汶川、蘆山和康定地震造成的鮮水河斷裂帶庫(kù)侖應(yīng)力變化及對(duì)地震危險(xiǎn)性的影響

王閻昭 王 敏 安艷芬

1 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽(yáng)區(qū)華嚴(yán)里甲1號(hào)，100029

鮮水河和龍門(mén)山斷裂帶是青藏高原東緣兩條重要斷裂帶。前者以快速左旋走滑活動(dòng)為特征，強(qiáng)震發(fā)生頻繁［1］；后者為變形緩慢的鏟形逆沖斷層，兼具右旋走滑分量，2008年和2013年分別發(fā)生汶川Mw 7.9地震和蘆山Mw 6.6地震。2014－11－22鮮水河斷裂發(fā)生康定地震，全球矩心矩張量解（GCMT）對(duì)應(yīng)的震中位置為（30.24°N，101.78°E），震源深度24.6km，走向N143°E、傾角85°的主破裂面發(fā)生左旋剪切破裂，矩震級(jí)為6.1［2－5］（USGS給出的震中位置為30.34°N、101.737°E）。本文分別計(jì)算汶川和蘆山地震的同震和震后介質(zhì)粘滯性響應(yīng)以及康定地震同震引起的鮮水河斷裂庫(kù)侖應(yīng)力變化，分析汶川和蘆山地震與康定地震間的關(guān)系，并對(duì)鮮水河斷裂帶未來(lái)地震危險(xiǎn)性作出定量估計(jì)。

1 庫(kù)侖應(yīng)力變化和地震提前／延遲

根據(jù)庫(kù)侖破裂準(zhǔn)則，斷層面上的庫(kù)侖應(yīng)力變化為：

其中，Δτs和Δσn分別為斷層面上的剪切應(yīng)力（以斷層滑移方向?yàn)檎┖驼龖?yīng)力（以拉張為正）的變化量，μ為摩擦系數(shù)，Δp為 孔隙壓變化量［6－7］。孔隙壓變化導(dǎo)致的摩擦弱化效應(yīng)可表示為等效摩擦系數(shù)μ′＝μ（1－B），其中B為Skempton系數(shù)，取值范圍為0～1［8］，則式（1）可改寫(xiě)為：

依據(jù)式（2）計(jì)算汶川和蘆山地震同震和震后介質(zhì)粘滯性響應(yīng)和康定地震同震引起的鮮水河斷裂的ΔCFS。鮮水河斷裂以走滑活動(dòng)為主，假設(shè)其斷層面直立。地震同震和震后區(qū)域介質(zhì)粘滯性響應(yīng)引起的應(yīng)力變化均利用PSGRN／PSCMP程序［9］計(jì)算，其中汶川和蘆山地震的同震破裂模型分別采用Shen［10］和Jiang［5］的結(jié)果。由于目前沒(méi)有康定地震同震破裂分布的結(jié)果發(fā)表，且該地震的破裂規(guī)模較小，其同震破裂的空間分布對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的影響不大，因此假設(shè)一個(gè)同震位錯(cuò)均勻分布的矩形破裂面。USGS 和GCMT 給出的震中位置分別為地震的起始破裂點(diǎn)和能量釋放中心，破裂面長(zhǎng)度L大致為二者距離的2倍，約為24km；破裂面的寬度w大致與震源深度相當(dāng)，即24.6km；位錯(cuò)量D可利用下式估計(jì)［11］：

給定剪切模量μ＝3×1010Pa，可得D約為0.1m。

由于震后滑移對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的貢獻(xiàn)與主震相比不大且主要集中在近場(chǎng)［10］，而汶川地震同震破裂模型反演基于震后數(shù)周乃至數(shù)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)，大多數(shù)余震的影響已包含在內(nèi)，因此計(jì)算中未考慮震后斷層面滑移的影響。計(jì)算ΔCFS時(shí)采用表1所示的簡(jiǎn)化的介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，介質(zhì)波速結(jié)構(gòu)和密度主要參考Shen［10］的結(jié)果，并通過(guò)改變介質(zhì)的粘滯性系數(shù)考察其對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

表1 松潘－甘孜和巴顏喀拉地塊介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型Tab.1 Rheological structure models of the Songpan－Ganzi and Bayan Har blocks

