利用強(qiáng)震地震序列反演震區(qū)構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)的方法研究

張永慶

(中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

利用強(qiáng)震地震序列反演震區(qū)構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)的方法研究

張永慶

(中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

地殼的應(yīng)力狀態(tài)是地殼最重要的性質(zhì)之一,地殼表面和內(nèi)部發(fā)生的各種地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象及其伴生的各種物理現(xiàn)象與化學(xué)現(xiàn)象都與地殼應(yīng)力的作用密切相關(guān)。因此,了解大陸地殼應(yīng)力分布狀態(tài),特別是地殼深部應(yīng)力狀態(tài),是解決地球動力學(xué)有關(guān)科學(xué)問題的基礎(chǔ),同時也是探明深部資源、保護(hù)環(huán)境、減輕災(zāi)害所必需開展的基礎(chǔ)性研究工作。

早期人們通過應(yīng)力現(xiàn)場測量來獲取地殼淺部的應(yīng)力信息,后來隨著地震雙力偶模型的發(fā)展,人們開始利用地震活動來獲取地殼深部的應(yīng)力信息,發(fā)展了基于此原理的構(gòu)造分析法、大地測量學(xué)方法、矩張量法等。這些方法獲取的是不同深度地殼內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)。對于深部應(yīng)力狀態(tài)尤其是應(yīng)力大小的獲取,仍然是應(yīng)力場研究中的難點。

“復(fù)雜自然系統(tǒng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程往往就是理解它們生成的時空圖像的過程”(計算物理指導(dǎo)委員會提交給美國科學(xué)基金會的報告)。大震或強(qiáng)震及其余震活動是震源區(qū)應(yīng)力場在時間和空間上的一系列快速或慢速調(diào)整過程,因此,地震序列包含了來自孕震層處的很多重要信息,如震源區(qū)介質(zhì)的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)及其演化過程、介質(zhì)的幾何形態(tài)變化和本構(gòu)關(guān)系變化形態(tài)等。

有關(guān)地震活動和破裂應(yīng)力變化之間的關(guān)系已有很多相關(guān)研究,它們均指向地震活動受控于地震構(gòu)造和應(yīng)力環(huán)境這兩個關(guān)鍵因素,但基于地震序列分析的構(gòu)造應(yīng)力場研究比較少。以地震活動和應(yīng)力變化為中心主題,本文完成了3部分內(nèi)容,包括利用強(qiáng)震地震序列反演構(gòu)造應(yīng)力場的方法、汶川地震震前震后應(yīng)力轉(zhuǎn)移、汶川地震序列時空特征所反映的震區(qū)應(yīng)力場調(diào)整過程,下面分別介紹。

本文的第一部分內(nèi)容是應(yīng)力場研究,采用力學(xué)計算和統(tǒng)計相結(jié)合的辦法,通過評估破裂應(yīng)力變化與地震活動空間圖像的相似性,反演震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)參數(shù),得到如下結(jié)論:

(1)地震序列中蘊(yùn)含大地震孕育的應(yīng)力環(huán)境信息,通過分析地震序列圖像能夠獲得震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場參數(shù)。利用強(qiáng)震地震序列反演構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)的方法是:以強(qiáng)震的地震序列和震源模型為輸入,采用位錯模型計算每個地震的破裂應(yīng)力變化(本文中所指的破裂應(yīng)力是指優(yōu)勢破裂面上的庫侖破裂應(yīng)力,第二章附錄有推導(dǎo)過程),評估強(qiáng)震前后這些地震的破裂應(yīng)力變化與地震活動的空間分布圖像的相似性,利用遺傳算法逐步調(diào)整應(yīng)力參數(shù)使得應(yīng)力-地震活動的空間相關(guān)性最大,如此反復(fù)多次得到最佳應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)。該方法獲得的應(yīng)力值為孕震層處的應(yīng)力參數(shù),同時獲得了有效摩擦系數(shù),這在一定程度上考慮了正應(yīng)力對于余震空間分布的影響,避免了震源機(jī)制解反演應(yīng)力場的摩擦系數(shù)為零的假設(shè),正應(yīng)力在余震空間分布中的作用得以體現(xiàn),這與觀測結(jié)果更為接近。

