拐折斷層地震活動性研究進展

張增換，馬曉靜，王 時

河北地質大學 a. 研究生學院、b. 資源學院，河北 石家莊 050031

拐折斷層地震活動性研究進展

張增換a，馬曉靜b，王 時a

河北地質大學 a. 研究生學院、b. 資源學院，河北 石家莊 050031

論文從拐折斷層地震活動性特征、斷層黏滑運動的巖石物理實驗和數值模擬實驗角度分析總結了拐折斷層的發震特征與發震機理。對實際震例的監測與野外觀測結果表明：拐折斷層的角度和拐點對地震的發生、震級的大小、斷層的破裂方向有重要影響，而室內的實驗研究表明斷層帶內的物質成分、斷層的摩擦系數、應力擾動等因素對斷層黏滑運動特征有很大影響。作為自然界普遍存在的斷層形式，拐折斷層的黏滑運動特征及其影響因素的研究有助于我們了解地震的發生機理，在未來的研究中應進一步加強。

拐折斷層；地震活動性；黏滑運動；數值模擬

一、引言

地震會給人民的生命財產造成重大損失，而淺源地震的危害尤為嚴重。目前，地震預測模型及其形成、發展的標志性可定量要素尚未找到[1]。而地震發震機理的研究是地震預測的前提，斷層的黏滑運動作為大震發生的一種機制已被越來越多的人接受。然而自然界的斷層面很少以簡單連續的面狀結構出現，通常都表現為復雜的斷層帶，大多是不連續結構，例如拐折斷層、雁列式斷層、階步式斷層、分支斷層等[2]。這些特殊的構造形式對斷層應力集中、應變分配、斷層滑動以及地震孕育發生及破裂的傳播過程有重要影響。許多震例表明斷層的拐折部位對地震活動起著至關重要的作用，因此對拐折斷層黏滑運動過程的研究具有重要的理論意義和現實意義。

本文首先總結了拐折斷層的地震活動特征與導致其發生的原因，對發震機理——斷層的黏滑運動相關研究進行了分析。闡述了拐折斷層的地震活動特性、拐折斷層的地震前兆位置、拐折斷層的破裂特征特征、斷層黏滑活動的影響因素。同時也分析了物理研究方法與數值模擬方法的優勢與局限性。并建議未來研究方向應為有更適用地學研究的物性參數并涉及多物理場的數值實驗，以及有更先進儀器設備和更合理的觀測手段的物理實驗室研究，以便為強震發生的機制提供更多的理論基礎。

二、拐折斷層的地震活動性特征

地震的發生大多是先存斷裂的活化，實際震例表明，許多強震大都發生在拐折斷層上。例如，在San Andreas大斷裂分別于1690年、1630年和1857年發生的三次地震均位于大拐折的附近；1975年、1976年分別發生于土耳其的Lice與Caldiran地震和1976年發生在唐山大地震同樣為拐折斷層的活動；而1989年發生在Loma Prieta的地震和1994年發生在Lander的地震以及1999年發生在Izmit的地震也發生在斷層的拐折附近[3-4]；類似的是2002年發生在Denali斷層上的地震和1976年發生的危地馬拉地震亦發生于拐折斷層活動帶上；2008的汶川地震也與拐折斷層相關。

（一）拐折斷層地震特征

Kato[5]的實驗結果發現拐折斷層的動力學破裂屬于“雙震型”，而事實上確實如此，例如，2006年發生在日鹽津縣豆沙鎮的兩次5.1級地震，兩次地震均位于NE向斷裂的同一構造區，這次雙震型地震被認為是由于障礙體存在而導致的[6]。云龍[2]的實驗結果表明單拐折斷層的失穩事件往往是時間相隔很短的雙震事件，而壓性雙拐折斷層的失穩事件往往由時間間隔較長的兩次事件組成。Kato[5]提出拐折斷層的兩次破裂受主壓應力夾角的控制，低角度破裂早于高角度，且始于低角度的破裂終止于拐點，而始于高角度的破裂則貫穿整個斷層，也可以說拐折部位正應力場的變化控制著破裂的起點和終點。而初始剪應力、正應力的分布影響著拐點處的破裂速度[7]。然而，雙震的發生時間間隔因實驗中應變與觀測手段等的差異并不相同，例如kato等[5]的結論是10.8ms-3.5s，而郭彥雙等[8]的實驗結果則是100ms-200ms。此外，馬瑾[9]通過拐折斷層的溫度場實驗研究也同樣觀測到雙震甚至多震而引起的溫度場變化，并提出下斷層先錯動，上斷層后錯動，兩者的時間間隔為0.92s，拐折角度、巖石厚度、巖石類型等條件的不同都會對雙震的時間間隔有影響。

