地震地质

第46卷第1期目次

2024, 46(1): 0-0.

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三维地质建模为地震数值预测带来的机遇

姚琪, 鲁人齐, 苏鹏, 王辉, 朱亚玲, 王力维

2024, 46(1): 1-18. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.01.001

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地震预测预报亟需从经验性预测向数值预测转变, 但是建模难的问题制约了地震数值预测的发展和行业应用。三维地质建模技术的发展及其在地震行业的应用, 为地震数值预测带来了解决模型问题的机遇。文中从地震数值预测的概念、发展历程和现状入手, 简述了地震数值预测目前存在的难点。随后简述了三维地质建模技术的发展和在地震行业的应用, 以及国内外三维公共断层模型的构建和应用情况。结合以上2部分内容, 对如何利用三维地质建模技术解决地震数值预测中的难点问题进行了展望, 包括多源多精度异构数据的联合建模、地质模型-属性模型-数值模型一体化建模、平直断层结构建模、三维断层结构建模、数据-模型-计算的迭代与相互驱动等。最后简述了三维地质建模在地震数值预测应用中的难点。三维地质建模技术有望为地震数值预测及相关数值计算领域提供更逼近现实的数值模型和几何模型, 可缩短建模工期, 实现快速更新迭代, 从而解决建模难的问题。

川滇块体东边界安宁河-则木河-小江断裂带的三维构造模型: 基于多元数据与隐式建模技术

王毛毛, 胡顺阳, 马皓然, 梁铂雨, 张金玉, 鲁人齐

2024, 46(1): 19-34. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.01.002

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安宁河-则木河-小江断裂带位于青藏高原与扬子地块相互拼接的交会部位, 代表了川滇菱形块体的东部边界, 地震活动频繁。其总体表现为左旋走滑的运动学特征, 沿走向断裂结构复杂, 为精细表征深部断裂的三维结构特征带来了很大挑战。目前存在的问题主要包括: 主断层面本身的结构复杂特性; 断裂交切与主次关系的不确定性; 隐伏断层的空间约束; 微震活动区域的断层面限定等。传统上, 三维构造建模主要依赖于高分辨率的地震反射剖面、三维地震数据体和钻孔等数据约束, 可以三角面网的形式在三维空间内使用数量有限的节点定义任意物体的几何形态, 进而连接节点模拟物体的拓扑结构。然而, 川滇块体东边界等大部分活动构造区域缺少这些高分辨率的数据, 即使有相关数据, 通常在空间上也非常稀疏。以往有研究利用大量精定位地震和断层地表迹线等数据建立了活动断裂的初始三维模型, 但这种方法忽视了震源机制解提供的节面信息对建模的贡献, 且未对多元数据采取差异化的权重分配策略。文中基于三维构造隐式建模方法, 结合不同约束条件下的深、浅地质与地球物理数据, 构建了川滇块体东边界安宁河-则木河-小江断裂带的三维精细构造模型。建模流程充分利用震源机制解提供的节面约束信息, 将其与地表断层迹线、重定位地震震中等数据融合, 纳入一个考虑差异化权重分配的多次迭代过程, 最终实现利用多元数据建立川滇块体东边界断裂三维复杂结构特性的目标。基于隐式建模方法构建的活动断裂的精细三维结构模型可用于断面粗糙度和断裂系统分析, 对约束断面上的凹凸体分布与开展地震破裂模拟具有重要意义。

中国地震科学实验场三维断层模型Web展示原型系统

吴熙彦, 鲁人齐, 张金玉, 孙晓, 徐芳, 陈桂华

2024, 46(1): 35-47. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.01.003

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活动断层的三维结构和模型是地震危险性研究的基础参数和重要数据。随着对接近真实形态的活动断层三维模型的应用需求不断增加, 对这类模型数据的共享及研究的需求也日益增加。数据共享课题的一个重要议题是如何构建基于Web的三维断层模型展示平台, 提高数据共享水平和用户体验。中国地震科学实验场(川滇地区)三维断层模型Web展示原型系统^①（① http://data.activetectonics.cn/arcportal/apps/webappviewer3d/index.html?id=754abeff247c4b3194ebd9bf3bd17f47。）是基于ArcGIS 10.6企业版的Web AppBuilder工具构建的一个实验性系统。该系统实现了基于Web GIS的三维展示系统的基本功能, 并成功测试了更适用于地震行业标准的用户交互方式、基本功能、场景数据迁移方案和三维场景设计方案。场景数据从三维断层建模平台到GIS平台的迁移, 是实现基于Web GIS三维展示系统的基础。场景中展示的三维数据采用与二维数据标准一致且视觉上融合度高的可视化方案。实践结果表明, 三维数据从建模平台迁出后, 应结合数据可视化方案, 在属性层面上与二维数据相融合, 以保证二维和三维数据在视觉上较好地融合。

