剪切波分裂与地震预测

Crampin, 2003a; Crampin and P eacock, 2005) , 而人工 源结果显 示的离散 性很小, 可被忽略 ( 例 如, L i and Crampin, 1991) 。 Crampin 等( 2004) 的研究结果表明离散性可 能是由活动断层的临界高孔隙流体压力引起
4
世界地震译丛
2009 年
图 3 ( a) 近似直立分布裂纹剪切波窗口内地震波射线分 区 1 角区和 2 角区几何示意图( 修改自 V o lti and Cr ampin, 2003a) 。圆 圈是地震水平自由表面上 有效剪 切波窗 口内的 地震事 件射线路 径分区 垂直 圆锥体的一部分, 这个自由表面具有 典型的 低速表层。 1 角区射 线方向与 平均 裂纹面 夹角 在 15b ~ 45b之间 的 区 间, 而 射 线 与 裂 纹 面 相 交 的 角 度 小 于 15b 的 两 侧 方 向 上 的 区 间 为 2 角 区 ( 见 Cr ampin, 1999) 。( b) 应力监测站几何 示意图, Xm 是 在最小水 平压应 力下使 裂纹成 垂直排 列的 深度。D OV 是高度重复的井下轨道 振动器( L ear y and Walter, 2005a, b) 。D OV 源 在 X m 深的浅 井处激发在 X + 1 000m( 至少两个) 深的直立井中接收有 300m 的 偏移。偏移方 向与最小 水平应力 的夹角在 ? 45b内, 此处最小 水平 应力方 向取 南北向。 注: 这是 早前 DO V 在 更深 井处 几何 图形 ( Crampin, 2001) 的修改。接收器由于温度升高而不灵敏且( b) 中浅处的 DO V 更耐用
的。临界高孔隙流体压力不仅使微裂纹结构 再排列, 也引 起剪切波偏 振方向 90b翻转:
快、慢波 互换了 偏振 方向 ( Crampin et al , 2002) 。每次地震都改变了区域应力和孔隙 流体压力。并且在每次地震中, 高围压下正 常路径长度比例的微小变化改变了三轴应力 场与孔间流体压力, 这些变化都易引起结果 ? 80% 的散射( Crampin et al , 2004) 。
2009 年第 6 期
世 界地震译丛
1
论文 剪切波分裂与地震预测
高 原 S1 C rampin
摘要 地震剪切波分裂( SWS) 可用来监测饱和流体微裂纹岩石的细微形变。本文 报告了由小地震记录到的剪切波分裂系统性变化的证据, 通过监测震前的应力积累可预 测即将发生的大震的时间和震级。通过对冰岛西南部的 M11 7 级震群事件到台湾 M S71 7 级集集地震等 15 个震例( 其中包括成功预测的冰岛西南部的 M 51 0 地震) 的剪切波分裂 研究, 可以看到预测效果。大地震发生前观测到剪切波分裂时间延迟会明显增加, 而临 震前短时间内时间延迟会突然下降。研究表明, 震级与临震前这种时间延迟增加的持续 时间和减小的持续时间的对数都具有线性相关。然而, 作为日常应力预测常缺乏适当的 持续小震群。可靠的地震预测需要应力监测站( 简称 SM S) 中采用毗邻钻孔中的可控源 井间地震技术。利用应力监测站的全球网络实时应力预测世界范围破坏性地震是非常可 能的。
裂纹主要有结晶岩中沿应力定向排列的 流体饱和的晶界裂纹和多孔沉积岩中低纵横 比的孔隙和孔间通道两种。在邻近的裂纹之
间产生孔隙压力梯度, 使得流体沿压力梯度 在邻近裂纹之间产生迁移, 这种差异运动造 成裂纹定向排列。这种形变模型就是我们所 熟悉 的 各向 异 性孔 隙 弹 性模 式 ( APE ) ( Cram pin and Zat sepin, 1997; Zatsepin and Crampin, 1997) 。在大多数地震和勘探信号 的频率范围内, 地震波传播具有各向异性, 这些微裂纹是岩石具有各向异性的根本原因 ( Cram pin and Zat sepin, 1997) 。剪 切波 速 度各向异性的多种程度表明, 即使在表面完 整无破裂的岩石中, 流体饱和的裂纹在空间 上也是如此密集排列, 形成接近破裂的临界 系统, 它对小的扰动也非常敏感( Crampin, 1994, 1999; Cram pin and Peacock, 2005) 。 尽管许多岩石物理实验的研究表明, 地震各 向异性、岩石类型、应力、微裂纹、渗透率 和结构是有关联的( Rai and H anson, 1988;
裂前形变) 可以由 1 角区射线路径的平均时 间延迟变化来监测。然而, 合适的震群非常 缺乏, 导致很难找到适当的震群活动作为常 规的应力 预测( Crampin, 1993, 1999) 。在 孔间应力监测 站( SM S) 的人 工震源的示 意 图如图 3b 所示。
在小地震上方, 时间延迟观测结果始终 与平均时间延迟有 ? 80% 的离散 ( Volt i and
