎(chǔ)可能是破裂延遲的原因。郭伶俐[10]研究了三種典型斷層的失穩(wěn)瞬態(tài)過程，認(rèn)為拐折斷層的拐點(diǎn)在斷層的活動中起到類似樞紐的作用，這一點(diǎn)與馬瑾[11]的實驗結(jié)論是相同的。正是因為拐點(diǎn)的控制，導(dǎo)致區(qū)域的應(yīng)變積累和積累后的急劇釋放，引起多點(diǎn)錯動，從而致使拐折斷層多為雙震或者多震。此外，這種斷層錯動勢必造成斷層幾何發(fā)生變化，甚至導(dǎo)致新斷層的產(chǎn)生及引起區(qū)域應(yīng)力場的重新分布，進(jìn)而使得斷層運(yùn)動形式發(fā)生新的變化。Andrews[12]認(rèn)為斷層的拐折部位對斷層錯動具有抑制作用，致使拐點(diǎn)兩側(cè)斷層的位移量產(chǎn)生差異，當(dāng)走向上的變化劇烈時，將會產(chǎn)生新的斷層，這應(yīng)該是拐折斷層多發(fā)育強(qiáng)震的原因。

（二）拐折斷層的破裂過程

Kase等[7]根據(jù)拐折部位能否抑制斷層的錯動，將拐折體分為抑制型拐折(Restraining bend)和松弛型拐折(Releasing bend)，并提出拐折對破裂的傳播有非常重要的作用，拐折附近的位錯速度受破裂導(dǎo)致的應(yīng)力變化控制。在San Andreas的Parkf i eld段上的多次地震的震中都在一個拐折斷層的拐點(diǎn)附近，這些地震的前震分布在拐點(diǎn)的西北段，主震則開始于拐點(diǎn)的附近，而余震位于轉(zhuǎn)折部位的南東段[13]。Custódio[14]通過對在San Andreas的Parkf i eld段上1966年和2004年的地震的研究指出兩次地震破裂的傳播方向是相反的。馬瑾[11]通過對5°拐折斷層的物理實驗和數(shù)值模擬結(jié)果表明：大事件并未發(fā)生在拐折位置而是發(fā)生在兩側(cè)的平直斷層位置，并認(rèn)為拐點(diǎn)起到閥門似的作用?？梢姡行┑卣鸬恼鹬形挥诠照鄹浇?，破裂向拐折的一側(cè)或同時向兩側(cè)傳播。但也有些地震震中位于拐折兩側(cè)的平直斷層上，這可能與拐折處障礙體的不完全破裂有關(guān)，當(dāng)障礙體全部破裂后大震才會發(fā)生，這與馬瑾[9]通過實驗研究5°拐折斷層溫度場演化得出的結(jié)論是一致的。

（三）拐折斷層的角度

與強(qiáng)震相關(guān)的拐折斷層多為低角度(5°～30°)，例如，1992年發(fā)生在美國Landers的大地震圣安德列斯斷層的拐角大約為18°，而與唐山大地震相關(guān)的郯廬大斷裂不同段的拐折角度最大也只有25°，而更多與強(qiáng)震相關(guān)的拐折斷層為接近平直的小角度拐折[11]。King等[15]通過對大量拐折斷層帶的研究，提出很多強(qiáng)震存在于兩個5°拐折斷層之間。目前大多學(xué)者認(rèn)為在斷層帶上的5°拐折區(qū)域?qū)φ鹪次恢谩鄬悠屏褌鞑ミ^程、前震和余震分布及位錯分布有重要影響，所以許多實驗室研究采用了這一角度。而強(qiáng)震多發(fā)育于低角度拐折斷層的原因可能是因為低角度對破裂的傳播阻礙較小，斷層間更容易發(fā)生較強(qiáng)烈的相互作用。然而，不同拐折角度的對比研究并沒有學(xué)者分析。

