蘆山地震的發(fā)生對周圍斷層影響的數(shù)值模擬

李玉江, 陳連旺, 劉少峰, 楊樹新, 荊 燕

1)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083; 2)中國地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動力學(xué)重點實驗室, 北京 100085

蘆山地震的發(fā)生對周圍斷層影響的數(shù)值模擬

李玉江1, 2), 陳連旺2), 劉少峰1), 楊樹新2), 荊 燕2)

1)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083; 2)中國地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動力學(xué)重點實驗室, 北京 100085

蘆山地震發(fā)生后, 地震的發(fā)生造成周圍斷層應(yīng)力變化值得關(guān)注。本文基于川滇地區(qū)的三維非線性有限元模型, 利用蘆山地震同震靜態(tài)滑移量結(jié)果, 分析地震的發(fā)生對川滇地區(qū)主要斷裂的同震加卸載效應(yīng)。初步結(jié)果表明, 蘆山地震的發(fā)生造成龍門山斷裂中南段、岷江斷裂、馬爾康斷裂、鮮水河斷裂北西段、大涼山斷裂南段、小江斷裂南段不同程度的應(yīng)力增加。其中龍門山斷裂中南段增加最為顯著, 最大庫侖應(yīng)力增加量達(dá)0.035 MPa; 岷江斷裂次之, 最大達(dá)0.0075 MPa; 馬爾康斷裂增加量達(dá)0.0031 MPa; 鮮水河斷裂北西段達(dá)0.0008 MPa。而從斷裂帶同震應(yīng)變積累與釋放方面分析的結(jié)果同樣表明上述四條斷裂地震危險性增強。該結(jié)果可以為川滇地區(qū)地震危險性分析提供一定的參考依據(jù)。

蘆山地震; 川滇地區(qū); 庫侖破裂應(yīng)力; 數(shù)值模擬

2013年 4月 20日四川蘆山縣(102°57′E, 30°19′N)發(fā)生MS7.0級地震, 該地震是繼汶川MS8.0級地震后, 四川地區(qū)再次發(fā)生的嚴(yán)重破壞性地震,地震造成巨大的財產(chǎn)損失和人員傷亡(劉杰等, 2013)。地震學(xué)反演的震源機制解及破裂過程等震源參數(shù)表明, 蘆山地震是發(fā)生在龍門山斷裂帶南段的一次逆沖型地震, 且最大同震滑移量為 1.59 m(張勇等, 2013; 王衛(wèi)民等, 2013)。曾祥方等(2013)通過P波初動反演和波形反演方法, 結(jié)合短期余震震源機制, 進(jìn)一步確定蘆山地震的發(fā)震斷層為高角度逆沖斷層。另外, 野外地質(zhì)科學(xué)考察表明, 蘆山地震在震中區(qū)沒有形成具有構(gòu)造地質(zhì)意義的地震地表破裂帶, 該地震是一次典型盲逆斷層型地震(徐錫偉等, 2013)。