图 2 小震事件及 其剪切波分裂地震图。地震图是冰岛 SAU 台站在剪切波窗口内记录的。事件的参数: 日期 2006- 03- 13, 震级 01 0, 深度 81 2km, 震中距 41 0km。100 个样本/ 秒地震图的时 间轴以秒为 单位, 并用 31 0~ 501 0H z 带宽 的 巴特 沃 斯滤 波器 进 行了 滤波。 横跨 S 波 到时 的竖 直 线条 标示 01 1s 的时间间隔。最上面的图含有更 多的参 数及剪 切波分裂 计算信 息。地震 图从上 至下 是东西 向、南北向和垂直向的地震图 , 水平分 量旋转到快和慢波偏振方向来得到快慢波。注: 这里剪切 波分裂是由 Expert Sy st em 的 SW A S 软件自动 生成的
引言
在整个地壳中已大量观测到剪切波沿应 力方向分裂( SWS) ( 地震双折射) ( Crampin et al , 1990; Gao et al , 1995; Zhang et al , 2000; Miller and Sav ag e, 2001; Cochran et al , 2006; M argherit i et al , 2006) 。广泛观 测到这些地震剪切波分裂方位角变化表明, 内部沿应力取向排列的结构几乎全在原岩里 ( Crampin, 1994, 1999) 。地壳中大部 分岩 石遍布着沿应力取向排列的充满流体的微裂 隙, 而这种微裂纹结构正是引起剪切波分裂 的 原 因 ( Crampin and Zatsepin, 1997; Crampin and Peacock, 2005, 2008) 。充 满 流体的微裂纹是岩体最易改变的元素, 而较 大的裂纹则往往倾向于刚性, 不屈从性。可 以看出, 剪切波分裂的变化监测着小规模应 力诱发的微裂纹形变, 这些形变是贯穿岩体
但未达到岩石预计破裂的破裂临界状态的微 破裂水 平前的 形变 ( Crampin and Chast in, 2003) 。剪切波分裂的理论和观测结果显示, 地震与火山爆发前的应力积累一直在增强, 当岩石承受的剪切力到达破裂临界状态时将 发生破裂, 地震和火山喷发将随之发生 ( Cram pin and Zat sepin, 1997; Zatsepin and Crampin, 1997; Cram pin and Chast in, 2003; Volt i and Cr am pin, 2003a, b) 。当有 适当的观测结果时, 这些现象可以用来进行 以应力预测地震( Crampin, 1999) 。本文叙 述了用剪切波分裂来进行应力为基础的预测 临震 时 间、震 级 的 证 据 并 对 结 果 进 行 了 探讨。
了高、低压下的地震响应( Davis et al , 1997) 。
2 震前剪切波分裂的变化
剪切波分裂偏振方向和时间延迟对微裂 纹几何结构的微小变化很敏感。各向异性孔 隙弹性模拟表明应力的增加导致裂纹纵横比 增大, 这可以由时窗中 1 角区内平均时间延 迟 的 增 大 监 测 出 ( Crampin and Zat sepin, 1997) 。图 3 说明了 1 角敏 感, 但裂纹密度在低于破裂临界状态和破裂 水平 之 下 时, 不 受 应 力 微 小 变 化 的 影 响 ( Cram pin, 1999) 。因此, 微小应力变化( 破
1 地壳岩石中的剪切波分裂和 微裂纹
剪切波穿过各向异性岩石时, 分裂成两 个不同速度的近似垂直偏振的波, 它们在三
2
世界地震译丛
2009 年
图 1 通过沿最小水平应力 Rh( 在垂直应力 Rv 增 加的深度下面, 大小等于 Rh ) 方向排列充满流体的近似直 立的微裂纹的剪切波分裂图示( 修改自 Cr ampin and Peacock, 2005) 。 当 Rv= Rh 时 的深度是临 界深 度, 常常在 500m~ 1000m 之间( Crampin and Peacock, 2005) 。在近似垂直传播中, 快分裂剪 切波 的偏振方向平行于裂纹的走向, 即平 行于最 大水平 应力 RH 方 向。慢分裂 剪切波 的偏振 方向 近似 垂直于快分裂剪切波的偏振方向
第6期
剪切波分裂与地震预测
5
表 1 震前剪切波分裂时间延迟持续时间与震中距的变化
序号
地点, 日期
1 冰岛北部震群, 2002-03-31
震中距 ( km) / 台站
7/ BRE
震级1) 11 7M
分量地震记录上有特征性的差别。剪切波分 裂的快波偏振方向总体近似平行于最大水平 应力方向( 图 1) 。这种平行于应力方向的剪 切波分裂是由沿应力取向排列的含饱和液体 近似直立微裂纹造成的, 这些裂纹几乎分布 在所有的原岩里 ( Crampin, 1994) 。各向异 性对称系统显示, 这些水平偏振在大部分剪 切波窗口内具有水平对称轴的横向各向同性 ( 六角对 称) ( 又称 T IH 各向异 性) 的性质, 或者其中有 些细微 差异 ( Crampin, 1981) 。 另外, 具有这种对称现象的地质构造, 结晶 体和沉积岩中比较普遍, 只有沿应力方向排 列的破裂或 微裂纹 结构 ( Crampin, 1994) 。 在剪切波窗口中, 几乎所有的小震上方都能 观测到剪切波分裂现象( 图 2) 。