热测应力为观测地壳应力的动态变化提供了一个新视角, 但它的深入应用强烈依赖于高精度温度测量技术的进步。 文中基于低温漂定值电阻与测温电阻组成的平衡桥式四线制温度传感器, 考虑了恒流换向驱动和深度Kalman数字滤波等一系列技术改进后, 研发了新一版高精度温度测量系统, 设计的温度分辨率为0.003mK。 经过实际检验: 温度测量精度已达0.03mK, 且通过野外观测证实了其测温方案具有可行性。 据此, 可较大幅度提高热测应力的可观测范围, 技术上可获得0.01MPa量级的动态应力变化, 达到了同震库仑应力变化测量的量级。 这意味着新的观测系统可明显地拓展热测应力的应用范围。

2020年1月19日发生的伽师M_S6.4地震正好位于基岩温度观测区内, 且西克尔观测台距离微观震中仅约1.3km, 这为分析地震前后的地温变化提供了机会。 结果显示: 1)在伽师M_S6.4震前及同震均观测到了清晰的地温变化。 同震响应的出现, 意味着震前的这些变化与地震有关, 可能属于前兆信号。 2)时间上, 伽师地震前的基岩温度先是在稳定背景上出现异常变化, 变化达到峰值后回落, 一段时间后才发生地震。 临近地震时, 基岩温度呈现明显的加速上升变化。 这种临震前的加速特征可能与地震亚失稳或成核过程有关。 3)空间上, 震前变化出现在发震断层或附近, 而在距离发震断层较远的测点基本没有观测到明显的异常信息, 预示着短临前兆更倾向于 “近场”信息; 从深度上看, 只有局部深度的位置能观测到震前变化, 前兆观测在深度上存在较明显的不确定性, 理想的情况应该是开展多深度联合观测, 避免漏掉关键的前兆信息。 4)结合2014年11月22日康定M_S6.3地震的观测记录进行了对比分析, 结果表明: 与伽师地震类似, 康定M_S6.3地震前发震断层或附近基岩温度测点的观测结果也出现了明显变化, 这意味着伽师地震前的温度变化并不是孤例。 总之, 从地震前后的基岩温度变化看, 前兆信息具有近场、 构造相关及对应力变化敏感的特征。

文中采用尺寸为50mm×50mm×150mm的花岗闪长岩、 大理岩以及砂岩3种不同的岩石样品, 开展了超声尾波和声发射同步观测研究。 结果显示: 1)尾波变化与声发射演化过程存在良好的对应关系, 声发射频度增加时尾波的变化随之改变, 尤其是声发射频度增加的早期阶段尾波便出现变化。 这预示了分析尾波可获得岩石早期的损伤信息。 2)不同变形阶段, 尾波变化的物理机制不同。 加载初期, 尾波变化存在明显的散射体改变特征; 随后, 在线弹性变形阶段则以波速变化为主; 加载后期, 散射体的改变增加, 且与波速变化共存, 散射体的改变效应与岩石微破裂的程度有关。 3)随着载荷的增加, 波速增加的幅度总体呈逐渐减小的趋势, 这与通过直达波获得的认识基本一致。 4)岩石变形过程中产生的微破裂会改变尾波变化的物理机制, 散射体效应将显著增强。 同时, 声发射波形将对超声尾波造成干扰, 因此在仅利用尾波资料分析岩石损伤时需要关注相关的问题。 总之, 超声尾波变化和声发射均可反映岩石内部的损伤情况, 且不同的变形阶段尾波的变化机制不同, 二者的联合观测可起到相互验证的作用, 有利于提高观测结果的可靠性。

基于区域固定地震台站和6套流动加密台站的观测资料，对重庆荣昌地区2008年10月—2011年7月期间的地震活动性进行了分析。在双差定位的基础上，采用匹配定位方法（M&L）对微小地震进行检测与定位；采用CAP（Cut and Paste）方法，反演获得了M_L≥3.5地震的震源机制解。在此基础上，分析地震活动的时空分布特征、震源特征及其与地质构造的关系，并讨论了2010年9月10日M_L5.1地震前后的小震活动特征。通过匹配定位方法共检测到3 354次微地震事件，约为中国地震台网中心地震目录的5倍，震级集中于M_L-1.0～1.0之间，震源深度大部分处于2～4km范围内；震级-频次统计分析表明，地震目录更加完整，震级下限从M_L1.0降低到M_L0.3。地震活动主要集中在几条隐伏断层附近，并具有从注水井向外扩展的特征；9次M_L≥3.5地震震源机制解均为逆断层型，与该区区域应力场协调，并与已有断层性质一致，表明地震活动与注水活动导致已有断层的再活动有关。而发震断层方向、倾角及滑动角散布范围较大表明流体孔隙压力增加对局部应力场有较大影响，使不同产状的断层活化。M_L5.1地震发生之前，地震活动首先表现为时间上丛集，空间上分布于大部分发震断层段上，随后出现了约3月的平静期，这与基于实验结果提出的"蠕滑-均匀化"机制一致，可能是断层亚失稳的一种表现形式，但这种解释需要进一步的工作论证。

