摘要
地震预测预报是公认的世界性难题,特别是短临地震预测至今难以突破。有望推进短临地震预测的一个领域是对地震前兆的研究。但目前对地震现象尤其是前兆现象认识不清,对什么样的前兆异常才是可重复性、可靠的短临前兆异常,至今仍没有明确答案。岩石力学实验以及数值模拟实验一直是研究地震及前兆机理的有效手段。虽然大量岩石力学实验表明,在粘滑失稳前断层会经历预滑或前兆性滑动过程,同时伴随着声发射事件的增加和电压等物理参数的变化,但实际中的观测结果很难与实验室的岩石力学实验和地震成核理论相一致。自2001年随着环太平洋俯冲带幕式慢滑移事件及其伴生的非火山震颤信号的发现,慢地震的研究成为一个令人注目的方向。而且被地震学家称之为“前驱波”、“形变波”、“应力波”等所谓的异常信号可能是由断层慢滑移产生的低频地震波。当考虑慢地震事件时,地震的发生至少有四种类型:(A)地震前震-地震主震型、(B)慢地震前震-地震主震型、(C)地震前震-慢地震主震型和(D)慢地震前震-慢地震主震型。对慢地震事件的忽视可能会造成对(B)事件的漏报和对(C)事件的虚报。因此对慢地震的研究以及疑似慢滑移信号的观测与分析对地震预测预报有重要的意义。通常认为由于地震学(由于超过200秒周期时噪声增大)和大地测量(由于来自小于Mw6.0事件的弱形变信号)的观测极限,在慢地震事件中存在持续时间从约200秒至1天的事件空区。由于完整的地震记录应该包含三分量的平动信号和三分量的旋转信号,若同时考虑地震计的平动响应和旋转(倾斜)响应时,其最低有效频率可以延伸至频带范围外,频带外的信号不能简单的丢弃。同时由于测震数据量巨大,传统靠人工一一识别异常的方式无法对异常的时空特征进行准确的描述。随着地震检测技术的发展,特别是近年来人工智能技术在微震事件检测中的应用,使得在连续波形资料中搜索和探索这类低频信号是否存在成为可能。由于野外记录到的异常信号可能是由于断层本身运动所产生的近场效应,也可能是断层的运动所激发的线性或非线性地震波的传播效应,因此本文利用弹簧块体模型以及新发展的晶体位错模型Frenkel-Kontorova(FK)模型来研究宏观断层的滑动演化过程,特别是慢滑移所需要的实验条件和影响因素。然后在考虑非线性和频散效应的条件下模拟了非线性地震波的传播演化规律,最后利用深度自编码算法对汶川地震前近半年测震资料中的低频脉冲信号做了详尽的空间分布统计,结合地震旋转运动场水平分量的分布特征,探讨了龙门山断裂带附近低频脉冲信号可能的产生、传播和接收模式,得到如下认识:(1)根据弹簧块体模型的数值模拟结果,统计了粘滑运动过程中的速度脉冲的持续时间和滑移振幅的演化特征:速度脉冲的持续时间T_(slip)及振幅V_(max)都随着系统刚度k和加载速率V_L的增大而减小,特别是在低加载速率时T_(slip)急剧减小,当加载速率达到10~(-6) m/s后变化很缓慢。推测当断层处于慢滑移阶段,加载速率微小的扰动可以产生较大的持续时间变化。结合岩石力学实验的结论,速度脉冲的持续时间T_(slip)与系统刚度k、加载速率V_L和有效正应力σ成反比;脉冲振幅V_(max)与系统刚度k、加载速率V_L成反比,而与有效正应力σ成正比。(2)从FK模型的理论解可以得出滑移持续时间T与凹凸体间距b、泊松比v成正比,与有效正应力σ成反比。数值模拟结果表明,破裂速度与初始应力条件密切相关。应力梯度带范围越大,破裂速度越大,当梯度带范围达到一定宽度时,其破裂速度可以超过剪切波速度。剪应力与正应力的比值是影响断层产生慢破裂、亚瑞雷破裂和超剪切破裂的重要因素。(3)将一维FK模型应用于汶川地震主破裂运动,计算获得的滑动量分布与实际震源破裂反演结果相符。从应变能量的角度分析了汶川地震前姑咱台钻孔应变脉冲异常的形成机理,模拟结果表明当断层慢滑移运动约20分钟,能够在震源区附近产生与实际记录相符的10~(-8)~10~(-7)的应变变化。同时,通过设置较低的初始应力比∑_S~-/∑_N,能模拟出类似P波的慢破裂运动,传播速度约为4km/day。(4)在一维非线性地震波数值模拟中,当同时考虑非线性项和频散项时,以孤立子作为震源子波能得到线性波的传播特征:地震波在传播过程中波形形态及振幅大小均不变,以略小于线性背景介质速度匀速前进。当岩石的非线性程度进一步增加时,非线性地震波能表现出弹塑性波的传播特征。弹塑性波在空间中不是以规则的球面扩散传播。当其传播到弹性区域,会导致在不同台站上无法找到同源的信号,也可能使得同一台站不同分量上观测不到同步信号。(5)地震计有平动响应,但还应该考虑倾斜响应(旋转效应)。当考虑地震计的倾斜响应时,其倾斜的频率响应函数是一个低通滤波,而平动信号的响应是一个带通滤波器。在两种滤波器的共同作用下,其频带外的低频信号是有可能被保留的。因此考虑旋转分量的测震数据可能会拓宽地震学的低频观测极限。(6)利用深度自编码算法统计了汶川地震前5个月内四川省出现的疑似脉冲异常的空间分布,结果显示异常频次较高的台站主要沿断裂带走向以及断裂带的东侧分布,基本位于地表峰值旋转运动场的东西和南北分量能量都较强的区域。(7)龙门山断裂带内存在发生慢滑移事件的地质条件:流体、高孔隙压、高温、高泊松比等,慢滑移容易发生在脆-塑性转化带中a-b~0的范围。当该区域受到扰动激发低频慢地震时,在震源区介质非线性和频散性的作用下可能表现出弹塑性传播特征,单个慢破裂事件可以演化为一个波、两个波甚至多个波,以非球面扩散的形式传播,并且容易以倾斜(旋转)量的形式被测震仪或倾斜仪记录到。