（四）拐折斷層的地震前兆

野外觀測結(jié)果顯示斷層拐折處通常破裂非常復(fù)雜，拐折斷層段上在一定范圍內(nèi)位移量大小與離拐點(diǎn)的距離成反比[12]，所以通常認(rèn)為拐點(diǎn)處的前兆觀測非常重要。馬瑾[16]在研究不同構(gòu)造部位在變形中的作用時，指出前兆并不一定出現(xiàn)在發(fā)震區(qū)域，會出現(xiàn)前兆偏離的現(xiàn)象。斷層幾何結(jié)構(gòu)對地震前兆有重要影響，幾何結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，參與失穩(wěn)過程的構(gòu)造部位愈多，則前兆種類愈多，現(xiàn)象愈復(fù)雜。而其他學(xué)者在對比研究平直斷層與幾何彎曲斷層時也得出了相似的結(jié)論[17]。郭彥雙等[8]、云龍[2]則提出觀測的方式方法不同所得出前兆響應(yīng)也存在差異。馬瑾[9]以5°拐折斷層一次粘滑事件中不同變形階段的溫度場演化為例,分析了進(jìn)入亞失穩(wěn)狀態(tài)時應(yīng)力隨時間的變化狀態(tài)等問題，提出亞失穩(wěn)到失穩(wěn)階段占整個時間比例不到1%。

三、斷層黏滑運(yùn)動的實驗室研究

一些學(xué)者在斷層黏滑運(yùn)動的影響因素方面做了很多探討，例如斷層間物質(zhì)對黏滑運(yùn)動的影響，不同滑動方式會在實驗產(chǎn)物中留下不同的顯微結(jié)構(gòu)，呂廣廷[18]等認(rèn)為斷層泥的均勻性與非均勻性是斷層發(fā)生蠕滑和黏滑的直接微觀證據(jù)；斷層泥中水的含量對斷層黏滑運(yùn)動有一定的影響，化學(xué)角度上水的存在增加了其穩(wěn)定性，而力學(xué)角度上水的存在則起到了相反的作用[19]。近年來，隨著相關(guān)研究的不斷進(jìn)行，斷層滑動失穩(wěn)的成核、均勻與非均勻斷層黏滑運(yùn)動中應(yīng)變以及斷層位錯的實驗研究等也為許多學(xué)者所關(guān)注[20]。有的學(xué)者通過實驗研究認(rèn)為斷層黏滑的動態(tài)活動時間很短且運(yùn)動由高速與低速交錯組成[21]，并且加載速率與粘滑事件的周期長短呈負(fù)相關(guān)，而與應(yīng)力降呈正相關(guān)[8]。黃元敏等[22]認(rèn)為剪應(yīng)力擾動是影響斷層黏滑運(yùn)動的推動力，而正應(yīng)力擾動則導(dǎo)致斷層接觸狀態(tài)的改變，所以正應(yīng)力擾動較剪應(yīng)力對斷層黏滑運(yùn)動的影響大?？姲Ⅺ怺23]以硬石膏和巖鹽等作為斷層泥材料，通過雙軸摩擦實驗研究了摩擦滑動的速度依賴性轉(zhuǎn)換，解析了斷層物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及相關(guān)地震機(jī)制意義。上述的物理實驗室研究雖不完全是以拐折斷層為模型，但是其影響因素對拐折斷層黏滑運(yùn)動的影響也是類似的。

大多數(shù)物理實驗室研究是通過巖石實驗的方法，所選用的巖石多為上地殼分布最廣的花崗巖類，使用伺服壓機(jī)等對樣本進(jìn)行實驗并利用聲發(fā)射、應(yīng)變片等物理手段進(jìn)行研究。關(guān)于拐折斷層的研究多為某一單拐折或雙拐折構(gòu)造在一次粘滑事件中變形過程及相應(yīng)的物理場。本文對比了拐折斷層主要的物理實驗研究，如表1所示。然而，目前的許多研究是某個粘滑過程中各種物理場的演化過程，缺乏與多個粘滑過程引起的應(yīng)變場的差異的對比研究，且缺乏不同拐折角度的對比研究。此外，實驗研究與野外實測資料的對比分析也是很有必要的。