近年来的实验和野外观测证实可通过基岩温度测量来获得地壳应力状态变化，称为"热测应力"。高精度的温度观测系统是"热测应力"的关键技术。经过多年研制，前后经历了多期修改，目前已较完善。核心技术指标包括：1）温度测量系统的精度优于1.0mK；在99.5%的置信水平上，精度达到了0.5mK。相当于可以测量到几个或零点几个MPa量级的地壳应力变化。其中，采样周期远程可调，实际中采样周期通常设为5min，或15min。2）通道数：单台可达20个通道。目前常用8或12通道。3）实现低功耗：采用铅酸电池供电，120Ah12V铅酸电池，对于8个通道深度为20m的地温观测台，可连续供电≥2a。总之，高精度多通道低功耗温度测量系统的研发成功，尤其低功耗设计的实际效果显著，极大地降低了后期维护成本。这对于利用基岩温度观测地壳应力变化提供了1个良好的技术基础。

实验室断层黏滑伴随有温度变化,温度不但与摩擦滑动有关,还与样本的应力状态相关。文中利用红外热像仪进行全场观测,研究平直断层黏滑不同阶段的热场演化。实验不仅观测到了峰值前后从应力积累转变为释放导致的温度由升转降的现象,还观测到了失稳后断层升温和块体降温的相反变化。更重要的是通过分析沿断层各个部位的温度随时间的变化,发现了识别失稳部位的温度前兆:失稳部位的温度从强偏离线性阶段开始,一直是相对高值,在亚失稳阶段升温速率突然增大,远高于其他部位。分离摩擦和应力的作用后,发现亚失稳阶段失稳部位的升温发生于围岩上而非断层带上,说明断层处于闭锁状态而相邻的围岩区域处于应力集中状态,推测满足这2个条件的部位可能是未来的失稳部位。此现象或许有助于野外发震位置的判断。

为了研究实验变形失稳过程中的应变场快速调整阶段和岩石结构破坏过程中的复杂变形场，将高速、高分辨率、多通道的应变观测技术引入构造物理实验，搭建了用以观测瞬态变形场的多通道动态应变观测系统，形成了16Bit分辨率、96通道、3.4kHz采样速度、1με分辨率且连续记录的应变观测系统。通过观测断层失稳过程高速滑动阶段和裂纹扩展过程的力学场时空变化，发现断层粘滑失稳过程的演化具有3个特征阶段：预滑动阶段、高频震荡阶段和低频调整止滑阶段。每个阶段的持续时间、应变速率、频率特性、振幅等都具有自身特点；三维断层扩展模型的实验结果显示，岩桥区断层贯通是一个快速过程，先多点局部扩展，后跳跃式连接。在断层贯通之后，样品整体崩垮之前，存在一个相对稳定的阶段，持续时间为几十ms。多通道动态应变观测系统填补了在地震模拟与岩石力学实验中应变观测频带的空缺，可以获得高密度、高精度的动态应变场，进一步研究瞬态应变场演化与应变波时空过程，为理解从缓慢递进变形到突发失稳释放过程提供了技术支持。

以汶川地震为例，探索卫星遥感获取的地表温度场中可能存在的构造活动信息。主要开展了3方面工作：1）分析了汶川地震前后的热场演化过程。结果表明，通过数据处理，将地表温度中的地形、大气和稳定年周期太阳辐射等非构造因素的影响去除后，获得的原地温度场中，存在丰富的、与构造展布密切相关的热信息。2）结合浅层气温的实际观测资料，初步尝试建立地表温度与地壳应力应变之间的定量关系。结果表明，地壳应力引起的温度变化，可对近地表大气温度产生比较明显的影响。特别是地表温度场中的低温区具有较高的可信度。汶川地震前后，降温区主要沿着大型活动地块的边界展布，反映出这些块体边界之间的相对拉张（或松弛）运动关系。3）以同震变形响应资料为基础，开展了变形与热信息的对比分析。结果表明，温度场获得的结果与同震变形观测结果高度吻合。这说明青藏高原内部地块边界的温度变化，可能正是地震前后青藏高原内部变形调整过程的真实反映。总之，可以通过“热”的方式来获取地壳应力状态的变化信息。