(2)通過麗江地震、Hector M ine地震和汶川地震3個地震的研究,認(rèn)識到利用強(qiáng)震地震序列反演應(yīng)力狀態(tài)的方法適用于各種主余型地震。反演可獲得震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的8個參數(shù),包括主應(yīng)力大小、方向、應(yīng)力形因子、有效摩擦系數(shù)、應(yīng)力梯度參考量等。上述參數(shù)中的方向性參數(shù)與震源機(jī)制反演結(jié)果一致性較好。

(3)汶川地震所在震源區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)為:最大主應(yīng)力方位角295°、傾角5°、大小為75 M Pa、有效摩擦系數(shù)0.7、應(yīng)力形因子0.6、應(yīng)力梯度因子2 g/cm3、最小主應(yīng)力和中等主應(yīng)力之比為0.7左右。

本文的第二部分內(nèi)容是汶川地震前后破裂應(yīng)力變化的時空圖像分析,采用多種時間和空間范圍上破裂應(yīng)力變化圖像的疊加方法研究其時間和空間演化規(guī)律,得到如下結(jié)論:

(1)汶川地震的震后不同時間段內(nèi)的破裂應(yīng)力變化有著顯著的差異,以汶川地震后13天的青川MS6.4級地震為界,青川地震之前的破裂應(yīng)力變化處在快速變化過程中,地震主要活動集中在斷層面附近,青川地震之后破裂應(yīng)力變化逐步擴(kuò)散到斷層以外,應(yīng)力變化的分區(qū)格局就此形成,之后再無大的變化。

(2)汶川破裂應(yīng)力變化在深度上有很顯著的變化,文縣斷裂所在地區(qū)0～5 km深度上的破裂應(yīng)力變化為正,5 km以下則為負(fù),汶川震中西北方向上的破裂應(yīng)力變化也有同樣的現(xiàn)象,這種情況反映了傾滑地震斷層的斷層面傾角對破裂應(yīng)力變化空間分布的控制性作用。

(3)汶川斷層面上的破裂應(yīng)力變化也呈現(xiàn)顯著空間差異,以主震震中為參考點,主震震中傾向方向向上30 km以及青川震中以下出現(xiàn)了兩個顯著的破裂應(yīng)力變化為負(fù)的區(qū)域,分別對應(yīng)著M≥4.5余震較少的區(qū)域。

(4)震源模型的參數(shù)對破裂應(yīng)力變化的空間分布有較為強(qiáng)烈的控制作用,該參數(shù)和構(gòu)造應(yīng)力場方向及有效摩擦系數(shù)等,都是影響破裂應(yīng)力變化計算的關(guān)鍵參數(shù),因此對應(yīng)力變化的討論必須建立在上述條件之上,單純的應(yīng)力圖像比較可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)。

(5)汶川地震震前的破裂應(yīng)力變化在1992—2008年間基本格局沒有顯著變化,只是在鮮水河中部與龍門山南部與安寧河向西南突出的三角區(qū)域出現(xiàn)反復(fù)的應(yīng)力調(diào)整,破裂應(yīng)力變化正區(qū)與負(fù)區(qū)交替出現(xiàn)或者混雜在一起,這種現(xiàn)象可能反映的是該區(qū)域應(yīng)力場交匯處的特點。

本文的第三部分內(nèi)容是采用余震序列、中小震應(yīng)變能密度、b值及震源機(jī)制解綜合分析的方法研究汶川震源區(qū)應(yīng)力場的調(diào)整過程,取得了如下結(jié)論:

(1)汶川地震序列的衰減符合修改的大森規(guī)律,p值和c值隨時間延伸呈同步上升的趨勢,以震級下限2.0為例,2008年11月至今,p值由0.94逐步升為1.01,而c值則由8上升為12;擬合結(jié)果與震級下限有關(guān),震級下限為M 3.0的余震序列擬合結(jié)果是p=1.33。

(2)汶川地震序列的發(fā)震時刻分析表明汶川余震活動的優(yōu)勢分布時刻為0—7點和14—19點,結(jié)合b值的時間分布,本文認(rèn)為在大地震后應(yīng)力場經(jīng)歷劇烈變化—快速變化—逐漸平靜3個過程,這意味著應(yīng)力場變化和地震應(yīng)變能釋放(或地震活動)一樣可能是一種非平穩(wěn)周期性波動、衰減過程。