表1 部分典型拐折斷層物理實驗類比表

四、斷層黏滑運(yùn)動的數(shù)值實驗研究

邊界元法、有限元法、有限差分法等是主要的數(shù)值模擬方法。邊界元方法廣泛應(yīng)用于各種斷層的黏滑過程模擬研究[24-25]，它可以采用不同摩擦定律，也可以引入斷層的非均質(zhì)性。而有限元通常被認(rèn)為是適用更加廣泛的一種方法[26]。此外，拐折斷層的處理方法主要有兩種，一種是把整個模型處理成一個連續(xù)體，把斷層設(shè)置為軟弱地帶；另一種是把整個幾何模型設(shè)置為2個接觸的模型，通過接觸分析計算斷層間的非線性關(guān)系。

事實上，數(shù)值模擬的方法正在越來越多的應(yīng)用在地震危險性與預(yù)測的相關(guān)研究中。Sasani[27]通過對區(qū)域應(yīng)力分布的計算來評估區(qū)域地震危險潛力。馬曉靜[28]通過數(shù)值模擬研究了拉伸速率、摩擦系數(shù)、正斷層傾角對斷層黏滑運(yùn)動的影響，大震發(fā)震間隔隨拉伸速率（＜5mm/a時）增大而變短，摩擦系數(shù)越?。ǎ?.4時），發(fā)震間隔越短，傾角大約60°時，斷層發(fā)震最強(qiáng)烈。姜輝[29]模擬研究了太平洋板塊俯沖帶上的斷層黏滑運(yùn)動過程，分析了俯沖帶地震的發(fā)生模式以及俯沖角度的影響，有角度變化的模型發(fā)生的黏滑事件較多。Cruzatienza等[30]利用邊界積分方程法（BIEM）求解動力問題以探討拐折斷層的影響，強(qiáng)調(diào)了節(jié)點(diǎn)處剪切應(yīng)力降分析的重要性。焦明若[31]利用RFPA-2D分析了巖石的均質(zhì)程度對其破裂程度以及微震序列的影響，并提出不同均質(zhì)程度發(fā)育不同的地震序列類型。雖然基于拐折斷層的數(shù)值模擬研究有限，如表2所示，但也是目前很有前景的研究方法，而參數(shù)的設(shè)置應(yīng)有更多適用地球科學(xué)研究的改進(jìn)。薛霆虓[17]利用有限元法模擬了二維彈性介質(zhì)的彎曲斷層，并從前兆和余震、能量釋放、發(fā)震周期等方面與平直斷層進(jìn)行了對比，認(rèn)為彎曲斷層由于抑制了地震活動的頻率而更易導(dǎo)致大震的發(fā)生，且彎曲斷層的前兆較平直斷層明顯。Xing等[32]通過有限元模擬提出拐折斷層大多是“雙震型”。王學(xué)濱[33]通過對FLAC-3D編程開發(fā)，統(tǒng)計分析了Z字形復(fù)雜拐折斷層系統(tǒng)中不同斷層帶上與剪切、拉伸相關(guān)的6種量的時間演變規(guī)律，同樣得出位于標(biāo)本兩側(cè)的拐折斷層和平直斷層交替活動，而觸發(fā)下一條平直斷層的活動并導(dǎo)致整個系統(tǒng)的失穩(wěn)。

孫楠[34]利用數(shù)值模擬的方法分析了正應(yīng)力、靜態(tài)應(yīng)力擾動及動態(tài)應(yīng)力擾動等對斷層黏滑運(yùn)動的影響。王學(xué)濱[27]從數(shù)值模型的角度分析了實驗室尺度摩擦弱化、摩擦強(qiáng)化-摩擦弱化兩種模型（Wang等，2012,2013），前者適用于破壞和前兆的模擬，后者適合于斷層黏滑，并指出實驗室尺度模型的模擬有助于充分了解計算模型的特點(diǎn)及優(yōu)劣。近期，Barbot等[35]國外學(xué)者使用數(shù)值模擬的方法研究了斷層黏滑運(yùn)動及主震、同震、震間、震后等現(xiàn)象；黏滑運(yùn)動發(fā)生的時間間隔、長期以及短期現(xiàn)象的數(shù)值模擬也取得一定的研究成果[36-37]，這些成果無疑給地震的預(yù)測與研究提供了新的思路。伴隨著對地球動力學(xué)更深入的認(rèn)知，數(shù)值模擬技術(shù)正在發(fā)揮著越來越重要的作用[38]。因此拐折斷層黏滑運(yùn)動過程的研究尤其是數(shù)值研究方面是未來地震機(jī)理研究的一個重要方向。