一次地震包含很多信息，其频率范围很宽。迄今为止，地震记录观测的主要频率范围在100Hz以下，超高频地震信息少为研究者所关注。然而，高频微震活动却是反映断层微动态过程的重要信息。文中介绍了新研发的100kHz超高频地震仪，并对该仪器在云南大理地区观测所记录到的地震信号进行了震源及信号频谱特征等方面的分析。结果表明，地壳运动产生的高频微震信号真实存在并且可以被仪器所记录。这次观测每天记录到上百次-3～-1级的微地震信号，最大震源距为4.87km。信号的主频带范围为100～300Hz，还包含了达800Hz的高频信号成分。超高频微震观测有可能成为研究小区域构造活动的一个新的途径。

近年来,中国大陆强震主要发生在巴颜喀拉地块周边,该地块成为近期中国大陆强震主体地区。在一些关键构造部位,开展地壳活动信息监测具有重要的实际意义。作者所在研究组专门研发了适于野外观测的无线地温遥测设备,在鲜水河断裂带建立了无线地温遥测台网。在2013年4月20日的芦山地震前后,观测到了一些值得关注的现象: 从2013年1月31日开始,康定地温出现持续变化,并与台站周围小震活动存在良好的对应关系。根据温度与力之间的关系,基岩温度突变的内在本质是应力调整。从构造角度看,龙门山断裂带和鲜水河断裂带同属于巴颜喀拉地块的不同边界,康定测点与芦山地震之间存在关联性,上述温度变化可能与芦山地震有关。

龙门山断裂带在先后5年中发生了2008年汶川M_S 8强震和2013芦山M_S 7强震。研究龙门山断裂的地震活动特点,分析地震发展形势成为人们关注的焦点。文中从龙门山断裂带40多年的地震时空演化出发探讨了汶川地震孕育过程中的几个现象: 1)孕震范围远小于发震范围,说明在有限断层段上孕育的地震在快速失稳过程中可以连接和扩展成规模很大的失稳断层; 2)汶川地震前孕震区小震密集,持续了8年以上,而无明显错动和变形,意味着汶川断层段可能经历了强烈的碎裂方式的挤压应变,在碎裂达到一定程度后失稳; 3)为进一步了解震前主震区附近的变化,研究了紫坪铺水库专用台网记录的2004年以来主震附近区域的小震活动的时空过程。结果显示,震前主震附近区域的地震活动曾在2005年10月和2006年10月发生过2次沿断层走向的扩展,扩展时间恰巧与紫坪铺水库2次高水位相呼应。其中,2006年10月地震活动的扩展范围大,震级高。这对说明汶川地震最后的失稳过程十分重要。此外,文中还讨论了汶川地震的发生过程与断层几何相关以及芦山地震没有直接发生在汶川地震后,而是发生在多年后的可能原因。研究结果有助于认识逆断层型强震孕育过程。

在实验室利用分布式多通道瞬态信号采集系统,从近场条件下研究了岩石粘滑过程中沿断层的声发射信号的初动到时和初动方向空间分布,并结合瞬态高频应变记录系统观测沿断层的应变分布特征,对粘滑过程中的震源错动行为进行了研究。实验在双轴伺服加载系统上进行。分析表明,一次突发应力降对应的瞬时震源滑动过程是由多次更短暂的微小错动组成的,每次短小错动都产生自己的声发射事件,并依次对应不同的应变值快速改变。而每一次的微小错动也可能不止一个位错点,而是对应空间上多个启动点,从振动波初动信号的空间分布形式与沿断层应变场不均匀分布中可以找到证据。近场条件下观测到的粘滑过程多点错动现象对于理解震源过程的复杂性,解释现场地震震源不确定性与震源机制解的高矛盾比现象提供了可能的依据。