為了更直觀地認(rèn)識(shí)ΔCFS對(duì)地震危險(xiǎn)性的影響，在線性庫(kù)侖應(yīng)力加載的假設(shè)條件下，根據(jù)現(xiàn)今構(gòu)造變形速率估計(jì)斷層面上的庫(kù)侖應(yīng)力加載速率，并以此為量度計(jì)算地震引起的ΔCFS及下次地震提前／延遲的時(shí)間ΔT。假設(shè)鮮水河斷裂帶在彈性半空間20～2 000km 深度范圍內(nèi)發(fā)生穩(wěn)定滑移，其北西段、中段和南東段左旋走滑速率分別為10.7±1.0、10.4±1.1和10.2±0.6mm／a［12］，利用Okada［13］算法計(jì)算由此導(dǎo)致的應(yīng)變率場(chǎng)（為避免邊界效應(yīng)，計(jì)算中將發(fā)生滑移的斷層沿走向向兩端分別延伸1 500km），給定介質(zhì)剪切模量（3×1010Pa）和泊松比（0.25），得到應(yīng)力加載速率。然后將式（2）中的應(yīng)力分量替換為相應(yīng)的加載速率，即可得到斷層面上的庫(kù)侖應(yīng)力加載速率，則：

2 計(jì)算結(jié)果

分別估算汶川、蘆山和康定地震引起的鮮水河斷裂斷層面上10km 深處的ΔCFS及3者疊加導(dǎo)致的ΔT。由于應(yīng)力場(chǎng)在5～15km 深度范圍內(nèi)的變化不大，選擇10km 深度處的計(jì)算結(jié)果具有較好的代表性。同時(shí)，由于斷層面上的摩擦系數(shù)和孔隙壓未知，在模型1的假設(shè)條件下分別考察μ′＝0和μ′＝0.4兩種情況。

μ′＝0時(shí)計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2。汶川地震使得鮮水河斷裂帶八美至磨西庫(kù)侖應(yīng)力增加1.2×103～1.3×104Pa，八美以北和磨西以南分別減少1.5×103～2.3×104和9.7×102～2.9×103Pa。蘆山地震則導(dǎo)致康定至磨西庫(kù)侖應(yīng)力增加5.1×102～1.6×103Pa，康定以北和磨西以南分別減少1.5×102～2.3×103和0.7×102～4.0×102Pa。汶川和蘆山地震在康定地震破裂帶附近引起的ΔCFS分別為1.1×104和－2.2×103Pa，分別對(duì)康定地震的發(fā)生起到促進(jìn)和延遲的作用?？刀ǖ卣饎t導(dǎo)致地震破裂帶以外的整個(gè)鮮水河斷裂帶上庫(kù)侖應(yīng)力增加，其中破裂帶以北的ΔCFS由1.6×104Pa向北衰減至1.4×102Pa，以南由2.0×104Pa向南衰減至3.0×102Pa。3 次地震的綜合效應(yīng)導(dǎo)致鮮水河斷裂帶八美至磨西（康定地震同震破裂段除外）的地震危險(xiǎn)性增加，使其地震提前0～5a，而其余地區(qū)則推遲0～4a。

圖1 μ′＝0時(shí)汶川、蘆山和康定地震造成的ΔCFS和ΔT（灰線為活動(dòng)斷裂地表行跡，黑框?yàn)榭刀ǖ卣鹌屏衙娣秶?，鮮水河斷裂帶上的彩色線段代表相應(yīng)ΔCFS或ΔT）Fig.1 ΔCFS caused by the Wenchuan，Lushan，and Kangding earthquakes assumingμ′＝0and the totalΔT（Gray curves denote active faults.Black rectangle shows rupture zone of the Kangding earthquake.Colors stand for values ofΔCFS orΔT）

當(dāng)μ′≠0 時(shí)，斷層面上的正應(yīng)力將對(duì)ΔCFS產(chǎn)生貢獻(xiàn)。如圖2，當(dāng)μ′＝0.4時(shí)，汶川地震在道孚以北、道孚至豬腰子海子以及豬腰子海子以南引起的ΔCFS 分別為－1.5×104～－2.0×103、1.2×102～1.9×104和－6.9×103～－2.3×103Pa。蘆山地震對(duì)斯丁措以北、斯丁措至磨西和磨西以南ΔCFS的貢獻(xiàn)則分別為－1.4×103～－1.9×102、2.2×102～2.3×103和－9.2×102～－2.0×102Pa。二者在康定地震破裂帶附近引起的ΔCFS分別為1.9×104和－1.0×103Pa?？刀ǖ卣饘?dǎo)致地震破裂帶以外的整個(gè)鮮水河斷裂帶上庫(kù)侖應(yīng)力增加，其中破裂帶以北ΔCFS由1.2×104Pa向北衰減至1.6×102Pa，以南則由2.5×104Pa向南衰減至2.8×102Pa。3次地震的綜合效應(yīng)使得鮮水河斷裂帶道孚至豬腰子海子（康定地震同震破裂段除外）的地震危險(xiǎn)性增加，使其地震提前0～6a，而其余地區(qū)推遲0～2a。