地震是地殼應(yīng)力積累到一定程度, 巖層突然破裂、錯動的一種現(xiàn)象。一次地震的發(fā)生會引起周圍區(qū)域應(yīng)力場的調(diào)整, 這種應(yīng)力調(diào)整進(jìn)一步影響斷裂的破裂失穩(wěn)條件。當(dāng)應(yīng)力變化為正時, 加速周圍斷層的應(yīng)力積累, 造成下次地震提前發(fā)生, 即地震觸發(fā)效應(yīng); 反之, 應(yīng)力積累過程被延滯, 即地震卸載效應(yīng)(Harris, 1998)。地震應(yīng)力觸發(fā)研究主要是以庫侖應(yīng)力變化為基礎(chǔ), Stein等(1992)研究了土耳其北安納托利亞斷裂帶上 1939—1992年間發(fā)的 10個M≥6.7級地震的庫侖破裂應(yīng)力演化過程, 發(fā)現(xiàn) 90%的地震是被先前地震所觸發(fā)。King等(1994)通過研究1992年Landers地震對后續(xù)Big Bear地震的庫侖應(yīng)力變化, 認(rèn)為Landers地震加速了Big Bear地震的發(fā)生。沈正康等(2003)利用粘彈性模型, 對東昆侖斷裂帶5個M≥7大地震之間的應(yīng)力轉(zhuǎn)移和斷層相互作用進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)前四個地震均造成 2001年可可西里地震斷層面上庫侖破裂應(yīng)力的增加。萬永革等(2007)通過對青藏高原東部20個 M≥7大地震應(yīng)力演化與地震觸發(fā)作用進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn) 85%地震是由于庫侖破裂應(yīng)力的增加而被觸發(fā)。陳連旺等(2008)利用三維有限元模型, 研究川滇地區(qū) 1981—2000 年M≥6.5地震序列的應(yīng)力加卸載效應(yīng), 發(fā)現(xiàn)后續(xù)地震全部位于已發(fā)地震所引起的庫侖破裂應(yīng)力增加區(qū)。汶川地震發(fā)生后, 國內(nèi)外學(xué)者基于不同地震破裂模型, 開展汶川地震發(fā)生對周圍斷層的影響研究。Parsons等(2008)利用USGS給出的汶川地震破裂模型計算汶川地震對周圍斷層的應(yīng)力觸發(fā), 發(fā)現(xiàn)雅安斷裂的庫侖破裂應(yīng)力增加可達(dá) 0.1 MPa。Toda 等(2008)利用 Okada程序(Okada, 1992), 分析結(jié)果認(rèn)為鮮水河斷裂南端、東昆侖斷裂以及岷江斷裂地震危險性增加。Wan等(2010)利用GPS、InSAR資料反演的汶川地震破裂模型, 計算了周圍斷層的庫侖破裂應(yīng)力變化, 結(jié)果表明龍門山斷裂帶兩端、鮮水河南端、東昆侖東南段、岷江南段以及西秦嶺等斷裂帶應(yīng)力增加。而地形變資料分析的結(jié)果同樣表明汶川地震對龍門山斷裂帶東北段有一定程度的促進(jìn)作用(張希等, 2010)。李玉江等(2013)應(yīng)用有限單元法, 考慮黏彈性松弛效應(yīng)的影響, 研究汶川地震的發(fā)生對周圍斷層的影響。結(jié)果表明, 鮮水河斷裂北西段、東昆侖、龍日壩、岷江以及虎牙斷裂庫侖應(yīng)力水平增加顯著, 且汶川地震對于玉樹地震的發(fā)生有微弱的加載效應(yīng)。目前, 關(guān)于蘆山地震的發(fā)生對周圍斷層的影響, 研究成果相對較少。單斌等(2013)利用彈性位錯理論和分層巖石圈模型, 研究汶川地震和蘆山地震對周邊主要斷層的影響, 結(jié)果認(rèn)為鮮水河斷裂康定—道孚段及龍門山斷裂帶次級斷裂北川—映秀、彭縣—灌縣及雅安斷裂庫侖應(yīng)力增加。

綜合考慮活動構(gòu)造、地球物理場及地震活動性等多學(xué)科研究成果, 建立川滇地區(qū)三維非線性有限元模型。利用王衛(wèi)民等(2013)基于遠(yuǎn)場體波資料和有限斷層方法反演給出的蘆山地震同震靜態(tài)滑動量結(jié)果, 本文數(shù)值模擬蘆山地震的發(fā)震過程, 研究蘆山地震的發(fā)生對川滇地區(qū)主要活動斷裂的影響, 為川滇地區(qū)地震危險性分析提供可能的依據(jù)。

1 川滇地區(qū)三維有限元模型的建立

根據(jù)川滇地區(qū)全新世活動斷裂、地殼上地幔三維波速結(jié)構(gòu)等資料, 充分考慮對地質(zhì)構(gòu)造運動和地震活動起決定作用的活動斷裂和活動斷塊, 建立川滇地區(qū)三維地質(zhì)構(gòu)造模型。

1.1 介質(zhì)分區(qū)及物性參數(shù)

