强震震级预测在地震预测领域具有重要的科学意义, 同时对防震减灾工作也发挥着重要的现实作用。 本文基于国内外相关文献, 分析强震震级预测中凹凸体识别与级联破裂等关键问题。 通常, 地震的发生与凹凸体破坏有关, 而对凹凸体的识别, 主要可以从震源区介质性质、 中小地震活动、 断层运动状态、 应力状态、 摩擦属性等方面开展综合分析。 级联破裂的发生会提升地震震级, 增加地震灾害风险, 断层面曲率、 产状变化、 阶跃距离等断层几何性质, 以及断层面摩擦性质、 相邻断层段孕震层宽度变化、 断层面应力分布、 浅层低速区等断层及周围介质的物理性质控制其发生概率。 相关模型、 参数的研究有赖于密集观测和断层探察等基础性工作, 数值模拟和反演等技术应用以及多学科的综合, 希望本文可以为中国大陆重点断层段的强震震级预测工作提供参考。

川滇地区受印度板块与欧亚板块碰撞运动影响地震频发, 是开展地震研究的理想实验场。 为实现基于几何模型的三维断层系统有限元模型快速构建, 本文以川滇地区断层系统的主要断层几何模型为基础进行了以下研究。 ① 改进了推进波前法, 使其能够基于几何模型生成三维曲面的三角形网格, 并自动识别需要局部加密的区域以及进行网格加密。 ② 提出了交叉断层的交叉线识别算法, 根据非参数曲面间的空间几何关系识别不同面(包括断层面与研究区域边界)之间的相交线。 ③ 完善了三维断层系统有限元计算网格模型快速构建方法: 对原始断层几何模型进行延长、 连接等操作, 使其能在几何上代表断层真实形状; 将研究区域外边界与内部断层面整合, 并识别它们之间的交叉线; 以交叉线为约束, 使用改进的推进波前法对断层面进行网格重划分, 修复网格拓扑关系和提高网格质量; 最后, 以断层面新生成的三角形面网格为约束, 自动生成含断层的四面体计算网格模型。 ④ 将上述方法应用于中国地震科学实验场, 构建了川滇地区断层系统的三维计算网格模型, 为利用有限元数值模拟研究该区域地震动力学过程奠定了计算网格模型基础。

本文选取沂沭断裂带山东区段作为研究区, 基于大地电磁探测剖面资料, 结合地质剖面、 中深地震反射勘探剖面、 现代地震目录、 ALOS-DEM数据、 卫星影像等数据, 利用Blender三维建模软件, 采用“卫星影像—地表高程模型—浅层断裂线—大地电磁探测揭示的断裂地下结构—地下断裂面—地下地震小球—三维模型”的建模流程, 建立了沂沭断裂带山东区段20 km深度范围内三维模型。 得到以下认识: ① 沂沭断裂带从地表到地下整体表现出两堑加一垒的三维结构形态; ② 主要断裂之间表现出分段活动特征, 在不同段落产状差异明显, 断裂接触关系复杂; ③ 现代地震主要沿沂沭断裂内东地堑的两条断裂附近分布, 具有带状分布和丛集分布特征, 活动性较强段地震频次明显高于活动性较弱段。 沂沭断裂带三维模型的建立, 为探讨地震与活动断层之间的影响关系、 研究沂沭断裂带发震机理和地震情景再现提供依据。

低成本高可靠地获得人口密集地区的浅层地下结构, 对地震安全性评估和地下空间开发有非常重要的意义。 分布式光纤振动/声波传感(Distributed Acoustic Sensing, 简称DAS)是近年来发展较为迅速、 传感机理不同于传统地震仪的新型观测技术, 利用一条普通通信光缆和一个调制解调器就可以实现高密度、 长距离的振动测量。 我们在北京房山用一段460 m浅埋光纤记录的12个小时背景噪声, 获得瑞雷波相速度频散曲线, 反演出地下浅层S波速度剖面, 可以看到厚约15 m起伏较缓的低速土层, 反演结果与传统的噪声H/V谱比法探测结果相似, 但本文结果有更丰富的结构细节。 认为利用DAS高分辨率近地表速度结构探测是可行的, 如果能够利用已有的长距离地埋光缆资源, 将为近地表低成本、 高分辨率成像研究提供新的手段。

蒙山山前断裂是鲁西地块一条较为活跃的NW向断裂, 为研究其第四纪活动特征, 本文综合运用野外观察、 探槽剖面分析和年代测试等方法, 结合重力异常特征, 对蒙山山前断裂的最新活动性和深部构造进行了初步研究, 对于评价蒙山山前断裂的地震危险性有重要意义。 结果表明: ① 蒙山山前断裂第四纪以来以左旋走滑及正断运动为主。 断裂以于家庄村为界, 分为东西两段, 西段在第四纪以来活动不明显, 东段的主要活动时期为晚更新世; ② 蒙山山前断裂向深部下切至中下地壳, 属深大断裂; ③ 蒙山山前断裂在晚更新世以来可能发生过两次古地震事件, 分别在(44.1±3.4)~(24.3±1.2) ka和(22.7±1.8)~(6.2±0.5)ka; ④ 断裂带上曾发生过多次5级左右地震, 具有发生中强地震的潜在风险, 建议今后加强对该断裂的研究。

