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卫星大地测量用于东亚大陆地球动力学与地震学研究回顾

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地球物理学报 2021年第10期64卷 3514-3520页

作者：沈正康北京大学地球与空间科学学院北京100871

王仁先生是中国地球动力学研究的开创者,他所引领的有关潮汐和板块运动造成的地壳应力场演化研究使得有关活动构造、断层形变和地震危险性的研究从定性走向定量,并在过去半个世纪中不断丰富发展.卫星大地测量方法从20世纪80年代开始用... 详细信息

王仁先生是中国地球动力学研究的开创者,他所引领的有关潮汐和板块运动造成的地壳应力场演化研究使得有关活动构造、断层形变和地震危险性的研究从定性走向定量,并在过去半个世纪中不断丰富发展.卫星大地测量方法从20世纪80年代开始用于精密定位和运动测量,为地球动力学和地震学研究提供了不可缺少的观测资料,极大促进了相关学科的发展.本文结合本人研究经历回顾卫星大地测量方法用于东亚大陆地球动力学、地震构造学和地震物理过程研究带来的一些重要发现,作为对王仁先生在相关领域开创性贡献的纪念.

关键词：卫星大地测量地球动力学地震学东亚大陆回顾

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汶川地震发震断层破裂触发过程

地球物理学报 2014年第10期57卷 3308-3317页

作者：贺鹏超沈正康北京大学地球与空间科学学院地球物理系北京100871 美国加州大学洛杉矶分校地球与空间科学系

2008年汶川大地震造成北川断裂、彭灌断裂、小渔洞断裂等多条断裂的破裂,呈现出复杂的破裂过程.对此,以往地震学的研究没有对于各个发震断层的破裂先后顺序给出充分论证.本文计算由于断层破裂在其他断层段上造成库仑应力的变化,根据其... 详细信息

2008年汶川大地震造成北川断裂、彭灌断裂、小渔洞断裂等多条断裂的破裂,呈现出复杂的破裂过程.对此,以往地震学的研究没有对于各个发震断层的破裂先后顺序给出充分论证.本文计算由于断层破裂在其他断层段上造成库仑应力的变化,根据其相互触发关系确定断层可能的破裂顺序.结果表明,各断裂带可能的发震顺序为:主震在北川断裂南端(小渔洞断裂以南的北川断裂虹口段)起始,造成北川断裂的后续段落龙门山镇—清平段和彭灌断裂同时破裂,进而触发小渔洞断裂发生破裂.

关键词：汶川地震几何模型同震破裂模型破裂触发库仑应力变化

2008年汶川大地震临震前震中附近是否存在显著的地壳垂直运动？

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地震地质 2014年第4期36卷 956-963页

作者：王敏沈正康中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室北京100029 北京大学地球和空间科学学院北京100871

2008年5月12日的汶川MS8.0地震是自1976年唐山地震以来发生在中国大陆的最大灾难事件。地震发生后有人通过对GPS数据的动态处理分析认为在地震前1小时内震中附近有非常显著的地壳垂直运动发生,从而提升了地震学界对通过高频GPS观测技术... 详细信息

2008年5月12日的汶川MS8.0地震是自1976年唐山地震以来发生在中国大陆的最大灾难事件。地震发生后有人通过对GPS数据的动态处理分析认为在地震前1小时内震中附近有非常显著的地壳垂直运动发生,从而提升了地震学界对通过高频GPS观测技术实现地震短临预报的预期。高频GPS观测技术是近年来GPS技术发展的一个重要方面,在研究地震前后地壳形变短期变化过程、地震震源破裂过程等方面取得了非常广泛的应用,但数据解算的精度和可靠性还是受到多种因素的制约。文中提出了一种基于数据静态处理得到的载波相位观测残差来分析测站位置动态变化的方法,并采用这种方法对汶川地震前震中附近几个GPS连续站的数据进行分析,结果表明汶川地震前震中附近并不存在显著的地壳运动。

关键词： GPS 静态/动态数据处理汶川地震地壳垂向形变

紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化及其对2008年汶川地震触发作用

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地球物理学报 2014年第10期57卷 3318-3331页

作者：陶玮 Timothy Masterlark 沈正康 Erika Ronchin 张永中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室北京100029 Department of Geology and Geological Engineering South Dakota School of Mines & Technology 北京大学地球与空间科学学院地球物理系北京100871 Department of Earth and Space Sciences University of CaliforniaLos Angeles Institute of Earth Sciences Jaume Almera Spanish National Research Council