圖2 3次地震造成的ΔCFS和總ΔT 沿?cái)鄬幼呦虻淖兓╝）、（b）和（c）分別為汶川、蘆山和康定地震造成的ΔCFS，（d）為3次地震造成的總ΔT；其中實(shí)線和虛線分別為μ′＝0和μ′＝0.4時(shí)的結(jié)果；黑線、綠線、紅線和藍(lán)線分別為地震同震、模型1、模型2和模型3的結(jié)果）Fig.3 Variation ofΔCFSs and the totalΔTcaused by the Wenchuan，Lushan and Kangding earthquakes along fault strike（a），（b）and（c）showΔCFSs induced by the Wenchuan，Lushanand Kangding earthquakes，respectively.（d）showsΔTcaused by the three earthquakes.Solid and dashed lines denote results assumingμ′＝0andμ′＝0.4，respectively.Black，green，red and blue lines show results of only－coseismic model and those under model 1，model 2，and model 3，respectively）

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)鮮水河斷裂帶地震危險(xiǎn)性的估計(jì)未考慮非線性效應(yīng)對(duì)地震的觸發(fā)作用，如受速度－狀態(tài)相依本構(gòu)關(guān)系控制的破裂加速效應(yīng)［14］和考慮強(qiáng)度和／或庫(kù)侖應(yīng)力狀態(tài)非均勻分布的斷層模型［15］等，雖然在某種程度上增加了結(jié)果的不確定性，但受限于對(duì)諸如斷層面粗糙體及其摩擦性質(zhì)、地震破裂歷史及其滑移量分布等相關(guān)因素的認(rèn)識(shí)不足，非線性效應(yīng)很難估計(jì)。本文在線性加載假設(shè)下的計(jì)算結(jié)果對(duì)長(zhǎng)期地震危險(xiǎn)性的估計(jì)仍具有統(tǒng)計(jì)意義。

為考察流變學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)ΔCFS的影響，除模型1（參見(jiàn)表1）外還分別計(jì)算了不考慮介質(zhì)粘滯性響應(yīng)（即只考慮地震同震）以及下地殼上地幔粘滯性系數(shù)更低（模型2）和更高（模型3）情況下3次地震對(duì)鮮水河斷裂帶的影響（圖3）。結(jié)果顯示，下地殼上地幔粘滯性系數(shù)越低，介質(zhì)粘滯性響應(yīng)造成的ΔCFS越大，沿走向的變化越劇烈。粘滯性系數(shù)的差異對(duì)ΔT計(jì)算結(jié)果的影響最多可達(dá)3 a，且主要為汶川地震的貢獻(xiàn)。同時(shí)，從圖2還可以清晰地看到，蘆山地震在鮮水河斷裂帶上引起的ΔCFS總體上比汶川和康定地震低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，3次地震造成的總應(yīng)力擾動(dòng)主要來(lái)自汶川和康定地震；汶川地震的影響幾乎遍及整個(gè)鮮水河斷裂帶，而康定地震的影響則主要集中在距地震破裂帶大約200km 的范圍內(nèi)。

汶川和蘆山地震分別造成康定地震破裂段庫(kù)侖應(yīng)力的加載和卸載，但后者的數(shù)值比前者低一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，汶川、蘆山和康定3個(gè)地震引起的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)也對(duì)鮮水河斷裂帶未來(lái)的地震危險(xiǎn)性產(chǎn)生影響。在線性應(yīng)力加載的假設(shè)條件下，當(dāng)μ′＝0時(shí)，3次地震將使八美至磨西（除康定地震破裂帶外）的地震提前0～5a，其余地區(qū)推遲0～4a；當(dāng)μ′＝0.4時(shí)，3次地震則會(huì)使道孚至豬腰子海子（除康定地震破裂帶外）的地震提前0～6a，其余地區(qū)推遲0～2a。

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