“雙震型”這一特點的原因或許可以歸為拐點的控制作用，而Kato[5]認為速度狀態基礎可能是破裂延遲的原因。郭伶俐[10]研究了三種典型斷層的失穩瞬態過程，認為拐折斷層的拐點在斷層的活動中起到類似樞紐的作用，這一點與馬瑾[11]的實驗結論是相同的。正是因為拐點的控制，導致區域的應變積累和積累后的急劇釋放，引起多點錯動，從而致使拐折斷層多為雙震或者多震。此外，這種斷層錯動勢必造成斷層幾何發生變化，甚至導致新斷層的產生及引起區域應力場的重新分布，進而使得斷層運動形式發生新的變化。Andrews[12]認為斷層的拐折部位對斷層錯動具有抑制作用，致使拐點兩側斷層的位移量產生差異，當走向上的變化劇烈時，將會產生新的斷層，這應該是拐折斷層多發育強震的原因。

（二）拐折斷層的破裂過程

Kase等[7]根據拐折部位能否抑制斷層的錯動，將拐折體分為抑制型拐折(Restraining bend)和松弛型拐折(Releasing bend)，并提出拐折對破裂的傳播有非常重要的作用，拐折附近的位錯速度受破裂導致的應力變化控制。在San Andreas的Parkf i eld段上的多次地震的震中都在一個拐折斷層的拐點附近，這些地震的前震分布在拐點的西北段，主震則開始于拐點的附近，而余震位于轉折部位的南東段[13]。Custódio[14]通過對在San Andreas的Parkf i eld段上1966年和2004年的地震的研究指出兩次地震破裂的傳播方向是相反的。馬瑾[11]通過對5°拐折斷層的物理實驗和數值模擬結果表明：大事件并未發生在拐折位置而是發生在兩側的平直斷層位置，并認為拐點起到閥門似的作用。可見，有些地震的震中位于拐折附近，破裂向拐折的一側或同時向兩側傳播。但也有些地震震中位于拐折兩側的平直斷層上，這可能與拐折處障礙體的不完全破裂有關，當障礙體全部破裂后大震才會發生，這與馬瑾[9]通過實驗研究5°拐折斷層溫度場演化得出的結論是一致的。

（三）拐折斷層的角度

與強震相關的拐折斷層多為低角度(5°～30°)，例如，1992年發生在美國Landers的大地震圣安德列斯斷層的拐角大約為18°，而與唐山大地震相關的郯廬大斷裂不同段的拐折角度最大也只有25°，而更多與強震相關的拐折斷層為接近平直的小角度拐折[11]。King等[15]通過對大量拐折斷層帶的研究，提出很多強震存在于兩個5°拐折斷層之間。目前大多學者認為在斷層帶上的5°拐折區域對震源位置、斷層破裂傳播過程、前震和余震分布及位錯分布有重要影響，所以許多實驗室研究采用了這一角度。而強震多發育于低角度拐折斷層的原因可能是因為低角度對破裂的傳播阻礙較小，斷層間更容易發生較強烈的相互作用。然而，不同拐折角度的對比研究并沒有學者分析。

（四）拐折斷層的地震前兆

野外觀測結果顯示斷層拐折處通常破裂非常復雜，拐折斷層段上在一定范圍內位移量大小與離拐點的距離成反比[12]，所以通常認為拐點處的前兆觀測非常重要。馬瑾[16]在研究不同構造部位在變形中的作用時，指出前兆并不一定出現在發震區域，會出現前兆偏離的現象。斷層幾何結構對地震前兆有重要影響，幾何結構愈復雜，參與失穩過程的構造部位愈多，則前兆種類愈多，現象愈復雜。而其他學者在對比研究平直斷層與幾何彎曲斷層時也得出了相似的結論[17]。郭彥雙等[8]、云龍[2]則提出觀測的方式方法不同所得出前兆響應也存在差異。馬瑾[9]以5°拐折斷層一次粘滑事件中不同變形階段的溫度場演化為例,分析了進入亞失穩狀態時應力隨時間的變化狀態等問題，提出亞失穩到失穩階段占整個時間比例不到1%。