基于指数相位相关性目标函数的全波形反演

刘建欢, 陈建业, 赵吉海, Deyan Draganov

2024, 46(1): 48-62. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.01.004

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全波形反演(FWI)已成为获取浅地表高分辨率S波速度(V_S)的有效方法。为了克服FWI在野外应用中的一些挑战, 文中引入了一种基于指数相位相关性的目标函数, 该函数不依赖于测量和模拟数据的振幅信息。文中采用伴随状态方法高效计算目标函数相对于模型的梯度, 并分析了新目标函数的形状。使用受随机噪声污染的模拟数据, 证明了该目标函数对随机噪声的鲁棒性。此外, 使用在考古遗址上采集的地震数据作为基准数据集, 测试了基于指数相位相关性的全波形反演方法在真实野外环境中的性能, 同时还添加了随机噪声以进一步评估目标函数对噪声的鲁棒性。文中所得反演结果与该遗址已有的速度结构非常相似, 并已通过独立的考古挖掘验证。因此, 基于指数相位相关性目标函数的FWI具有在实际野外情况下显著提高浅地表成像准确性的潜力。

重结晶碳酸盐ESR年代学在碳酸盐岩基岩区断层和滑坡活动性研究中的应用进展

刘春茹, 袁仁茂, 尹功明, 姬昊, 魏传义, 田颖颖, 马玺, 党嘉祥

2024, 46(1): 63-80. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.01.005

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开展发震断层活动历史研究是地震、滑坡等自然灾害研究和防治的基础, 年代测定一直是断层活动历史研究的热点和难点。在缺乏第四纪沉积物的碳酸盐岩基岩区, 宇生核素暴露测年是确定断层活动历史的主要手段, 但测年结果受曝露面表面风化、侵蚀和溶蚀作用影响较大。碳酸盐是ESR年代学研究的主要测年矿物之一, 可以测量碳酸盐的结晶年龄。在碳酸盐岩基岩区的大型断层面和滑坡滑动面上, 因高速摩擦生热可形成重结晶碳酸盐, 为ESR测年提供了可靠的测年计时零点, 有望通过ESR测年法获得重结晶碳酸盐的结晶年龄, 即断层和滑坡最近一次的活动时代。以往用于ESR测年的碳酸盐都是自生碳酸盐, 如珊瑚、石笋、文石等, 尚未对断层和滑坡滑动面上的重结晶碳酸盐开展过相关研究。因此, 文中介绍了重结晶碳酸盐ESR测年的最新研究, 以丽江-小金河断裂剑川剖面的断层面和小江断裂与则木河断裂交会处的巧家滑坡后缘滑动面上的重结晶碳酸盐为研究对象, 通过微观结构观察、热退火实验、光晒退实验及与前人的沉积物¹⁴C和光释光测年结果进行比对等, 对将重结晶碳酸盐ESR测年法用于碳酸盐岩基岩区断层和滑坡活动性分析的可行性和可靠性进行分析和论证, 并建立了重结晶碳酸盐ESR测年技术, 该技术可广泛地用于碳酸盐岩基岩区的断层和滑坡活动历史研究。