位于川西地区龙门山断裂带附近的紫坪铺水库于2005年9月开始蓄水.约2.7年后,2008年5月12日,Mw7.9级汶川地震在龙门山断裂带上发生,两事件在时间和空间上的接近,揭示其可能相互关联,但前人的诸多研究给出了不同甚至是相反的结果.本研究... 详细信息

位于川西地区龙门山断裂带附近的紫坪铺水库于2005年9月开始蓄水.约2.7年后,2008年5月12日,Mw7.9级汶川地震在龙门山断裂带上发生,两事件在时间和空间上的接近,揭示其可能相互关联,但前人的诸多研究给出了不同甚至是相反的结果.本研究基于完全耦合孔隙弹性理论,利用二维有限元模型（FEM）,模拟水库蓄水造成的区域孔隙压力场和应力场的演化过程,基于库仑应力演化探讨其对龙门山断裂带活动的影响.模拟结果显示紫坪铺水库蓄水打破了原来的区域孔隙压力平衡,形成孔隙压力梯度源,向周围地壳传播;进而造成龙门山断裂带上库仑应力正值范围不断扩大,由浅入深影响到整条断层,尤其对浅层范围的加载作用明显,达上百千帕,为整个断层面的失稳提供了基础.震源区域库仑应力呈持续增长趋势,汶川地震发震前,增长了约数千帕-数十千帕,即使初期库仑应力为负,在未来某时刻库仑应力仍可能由负转正,并不断增大.通过计算汶川地震震源及其附近区域内相对于多种可能断层倾角的库仑应力,发现库仑应力随断层倾角增大而增加.因此整体来看,紫坪铺水库蓄水对龙门山断裂带起加载作用,有可能触发地震.对紫坪铺库区周围的小震分析也显示,蓄水以来小震明显增多、且不同时段小震发生密集区与水库距离逐渐增大,与孔隙压力扩散趋势一致.以上结果表明紫坪铺水库的蓄水增加了汶川地震的危险性.

关键词：紫坪铺水库完全孔隙弹性耦合应力触发汶川地震有限元

答“评‘紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化及其对2008年汶川地震触发作用’二维模拟的局限性”

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地球物理学报 2015年第4期58卷 1462-1465页

作者：陶玮沈正康张永中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室北京100029 北京大学地球与空间科学学院地球物理学系北京100871 Department of Earth and Space Sciences University of California

程惠红等(2015)在"评‘紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化及其对2008年汶川地震触发作用’二维模拟的局限性"一文中提出,陶玮等(2014)采用二维模型模拟紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化是一个不足,夸大了汶川地震震源处库仑应力增长值.我... 详细信息

程惠红等(2015)在"评‘紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化及其对2008年汶川地震触发作用’二维模拟的局限性"一文中提出,陶玮等(2014)采用二维模型模拟紫坪铺水库造成孔隙弹性耦合变化是一个不足,夸大了汶川地震震源处库仑应力增长值.我们认为采用二维模型模拟水库造成汶川地震震源处库仑应力变化确实可能存在一定偏差,但不会如程惠红等认为的"与三维模型相比夸大三倍".这是因为在程惠红等引用的论证中,二维模型计算中选取了接近水库最大剖面宽度而不是水库平均剖面宽度作为加载量参数,造成计算得到震源处库仑应力明显夸大.此外,陶玮等(2014)提出论断的主要依据不是"震源处"库仑应力值的大小,而是紫坪铺水库蓄水"由浅入深影响到整条断层,尤其对浅层范围的加载作用明显,达上百千帕,为整个断层面的失稳提供了基础".初始破裂的发生既可能是由水库蓄水引起,也可能是并非水库蓄水造成的一次普通构造小震,但其发生引发断层面上部已被水库蓄水弱化部分的连锁失稳而发生大震.即汶川地震既可能为直接触发也可能为间接触发,而我们的研究结果认为地震的发生完全可能由间接触发产生.若仅纠结于"震源处"的库仑应力变化,则忽视了水库蓄水影响的主体.水库蓄水对地震触发作用是一个复杂问题,相对这一问题所涉及的一系列不确定性因素来说,二维模拟的局限性所造成的影响并不很大也不是最大的,也不妨碍我们据此得出紫坪铺水库蓄水促进汶川地震发生的结论.

