2016年新疆阿克陶M_S6.7地震和呼圖壁M_S6.2地震的余震觸發(fā)研究

王蘇 李建有 徐曉雅 趙淑芳 林鳳仙 解朝娣 李金 劉建明

摘要：基于斷層位錯產(chǎn)生的靜態(tài)位移計算理論，首先計算了2016年11月25日新疆阿克陶MS6.7地震及2016年12月8日新疆呼圖壁MS6.2地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化，在此基礎(chǔ)上，與余震活動的空間分布進行對比，分析了這2次主震對余震的應(yīng)力觸發(fā)作用。結(jié)果表明：阿克陶MS6.7地震的余震活動主要發(fā)生于主震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力的應(yīng)力減小區(qū)域內(nèi)，而呼圖壁MS6.2地震95%以上的余震都發(fā)生在震中附近的應(yīng)力增加區(qū)域內(nèi)。呼圖壁MS6.2地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力對地震活動有顯著的應(yīng)力觸發(fā)作用，而阿克陶風6.7地震的對余震的應(yīng)力觸發(fā)作用不明顯。

關(guān)鍵詞：新疆阿克陶MS6.7地震；呼圖壁MS6.2地震；庫侖破裂應(yīng)力；地震觸發(fā)

中圖分類號：P315.727 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）01-0098-06

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2016年11月25日22時24分，在新疆克孜勒蘇柯爾克孜州阿克陶縣發(fā)生了MS6.7地震，震中位置（39.3°N，74.0°E）。截至11月27日0時，共記錄到ML5.0～5.9余震1次，ML4.0～4.9余震5次，最大余震震級為ML5.3。2016年12月8日13時15分，新疆昌吉州呼圖壁縣發(fā)生了MS6.2地震，震中位置（43.8°N，86.3°E），截至12月11日18時，記錄到的余震總數(shù)為1225個，余震震級最高為ML4.5。這2次地震發(fā)生后，余震活動頻繁，本文擬對這2次地震主震是否產(chǎn)生了應(yīng)力觸發(fā)作用以及是否影響了后續(xù)地震活動的發(fā)生進行研究。

地震應(yīng)力觸發(fā)研究始于1992年美國Landers地震，King等（1994）計算得到該地震對后續(xù)Big-Bear6.5級地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力增量約2bar，認為Landers地震加速了BigBear地震的發(fā)生。此后，大量的地震實例中都發(fā)現(xiàn)存在地震觸發(fā)作用，甚至有可能觸發(fā)中等地震。地震應(yīng)力觸發(fā)通常是以O(shè)kada斷層位錯產(chǎn)生的靜態(tài)位移表達式（Okada，1985，1992）為基礎(chǔ)，通過計算主震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化的空間分布，對比后續(xù)余震活動的空間分布，以此為基礎(chǔ)分析地震的應(yīng)力觸發(fā)作用（Hardebeck et al，1998；Hill et al，1993；Toda etal，1998；劉桂萍，傅征祥，2001；萬永革等，2000；解朝娣等，2010）。

本文利用2016年新疆阿克陶地震以及呼圖壁地震的余震精定位數(shù)據(jù)，以及中國地震局地球物理研究所（2016）給出的2次主震的震源破裂過程研究結(jié)果，通過計算主震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力空間分布，對這2次主震及余震活動分布與庫侖破裂應(yīng)力變化之間的關(guān)系進行了探討，以此研究地震對余震的應(yīng)力觸發(fā)作用。

1 構(gòu)造背景

陳杰等（2016）對阿克陶地區(qū)的震后考察，發(fā)現(xiàn)2016年新疆阿克陶MS6.7地震發(fā)震斷層處于公格爾拉張系，而公格爾拉張系屬于帕米爾構(gòu)造結(jié)，位于帕米爾高原東部，并與西部卡拉庫爾地塹的EW向拉張作用配合影響帕米爾內(nèi)部活動變形。公格爾拉張系長約250km，總體走向NW-SE，傾向W，傾角20°～45°（陳杰等，2016）。此次地震的發(fā)震斷層是公格爾拉張系最北段的全新世活動轉(zhuǎn)換斷層NWW走向的木吉右旋走滑斷裂（圖1）。這一結(jié)果與中國地震局地球物理研究所（2016）給出的震源破裂過程一致。重新定位的主震位于木吉斷裂上，絕大多數(shù)余震主要分布在木吉斷裂南側(cè)1個走向NWW、長逾80km的條帶內(nèi)。余震帶的北邊界上陡下緩，很好地限定了木吉斷裂的鏟形深部幾何結(jié)構(gòu)。

該區(qū)域歷史上強震活躍，震中100km范圍內(nèi)曾記錄到17次6級以上地震，其中7級以上地震4次，距離新疆阿克陶MS6.7地震震中最近的地震為1974年烏恰7.3級地震，震中相距19～25km；時間相隔最近的地震為2016年6月26日吉爾吉斯斯坦MS6.7地震，震中相距約58km（陳杰等，2016）。

