2015年尼泊爾MW7.9地震對(duì)青藏高原活動(dòng)斷裂同震、震后應(yīng)力影響

熊維， 譚凱， 劉剛， 喬學(xué)軍， 聶兆生

中國(guó)地震局地震研究所，地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071

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2015年尼泊爾MW7.9地震對(duì)青藏高原活動(dòng)斷裂同震、震后應(yīng)力影響

熊維， 譚凱*， 劉剛， 喬學(xué)軍， 聶兆生

中國(guó)地震局地震研究所，地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071

2015年尼泊爾MW7.9地震重烈度區(qū)從震中向東延伸，致災(zāi)范圍包括尼泊爾、印度北部、巴基斯坦、孟加拉和中國(guó)藏南地區(qū)，其應(yīng)力調(diào)整對(duì)鄰區(qū)和周邊活動(dòng)斷裂可能產(chǎn)生重要影響．本文基于地震應(yīng)力觸發(fā)理論，采用巖石圈地殼分層黏彈性位錯(cuò)模型，計(jì)算了尼泊爾MW7.9地震引起的周邊斷裂，特別是青藏高原活動(dòng)斷裂的同震和震后庫(kù)侖應(yīng)力變化．結(jié)果顯示，尼泊爾地震同震效應(yīng)引起大部分震區(qū)庫(kù)侖應(yīng)力升高，余震主要分布在最大同震滑動(dòng)等值線外部庫(kù)侖應(yīng)力升高區(qū)域；少量余震靠近最大滑動(dòng)量區(qū)域，可能該區(qū)域積累的地震能量在主震期間沒(méi)有完全釋放．尼泊爾地震同震庫(kù)侖應(yīng)力對(duì)青藏高原，特別是中尼邊境區(qū)域活動(dòng)斷裂有一定影響．亞?wèn)|—谷露地塹南段、北喜馬拉雅斷裂西段、當(dāng)惹雍錯(cuò)—定日斷裂和甲崗—定結(jié)斷裂同震庫(kù)侖應(yīng)力升高，其中當(dāng)惹雍錯(cuò)—定日斷裂南端，北喜馬拉雅斷裂西段同震庫(kù)侖應(yīng)力變化峰值超過(guò)0.01 MPa；帕龍錯(cuò)斷裂、班公錯(cuò)斷裂、改則—洞措斷裂庫(kù)侖應(yīng)力降低，其地震發(fā)生概率有所降低．震后應(yīng)力影響方面，未來(lái)40年內(nèi)黏彈性松弛作用導(dǎo)致北喜馬拉雅斷裂、改則—洞措斷裂和喀喇昆侖斷裂整體應(yīng)力卸載；藏南一系列正斷層震后應(yīng)力持續(xù)上升，其中帕龍錯(cuò)斷裂南段受到震后黏彈性庫(kù)侖應(yīng)力影響，由應(yīng)力陰影區(qū)逐漸轉(zhuǎn)化為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)，當(dāng)惹雍錯(cuò)—定日斷裂南段應(yīng)力進(jìn)一步加強(qiáng)，震后40年其南端應(yīng)力變化峰值達(dá)到0.1345 MPa，亞?wèn)|—谷露斷裂南段應(yīng)力亦持續(xù)增強(qiáng)．藏南正斷層的地震活動(dòng)性值得進(jìn)一步關(guān)注．

尼泊爾地震; 庫(kù)侖應(yīng)力變化; 黏彈性松弛; 地震危險(xiǎn)性

USGS provided the coseismic slip model of the 2015 NepalMW7.9 earthquake. The historical earthquake focal mechanism was regarded as the actual geological fault parameter and the receive fault plane. We calculated coseismic and postseismic stress along surrounding faults induced by 2015 NepalMW7.9 earthquake based on the PSGRN/PSCMP code.

The analysis of coseismic stress indicates some important results: The 2015 NepalMW7.9 earthquake enhanced the static stress on most of the epicentral region. Most of the aftershocks occurred in the positive stress zone. The coseismic stress was increased on the south segment of Yadong-Gulu rift, the west segment of North Himalaya fault, Tangra Yumco rift and the Jaggang-Dinggyê rift, especially on the south end of the Tangra Yumco rift and the west segment of the North Himalayan fault, where the Coulomb stress was increased by more than 0.01 MPa. Coseismic stress released on the Palung Co fault, Bangong Co fault and Gerze-Dongco fault. Moreover, viscoelastic relaxation effect would unload the stress along the North Himalayan fault, Gerze-Dongco fault and Karakorum fault in the next 40 years, while the postseismic stress on a series of normal faults in southern Tibet would rise, which means that the stress shadow on the southern section of the Palung Co fault would gradually disappear, and the stress of the Tangra Yumco rift would further be strengthened. In 40 years after the earthquake, the Coulomb stress peak in this area would be about 0.1345 MPa, which is significantly over the stress threshold. The stress on the Yadong-Gulu rift would also be increased.

