构造地质学、岩石变形实验和数值模拟对于提高对地震周期的理解的贡献.docx

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1、构造地质学、岩石变形实验和数值模拟对于提高对地震周期的理解的贡献特殊卷“地震周期中的物理化学过程”的前言地震是世界上危害最大的地质灾害之一，仅仅在过去的十年里平均每年有80000人死于地震（巴特尔斯和范罗严，2011）。根据预测出的全球人口的继续增长可知，在21世纪由地震造成的死亡人数还会增加。地震灾害图（基于器械、历史地震目录和岩石声波传输特性的地面加速度概率图）、以及严格的地面建筑施工规范是降低地震破坏、减少人员伤亡的最有效的工具。在一些情况下，海啸和地震预警警报系统是挽救人类生命的附加功能强大的工具。地震的确定性预测（例如：主震的震源位置、震级以及时间）是地球科学的圣杯，而且可能还无

2、法实现（seeHough2010年审查）。但是，仍然存在有前景的地震预测模型（即测定即将发生的地震事件的主震震源位置、震级、时间），这些模型是基于近期的地震数据统计（地震群集、大森法、古腾堡-里克特法等）和推测出的应力转移与地震活动率之间的关系（斯坦，1999；乔丹等，2011）。然而，预测模型需要辅以物理约束（断层几何、同震滑移分布、摩擦定律，例如：塔利斯，1988；迪特里希，1994；海因茨等，2010；科科，2010）。在此框架内，改进的物理-化学过程的地震周期内活动的知识必然对更好的定义基于物理的地震预测模型有所贡献。地震是破裂和摩擦的结果（斯科尔茨，2002），是与地质断层有关的

3、主要上地壳变形过程（西布森，1989）。由于破坏性地震的震源深度较深（7-25千米），直接去进入现代地震的震源是不可能的，因此大多数对于地震震源的研究使用的是地震学和地球物理学的方法（见阿伯克龙比等，2006；李等，2002评论）。地震学可以从地震波分析检索五个主要地震参数（金森和里维拉，2006）：—地震矩Mo；—静态应力降△τs；—辐射能量ER；—破裂速度Vr和方向；—破裂能量（有时称为破裂功Wb）。但是，重要的是，一些基本信息（包括剪应力的绝对值、断层在滑移时的演化、地震时的能量分配）以及可能会限制在地震滑移期间对断层起作用的物理过程的更一般的信息都超出了地震学调查的范围（比勒，20

4、06）。此外，由于地震波反演分析的动态应力降的估计非常依赖于模型，所以滑移弱化距离的确定约束性仍然不够（伊德和武雄，1997；福山等，2003；Piatanesi等，2004）。地震学和地球物理观测，例如：破裂速度和动态（自我愈合裂纹与似脉冲，希顿，1990）、地震瞬间辐射能量的增加（金森和希顿，2000）、大的地震滑距、强烈的地面震动等，可以用地震滑移期间不同的物理化学过程的活跃来解释。最受欢迎的包括熔体润滑、热加压以及瞬间加热和降温（本森和希顿，2000；马等，2003；韦伯利和岛本，2006；赖斯，2006；野田佳彦和拉普斯塔，2010）。但是，可以从地震波中检测到的信息受到信号的分

5、辨率和清晰度限制：鉴于切断了高频波的源影响（指向性和辐射影响）、路径和点影响（衰减和几何传播）（温卡塔拉曼，2006），很少可以说物理化学过程和破裂成核和传播有关（比勒，2006）。地震周期的复杂性是由压力和断层强度与时间之间的非线性关系和混沌演化造成的（金森和布罗茨基，2004）。至少在人类的时间尺度上（几十年到几千年间），看似毫无规律的断层地震主震的发生是下面两个参数的结合和反馈：⑴、构造应力（和一些情况下引力）加载速率加上应力扰动（后者可能由于孔隙流体的动态或静态迁移突然触发，拜尔利，1993；斯坦因，1999；贡贝格等，2001；约翰逊和小平，2005；米勒等，2004）；⑵、控制

6、断层带强度（断层带弹性介质随着时间的演化、断层封闭性与断层削弱过程等）的相对短到长的生物化学和物理过程（布兰比德等，1992；洛克内尔和拜尔利，1995；温蒂斯什等，1995；米勒等，1996；奥尔森等，1998；嘉利特等，2003；唐托雷等，2003；霍尔兹沃斯，2003；李等，2006；柯莱蒂尼等，2009；米特姆贝格等，2011）。作用于一个断层上的应力和断层强度之间的关系比同震过程要复杂的多（速度依赖于应力的削弱和增强，宋和岛本，2009；戴·拓若等，2011）。在一个基于物理的断层可能性预测模型中，必须将岩石非均质性、断层带和破裂带几何特征、流体的物理化学特性、岩石的物理特征（渗

7、透率、强度等）考虑在内。在非火山地震（低频地震）下隐藏和蠕变的主要发震断裂带部分的惊人发现（小原，2002；谢莉，2010）时我们意识到我们对于发震上地壳层和下地壳之间耦合的知识仍然缺乏。世界上监测最好的断层部分（帕克菲尔德的圣安德烈斯断层）曾在没有任何清楚的可以被感知的前兆的情况下产生了一个中等强度的地震（帕克菲尔德地震，2004，里氏6.0级）（巴贡等，2005），然而，其他的断层（如北安那托利亚断层）可能在前期一个