如圖2所示，2016年新疆呼圖壁MS6.2地震震中位于準格爾南緣斷裂帶附近，該斷裂是晚更新世有過活動的逆沖斷裂（中國地震局地質(zhì)研究所，2016）。呼圖壁縣隸屬昌吉回族自治州，位于新疆維吾爾自治區(qū)中北部，地處歐亞大陸腹地，準噶爾盆地南緣，東距新疆維吾爾自治區(qū)首府烏魯木齊68km。該區(qū)域由一系列NWW向展布的線性斷層、斷裂組成，其現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場主要表現(xiàn)為近SN-NNE向的擠壓（趙善坤等，2013）。區(qū)域內(nèi)主要的活動斷層包括：準格爾南緣斷裂、霍爾果斯—瑪納斯—吐谷努斷裂、博羅科努—阿其克庫都克斷裂等（董曼，魏文薪，2015；魏斌等，2016）。該地區(qū)歷史上地震活動頻發(fā)，1600年以來震中200km范圍內(nèi)曾記錄到8次6級以上地震，1次7級以上地震。

2 研究方法原理

首先用Okacla（1985，1992）給出的靜態(tài)位移和應(yīng)變的解析表達式，計算震源在后續(xù)斷層面上產(chǎn)生的應(yīng)變分量，再由胡克定律計算出應(yīng)力分量，然后由柯西公式可得后續(xù)斷層面上的應(yīng)力矢量T。設(shè)后續(xù)斷層面的法向和滑動方向單位矢量分別為n（n1，n2，n3）和s（s1，s2，s3），將應(yīng)力矢量投影到后續(xù)斷層面上可得正應(yīng)力變化與切應(yīng)力變化為：

Δσn=Tini（1）

Δτ=Tisi（2）根據(jù)庫侖破裂準則，定義描述物體趨近破裂程度的庫侖破裂應(yīng)力變化為（Harris，1998）：

△σf=Δτ+μ'Δσn（3）式中：μ'為計算點處斷層面介質(zhì)的視摩擦系數(shù)，包括孔隙流體和斷層面上的介質(zhì)特性，其取值范圍一般為0.2～0.8（Harris，1998）。將正應(yīng)力變化Δσn和切應(yīng)力△τ變化代入（3）式，就可計算出震源破裂產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化Δσf。

3 主震震源斷層模型

3.1 阿克陶MS6.7地震斷層模型

中國地震局地球物理研究所（2016）的震源破裂過程反演結(jié)果表明，阿克陶MS6.7地震以單側(cè)破裂為主，從震中開始向東傳播，在震中以東約35km附近地表破裂最大同震滑動量達20～30cm。阿克陶主震的震源斷層走向107°、傾角76°、滑動角174°，主震斷層被劃分為19×8個次一級子斷層，斷層面上的滑動位移分布如圖3a所示，震源深度為12km。

3.2 呼圖壁MS6.2地震斷層模型

根據(jù)中國地震局地震預測研究所（2016）的震源機制解結(jié)果，2016年新疆呼圖壁MS6.2地震主震的震源參數(shù)斷層走向290.1°、傾角71.1°、滑動角96.8°。中國地震局地球物理研究所（2016）的震源破裂過程反演結(jié)果給出的斷層面上的滑動位移分布如圖3b所示。

4 計算結(jié)果分析

根據(jù)上述計算原理，以這2個地震的震源模型計算阿克陶MS6.7地震和呼圖壁MS6.2地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化的空間分布。地殼的剪切模量取3.3×1010N/m2，泊松比取為0.25。余震序列采用新疆地震局提供的震后精定位地震目錄作為后續(xù)地震活動數(shù)據(jù)。圖4和圖5分別給出了阿克陶MS6.7地震和呼圖壁MS6.2地震的余震序列M-T圖和余震震源深度分布圖，從圖中可以看出，2個余震序列的多數(shù)地震事件分布在8km深度處。

庫侖破裂應(yīng)力的計算需進行斷層面投影，采用主震斷層面的走向、傾角和滑動角作為投影斷層面的參數(shù)?？紤]到大多數(shù)余震的震源深度為8km，本文庫侖破裂應(yīng)力變化的計算深度也取為8km，視摩擦系數(shù)取為0.4（萬永革等，2003）。王瑩（2011）研究結(jié)果也表明：走滑斷層主要沿走向滑動，其產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力分布主要在斷層兩側(cè)正負相間分布，而逆斷層的兩端均有較強的庫侖應(yīng)力增加區(qū)，這與本文結(jié)論相符。圖6給出2次地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化與后續(xù)地震活動的空間分布情況。

圖6a顯示，2016年新疆阿克陶MS6.7主震發(fā)生后的前幾天，余震活動主要發(fā)生在庫侖破裂應(yīng)力減小的區(qū)域；隨后，在主震的東側(cè)應(yīng)力增加區(qū)內(nèi)發(fā)生了數(shù)次余震。但總體而言，這次主震活動對余震的應(yīng)力觸發(fā)作用不明顯。