应力场和发震断层形态确定是地震动力学研究的重要基础。 为采用震源机制确定2022年1月8日发生M_S6.9地震的青海省门源地区的应力场和断层形态, 本研究首先搜集1927年到2022年门源地区地震震源机制解资料, 对于同一地震具有多个震源机制解的情况, 将震源机制中心解作为该地震震源机制, 是求解应力场和断层形态的基础数据, 而后采用整理得到的震源机制节面数据进行聚类分析, 得到了该地震序列的可能断层面形状, 并求解了研究地区的构造应力场。 最后将构造应力场投影到断裂面上, 估计断层面的滑动角, 并模拟了应力场与发震断层的关系。 研究结果表明, 门源地震序列的总体断层走向、 倾角分别为103.19°, 72.44°, 与野外地质调查的冷龙岭断裂的走向倾角具有一致性。 门源地区的构造应力场压轴走向为242.37°, 倾伏角为0.93°, 张轴走向为334.79°, 倾伏角为68.98°, 可以解释为青藏块体东北缘向东北方向扩展的过程中受到稳定的阿拉善块体阻挡, 导致了该地区逆冲兼走滑的断层破裂体系。 将应力场投影到门源地震序列的总体断层面上得到断层滑动角为50.68°, 相对剪应力和相对正应力值分别为0.822和-0.077, 说明门源地区在西藏地块和阿拉善地块的NE向挤压应力下, 在NWW—SEE向较陡的断裂上呈现较大的剪应力和较弱的挤压状态。

据史料记载, 1038年忻州、 定襄一带发生71/2级地震。 前人研究表明, 此次地震发震构造为系舟山北麓断裂, 震中位于定襄县董村镇茶房口一带。 系舟山北麓断裂茶房口段跨系舟山北麓断裂水准测量开始于1985年, 至2021年断层两盘共错动9.09 mm, 年平均蠕滑量0.25 mm。 蠕滑变形趋势显示茶房口段逐年发生蠕滑运动, 但整体蠕滑速率较低。 采用X射线衍射定量分析方法得到茶房口同震断层泥的黏土含量为23%, 断层附近断层角砾岩的黏土含量为8%, 从老断层泥到断层角砾岩, 黏土矿物总含量逐渐降低。 研究表明, 断层带中黏土含量多少是决定断裂是否蠕滑的关键因素。 在地下5 km位置(约130 MPa)围压环境、 扰动压强恒定为100 MPa条件下, 模拟系舟山北麓断裂天然断层, 开展高温高压实验研究, 结果表明: 系舟山北麓断裂天然断层在25℃、 50℃、 100℃、 150℃温度条件下, 在0.122 μm/s和1.22 μm/s的扰动速度下, 均表现为稳定蠕滑, 其结果和跨主断层水准测量、 断层泥微观结构分析结果吻合。

以2022年青州M_L4.1地震为研究目标, 根据先前学者总结的区域重力场变化在大震孕育发生中的异常特征, 通过计算相邻两期重力变化、 累计重力变化的方式, 分析了震中附近变化的空间尺度和数量级。 本文分析了区域重力场变化显著地区的测点单点变化情况, 包括高炳西、 济南站、 王坟及庙子等测点, 以及高炳西场地南北两测点重力差的变化情况。 根据高炳西场地南北两测点周边干扰情况, 包括降水量、 地面沉降、 地形改正等, 分析了该两测点重力差变化的原因。 本文认为青州M_L4.1地震发震前后的重力场有变化, 且该变化与地震孕育发生导致的地下物质迁移有关。

本文研究了锦屏一级水库蓄水前后发生在库区及其周围M_L0.5以上的地震活动并进行了精定位, 反演了M_L3.0以上71个地震事件的震源机制解, 并通过计算比较了蓄水前后的应力场。 结果表明: 锦屏一级水库地震开始响应时间较长, 应与第一阶段水位抬升有限, 库水淹没范围尚未覆盖震群附近有关。 淹没范围扩大至震群所在区域后地震活动大幅增加, 之后几个阶段的蓄水过程和地震活动变化有较好的对应关系。 蓄水后大量地震集中发生在木里藏族自治县葫芦沟附近, 震源深度集中在6～14 km, 与蓄水前相比震源深度变浅。 除葫芦沟以外的区域震源机制解结果, P、 T轴分布及区域应力场反演结果都与之前的研究结果相一致。 葫芦沟附近震群的震源机制多为走滑型, P轴以NS向及NNW—SSE向为主, T轴以EW向及NEE—SWW向为主, 区域应力场最大和最小主应力轴近水平, 中间应力轴近直立, R值为0.5, 与其他区域存在差异, 其发震机制应受孔隙压扩散和水浸润弱化作用影响。

