馬 瑾

中國科學(xué)院院士,中國地震局地質(zhì)研究所,地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029

地震機(jī)理與瞬間因素對地震的觸發(fā)作用
——兼論地震發(fā)生的不確定性

馬 瑾

中國科學(xué)院院士,中國地震局地質(zhì)研究所,地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029

地震機(jī)理 破裂 粘滑 應(yīng)力 觸發(fā)作用

近年來中國連續(xù)發(fā)生幾次7級以上的強(qiáng)烈地震,給人民的生命財產(chǎn)造成重大損失。地震機(jī)理和活動規(guī)律的研究受到了高度重視。以往認(rèn)為：一個地震的發(fā)生是由于某地點(diǎn)早就開始孕育,待應(yīng)力達(dá)到臨界狀態(tài)時發(fā)生。因此,只要對該地區(qū)進(jìn)行充分的觀測與研究,就可以確定某地點(diǎn)在什么時間會發(fā)生多大的事件,但是實(shí)際情況往往并非如此。近年來的一些觀測事實(shí)表明一些地區(qū)的小地震可以由遠(yuǎn)處大震面波的通過而觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)室的研究表明很小的法向擾動可以改變斷層原有失穩(wěn)錯動的規(guī)律。這些事實(shí)表明地震的發(fā)生存在一定程度的不確定性。

地震是重大的自然災(zāi)害。地震的發(fā)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(yù)報的現(xiàn)狀與研究戰(zhàn)略的大問題。筆者通過一些實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果和野外觀測實(shí)例對此加以討論。

1 地震發(fā)生機(jī)理：破裂和粘滑

在單軸條件下巖石受壓,發(fā)生破裂失穩(wěn),在地震現(xiàn)場往往觀測到新的破裂和斷層,因此破裂首先被認(rèn)為是地震的一種機(jī)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(yīng)力(σ)-應(yīng)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(diǎn)：屈服點(diǎn)(y)、強(qiáng)度極限點(diǎn)(p)和失穩(wěn)點(diǎn)(i)。這3個點(diǎn)把曲線分為4個階段：在屈服點(diǎn)(y)前為線彈性變形階段,如果應(yīng)力撤去,變形立即恢復(fù)。在屈服點(diǎn)(y)和強(qiáng)度極限點(diǎn)(p)之間是屈服階段,這是一個非線性變形階段,標(biāo)本內(nèi)部會出現(xiàn)一些微裂隙,如果應(yīng)力撤去,裂隙可以重新閉合,部分變形會緩慢恢復(fù)。標(biāo)本脆性失穩(wěn)破壞發(fā)生在失穩(wěn)點(diǎn)(i),在強(qiáng)度極限點(diǎn)(p)和失穩(wěn)點(diǎn)(i)之間,標(biāo)本內(nèi)的微破裂開始擴(kuò)展、連接和集中化。標(biāo)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(shù)的變化是由應(yīng)力增強(qiáng)和調(diào)整引起,即使發(fā)生變化,如果外力減小,失穩(wěn)將不會發(fā)生。在強(qiáng)度極限點(diǎn)(p)和失穩(wěn)點(diǎn)(i)之間的階段,可稱為短臨階段,一旦變形進(jìn)入到這個階段,標(biāo)本內(nèi)部已經(jīng)損傷,失穩(wěn)已不可逆轉(zhuǎn)[1]。

圖1 標(biāo)本加載方式(a)和應(yīng)力應(yīng)變曲線(b)

地震發(fā)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(shí)驗(yàn)條件往往很難滿足,在實(shí)驗(yàn)室高溫高壓實(shí)驗(yàn)中,往往取σ2=σ3,直接用一個高壓容器施加。高壓容器下實(shí)驗(yàn)標(biāo)本的尺度受限制,很難布置測點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)條件(往往取垂直地面方向的應(yīng)力為0)能較好地滿足上述要求。

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

2 雙向加載條件下的粘滑試驗(yàn)