由圖6b給出的呼圖壁MS6.2地震產(chǎn)生的余震事件幾乎發(fā)生在一個較集中的小區(qū)域，95%以上的余震都發(fā)生在震中附近的應(yīng)力增加區(qū)域內(nèi)。這說明主震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化可能起到了應(yīng)力觸發(fā)作用，從而促使了大量余震的發(fā)生，且應(yīng)力變化的分布是以震中為圓心呈放射狀分布，有優(yōu)勢的應(yīng)力增加區(qū)和減小區(qū)存在。

為了分析較大余震對后續(xù)地震活動的分布是否也產(chǎn)生了影響，筆者篩查了2016年新疆阿克陶MS6.7地震和呼圖壁MS6.2地震的所有余震事件，如圖4和圖5所示。僅2016年的阿克陶MS6.7地震有一個余震事件的震級大于5級，該余震發(fā)生于11月26日17時23分，震級為ML5.3，震中位置為（39.17°N，74.27°E）。由于無法確定該ML5.3余震的震源斷層規(guī)模，無法精確計算其產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化的空間分布。但是依據(jù)張旭等（2017）給出的該余震事件的震源機制解，走向基本與主震一致，傾角也相近，其產(chǎn)生的應(yīng)力分布與主震的大體趨勢應(yīng)差別不大，但量級小很多，對整個研究區(qū)域的應(yīng)力變化空間分布（圖7）的影響應(yīng)較小，所以本文主要考慮了MS6.7主震產(chǎn)生的應(yīng)力變化對后續(xù)余震活動的影響。

采用全部精定位余震事件對余震與應(yīng)力分布的關(guān)系進行分析。為了檢驗序列的完備性對結(jié)果是否產(chǎn)生影響，進一步對地震序列的完備性進行了分析，結(jié)果如圖7所示。結(jié)果顯示阿克陶地震序列的最小完備震級MC約為3.0級，呼圖壁地震序列的最小完備震級MC約為2.2級。

只采用震級大于MC的地震事件，分析其與庫侖破裂應(yīng)力變化分布的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)果如圖8所示。分別對比圖6a和圖8a，6b和圖8b，可以發(fā)現(xiàn)采用全部地震事件和較完備的地震事件進行分析，得到的結(jié)果差別不大，但更能突出呼圖壁MS6.2地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力與后續(xù)地震活動的對應(yīng)關(guān)系；這也表明呼圖壁MS6.2地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力對地震活動有顯著的應(yīng)力觸發(fā)作用，而阿克陶MS6.7地震的對余震的應(yīng)力觸發(fā)作用不明顯。

5 結(jié)論與討論

根據(jù)庫侖破裂準則，應(yīng)力變化將影響斷裂的破裂失穩(wěn)條件，當應(yīng)力變化為正值時，將加速周圍斷裂或臨近區(qū)域的應(yīng)力累積，使下次地震提前發(fā)生，這種效應(yīng)即是地震觸發(fā)作用。本文通過計算2016年新疆的2次M>6.0地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化，對余震分布與庫侖破裂應(yīng)力變化之間的關(guān)系進行了分析，以此討論地震的應(yīng)力觸發(fā)作用，主要得出以下結(jié)論：

（1）2016年新疆阿克陶MS6.7地震的余震活動發(fā)生于主震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力的應(yīng)力減小區(qū)域內(nèi)，余震序列的發(fā)震原因很有可能是主震斷層的后續(xù)次生破裂引起的。

（2）呼圖壁MS6.2地震95%以上的余震都發(fā)生在震中附近的應(yīng)力增加區(qū)域內(nèi)，主震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力對地震活動有顯著的應(yīng)力觸發(fā)作用。此次地震的后續(xù)地震活動還可能持續(xù)受到主震的應(yīng)力觸發(fā)作用。大地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化主要通過改變周邊地區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，進而起到地震的觸發(fā)作用。

（3）新疆阿克蘉S？.7地震的發(fā)震斷層是公格爾拉張系最北段的木吉右旋走滑斷裂，此次地震也屬于走滑型的，走滑型斷層產(chǎn)生的應(yīng)力場分布特征一般是應(yīng)力增加區(qū)和減小區(qū)相間分布；而呼圖壁MS6.2地震的發(fā)震斷層是準格爾南緣斷裂帶，該斷裂是逆沖斷裂，此次地震也屬于逆沖型，因而產(chǎn)生了有優(yōu)勢的應(yīng)力增加區(qū)和減小區(qū)，對后續(xù)地震活動的影響也相對集中，有利于起到應(yīng)力觸發(fā)作用。

張勇為本次工作提供的震源斷層數(shù)據(jù)和熱心幫助，新疆地震局李金和劉建明為本次工作提供的余震精定位數(shù)據(jù)，在此一并表示感謝。

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