2008年汶川地震前震源區(qū)的異常應力狀態(tài)

王凱英 Yu.Rebetsky 刁桂苓 馬勝利 馬 瑾

1)地震動力學國家重點實驗室，中國地震局地質研究所，北京 100029

2)Schmidt Joint Institute of Physics of the Earth，Russian Academy of Sciences，Moscow 123810

3)河北省地震局，石家莊 050021

2008年汶川地震前震源區(qū)的異常應力狀態(tài)

王凱英1)Yu.Rebetsky2)刁桂苓3)馬勝利1)馬 瑾1)

1)地震動力學國家重點實驗室，中國地震局地質研究所，北京 100029

2)Schmidt Joint Institute of Physics of the Earth，Russian Academy of Sciences，Moscow 123810

3)河北省地震局，石家莊 050021

我們收集了紫坪鋪水庫區(qū)域臺網(wǎng)記錄到的2004年8月16日至2008年5月12日汶川地震前發(fā)生在震中區(qū)及附近區(qū)域的486個小震震源機制資料，運用碎裂分析法對這些震源機制數(shù)據(jù)進行分析，獲得了汶川地震前3年多時間內震源區(qū)應力水平隨時間的演化過程。結果顯示，強震發(fā)生前震源及附近區(qū)域約在2007年6月發(fā)生了應力突變，出現(xiàn)了2個應力異常高值區(qū)，其形成過程同時伴隨著龍門山中央斷裂的應力水平降低，最終強震發(fā)生在高應力區(qū)和低應力區(qū)之間的應力梯度帶上。汶川地震前應力狀態(tài)的演化過程，類似于實驗研究中出現(xiàn)的非均勻斷層失穩(wěn)前的地震成核現(xiàn)象，符合地震成核的宏觀表現(xiàn)。巴顏喀拉塊體的南邊界-鮮水河斷裂的短基線測量也顯示出，在同一時間段鮮水河斷裂南段由左旋滑動轉為異常的右旋錯動，反映了汶川強震前整個巴顏喀拉塊體有向東加速運動的異常過程。

震源機制 碎裂分析方法 汶川強震 震前應力異常

0 引言

地應力是導致各種構造變形的力學因素，如何測定其方向和強度，研究其空間分布及隨時間的變化，對于探索地震的孕育及發(fā)生是非常必要的。震源機制分析是目前了解地殼深部現(xiàn)今應力狀態(tài)最有效最直接的方法之一。多年來，人們用獲得的強震震源機制解的P，T，B軸代表地應力的主軸來推斷震源處的應力方向。然而，更經(jīng)常發(fā)生的中小地震所顯示的截面及應力軸通常表現(xiàn)出無明顯特征的隨機狀態(tài)，并且震源機制信息也不直接提供發(fā)震構造的應力大小;一些實地應力測量手段雖然能獲得主應力的大小和方向，但是所能達到的深度較淺，想要探測震源深度上的應力狀態(tài)是非常困難的。

近年來俄羅斯科學院大地物理所構造物理實驗室基于震源機制資料、巖石破裂實驗結果、強震區(qū)的地形和應力降等資料，開發(fā)了評價地震危險區(qū)應力狀態(tài)參數(shù)的碎裂分析方法(Cataclastic Analysis Method，簡稱CAM)(Rebetsky，1997a，b;2003)。該方法主要包括以下幾個步驟:

(1)基于塑性理論的能量準則對震源機制數(shù)據(jù)進行分區(qū)，獲得應力“同源”分區(qū)及各區(qū)的應力主軸方向和應力張量形狀系數(shù)。假定在應力同源區(qū)中每個地震造成的殘余應變增量由發(fā)震斷層的面積和沿斷層的平均位移量所決定，并將每次地震發(fā)生時應力“同源”區(qū)內部彈性能減少這一基本假定通過使用塑性理論的能量準則來描述。

(2)在第1步驟獲得3個主應力軸的方位以及偏應力橢球形狀Lode-nadai系數(shù)后，根據(jù)巖石脆性行為的摩爾庫侖定律，將第1步獲得的結果結合摩爾圓圖解的幾何關系，可計算出有效壓力和最大剪應力相對未知的巖石內聚力τf的歸一化值。

(3)通過區(qū)域強震矩張量信息，可估算出巖石內聚力τf并進而獲得最大剪應力和有效壓力的絕對值;在獲取區(qū)域地形和巖石密度的基礎上，可進一步得到區(qū)域孔隙壓力的分布。

相比現(xiàn)有的一些運用小震震源機制數(shù)據(jù)推斷區(qū)域應力主軸的方法，該方法對于構造應力“同源”區(qū)域的判斷和選擇避免了應力分區(qū)的主觀性，而且該方法不僅能夠獲得主應力軸的方向、應力張量的形狀系數(shù)等，還可以在此基礎上進一步確定區(qū)域巖石內聚力、有效應力、最大剪應力等應力參數(shù)的定量化分布。利用此方法曾經(jīng)完成過大量地震活動區(qū)的應力狀態(tài)重建，如地中海東部、阿拉伯地區(qū)、太平洋的西北側、森他弧西側、加利福尼亞北部等，應力重建結果顯示了地殼中偏應力量、平均構造應力和流體應力的分布以及巖體的有效強度依賴于構造類型和構造應力等。該方法所獲得的應力定量數(shù)據(jù)不僅能夠對地球動力學相關問題的研究給予可能的約束，而且對強震前地殼應力分布的研究有助于探索強震的孕育過程。