关键词：紫坪铺水库二维模型汶川地震断层弱化整体影响

1933年叠溪地震的发震位置、震源机制与区域构造

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地震学报 2011年第5期33卷 557-567,699页

作者：王康沈正康北京大学地球与空间科学学院中国北京100871

1933年发生于中国四川省境内的叠溪M7.5大地震造成了人民生命财产的重大损失.然而限于资料匮乏,人们对此次地震的发震构造和震源机制解的认识尚不统一.本文收集整理了当时全球各地震台站对此次大地震的记录,对叠溪地震进行了重新定位,... 详细信息

1933年发生于中国四川省境内的叠溪M7.5大地震造成了人民生命财产的重大损失.然而限于资料匮乏,人们对此次地震的发震构造和震源机制解的认识尚不统一.本文收集整理了当时全球各地震台站对此次大地震的记录,对叠溪地震进行了重新定位,确定的震中位置为31.9°N,103.6°E.挑选具有P波初动符号的台站记录,利用格点尝试法得到了叠溪地震震源机制解的节面之一呈北北西走向,范围为N5°—30°W.结合该区域地质资料给出的岷江断裂南段为近南北向的事实,以此节面为叠溪地震的断层面,我们认为叠溪地震的发震构造系以左旋走滑为主兼具逆冲分量的岷江断裂南段.跨岷山地块10年尺度的GPS观测结果显示,虎牙断裂具有2mm/a的地壳缩短率,对应于岷山第四纪以来的强烈隆升.1933年叠溪地震表现出的岷江断裂的左旋特性与现今GPS测量结果的不一致,可能反映了龙门山与岷江两大断裂系蕴震过程中地壳形变场的相互作用,特别是龙门山断裂带在2008年汶川大地震孕震过程晚期对区域地壳形变场的调整.

关键词：叠溪地震震源机制解岷江断裂地壳形变

非构造形变对GPS连续站位置时间序列的影响和修正

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地球物理学报 2005年第5期48卷 1045-1052页

作者：王敏沈正康董大南地震动力学国家重点实验室中国地震局地质研究所中国地震局地震预测研究所 Department of Earth and Space Sciences University of CaliforniaLos Ar gelesCalifornia 90095-1567.USA Jet Propulsion Laboratory California Institute of TechnologyPasadenaCalifornia 91109USA

GPS观测得到的地壳形变场通常包含有构造形变与非构造形变二类信息,去除其中的非构造形变信息对于有效运用GPS数据研究构造形变场至关重要.本文运用国际卫星对地观测资料及各类地球物理模型,定量计算海潮、大气、积雪和土壤水、海洋非潮... 详细信息

GPS观测得到的地壳形变场通常包含有构造形变与非构造形变二类信息,去除其中的非构造形变信息对于有效运用GPS数据研究构造形变场至关重要.本文运用国际卫星对地观测资料及各类地球物理模型,定量计算海潮、大气、积雪和土壤水、海洋非潮汐4项负荷效应造成的地壳非构造形变,并以此研究和修正这些非构造形变对中国地壳运动观测网络GPS基准站位置时间序列的影响.研究发现此4项负荷效应,特别是大气、积雪和土壤水,对于测站垂向位置的影响显著.通过模型改正可以使测站垂向位置的RMS降低～1mm,占其总量的～11%.对于垂向时间序列的周年项部分,这一改正可降低其振幅的37%.研究还表明经过地球物理模型改正和周年、半周年谐波拟合改正的时间序列比起仅经过周年、半周年谐波拟合改正的时间序列更为平滑,表明地球物理模型改正对于消除非构造形变场的作用不是周年、半周年谐波拟合改正所能替代的.