川滇地區(qū)的活動斷裂控制了主要構(gòu)造運動的發(fā)生和發(fā)展, 同時成為活動地塊的邊界(張培震等, 2003)。依據(jù)川滇地區(qū)的構(gòu)造特征, 模型劃分出5個區(qū): (Ⅰ)華南塊體, (Ⅱ)馬爾康塊體, (Ⅲ)川滇菱形塊體, (Ⅳ)藏東塊體以及(Ⅴ)滇西南塊體, 具體結(jié)果見圖1, 其中川滇菱形塊體內(nèi)部較軟, 華南塊體相對較硬, 其它介于兩者之間。結(jié)合王椿鏞等(2002)利用川滇地區(qū)地震臺網(wǎng)174個臺站記錄的地震初至P波和S波走時數(shù)據(jù)確定的地殼上地幔三維波速結(jié)構(gòu)研究成果, 根據(jù)楊氏模量 E、泊松比ν與縱波速率 C和密度ρ之間的關(guān)系 E=C2ρ(1+ν)(1-2ν)/(1-ν)(王仁等, 1980), 確定各個分區(qū)的物性參數(shù)(表1)。其中斷層的楊氏模量取周圍介質(zhì)的1/3。

在地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上, 采用接觸摩擦單元處理活動斷裂帶, 建立川滇地區(qū)三維彈性有限元模型(圖2)。模型范圍為96°—106°E, 20°—34°N, 垂直區(qū)域為地表至上地幔40 km深處。有限元模型包含了川滇地區(qū)主要活動斷裂帶, 斷裂帶幾何產(chǎn)狀、活動性質(zhì)見表 2。整個有限元數(shù)值模型共劃分為單元343235個, 節(jié)點80681個。

1.2 模型邊界約束

本文利用 ITRF2000參考框架處理得到的中國大陸2004—2007年的GPS觀測資料, 通過對速度場數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條插值, 獲得該速度值與計算時間步長的乘積, 作為有限元模型的位移邊界條件。由于地殼運動速度在垂向的差異尚未明確定論, 作為一種近似, 本文所施加的邊界條件不隨深度變化,且模型底部水平向自由, 法向約束。具體邊界約束見圖3。

圖1 川滇地區(qū)主要活動斷裂簡圖Fig. 1 Major active faults in Sichuan-Yunnan area

圖2 川滇地區(qū)三維有限元模型Fig. 2 Three-dimensional finite element model for Sichuan-Yunnan area

表1 川滇地區(qū)模型介質(zhì)分區(qū)參數(shù)Table 1 Material parameters of each block in Sichuan-Yunnan area

表2 川滇地區(qū)主要活動斷裂產(chǎn)狀及活動性質(zhì)Table 2 Geometry and activity of the main faults in Sichuan-Yunnan area

2 蘆山地震的發(fā)生引起周圍斷裂庫侖應(yīng)力變化

圖3 川滇地區(qū)三維有限元模型的邊界約束條件Fig. 3 The boundary condition of the three-dimensional finite element model for Sichuan-Yunnan area

蘆山地震發(fā)生后, 王衛(wèi)民等(2013)基于遠(yuǎn)場體波資料和有限斷層方法反演獲得斷裂帶同震靜態(tài)滑動量數(shù)據(jù), 結(jié)果表明蘆山地震的震源性質(zhì)以逆沖斷裂為主, 且最大同震滑動量達(dá)1.59 m。本文基于其研究結(jié)果, 通過將滑動量數(shù)據(jù)作為載荷加載到有限元模型中所對應(yīng)的節(jié)點上, 模擬地震的發(fā)震過程,分析地震的發(fā)生引起周圍斷層的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化。

2.1 靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力公式

根據(jù)庫侖破裂假設(shè), 巖石趨近于破裂程度的庫侖破裂應(yīng)力fσ 為(King et al., 1994):

其中, τ為斷層面上的剪應(yīng)力,nσ為正應(yīng)力,定義壓應(yīng)力為正, p為孔隙流體壓力, μ為斷層面介質(zhì)的摩擦系數(shù)。

當(dāng)斷層面與主應(yīng)力軸1σ的夾角為β時, 正應(yīng)力和剪應(yīng)力可以表示為:

其中,1σ為最大主應(yīng)力,3σ為最小主應(yīng)力, 方程(1)可以變?yōu)?