1 資料及結果分析

紫坪鋪水庫位于都江堰市區(qū)西北9km處的岷江上游干流處，周圍的數(shù)字遙測臺網(wǎng)對庫區(qū)進行實時監(jiān)測，自2004年8月16日開始運行至2008年5月12日汶川強震發(fā)生前，在102.5°～104.5°E、30.4°～32.0°N 范圍內共記錄到1.6 ～3.7 級地震625 次。運用 P 波、S 波垂直分量的振幅比，結合初動符號資料測定得到小震震源機制解共486個(張永久等，2010)(圖1)。2008年汶川地震的微觀震中(103°24'E，31°00'N)與紫坪鋪庫區(qū)的最近距離只有約6km，因此這批數(shù)據(jù)是研究汶川地震發(fā)震背景十分寶貴的資料。本文運用CAM法對這些數(shù)據(jù)進行了研究并獲得了汶川震區(qū)的震前應力狀態(tài)變化過程，計算過程中所需要的參數(shù)設置:靜摩擦系數(shù)為0.5，有效內聚強度為 10MPa，巖石密度為 2.7g/cm3。

圖1 紫坪鋪臺網(wǎng)記錄到的汶川地震前的小震震源機制的震中分布Fig.1 The epicenter distribution of the focalmechanism of small earthquakes recorded by the earthquake monitoringnetwork of Zipingpu before the Wenchuan earthquake.

首先對資料按年份進行了分期計算，獲得了2004年8月至2006年12月期間及2007年1月至2008年5月12日汶川地震發(fā)生前2個時間段的應力場分布結果。圖2是這2個時間段的有效壓力和最大剪應力相對巖石內聚力歸一化值的分布圖，從圖中可以很清楚地看到后一時間段的區(qū)域應力水平顯著高于前一時間段的應力水平，后一時間段的應力分布圖顯示了前山斷裂和后山斷裂分別有2個顯著的應力增強區(qū)。

圖2 2008年5月汶川地震前2個時間段紫坪鋪區(qū)域的有效應力與剪應力相對巖石內聚力的歸一化值的分布Fig.2 Distribution of the normalized value of the effective stress and shearing strength relative to rock cohesion of Zipingpu region before May 2008Wenchuan earthquake.

為了進一步了解這一重要應力突變現(xiàn)象的時間演化過程，本文對這批震源機制數(shù)據(jù)以大致一定的數(shù)目選取時間窗進行了重新掃描計算，其中有效應力歸一化值分布結果顯示 (圖3)，研究區(qū)在2004年8月至2005年12月、2005年1月至2006年12月、2006年1月至2007年4月、2006年1月至2007年5月這4個時間段的應力水平非常平穩(wěn)，與初始計算中 (圖2)前一時間段的結果保持一致;而2006年1月至2007年6月時間段的計算結果卻發(fā)生了上述應力突增，地點在后山汶川-茂縣斷層的拐折部位;臨震前時間段2007年4月至2008年4月的計算結果顯示了2個應力增強區(qū)，其中后出現(xiàn)的應力增強區(qū)在前山斷裂的彭縣附近。

通過對時間過程的掃描計算，能夠明確地將發(fā)生應力突變的時間確定在2007年6月。這一認識與鮮水河斷裂短基線測量結果不謀而合(與劉冠中的私人通訊):鮮水河斷層南段從侏倭到折多塘布設了7個短基線觀測點，觀測數(shù)據(jù)顯示鮮水河斷層南段并非持續(xù)左旋走滑，而是在10a左右時間內出現(xiàn)過幾次右旋走滑趨勢，而最近的一次從左旋錯動轉為右旋錯動的時間開始于2007年中期，與本文的關于2007年6月龍門山南段汶川及附近區(qū)域出現(xiàn)應力突變的時間一致。鮮水河斷層和龍門山斷層在同一時間段的異?；顒臃从沉算氪◤娬鹎罢麄€巴顏喀拉塊體有向東加速運動的異常表現(xiàn)。汶川震區(qū)的應力隨時間演化過程 (圖3)還表明，2個應力高值區(qū)的形成過程伴隨著龍門山中央斷裂的應力水平降低，即發(fā)震斷層在震前11個月左右出現(xiàn)了應力釋放，同時應力弱化帶外的區(qū)域應力顯著增強，而最終強震發(fā)生在高應力區(qū)和低應力區(qū)之間的應力梯度帶上。

圖3 2008年5月汶川地震前6個時間段震區(qū)的CAM計算結果顯示的有效應力歸一化值分布Fig.3 The calculated results of the normalized effective stress of theWenchuan region using CAM before May 2008Wenchuan earthquake.

