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震級影響因素之科普 精選

已有 3140 次閱讀 2019-6-26 09:51 |個人分類:科普|系統分類:科普集錦| 震級, 影響因素

張三說震級與斷層錯距成正相關,李四說震級與斷層長度或地表破裂帶長度成正相關。那么,究竟震級與哪些因素有關呢?要正確回答此問題,需從地震波輻射能的表達式入手。

一次地震釋放的能量(地震能)主要包括地震波輻射能、摩擦熱能與表面能,地震波輻射能僅占地震能的一小部分。我們已導出鎖固段破裂事件對應的地震波輻射能Er表達式:

                1

式中,V為鎖固段體積;G為鎖固段剪切彈性模量;Dt為應力降;De為伴隨應力降產生過程的剪切應變增量。

因為震級與地震波輻射能的對數成線性關系,所以據式(1)可分析震級的影響因素?煽闯稣鸺壢Q于鎖固段體積、剪切彈性模量與應力降或應變增量。一般說來,鎖固段的強度越高,其剪切彈性模量通常越大(郭中華等,2003;何鵬等,2011),因此震級與鎖固段的承載力(由尺度和強度決定)成正相關。與斷層中的非鎖固段和軟弱介質相比,鎖固段的承載力遠大于前兩者,故鎖固段破裂事件的震級一般遠大于前兩者的震級。換句話說,每個地震區較大的地震通常由鎖固段破裂產生,而較小的地震可由三者產生。秦四清等(2015)的研究表明,最小有效性震級Mv為界定地震區鎖固段破裂事件的門檻值,其物理依據就在于此。

同一個鎖固段的體積和剪切彈性模量可視為常量,故同一個鎖固段破裂發生的某次地震,其震級僅與此次地震產生的應力降量級或應變量級有關。

對地震機制的理解不同,決定了計算地震波輻射能的公式不同。在粘滑模型理論框架下,前人(Kostrov,1974;Vassiliou and Kanamori,1982)給出的地震波輻射能計算公式復雜,應用時需明確粘滑應力降應力路徑。與其相比,公式(1)不僅具有明確的物理意義,形式簡單,而且能更好地表征某次地震的輻射能釋放過程。廣義上說,地震是巖石(體)破裂所致而不是粘滑所致,故基于粘滑模型的地震波輻射能表達式,其前提條件錯誤。

再回到本文開頭提到的問題。因為斷層錯距在一定程度上能表征鎖固段沿斷層的滑移量(應變增量),且滑移量與錯距成正相關,所以張三的說法正確。伴隨著鎖固段沿斷層的滑移,斷層運動導致地表破裂帶產生;然而,地表破裂帶長度并非與滑移量成正比,其主要與震時涉及的已存斷層長度有關。事實上,較大的地震并非對應著較長的地表破裂帶,或者說也并非需要較長的發震斷層,如1976年唐山MS7.8地震的發震斷層長度約為48kmHuang and Yeh,1997),地表破裂帶長度與之相當,均遠小于根據震級與斷層長度(或地表破裂帶長度)經驗公式得到的結果。綜上分析,可知李四的說法錯誤。這也提示我們,根據發震斷層資料建立震級與斷層幾何參量的統計關系時,選擇錯距作為幾何參量物理意義明確,可得到較可靠的關系。

下面,再談談流體對震級的影響。在流體作用下,鎖固段的承載力降低,故相應的震級減小,這與楊睿的試驗結果(圖1)一致。由此看出,若流體注入與庫水滲入到發震斷層中,能降低預震與標志性地震的震級,從而減輕地震造成的危害。

image.png

a)自然狀態

image.png

b)飽水狀態

1 三軸壓縮下自然狀態(a)與飽水狀態(b)砂巖的聲發射能率變化特征(楊睿,2016

參考(略)




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