(3)b值和震源機(jī)制解的分析表明,汶川地震序列無論從力學(xué)機(jī)制還是從活動習(xí)性上都存在強(qiáng)烈的空間不均勻性,平面上大體分為西南段、中段和東北段。地震破裂始于高應(yīng)力區(qū),向東北向穿越低應(yīng)力區(qū),終止于高應(yīng)力區(qū),地震活動的活動中心隨時間也由西南向東北遷移,分別對應(yīng)于不同的逆沖、逆沖兼走滑、走滑兼逆沖和走滑等幾種應(yīng)力狀態(tài)分區(qū)。深度上,較大余震發(fā)生在深度較深和應(yīng)力較大區(qū)域,顯示出震級和深度的對應(yīng)關(guān)系,因為b值反映的是地震活動的震級結(jié)構(gòu),所以余震活動在深度上分布的這一趨勢表明余震有分層活動的特點,該特點是由孕震應(yīng)力環(huán)境決定的。b值的空間分布特點一方面反映了孕震區(qū)介質(zhì)的分段、分層特性,同時也顯示了應(yīng)力狀態(tài)的局部化特征對地震活動的強(qiáng)烈控制作用。

在對汶川地震序列時空特征的研究過程中,建立了以斷層為統(tǒng)計中心的統(tǒng)計模型,并以此研究了汶川地震序列的空間變化特征,并與以主震震中為統(tǒng)計中心的研究結(jié)果進(jìn)行了對比,得到如下結(jié)論:

(1)以斷層線為統(tǒng)計中心的統(tǒng)計模型得到的統(tǒng)計結(jié)果表明,該模型展示的汶川余震活動空間各向異性較強(qiáng)。99.9%以上的地震活動都分布在與斷層所成俯角50°～120°和240°～310°的方位上,呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢方位分布和端部不對稱集中;98%以上的地震活動都分布在距離斷層100 km的空間范圍內(nèi),地震活動頻次呈指數(shù)衰減。

(2)上述結(jié)果表明,斷層的幾何特征對于中小地震活動空間分布具有強(qiáng)烈的控制作用,其中所用統(tǒng)計方法使得我們對地震活動空間各向異性的認(rèn)識更加直觀,這一統(tǒng)計思路可用于未來利用地震活動反演應(yīng)力狀態(tài)方法中統(tǒng)計模型的改進(jìn)。

本研究的創(chuàng)新之處可以歸納為以下幾點:

(1)首次在國內(nèi)采用力學(xué)計算與統(tǒng)計相結(jié)合的方法,利用地震目錄和震源參數(shù)反演計算了麗江地震、Hecto r M ine地震、汶川地震的震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)參數(shù),獲得了構(gòu)造應(yīng)力場的方向性參數(shù)和大小、摩擦系數(shù)、應(yīng)力梯度等其他參數(shù)。

(2)采用多種時間和空間范圍上破裂應(yīng)力變化圖像疊加的方法研究其時間和空間演化規(guī)律,同時也探索了應(yīng)力變化隨深度的變化以及在斷層面上的分布。

(3)采用余震序列、b值及震源機(jī)制解綜合分析的方法研究汶川震源區(qū)應(yīng)力場的調(diào)整過程,認(rèn)識到汶川地震序列無論從力學(xué)機(jī)制還是從活動習(xí)性上都存在強(qiáng)烈的空間不均勻性,主要表現(xiàn)在:在平面上的分段性,在深度上,較大余震發(fā)生在深度較深和應(yīng)力較大(b值較小)區(qū)域,顯示出震級和應(yīng)力強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系,具有顯著的分層特征。

(4)結(jié)合汶川地震序列的發(fā)震時刻與b值的時間分布,研究了應(yīng)力場隨時間變化的規(guī)律,獲知汶川余震活動有兩個優(yōu)勢分布時刻,認(rèn)為在大地震發(fā)生后應(yīng)力場經(jīng)歷劇烈變化—快速變化—逐漸平靜3個過程,可能意味著應(yīng)力場變化和地震應(yīng)變能釋放(或地震活動)一樣,是一種非平穩(wěn)周期性波動、衰減過程。

利用大震前后的地震活動反演震區(qū)構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài),并延伸應(yīng)用于破裂應(yīng)力變化的時空演化特征,國內(nèi)尚無類似研究成果。本文在這個方向上的探索取得了一些有價值的結(jié)果,對于促進(jìn)國內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力場研究、應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象等研究具有重要意義。

地震序列;應(yīng)力狀態(tài);破裂應(yīng)力變化;時空演化;汶川地震

P315.72+7;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.07.011

(作者電子信箱,張永慶:w hyzyq@yahoo.com.cn)