断裂带方解石脉ESR定年研究及其对龙蟠-乔后断裂剑川段活动性的指示

姬昊, 刘春茹, 魏传义, 杨会丽, 尹功明, 常祖峰

2024, 46(1): 81-100. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.01.006

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龙蟠-乔后断裂带作为川滇菱形块体的一条大型边界断裂, 构造运动强烈, 地震活动频繁, 发生多次5级以上地震, 造成了重大的财产损失和人员伤亡, 因此十分有必要加强对该断裂带的活动性研究, 并评估其地震危险性。龙蟠-乔后断裂剑川段河南村断层剖面发育厚层方解石脉, 为断层定年提供了十分宝贵的材料。文中利用ESR法对该剖面的方解石脉开展了测年研究, 得到4件方解石脉样品(HNC-ESR01、 HNC-ESR02、 HNC-ESR03、 HNC-ESR04)的年龄分别为(7.1±0.8)ka、 (7.1±0.9)ka、 (7.3±1.7)ka、 (6.9±1.5)ka, 年龄数据集中, 平均年龄为(7.1±1.3)ka, 指示该断层在不晚于距今(7.1±1.3)ka的时间段内发生过活动。年龄结果与该地区探槽工作揭示的古地震事件发生时间((6 130±30)~(6 320±40)a BP)在误差范围内吻合, 表明断裂带方解石脉ESR定年是活动断裂和古地震研究的一种有效的年代学方法。但需要注意的是, ESR年龄仍存在误差较大的问题, 在后续工作中需要进一步完善。另外, 文中采用了5种拟合函数(LIN、 SSE、 DSE、 EXP+LIN、 D_gamma)计算方解石脉样品的等效剂量值, 结果表明, SSE函数提供了最佳的拟合效果。

植硅体释光信号特征及其对测年应用的启示

李兆宁, 尹金辉, 杨会丽, 石文芳, 郑勇刚

2024, 46(1): 101-116. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.01.007

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中国西部青藏高原等地区往往缺乏可供AMS ¹⁴C测年的炭屑、植物残体等物质, 开展传统的¹⁴C测年有一定难度。然而, 这些地区的现代地表常生长着大量草本植物, 在其第四纪沉积物中均发现了丰富的植硅体。探索新的植硅体测年技术流程, 可为中国西部地区的第四纪沉积物提供新的有效测年途径。植硅体以其自身的广泛分布性、结构稳定性和保存完整性, 在测年应用中具有特殊优势, 尤其是植硅体碳可用于¹⁴C测年。然而, 植硅体碳的¹⁴C年龄存在高估问题, 这可能是由于前处理过程中的快速氧化作用和高温作用破坏了其结构的稳定性和封闭性, 需依据其化学组成和某些物理性质变化识别其结构在高温环境下的细微改变。植硅体作为特殊的非晶质含水SiO₂, 其热释光(Thermoluminescence, TL)与光释光(Optically stimulated luminescence, OSL)信号具有测年潜力, 可作为直接比对和替代植硅体¹⁴C测年法的另一测年手段, 同时其释光性质变化可能对识别其物理结构变化具有参考价值。文中以从干稻草中提取的现代植硅体样品为例, 对其进行了一系列条件实验, 从而确定了植硅体OSL与ITL₁₆₅ 信号的具体测试流程, 并进行了不同给定剂量的剂量恢复实验, 以探讨其剂量-信号的响应关系及测试流程的可行性和可靠性。结果表明, 天然植硅体颗粒存在稳定且易晒退的OSL信号, 在较高给定剂量(850Gy)的条件下植硅体存在较显著且稳定的165℃ TL峰, OSL信号与ITL₁₆₅ 信号均有潜力应用于测年研究, 但需要已知年龄的样品进行检验。与此同时, 不同退火温度加热后的ITL₅₀₀ 曲线具有识别植硅体释光性质和物理结构变化的潜力, 退火温度升高至300~350℃时植硅体的结构开始发生改变, 至约600℃时已发生不可逆的结构改变且逐渐敏化。这也意味着在提取植硅体的过程中应尽可能使用湿式氧化法而非干灰化法, 以避免植硅体的结构封闭性遭受破坏, 从而造成植硅体碳的AMS ¹⁴C年龄被高估。

滇西南1976年龙陵M_S7.3、M_S7.4 双强震触发滑坡遥感解译及其构造意义

李浩峰, 徐岳仁, 郭雅丽, 刘晗, 赵昕雨, 陆玲玉, 唐嘉诚

2024, 46(1): 117-140. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.01.008

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深入研究中国滇西南地区发育的龙陵-澜沧新生地震构造带对于合理划分活动地块边界及未来开展强震危险性评价工作具有重要意义。使用高分辨率卫星影像对已发生的双强震震例开展回溯研究是一种可行的技术手段。文中对震前、震后高分辨率Keyhole卫星影像进行遥感解译, 结合野外验证和前人研究结果, 获得了1976年 M_S7.3、 M_S7.4 龙陵双强震触发滑坡较为完整的数据库。结果显示: 1)共解译滑坡14 448个, 总面积为17.2km², 70.9%的滑坡分布在花岗岩质的岩体风化层中, 单体滑坡面积集中在数百至1 000m²区间, 多为表层风化层内的浅层滑坡, 滑动距离较小; 2)同震滑坡密集区与高烈度区不匹配, 其空间分布显示破裂区规模约为30km, 且均位于活动断裂的一侧, 表明其发震构造并非为龙陵-瑞丽断裂或畹町断裂。滇西南地区共轭强震破裂可能局限了单次强震的空间规模, 因此在确认未来强震危险区时应重点关注NE向与NW向构造的交会部位。