三、斷層黏滑運動的實驗室研究

一些學者在斷層黏滑運動的影響因素方面做了很多探討，例如斷層間物質對黏滑運動的影響，不同滑動方式會在實驗產物中留下不同的顯微結構，呂廣廷[18]等認為斷層泥的均勻性與非均勻性是斷層發生蠕滑和黏滑的直接微觀證據；斷層泥中水的含量對斷層黏滑運動有一定的影響，化學角度上水的存在增加了其穩定性，而力學角度上水的存在則起到了相反的作用[19]。近年來，隨著相關研究的不斷進行，斷層滑動失穩的成核、均勻與非均勻斷層黏滑運動中應變以及斷層位錯的實驗研究等也為許多學者所關注[20]。有的學者通過實驗研究認為斷層黏滑的動態活動時間很短且運動由高速與低速交錯組成[21]，并且加載速率與粘滑事件的周期長短呈負相關，而與應力降呈正相關[8]。黃元敏等[22]認為剪應力擾動是影響斷層黏滑運動的推動力，而正應力擾動則導致斷層接觸狀態的改變，所以正應力擾動較剪應力對斷層黏滑運動的影響大?？姲Ⅺ怺23]以硬石膏和巖鹽等作為斷層泥材料，通過雙軸摩擦實驗研究了摩擦滑動的速度依賴性轉換，解析了斷層物質的微觀結構及相關地震機制意義。上述的物理實驗室研究雖不完全是以拐折斷層為模型，但是其影響因素對拐折斷層黏滑運動的影響也是類似的。

大多數物理實驗室研究是通過巖石實驗的方法，所選用的巖石多為上地殼分布最廣的花崗巖類，使用伺服壓機等對樣本進行實驗并利用聲發射、應變片等物理手段進行研究。關于拐折斷層的研究多為某一單拐折或雙拐折構造在一次粘滑事件中變形過程及相應的物理場。本文對比了拐折斷層主要的物理實驗研究，如表1所示。然而，目前的許多研究是某個粘滑過程中各種物理場的演化過程，缺乏與多個粘滑過程引起的應變場的差異的對比研究，且缺乏不同拐折角度的對比研究。此外，實驗研究與野外實測資料的對比分析也是很有必要的。

表1 部分典型拐折斷層物理實驗類比表

四、斷層黏滑運動的數值實驗研究

邊界元法、有限元法、有限差分法等是主要的數值模擬方法。邊界元方法廣泛應用于各種斷層的黏滑過程模擬研究[24-25]，它可以采用不同摩擦定律，也可以引入斷層的非均質性。而有限元通常被認為是適用更加廣泛的一種方法[26]。此外，拐折斷層的處理方法主要有兩種，一種是把整個模型處理成一個連續體，把斷層設置為軟弱地帶；另一種是把整個幾何模型設置為2個接觸的模型，通過接觸分析計算斷層間的非線性關系。

事實上，數值模擬的方法正在越來越多的應用在地震危險性與預測的相關研究中。Sasani[27]通過對區域應力分布的計算來評估區域地震危險潛力。馬曉靜[28]通過數值模擬研究了拉伸速率、摩擦系數、正斷層傾角對斷層黏滑運動的影響，大震發震間隔隨拉伸速率（＜5mm/a時）增大而變短，摩擦系數越?。ǎ?.4時），發震間隔越短，傾角大約60°時，斷層發震最強烈。姜輝[29]模擬研究了太平洋板塊俯沖帶上的斷層黏滑運動過程，分析了俯沖帶地震的發生模式以及俯沖角度的影響，有角度變化的模型發生的黏滑事件較多。Cruzatienza等[30]利用邊界積分方程法（BIEM）求解動力問題以探討拐折斷層的影響，強調了節點處剪切應力降分析的重要性。焦明若[31]利用RFPA-2D分析了巖石的均質程度對其破裂程度以及微震序列的影響，并提出不同均質程度發育不同的地震序列類型。雖然基于拐折斷層的數值模擬研究有限，如表2所示，但也是目前很有前景的研究方法，而參數的設置應有更多適用地球科學研究的改進。薛霆虓[17]利用有限元法模擬了二維彈性介質的彎曲斷層，并從前兆和余震、能量釋放、發震周期等方面與平直斷層進行了對比，認為彎曲斷層由于抑制了地震活動的頻率而更易導致大震的發生，且彎曲斷層的前兆較平直斷層明顯。Xing等[32]通過有限元模擬提出拐折斷層大多是“雙震型”。王學濱[33]通過對FLAC-3D編程開發，統計分析了Z字形復雜拐折斷層系統中不同斷層帶上與剪切、拉伸相關的6種量的時間演變規律，同樣得出位于標本兩側的拐折斷層和平直斷層交替活動，而觸發下一條平直斷層的活動并導致整個系統的失穩。