利用一套双向伺服系统对含压性和张性雁列断层的标本进行变形实验,实验中应用红外热像仪和接触式测温仪同步记录岩石变形过程中热红外辐射的亮度温度场和温度场的变化;使用数字CCD相机同步采集标本表面的数字图像,并利用数字散斑方法对采集到的图像进行分析得到位移场和应变场的演化过程。实验结果表明:1)在断层贯通前压性雁列岩桥区温度最高,而张性雁列岩桥区温度最低;数字散斑结果显示压性岩桥区平均应变最高,而张性岩桥区平均应变最低。温度场对两类雁列断层在岩桥区相反的受力状态有清晰的响应,可以为判断断层应力状态提供标志。2)雁列断层经历了从岩桥区应力积累、破坏到断层失稳错动两个变形阶段,升温机制也由应变升温变为摩擦升温;伴随升温机制的转变,在岩桥区观测到断层失稳错动前的破坏降温、温度快速起伏以及升温脉冲等现象,是观测失稳前兆的最佳部位。3)在雁列岩桥区裂纹端点附近观测到升温脉冲,表现为温度快升快降,随后即出现断层带的快速升温。升温脉冲现象可能与裂纹端部的应力奇异集中和破裂扩展引起的应力释放有关。裂纹端部的扩展是断层失稳错动的条件,随后断层带的升温正是断层失稳错动造成的。断层带开始升温发生在失稳前2～3s内,岩桥区的降温发生在失稳前约20s,升温脉冲比断层错动早10～20s,它们是断层失稳错动的短临标志。对断层关键部位的温度变化开展观测与研究对发现断层活动十分重要,变温机制转变阶段对提前觉察断层失稳前兆尤为重要。

简要介绍了地震动力学实验室新一代声发射定位软件的主要功能、定位算法的实现方案以及定位效果的评测结果。新软件配有多种通用数据库接口,具有与设备无关的处理能力。它除了可以进行三维定位之外,还可以进行面定位与线定位。定位时,可以给定样品的波速,也可以把波速当未知数求解。定位算法的主要改进有两个方面:1)以稳健的走时绝对偏差最小作为定位目标函数;2)方程组求解优化过程采用了模拟退火法直接搜索目标函数的全局最小值。新软件显著提高了定位的精度,同时提供了一个方便快捷的数据处理平台。

利用热辐射探索构造活动具有“强背景,弱信息”的特点。地表辐射的探测精度与构造活动引起的辐射增强同属一个量级,有效信息可能被淹没于反演误差之中。并且,获得足够的精度后如何突出构造活动信息也是难点。为了解决上述问题,文中提出一种新方法——均值梯度法。其基本特点是,首先利用长时间数据进行平均,以损失一定的时间信息为代价获取更高的数据精度。然后根据大气和构造活动对地表热辐射影响的不同,利用热辐射梯度突出正在活动之断裂带的空间展布。分析表明,该方法可为利用热辐射探测现今构造活动的时空变化提供一些信息,同时也可为地震危险区划提供帮助。

在岩石变形声发射研究中,为了更好地探究声发射的物理特征,需要不断发展声发射数据的采集和处理技术。地震动力学国家重点实验室的声发射观测系统的记录能力在成倍提升,实验中产生的数据量也大幅增加,这对声发射数据存储、处理和系统地开展岩石变形声发射实验提出了挑战。针对用户的不同需求,文中构建的基于网络的实验室声发射实验数据服务系统不仅实现了数据积累,还实现了数据处理方法的积累和共享。加之与设备无关的声发射数据访问接口的实现,降低了数据访问与处理的门槛,提高了数据的使用率和处理效率。该系统能够满足科研和程序开发用户的需要,能够减少现有工作模式中存在的弊端,可以将其解决方案推广,应用于其它实验数据,提高科研工作效率。

欲从热红外辐射中找到构造活动与地震活动的信息,需要考虑2个基本问题,即大气的影响和地表热红外辐射的稳定场。通过以下方面的工作尝试对上述问题进行了研究:1)提出了地表亮度温度及年变基准场的概念。2)利用NOAA卫星20年的观测资料,文中在获得地表亮温(LSBT)的基础上,借用分离窗方法和小波分析方法,提取了中国地表亮温的年变基准场,为进一步分析异常场打下了基础。计算表明,大气的影响一般在±10K范围内。

红外遥感影像主要反映的是地表温度。然而气象因素对地表温度的影响远大于来源于地下的地质因素,可能存在的地下热异常信号淹没在气象信息之中。如何从中提取地下热信息,成为一个关键问题。文中由热传导理论出发,根据地下热信号通过不同热扩散率材料传到地表时将产生较大时间差的特点,提出了提取地下热异常的新指标“透热指数”。通过对实验数据和遥感数据的试算,分析了使用“透热指数”法的条件及影响因素。

利用地表辐射(亮温)求取地面温度需要通过岩石比辐射率进行换算。地球上的岩石千差万别,即使岩石学上分类一致的岩石,比辐射率也可以显著不同,需要大量的比辐射率时,现有测量方法显得过于复杂或环境要求过高,发展简便的比辐射率测量方法十分必要。实际上,在室温情况下,比辐射率为常数,可以通过测量一系列的温度和相应的辐射值,仪器本身的辐射和环境辐射可直接当作未知量参加反演,最终利用最小二乘法拟合获得比辐射率,大大降低了测量的难度。文中测量了16种岩石标本的比辐射率,方差一般保持在0.01左右,大多数<0.01;线性拟合的相关系数均>0.99。