雷波断裂带全新世活动证据

张国霞, 孙浩越, 李伟, 孙稳

2024, 46(1): 141-161. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.01.009

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荥经-马边-盐津构造带是青藏高原东南缘与四川盆地之间的重要边界构造带, 虽然晚第四纪以来地震活动频繁, 但构造带内各断裂的活动性尚不明确, 对认识和评价区域现今地壳变形模式和地震危险性带来了很大的不确定性。特别是构造带南段的雷波断裂带附近曾发生过多次6级以上强震, 但该断裂带的研究程度很低, 其最新活动时代的厘定还缺乏可靠依据。为解决这一问题, 文中基于高分辨率遥感影像解译和野外地质地貌调查, 在雷波断裂带的北支和南支断裂上分别开展了古地震探槽研究工作。基于古地震事件识别标志, 在2条分支断裂上分别揭示了3次和7次古地震事件, 相关放射性碳样品的测年结果限定了北支断裂3次古地震事件的发震时间分别为21190—20590BC(EP1)、 20550—12120BC(EP2)和12090BC之后(EP3), 而南支断裂最新的2次古地震事件的发震时间为9270—5040BC(EL6)和5000BC之后(EL7)。古地震探槽研究结果表明, 雷波断裂带在全新世以来曾发生过多次地表破裂型强震事件, 为全新世活动断裂; 其北支和南支断裂揭露的事件互不相同, 指示雷波断裂带的分支断裂为独立的发震构造。通过收集并分析1920年以来中国西部地区产生地表破裂的走滑型地震的震级, 认为雷波断裂带上揭露的古地震事件的震级下限为6.5级, 并估计断裂带具有发生7级以上地震的能力。

云南洱源地区地壳三维精细速度结构成像

曹颖, 钱佳威, 黄江培, 周青云

2024, 46(1): 162-183. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.01.010

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云南洱源地区地处青藏高原东南缘的滇西北地区中部, 区内地质构造复杂, 多条断裂交会穿过, 且地热活动活跃, 显示出很强的断裂构造特征。地区内地震活动频繁, 2013年以来在维西-乔后-巍山断裂西侧发生了多个5级以上地震。文中利用云南区域固定台网和滇西北密集台阵记录的2008年1月1日—2023年7月20日发生在洱源地区的地震走时数据, 采用波速比模型一致性约束的双差层析成像方法, 获得了云南洱源及其周边区域的地壳三维V_P、 V_S和V_P/V_S模型及地震重定位结果。结果表明: 1)在龙蟠-乔后断裂以东, 维西-乔后-巍山断裂、红河断裂和鹤庆-洱源断裂交会处聚集了大量小地震, 缺乏中强地震。从现有的层析成像结果分析认为浅层发生的部分小地震可能与地热流体无直接关系, 而从浅层向深层逐渐变高的V_P/V_S值可能暗示深部存在流体, 深部流体可能在循环流动过程中逐渐渗透到浅层岩石中, 并与部分密集小地震的发生有关。2)2013年以来发生的4个5级以上地震均发生在维西-乔后-巍山断裂西侧, 并呈NNW-SSE走向分布, 表明川滇块体西边界断裂系统的地震危险性有所增大。3)2013年3月3日和4月17日发生的洱源地震序列主要位于低V_P、低V_S和低V_P/V_S值的异常体内。一般而言, 如存在流体, 则V_S比V_P下降得更快, 从而导致高V_P/V_S值, 而低V_P/V_S则表明低V_S并非由流体所致。因此, 现有的成像证据表明地震序列所处区域并不存在流体, 从而推断地震序列的发生与流体无直接关系。空间上与洱源地震序列接近的2017年3月27日 M_S5.1 漾濞地震序列也具有相同的速度结构特征, 因此也可能与流体无直接联系。2016年5月18日发生的 M_S5.1 云龙地震序列的主震和部分余震主要位于高V_P、高V_S和V_P/V_S相对高值区内, 高V_S表明并非因存在流体而导致出现相对高的V_P/V_S值, 据此推测主震及周围的余震所处区域可能不存在流体, 流体并未直接参与到地震序列的发生过程中。