孫楠[34]利用數值模擬的方法分析了正應力、靜態應力擾動及動態應力擾動等對斷層黏滑運動的影響。王學濱[27]從數值模型的角度分析了實驗室尺度摩擦弱化、摩擦強化-摩擦弱化兩種模型（Wang等，2012,2013），前者適用于破壞和前兆的模擬，后者適合于斷層黏滑，并指出實驗室尺度模型的模擬有助于充分了解計算模型的特點及優劣。近期，Barbot等[35]國外學者使用數值模擬的方法研究了斷層黏滑運動及主震、同震、震間、震后等現象；黏滑運動發生的時間間隔、長期以及短期現象的數值模擬也取得一定的研究成果[36-37]，這些成果無疑給地震的預測與研究提供了新的思路。伴隨著對地球動力學更深入的認知，數值模擬技術正在發揮著越來越重要的作用[38]。因此拐折斷層黏滑運動過程的研究尤其是數值研究方面是未來地震機理研究的一個重要方向。

五、小結

拐折斷層地震活動性目前的研究已經很多，但缺乏完整而系統的研究。作為自然界最普遍存在的一種斷層形式，拐折斷層黏滑運動過程無論是實驗室研究還是數值模擬研究都需要進一步加強。

（一）方法的優勢與局限性

實際震例的研究為地震活動研究提供真實直接的證據，但由于地震的突發性，觀測手段的局限性，我們很難在野外直接觀測到斷層的黏滑運動。

實際測點往往反映的是斷層附近某些點的物理場，難以反映整個區域整體場的情況，相對而言實驗可以通過現有的技術方法觀測研究模型整體不同場的變化特征，對于研究拐折斷層的活動特征提供很多科學數據。然而，大多數實驗室研究是有其不足之處的，例如，實驗室研究巖石類型單一，受實驗儀器和觀測及采樣速率的影響等。

表2 部分典型拐折斷層數值實驗類比表

數值模擬的方法可以彌補以上不足，數值模擬斷層效應從尺度和效應上更接近于真實斷層的活動，并且經濟快捷，各種參數提取方便，可以方便地開展參數的敏感性研究，模擬在當前技術條件下無法開展的物理實驗，計算更加定量化和可視化。然而參數的選取和模型的設置存在隨意性，并不能完全符合實際地質情況，所以更適合地學研究的物性參數和模型設置都有待進一步改善。

（二）展望

拐折斷層系統破壞以及黏滑運動過程的綜合研究，無論從力學方面還是地質學方面都是一個相當復雜的過程。無論是實驗室研究還是數值模擬研究都與科技的進步密切相關，更高采樣速率的觀測儀器與更先進的軟硬件計算機設備都會為研究提供更好的平臺。展望未來的研究應是有更適用地學研究的物性參數并涉及多物理場的數值實驗，以及有更先進儀器設備和更合理的觀測手段的物理實驗室研究，以便為強震發生的機制提供更多的理論基礎。

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（責任編輯：劉格云）

A Review on Seismic Activity of Bending Fault

ZHANG Zeng-huan, MA Xiao-jing, WANG Shi

Hebei GEO University, Shijiazhuang, Hebei 050031

This paper analyses and summarizes the seism genic mechanism and the seismicity characteristics of bending fault, from these aspects: the bending fault seismicity characteristics, the rock physics experiments on the stick-slip motion of fault, the numerical simulation experiments on the Stick-slip motion of fault. The actual cases studies and observations show that the angle of bending fault and the bending point have important influence on the occurrence of earthquake, magnitude of earthquake and the fault rupture direction. Rock physics experiments have proved that some factors such as the material composition in fault zone, the friction coefficient of fault and the stress disturbance have a great influence on the characteristics of the fault stick-slip motion. Bending fault as a common form in nature, the study of the characteristics of stick-slip motion and its influencing factors would help us understand the mechanism of earthquakes and should be further strengthened in future research.

bending fault; seismic activity; stick-slip motion; numerical simulation

P548

A

1007-6875(2017)03-0013-06

日期：2017-03-08

10.13937/j.cnki.hbdzdxxb.2017.03.003

河北省研究生創新資助項目（1007703）。

張增換（1986—），女，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為區域地質構造與構造動力學。