對(4)式求 β的偏微分, 可以發(fā)現(xiàn)當(dāng) β滿足cot2β=-1/μ時, 庫侖破裂應(yīng)力取最大值 σmfax。

然而, 精確確定地下應(yīng)力張量是極為困難的,通常定義庫侖破裂應(yīng)力變化(Harris, 1998)。當(dāng)μ不隨時間變化時, 由(1)式庫侖應(yīng)力變化為:

式中, Δτ為斷層面上剪應(yīng)力的變化(以斷層滑動方向為正), Δnσ和Δp分別為斷層面上的正應(yīng)力和孔隙壓力的變化。如果Δfσ ＞0, 則有利于后續(xù)地震的發(fā)生。

為了簡化孔隙壓力變化的影響, 引入Skempton系數(shù) B', 取值范圍為0—1, B'依賴于巖石體膨脹系數(shù)和流體所占體積比例的常數(shù), 則。假定斷層處比周圍巖石更具有延展性, 則, 并假定,它給出孔隙流體和斷層面上的介質(zhì)屬性, 范圍為 0 —1, 那么庫侖破裂應(yīng)力變化Δfσ 變?yōu)?

2.2 庫侖破裂應(yīng)力變化

地震發(fā)生前后的剪應(yīng)力變化與背景初始應(yīng)力場偏應(yīng)力相關(guān), 且初始應(yīng)力場不僅使得地震發(fā)生前后斷層面上的應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜, 而且還會影響庫侖應(yīng)力的分布(King et al., 1994; 石耀霖等, 2010)。目前初始應(yīng)力場仍無法完全確定, 本研究采用加載千年尺度的構(gòu)造載荷, 獲得區(qū)域的初始應(yīng)力場。在初始應(yīng)力場基礎(chǔ)上, 模擬蘆山地震的發(fā)震過程, 獲得蘆山地震的發(fā)生引起的同震庫侖破裂應(yīng)力變化。利用數(shù)值模擬得到的任意點應(yīng)力張量的6個獨立分量, 既可以研究應(yīng)力場的主應(yīng)力和主方向, 也可以計算任一走向, 任一傾向斷層面上的應(yīng)力向量, 即正應(yīng)力nσ和剪應(yīng)力τ。對于二維問題, 有簡明的計算公式, 而三維問題則比較復(fù)雜, 可以通過坐標(biāo)系變換, 獲得任意斷層面上的應(yīng)力向量, 最終給出斷裂帶的庫侖應(yīng)力(陳連旺等, 2008)。根據(jù) Stein等(1992)和King等(1994)的結(jié)果認(rèn)為, 改變'μ的值會對計算得到的庫侖破裂應(yīng)力變化的空間分布有一定的影響。本文給出視摩擦系數(shù)'μ=0.4和0.6時主要活動斷裂帶的庫侖破裂應(yīng)力變化。另外, 川滇地區(qū)的震源深度主要集中在 10～20 km(張國民等, 2002), 因此本文給出 0～20 km的同震庫侖應(yīng)力變化。

從圖4看出, 蘆山地震的發(fā)生主要造成龍門山斷裂中南段、鮮水河斷裂、岷江斷裂、甘孜—玉樹斷裂、小江斷裂南段、大涼山斷裂北段不同程度的應(yīng)力增加。其中龍門山斷裂中南段庫侖應(yīng)力增加最為明顯, 岷江斷裂次之, 馬爾康斷裂、鮮水河斷裂、大涼山斷裂、小江斷裂較小。在視摩擦系數(shù)'μ=0.4 和0.6時, 各段的庫侖應(yīng)力變化具體見表3。從表3可以看出, 在'μ=0.6時龍門山斷裂中南段庫侖應(yīng)力增加量最大達(dá)0.035 MPa; 在'μ=0.4時岷江斷裂增加量最大為0.0075 MPa。庫侖應(yīng)力增加的高值區(qū)在不同斷裂帶或同一斷裂帶不同段的交匯區(qū)分布明顯。另外, 通過對比兩種視摩擦系數(shù)情況下庫侖應(yīng)力變化的分布, 發(fā)現(xiàn)視摩擦系數(shù)'μ的改變會造成部分區(qū)域庫侖破裂應(yīng)力極性的變化, 但變化的范圍相對較小。