圖2表示在應(yīng)力達(dá)到一定水平后,巖塊沿斷層發(fā)生粘滑。實(shí)驗(yàn)在雙軸實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行 (圖2(a))[6]。實(shí)驗(yàn)中在 Y方向施加一個等速位移,位移速率為0.5μm/s,在實(shí)驗(yàn)過程中 Y方向的載荷最大達(dá)到120 t。X方向的壓力始終保持常數(shù)(12.5 t)。實(shí)驗(yàn)過程可以分為三個階段：1階段：X方向的壓力保持常數(shù);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(biāo)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(wěn)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(shù),Y方向保持等位移速率的條件下,Y方向壓力線性持續(xù)增高。在壓力達(dá)到一定水平后,發(fā)生準(zhǔn)周期的粘滑失穩(wěn);第2階段 Y方向在附加周期性擾動下持續(xù)加載,在 X方向壓力出現(xiàn)間歇性脈沖,粘滑應(yīng)力降略有增大,但仍保持周期性的粘滑失穩(wěn);第3階段,在 X方向的載荷保持一致的背景上附加正弦運(yùn)動時,粘滑的準(zhǔn)周期性被破壞,并且出現(xiàn)應(yīng)力降幅度很大的失穩(wěn)錯動(圖3a)。把第3階段兩個方向的變化放大(圖3b)發(fā)現(xiàn),所有大失穩(wěn)事件均發(fā)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(fā)生大失穩(wěn)事件。換句話說,法向應(yīng)力擾動發(fā)生頻率很高,并不是所有減小時均發(fā)生失穩(wěn),失穩(wěn)僅發(fā)生在縱向應(yīng)力接近或達(dá)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(xì)灰線為 X方向的正弦擾動過程

由此可見,斷層法向的應(yīng)力擾動可以很小,但可以改變斷層活動狀態(tài)和進(jìn)程,也可以觸發(fā)大失穩(wěn)錯動。因此,當(dāng)我們注意應(yīng)力增強(qiáng)與大地震的關(guān)系時,瞬間張應(yīng)力擾動的作用也不容忽視。

3 自然界瞬間張應(yīng)力的作用

以上是實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果,自然界也存在不少的實(shí)例。地震既可以由于應(yīng)力場的局部調(diào)整而觸發(fā)(靜態(tài)觸發(fā)),也可以由于遠(yuǎn)處大震的面波通過而觸發(fā)(動力觸發(fā))。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(yuǎn)程地震觸發(fā)作用被認(rèn)識后[7],得到廣泛的關(guān)注[8-12]。2004年12月26日印尼發(fā)生9級巨震,該地震對阿拉斯加小震的觸發(fā)作用,給了我們很大的啟示。據(jù)Michael West等報道,該地震的瑞雷波經(jīng)過遠(yuǎn)在11000 km以外的阿拉斯加Wrangell山上的11 min中,觸發(fā)該區(qū)發(fā)生14個局部地震。長周期的瑞雷波與局部地震同時被當(dāng)?shù)氐娜齻€地震臺記錄到。令人震驚的是這些小震竟然都發(fā)生在瑞雷波垂直正向地面運(yùn)動最大時,也就是瑞雷波引起該處發(fā)生微弱的水平張應(yīng)力時[11]。需要強(qiáng)調(diào)的是瑞雷波峰值附近引起的水平張應(yīng)力僅為25 kPa。這個事實(shí)再一次證明瞬間的張應(yīng)力的作用,即使是微弱的,也不容忽視。

4 結(jié) 論

不論是室內(nèi)實(shí)驗(yàn),還是地震觀測事實(shí)均說明不僅應(yīng)力增強(qiáng)對引發(fā)大地震十分重要,減小斷層面法向應(yīng)力的作用也不容忽視。地震的發(fā)生存在一定程度的不確定性。

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

圖4 應(yīng)力莫爾園與破裂準(zhǔn)則線

5 討 論

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

(2)既然地震波可以在很遠(yuǎn)的距離,以很小的應(yīng)力變化觸發(fā)地震,那么能夠觸發(fā)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(yuǎn)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(tài)的應(yīng)力擾動,這顯然增加了地震時間預(yù)測的不確定性。

(3)強(qiáng)震所引起的應(yīng)力場靜態(tài)調(diào)整范圍局限在其周圍一定距離內(nèi),而動態(tài)的瞬時引張作用可能發(fā)生在很大范圍內(nèi)。一些作者認(rèn)為只要振幅大于幾個微應(yīng)變,這種動態(tài)觸發(fā)作用可以發(fā)生在距離很遠(yuǎn)的地方[14]。這也就增加了地震空間預(yù)測的不確定性。

進(jìn)一步分析動力觸發(fā)機(jī)制,研究引起地震的不確定因素,了解不同地區(qū)應(yīng)力本底條件和可能引起觸發(fā)的因素?zé)o疑是一個十分有意義的研究問題。

(2010年8月16日收到)

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(責(zé)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