基于区域构造应力场探讨2014年鲁甸地震余震活动发生在共轭断裂上的原因

万永革, 宋泽尧, 关兆萱, 黄睿琪, 顾培苑, 王润妍

2024, 46(1): 184-200. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.01.011

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2014年8月3日云南省昭通市鲁甸县发生 M_S6.5 地震。该事件的特殊之处在于余震活动表现在共轭的昭通-鲁甸断裂和包谷垴-小河断裂上。为了从应力角度探究地震活动发生在2条断裂上的原因及确定主震发生在哪条断裂上, 文中首先搜集了鲁甸地震周围的震源机制数据, 求解了区域构造应力场, 然后采用新发展的模糊聚类断层面拟合法获得了地震2条断层的产状参数: NNW-SSE向分支的走向和倾角分别为336.67°和88.41°, 近EW向分支的走向和倾角分别为266.10°和86.42°。之后, 将应力场投影到2条断层面上, 发现包谷垴-小河断裂和昭通-鲁甸断裂的相对剪应力都很大, 说明2条断层均可能发生地震活动。相比之下, 包谷垴-小河断裂处的相对剪应力更大, 可能预示着包谷垴-小河断裂的地震活动比昭通-鲁甸断裂更强烈。上述分析得到了2条断层上地震活动的M-T图和总体地震矩的支持。

走滑断层几何结构复杂区对地震破裂传播影响的研究回顾

王辉, 曹建玲, 姚琪, 王力维, 朱亚玲

2024, 46(1): 201-219. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.01.012

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活动走滑断裂带上强震频发, 对几何结构复杂区及其导致的分段破裂模式开展研究对于评估区域潜在地震的最大震级具有重要意义。文中从野外地质调查和数值模型研究2个方面入手, 对走滑断层上地震破裂行为中的几何结构、断层分段和级联破裂等相关研究进行回顾总结。野外地质调查发现, 走滑断裂带上广泛存在的断层几何结构复杂区可能会终止地震破裂的传播。前人基于地表破裂带野外调查, 给出了走滑断裂带上几何结构复杂区对地震破裂方式的影响, 以及这种影响程度的统计分析结果。另一方面, 与断层动态破裂过程相关的数值模拟研究, 不仅从动力学角度展示了断层几何结构复杂区对断层动态破裂传播的控制作用, 还表明初始应力、岩石介质性质等其他因素也影响了断层动态破裂的传播。在研究程度较高的中国地震科学实验场区, 基于断层探测、地球物理场密集观测和高性能计算的3D动力学模拟有望进一步深化对区域复杂断层系统中破裂行为的认识, 并为判定区域最大潜在震级提供帮助。

2024年1月23日新疆乌什M_S7.1地震地质灾害和地表破裂

张博譞, 钱黎, 李涛, 陈杰, 许建红, 姚远, 房立华, 谢超, 陈建波, 刘冠伸, 胡宗凯, 杨文心, 张军龙, 庞炜

2024, 46(1): 220-234. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.01.013

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2024年1月23日新疆乌什 M_S7.1 地震是自1992年吉尔吉斯斯坦Suusamyr M_S7.3 地震以来发生在天山地震带内的最大地震。主余震初步精定位和第一时间野外调查结果表明, 乌什 M_S7.1 地震的余震带总体走向NE, 长约62km, 主要分布在盆山交接部位。地震产生了边坡失稳、岩崩、滚石、地裂隙等次生地质灾害, 主要集中在沿构造走向微观震中两侧30km范围内。由微观震中向N约7km、向S约13km以外, 地质灾害迅速减轻, 且山前断层陡坎(F₅)未见任何新鲜的活动迹象。结合中国地震局地质研究所产出的InSAR同震形变场初步结果, 判定此次主震的发震断层为一条倾向NW、未错出地表的逆冲断层。在GCMT震中所在的恰勒玛提河, 沿西域砾岩背斜南翼发现了总体走向N60°E、长约2km、最大垂直位错约1m的地震地表破裂带。该地表破裂在较老地貌面上基本沿先存断层陡坎发育, 总体受一条倾向SE、与主震发震断层倾向相反的逆断裂控制。地表破裂带长2km, 规模远小于乌什 M_S7.1 地震余震带, 其是由 M_S7.1 主震所致还是因 M_S5.7 余震造成的, 以及产生地表破裂的SE倾逆断层与NW倾主震发震断裂之间是何种关系, 还需进一步研究。

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