2 結論和討論

汶川強震前震源及附近區(qū)域應力演化過程顯示，強震發(fā)生前區(qū)域應力水平有明顯的調整過程，局部應力顯著增強，而最終的震源并不出現(xiàn)在高應力部位，而是在附近的應力梯度帶上。實驗研究表明(Byerlee，1967)，在中等偏應力條件下，脆性破裂是消耗內部彈性能量的有效機制。按照庫侖定律，巖石在較高的有效圍壓下克服斷層面上的內摩擦要消耗更大的能量(Rice，1980);理論研究結果認為，高應力水平下地震效率低，強震易發(fā)生在應力梯度帶上并開始于最大應力梯度帶向較低有效圍壓的區(qū)域發(fā)展，高應力梯度帶可被視為敏感的地震觸發(fā)帶，隨應力梯度水平的提高，其引起強烈地震的危險程度增加(Rebetsky，2006a，b)。這些研究結果在理論及物理機制兩方面支持了本文關于汶川強震的發(fā)生地點與震源及鄰近區(qū)域的震前應力場演化之間的關系。

不僅如此，上述汶川震區(qū)的震前應力隨時間的演化過程在很大程度上和地震成核現(xiàn)象有相似之處:Ohnaka(1990)等的研究表明，黏滑失穩(wěn)前預滑出現(xiàn)在斷層的某個區(qū)域即成核帶內，引起帶內剪應力下降，而成核帶外剪應力增加。當成核帶超過某一臨界尺度時，斷層帶發(fā)生動態(tài)滑動。雙剪摩擦實驗結果(馬勝利等，2002)也顯示了宏觀非均勻斷層在摩擦滑動失穩(wěn)前存在2種不同特征的伴隨應力釋放的成核相。從本文的研究結果來看，龍門山中央斷裂在震前經(jīng)歷了應力釋放，鄰近的前山和后山斷裂相應地出現(xiàn)了應力集中，而在經(jīng)歷了應力釋放的中央斷裂最終發(fā)生了強震，同時鮮水河斷裂的跨斷層位移觀測也在一定程度上支持巴顏喀拉塊體在同時期發(fā)生了異常活動，這些資料表明汶川地震前出現(xiàn)了在宏觀上類似于實驗研究中非均勻斷層失穩(wěn)前的地震成核現(xiàn)象。

從地震預測角度來看，單純地從某些監(jiān)測手段如斷層位移、小震活動等的觀測資料來判斷研究區(qū)未來的地震危險性，而忽視研究區(qū)的應力背景及應力水平，就會陷入對觀測數(shù)據(jù)的主觀評判。從本文的研究來看，強震的孕育和發(fā)生必然伴隨著區(qū)域應力狀態(tài)的顯著調整，未來如果能在基于應力狀態(tài)演化的物理背景下結合其他觀測手段去進行地震預報和預測，將會更加行之有效。

致謝 四川省地震局張永久提供了本文所需的紫坪鋪庫區(qū)震源機制資料，中國地震局地殼應力研究所劉冠中和本文作者交流了短基線測量觀測結果，審稿人提出了很好的建議，在此一并致謝。

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STRESS STATE OFWENCHUAN AREA BEFORE THE 2008 STRONG EARTHQUAKE

WANG Kai-ying1)Yu.Rebetsky2)DIAO Gui-ling3)MA Sheng-li1)MA Jin1)

1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)Schmidt Joint Institute of Physics of the Earth，Russian Academy of Sciences，Moscow 123810，Russia
3)Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050012，China

Using the cataclastic analysismethod，this paper tries tomake an analysis on the focalmechanism data of 486 small earthquakes that occurred at the epicenter of theWenchuan earthquake and its surrounding areas in more than three years before the 2008Wenchuan earthquake.The result shows that obvious stress change occurred at the seismic source and its surrounding areas around June 2007 before theWenchuan earthquake，manifested in two high numerical value areas of abnormal stress state.Meanwhile，the formation process of the above areaswas accompanied by the drop of stress level of the Longmenshan central fault.The ultimate strong earthquake occurred on the stress gradientbeltbetween the high stress area and the low stress area.The evolution process of stress level before theWenchuan earthquake indicates that earthquake nucleation phenomenon turned up before the strong earthquake.One result can be inferred that there was an abnormal process of accelerated movement of the whole Bayankala block before the Wenchuan strong earthquake.

focalmechanism，the cataclastic analysis method，Wenchuan strong earthquake，stress state

P315.1

A

0253-4967(2012)01-0011-06

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.002

2011-08-18收稿，2011-09-04改回。

國家自然科學基金(40404016)、地震動力學國家重點實驗室項目(LED2009A04)和地震行業(yè)專項(20080811)共同資助。

王凱英，女，1976年生，助研，主要從事構造物理實驗、數(shù)值模擬、地震斷層力學等相關研究，電話:010-62009112，E-mail:wangkysohu@sohu.com。