圖4 川滇地區(qū)主要活動斷裂同震庫侖破裂應(yīng)力變化Fig. 4 Co-seismic Coulomb failure stress change among active faults in Sichuan-Yunnan area

表3 不同視摩擦系數(shù)下各斷裂帶庫侖應(yīng)力變化Table 3 Coulomb stress change in each fault under the condition of different apparent friction coefficients

3 斷裂帶同震應(yīng)變積累與釋放

蘆山地震的發(fā)生, 造成除龍門山斷裂外, 馬爾康斷裂、岷江斷裂、鮮水河斷裂相對較為顯著的加載效應(yīng)。本文利用跨越上述斷層的剖面(剖面與地表交線的方向為從左向右, 剖面分布見圖 1), 通過分析斷層面兩側(cè)區(qū)域相對運動變形特征, 確定斷層兩盤的同震活動方式, 進(jìn)而分析斷裂帶同震應(yīng)變積累與釋放。在上地殼內(nèi), 活動斷層在震間期基本處于鎖定狀態(tài)。從彈性回跳理論可知, 當(dāng)斷層處于閉鎖狀態(tài)時, 斷層兩盤與歷史活動方式相同的同震變形有利于斷層及其鄰區(qū)應(yīng)變進(jìn)一步積累; 反之, 與歷史活動方式相反的同震變形會造成斷層及其鄰區(qū)應(yīng)變有所釋放。

跨越各斷裂帶東向Ue、北向Un、垂向Uv同震位移量變化具體見圖5(其中橫坐標(biāo)為垂直斷層方向的位移剖面距離, 縱坐標(biāo)為各位移分量大小), 結(jié)合斷層面產(chǎn)狀, 確定各位移量在平行走向、垂直走向及斷層面法向的位移分量(表4)。對于以走滑型為主的斷裂, 主要參考平行斷層走向的位移分量。如果平行斷層位移分量較小, 則需要進(jìn)一步參考斷層法向的位移量, 分析斷層及其鄰區(qū)的應(yīng)變變化; 對于近似純逆沖的龍門山斷裂中南段, 主要參考垂直走向的位移量大小。從表4可以看出, 龍門山斷裂中南段、馬爾康斷裂、岷江斷裂同震運動方式與斷裂歷史活動方式相同, 表現(xiàn)為同震應(yīng)變積累。而對于鮮水河斷裂, 雖然平行斷層走向的位移分量表現(xiàn)的斷層運動方式與斷裂歷史活動方式相反, 但量值較小。相反, 斷層法向的位移量變化較大, 且為有利于斷層活動的張性位移。

圖5 跨斷裂帶同震位移量變化Fig. 5 Co-seismic displacement change along the faults

表4 斷層各方向位移分量Table 4 Displacement components in the fault directions

4 結(jié)論與討論

基于川滇地區(qū)的三維非線性有限元模型, 利用蘆山地震同震靜態(tài)滑動量結(jié)果, 模擬蘆山地震的發(fā)震過程, 從庫侖應(yīng)力變化分析蘆山地震的發(fā)生對川滇地區(qū)主要斷裂的同震加卸載效應(yīng)。結(jié)果表明: 蘆山地震的發(fā)生造成龍門山斷裂中南段、馬爾康斷裂、岷江斷裂、鮮水河斷裂北西段、大涼山斷裂南段、小江斷裂南段不同程度的應(yīng)力增加, 其中龍門山斷裂中南段增加最為顯著, 最大庫侖應(yīng)力增加量達(dá)0.035 MPa; 岷江斷裂次之, 最大達(dá)0.0075 MPa; 馬爾康斷裂應(yīng)力增加0.0031 MPa; 鮮水河斷裂北西段最大達(dá)0.0008 MPa。對于應(yīng)力增加較為明顯的四條斷裂, 從斷裂帶應(yīng)變積累與釋放的角度進(jìn)一步分析,認(rèn)為兩者反映的斷裂帶地震危險性變化基本一致,該結(jié)果可能為川滇地區(qū)地震危險性分析提供一定的力學(xué)參考依據(jù)。