地震前重力仪可能记录到与震源有关的高频扰动信号。 2020年2月18日山东长清发生M4.1地震, 距离震中约52 km的泰安站PET重力仪记录数据在震前5 d出现能量增强、 DF地脉动垂直位移增大(0.13×10^-6 m)的现象。 为了厘清该现象与长清地震的关系, 本文首先对2020年2月的重力数据进行0~0.5 Hz频段的时频分析并计算了DF脉动信号垂直位移, 得到结果与地震背景噪声能量辐射的全球模型(ASSM)同步; 在排除台风影响, 对比分析嘉祥台重力数据和泰安站JCZ-1地震计垂直向加速度记录数据, 同时结合芝罘海洋观测站数据, 判定该信号源自海浪激发的脉动信号。 泰安站重力仪DF地脉动垂直位移均方差作为预测指标的R值检验, 结果表明该DF信号的增强不符合异常识别指标, 与2020年长清M4.1地震无关。 本文对重力数据变化的分析方法和流程, 以及对造成数据变化信号源的判定方法和思路, 为重力仪观测数据的异常识别和判定提供了参考, 可应用于相关地震分析预报工作。

为进一步验证和完善使用频带变窄且向低频段偏移特征识别前震的判定依据, 本文基于青海、 甘肃等区域数字化测震台网记录的波形数据, 对比分析2021年玛多7.4级地震前148 d发生的2020年12月24日青海玛多4.2级地震与2010年4月14日玉树7.1级地震前的4.7 级地震快速傅里叶变换的频谱特征。 结果显示, 玛多4.2级地震频谱的频段较宽, 优势频段为0~5.0 Hz, 玉树4.7级地震频谱的频带变窄且向低频端偏移的特征较为显著, 优势频段为0~1.5 Hz。 对比分析认为, “频带变窄且向低频偏移”现象对识别直接前震有较好的效果, 需重点关注中小地震出现频谱偏移后短期内(1~3个月)震源区附近强震发生的可能性。

图像信息法(PI)计算过程涉及到地震活动性的归一化, 因此针对地震活动性相似的地区PI预测效能较好。 以南北地震带为研究区域, 对图像信息法(PI)在南北地震带不同范围的预测效能进行了研究。 采用中国地震台网中心提供的1970年以来中国地震目录, 选取5年尺度的“异常学习窗”和“预测时间窗”以及1°×1°网格, 以2017年以来发生的M_S≥6地震为目标, 通过ROC检验, 对地震进行回溯性预测研究。 研究结果显示: ① PI方法对南北地震带南段、 中段、 北段区域进行计算的预测效能呈现逐渐降低的趋势, 但幅度较小, 显示PI方法的预测效能可能受到区域内地震活动性强度的影响。 ② PI方法对南北地震带分段计算的预测效能优于对整个南北地震带进行计算的预测效能。 其中, 把南北地震带北、 中段合起来作为一个计算区域时预测效能最好, 南、 中、 北各段预测效果次之, 把中、 南段合起来作为一个计算区域时预测效能相对较低, 南北地震带整体的预测效能最低。 通过地震活动性对南北地震带进行区域划分能使得预测效能提高。 ③ 计算结果显示, 滇西南永德—泸水地区、 龙门山断裂南段附近存在“热点”, 未来5年内这些地区为M_S≥6地震值得关注的重点区域。

本文通过回溯整理1970年以来宁夏地区出现的地震条带异常, 分析了条带异常时空特征和内外地震频次比异常阈值, 获得了主震与条带的参数拟合方程, 总结了宁夏地震条带预测指标, 为宁夏震情短临跟踪和会商研判技术方案提供了一定支撑和依据。 结果表明: ① 1970年以来宁夏及邻区共发生12次M_L≥2.5显著地震条带, 其中有8次地震条带结束后一年内在条带内部或端部发生5级以上地震, 优势映震期为半年, 能够通过预报效能R值评分检验, 具有一定中期预报意义; ② 主震发震时间、 震级大小与条带的长度、 持续时间、 总能量之间存在较好的线性正相关, 可由回归方程给出参考平均值, 条带端部是未来中强地震发生的有利场所; ③ 宁夏地区条带内外地震频次比的平均值普遍较低, 映震条带形成期间存在大于0.75但不超过2倍均方差的显著高值, 虚报条带高值异常不显著。

为快速获得中强地震可靠的震源机制解等震源参数, 设计并研制了基于CAP方法的震源机制解交互反演软件(SeisCAP)。 软件具有图形界面, 可直接读取区域地震台网观测波形, 交互挑选反演台站, 自动开展观测波形处理、 理论地震图计算和震源机制解反演。 通过不同构造环境、 不同震级和不同类型的多个中强地震事件测试, 结果表明该软件具有可靠性和稳健性。 该软件易使用, 便于在中强地震发生后快速获取震源机制解, 为地震应急和震源研究提供数据和资料。