关键词：地壳运动非构造形变质量负荷 GPS

川滇地区现代地壳运动速度场和活动块体模型研究

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地震地质 2003年第4期25卷 543-554页

作者：吕江宁沈正康王敏北京大学地球与空间科学学院地球物理系北京100871 中国地震局地质研究所北京100029 中国地震局分析预报中心北京100036

通过分析中国地壳运动观测网络的GPS数据得到川滇地区地壳水平运动速度场 ,由此划分活动块体并分析其运动特征。结果表明 :相对欧亚板块 ,滇中、雅江和中甸次级块体的顺时针转动速率分别为 0 37°± 0 16°/Ma ,0 84°± 0 39°/Ma... 详细信息

通过分析中国地壳运动观测网络的GPS数据得到川滇地区地壳水平运动速度场 ,由此划分活动块体并分析其运动特征。结果表明 :相对欧亚板块 ,滇中、雅江和中甸次级块体的顺时针转动速率分别为 0 37°± 0 16°/Ma ,0 84°± 0 39°/Ma和 0 90°± 0 39°/Ma ,造成块体间跨木里弧形断裂带约 3mm/a的SN向挤压、丽江 -大理断裂带约 4mm/a的EW向拉张和理塘断裂带约 6mm/a的近EW向拉张。鲜水河断裂带左旋走滑速率 8～ 10mm/a ,安宁河 -则木河 -小江断裂带左旋走滑 5～6mm/a。龙门山断裂带没有明显的地壳消减 ,而断裂带西北约 15 0km处有一形变速度阶跃带 ,右旋走滑速率 4～ 5mm/a。阶跃带两侧的岷山块体和阿坝地区逆时针转动速率分别为 0 13°± 0 0 8°/Ma和0 5 3°± 0 19°/Ma。鲜水河 -小江断裂带以南、以西地区 ,青藏高原物质的E向挤出和重力滑塌造成川滇块体东移 ,在东部相对稳定的华南地块的阻挡下 ,川滇块体沿鲜水河 -小江断裂带由东转向南运动 ,从而引起川滇块体内部各次级块体的顺时针转动。

关键词：地壳形变 GPS 活动块体速度场川滇地区

基于2001年Mw7．8可可西里地震震后形变模拟研究藏北地区岩石圈流变学结构

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地球物理学报 2018年第2期61卷 531-544页

作者：贺鹏超王敏弘王琪沈正康北京大学地球与空间科学学院地球物理系北京100871 中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室北京100029 中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院武汉430074 美国加州大学洛杉矶分校地球与空间科学系 CA90095-1567USA

青藏高原岩石圈的流变学结构和形变机制是地学界长期争论的重大科学问题.2001年发生在东昆仑断裂带的M_W7.8可可西里地震造成青藏高原北部地区岩石圈构造应力场的很大改变,引起下地壳与上地幔的快速弛豫形变,从而为研究这一问题提供了... 详细信息

青藏高原岩石圈的流变学结构和形变机制是地学界长期争论的重大科学问题.2001年发生在东昆仑断裂带的M_W7.8可可西里地震造成青藏高原北部地区岩石圈构造应力场的很大改变,引起下地壳与上地幔的快速弛豫形变,从而为研究这一问题提供了难得的机会.本研究采用该区域的GPS震后观测,反演这一地区岩石圈的流变学参数并探讨其形变机制.反演所采用的数据来自45个GPS观测点,其中包括一个中国地壳运动观测网络的基准站,数据最长时间跨度达6.4年.大地震震后形变场主要来源于地壳、上地幔的黏弹性松弛与断层面上的震后余滑,因此本研究同时反演介质的黏滞系数和断层的震后余滑.考虑到东昆仑断层南侧的巴颜喀拉-羌塘地区与北侧的柴达木盆地地区具有明显不同的地壳结构,断层南北两侧采用不同的Burgers体流变学结构,其下地壳-上地幔的短期和长期黏滞系数采用网格搜索法获得;断层震后余滑反演则同时施加近似正比于库仑应力的约束.最终结果显示:东昆仑断层北侧柴达木盆地地区下地壳-上地幔短期和长期黏滞系数分别为5×10~18 Pa·s和1.5×10~20 Pa·s;东昆仑断层南侧巴颜喀拉-羌塘地区下地壳-上地幔短期和长期黏滞系数分别为1.5×10~18 Pa·s和1.5×10~19 Pa·s.这一结果表明:巴颜喀拉-羌塘地区下地壳-上地幔黏滞系数显著低于柴达木盆地,意味着巴颜喀拉-羌塘地区下地壳可能存在部分熔融,其地壳形变模式更趋近于连续形变,而柴达木盆地形变模式更趋近于块体运动.研究区下地壳长期黏滞系数比下地壳流模型所主张的黏滞系数高2~3个数量级,表明下地壳流在本地区可能不存在.

关键词：可可西里地震 GPS观测震后形变流变学结构下地壳流