对地表常见的5种岩石样品和应力变温特性进行了详细研究。实验结果与理论分析表明,岩石弹性变形的压力温度关系均表现为加压升温,减压降温,同经典热力学理论完全一致。在常温常压的地表环境下,开放观测系统记录到的岩石材料弹性变形所引起的最高温升在0.2K左右,升温率一般在3mK/MPa左右。破裂或摩擦瞬间岩石有显著升温,温度变化量从几至十几摄氏度不等。弹性变形导致的温度变化量极其微小,不但远远小于气候影响的幅度,而且超出了卫星红外的直接探测能力。因此,需要探索新的红外图像分析方法,考察其它的热异常物理机制。

岩石变形导致的温度变化极其微弱,对观测系统与环境有严格要求。正确选择红外观测系统的参数,配备高灵敏度的温度场观测设备,以及有效地控制环境热背景决定了变形热红外实验结果的可靠性。在对噪声与干扰源进行详细分析的基础上,提出了进行热红外实验所需要的各主要设备的关键技术指标,并建立了一套相应的实验系统。典型材料样品实验表明,在考虑到变形热红外实验的各种特殊要求,认真选择观测设备,并进行了严格的误差校正之后,可以获得可靠的变形热过程信息。

分析了近百年来中国大陆强震的时间与空间分布。强震活动具有在时间上的起伏特征与空间上集中分布于主体地区的特征。综合考虑时间、空间的分布特征的动态变化,进一步阐明了微动态期划分的意义,并且与活动-平静期进行了对比。中国及其邻区大陆强震的个体行为具有丛集性。近百年来存在一种大约13a的阶段,反映了大范围的地震能量积累的起伏发展过程。与时间轴上的相对高潮期相对应,各期存在1个地震活动主体地区与另1个次活动区,2个大震活动区的相对位置往往分别处于青藏高原的两侧。相当部分的强震孕育是在原有孕震区继续进行的,而多数强震的孕育是在原有区域外进行的。活跃期与平静期的划分对理解时间分布的不均匀性是有意义的,然而活动期的长短不一,强度不同,活动期内也有起伏。从强震活动的孕育过程看,微动态期的划分更有利于对强震空间分布的预测。

利用三维黏弹性有限元模型,模拟出中国大陆的长期平均运动状态.其位移场与当前GPS结果比较有很强的一致性和较小的差异性,这从一方面说明了各时期板块边界的运动状态可能只是在均衡状态附近的幅度不大的震荡.进一步分析其应力场,由于海洋板块的俯冲,在大陆东部边界产生挤压、引张、挤压应力相间的情形,华北地区出现引张力作用,与其他研究结果一致.分析大陆东部的剖面,进一步证明大陆东部应力性质的变化,并且由于大陆岩石圈本身分层流变性会使应力逐渐集中到黏滞性较大的地壳部分.模拟显示在大陆岩石圈剖面中形成规模不等的位移对流环,还有待进一步的研究.

根据强震能量密度分布图对中国大陆强震区进行分析,运用三维黏弹性有限元模拟研究在印度次大陆的长期推挤作用下中国及其邻区的黏弹性变形场与应力场.中国大陆强震区主要是在3方面的动力作用下形成的:1)印度次大陆长距离的挤入使碰撞带2犄角的变形不断延伸,形成两侧的变形梯度带,高原巨厚地壳为弹性应力能的集中创造了介质条件,处于较大深度和较高温度下的下地壳的蠕变使上部弹性层的应力集中.2)亚洲东部大尺度向E运移使印度板块向NNE的挤入在青藏高原北部转为NE向运动,同时也使两侧变形带由NNE转为NE向.3)高原内部的不均匀挤出促进了高原东侧3个弧形带的形成.

要解释在很短的时间尺度内强震活动主体地区的大范围迁移现象,必须考虑整个岩石圈的分层流变结构和应力积累的时间过程.文中分析了应力在岩石圈中的传播情况,论证了板块边界对大陆内部的动态作用形式,推导出了在常速度边界条件下,双层黏弹性模型的解析解.证明在板块边界连续动态作用条件下,由于岩石圈的分层流变性和应力在不同流变性介质中的传播特征,在黏弹性模型黏滞性较大层中应力的积累时间可以大大缩短,从而可以较合理地解释一些短期的地质现象.