五、小結(jié)

拐折斷層地震活動性目前的研究已經(jīng)很多，但缺乏完整而系統(tǒng)的研究。作為自然界最普遍存在的一種斷層形式，拐折斷層黏滑運(yùn)動過程無論是實驗室研究還是數(shù)值模擬研究都需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

（一）方法的優(yōu)勢與局限性

實際震例的研究為地震活動研究提供真實直接的證據(jù)，但由于地震的突發(fā)性，觀測手段的局限性，我們很難在野外直接觀測到斷層的黏滑運(yùn)動。

實際測點(diǎn)往往反映的是斷層附近某些點(diǎn)的物理場，難以反映整個區(qū)域整體場的情況，相對而言實驗可以通過現(xiàn)有的技術(shù)方法觀測研究模型整體不同場的變化特征，對于研究拐折斷層的活動特征提供很多科學(xué)數(shù)據(jù)。然而，大多數(shù)實驗室研究是有其不足之處的，例如，實驗室研究巖石類型單一，受實驗儀器和觀測及采樣速率的影響等。

表2 部分典型拐折斷層數(shù)值實驗類比表

數(shù)值模擬的方法可以彌補(bǔ)以上不足，數(shù)值模擬斷層效應(yīng)從尺度和效應(yīng)上更接近于真實斷層的活動，并且經(jīng)濟(jì)快捷，各種參數(shù)提取方便，可以方便地開展參數(shù)的敏感性研究，模擬在當(dāng)前技術(shù)條件下無法開展的物理實驗，計算更加定量化和可視化。然而參數(shù)的選取和模型的設(shè)置存在隨意性，并不能完全符合實際地質(zhì)情況，所以更適合地學(xué)研究的物性參數(shù)和模型設(shè)置都有待進(jìn)一步改善。

（二）展望

拐折斷層系統(tǒng)破壞以及黏滑運(yùn)動過程的綜合研究，無論從力學(xué)方面還是地質(zhì)學(xué)方面都是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程。無論是實驗室研究還是數(shù)值模擬研究都與科技的進(jìn)步密切相關(guān)，更高采樣速率的觀測儀器與更先進(jìn)的軟硬件計算機(jī)設(shè)備都會為研究提供更好的平臺。展望未來的研究應(yīng)是有更適用地學(xué)研究的物性參數(shù)并涉及多物理場的數(shù)值實驗，以及有更先進(jìn)儀器設(shè)備和更合理的觀測手段的物理實驗室研究，以便為強(qiáng)震發(fā)生的機(jī)制提供更多的理論基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：劉格云）

A Review on Seismic Activity of Bending Fault

ZHANG Zeng-huan, MA Xiao-jing, WANG Shi

Hebei GEO University, Shijiazhuang, Hebei 050031

This paper analyses and summarizes the seism genic mechanism and the seismicity characteristics of bending fault, from these aspects: the bending fault seismicity characteristics, the rock physics experiments on the stick-slip motion of fault, the numerical simulation experiments on the Stick-slip motion of fault. The actual cases studies and observations show that the angle of bending fault and the bending point have important influence on the occurrence of earthquake, magnitude of earthquake and the fault rupture direction. Rock physics experiments have proved that some factors such as the material composition in fault zone, the friction coefficient of fault and the stress disturbance have a great influence on the characteristics of the fault stick-slip motion. Bending fault as a common form in nature, the study of the characteristics of stick-slip motion and its influencing factors would help us understand the mechanism of earthquakes and should be further strengthened in future research.

bending fault; seismic activity; stick-slip motion; numerical simulation

P548

A

1007-6875(2017)03-0013-06

日期：2017-03-08

10.13937/j.cnki.hbdzdxxb.2017.03.003

河北省研究生創(chuàng)新資助項目（1007703）。

張增換（1986—），女，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與構(gòu)造動力學(xué)。