蘆山地震發(fā)生后, 陳運泰等(2013)通過對 2003年以來龍門山斷裂帶中、小地震精定位、地震活動性分析認(rèn)為, 蘆山地震的發(fā)生并沒有顯著地緩解龍門山斷裂西南段的地震危險性, 仍需要關(guān)注西南段的北段的潛在危險性。高原等(2013)通過對汶川地震、蘆山地震的余震精定位認(rèn)為, 蘆山地震與汶川地震的破裂沒有貫通, 兩個地震之間形成一個值得關(guān)注的“破裂空段”。本文從應(yīng)力變化給出的結(jié)果同樣顯示出龍門山斷裂中南段的應(yīng)力增加較高。單斌等(2013)利用彈性位錯理論與分層巖石圈模型, 分析蘆山地震的同震及震后應(yīng)力變化, 結(jié)果顯示出鮮水河斷裂康定—道孚段庫侖應(yīng)力增加, 這與本文給出的同震應(yīng)力變化結(jié)果是一致的。另外, 王輝等(2012)基于地震活動性參數(shù) b值的研究表明, 鮮水河斷裂帶道孚段處于低 b值區(qū), 這種低值區(qū)反映斷裂段較高的應(yīng)力水平。

需要指出的是, 本文利用王衛(wèi)民等(2013)給出的同震靜態(tài)滑移量結(jié)果作為約束條件模擬蘆山地震的發(fā)震過程, 重點討論同震應(yīng)力變化。庫侖應(yīng)力的變化只是地震的一個觸發(fā)因素, 能否發(fā)生地震還取決于區(qū)域初始應(yīng)力狀態(tài)及其變化, 但庫侖應(yīng)力的變化對解釋震后趨勢判定仍有重要意義。

致謝: 在本文完成過程中, 中國科學(xué)院青藏高原研究所王衛(wèi)民副研究員提供蘆山地震同震靜態(tài)滑動量結(jié)果, 作者與中國地震局地殼應(yīng)力研究所陸遠(yuǎn)忠研究員的有益討論, 圖件使用 GMT軟件包繪制(Wessel et al., 1995), 在此一并表示感謝。

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Impact of the Lushan Earthquake on the Surrounding Faults: Insights from Numerical Modeling

LI Yu-jiang1, 2), CHEN Lian-wang2), LIU Shao-feng1), YANG Shu-xin2), JING Yan2)
1) School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083; 2) Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085

The stress change of the surrounding faults induced by the Lushan earthquake deserves attention. In this paper, the authors developed a three-dimensional nonlinear finite element model to explore the co-seismic loading/unloading effect, based on the coseismic static slip data deduced from the field body waveform record inversion. The preliminary results showed that the Lushan earthquake caused the lading effects on the mid-south Longmen Shan, Minjiang, Barkam, northwestern Xianshuihe, south Daliangshan, and south Xiaojiang faults; the mid-south Longmen Shan fault, in particular, had the significant increase which reached 0.035 MPa; Minjiang fault reached 0.0075 MPa, Barkam fault reached 0.0031 MPa and northwestern Xianshuihe fault reached 0.0008 MPa. These results corresponded well with those deduced from the coseismic strain accumulation and release aspects, and can hence provide a basis for the seismic risk analysis in the future.

Lushan earthquake; Sichuan-Yunnan region; Coulomb failure stress; numerical simulation

P315.32; P315.2

A

10.3975/cagsb.2014.05.13

本文由中央公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(編號: ZDJ2012-09; ZDJ2011-08)和國家科技支撐計劃項目(編號: 2012BAK19B03-6)聯(lián)合資助。

2013-10-27; 改回日期: 2014-03-13。責(zé)任編輯: 魏樂軍。

李玉江, 男, 1982年生。助理研究員。主要從事構(gòu)造應(yīng)力場、地震活動性方面的數(shù)值模擬研究。通訊地址: 100085, 北京市海淀區(qū)西三旗安寧莊路1號, 北京2855信箱。電話: 010-62842659。E-mail: toleeyj@gmail.com。