The high-intensity region of 2015 NepalMW7.9 earthquake, extended eastward from the epicenter, parallel to the Main Himalayan Thrust. Of the total, 90% of the aftershocks occurred in the positive stress zone, while few aftershocks are located in stress shadow. Coseismic stress on optimal fault plane could explain the characteristic of aftershock distribution. Post-seismic relaxation would enhance the stress on some normal faults (such as the Palung Co fault, Tangra Yumco rift and Yadong-Gulu rift) in southern Tibet. For the high locking depth and lack of historical earthquakes, the seismic activity of the normal faults in southern Tibet deserves further attention.Keywords Nepal earthquake; Coulomb stress changes; Viscoelastic relaxation; Seismic hazard

1 引言

相鄰斷裂帶的強(qiáng)震往往會(huì)相互作用和影響，地震同震及震后形變引起的周邊庫(kù)侖應(yīng)力變化可定量描述發(fā)震斷層間的相互作用．一般而言，地震可能導(dǎo)致接收斷層應(yīng)力加載，引起庫(kù)侖應(yīng)力增強(qiáng)，使其更加容易破裂；地震如果使接收斷層應(yīng)力卸載，引起庫(kù)侖應(yīng)力降低，將推遲地震的發(fā)生(Stein et al., 1992; Stein, 1999, 2003)．根據(jù)物理機(jī)制的差異，地震引起的庫(kù)侖應(yīng)力大致分為靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力(同震應(yīng)力變化引起)、動(dòng)態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力與黏彈性庫(kù)侖應(yīng)力(震后黏彈性松弛應(yīng)力變化引起)三類(Freed, 2005)．震后黏彈性松弛庫(kù)侖應(yīng)力變化是由于黏彈性的下地殼和上地幔的震后黏彈性松弛作用引起的斷裂面上庫(kù)侖應(yīng)力變化．許多歷史強(qiáng)震引起的同震、震后庫(kù)侖應(yīng)力變化成功解釋了主震對(duì)余震的觸發(fā)作用(Parsons et al., 1999; Toda et al., 2008; 單斌等，2013)，以及地震觸發(fā)的時(shí)延效應(yīng)(Stein et al., 1994; Freed and Lin, 2001; Pollitz et al., 2003; 雷興林等，2013)，有效分析了強(qiáng)震間相互作用的關(guān)系(Stein et al., 1997; Nalbant et al., 1998; McCloskey et al., 2005)，評(píng)估了活動(dòng)斷裂應(yīng)力變化狀況及地震危險(xiǎn)性水平(Papadimitriou et al., 2004; 徐晶等，2013; Xiong et al., 2010; Shan et al., 2013;單斌等，2009)．

2015年4月25日，尼泊爾中東部郎唐地區(qū)(Lamjung)發(fā)生MW7.9地震(圖1)，截至5 月10日，已發(fā)生MW>4余震100次以上，8019人死亡，17866人受傷，大量建筑毀損．地震波及我國(guó)西藏南部，導(dǎo)致吉隆、定日、聶拉木相繼發(fā)生MS3.6，5.9和5.3地震(張貝等，2015；盛書(shū)中等，2015)．國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)基于遠(yuǎn)震地震波資料，快速反演了本次地震的震源模型(USGS: http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us20002926 scientific_ finitefault; 張勇等，2015)；盛書(shū)中等(2015)根據(jù)USGS提供的破裂模型，從靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)角度分析了尼泊爾地震對(duì)中國(guó)大陸的影響；張貝等(2015)采用PREM分層模型，計(jì)算了不同斷層模型下尼泊爾地震同震位移及周圍地區(qū)同震應(yīng)力變化．當(dāng)前研究成果主要集中于尼泊爾地震靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力影響，并未考慮巖石圈震后黏彈性松弛所引起的應(yīng)力影響．

圖1 尼泊爾地震周邊活動(dòng)斷層、歷史地震與余震分布

以往研究成果表明，震后黏彈性松弛庫(kù)侖應(yīng)力變化對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)及活動(dòng)斷裂應(yīng)力演化具有重要影響(Freed and Lin, 2001; Freed et al., 2007; Ali et al., 2008; Shan et al., 2013)．美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)給出美國(guó)加州1992年MW7.3 Landers地震使1999年MW7.l Hector Mine地震震中靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力下降0.14 MPa(Freed and Lin, 2001)，這一結(jié)果顯然不能解釋后續(xù)地震的發(fā)生，然而Freed等計(jì)算表明下地殼和上地幔的震后黏彈性松弛導(dǎo)致1999年MW7.1 Hector Mine地震震中處的庫(kù)侖應(yīng)力增至0.12 MPa(Freed and Lin, 2001)，震后黏彈性庫(kù)侖應(yīng)力變化可較好解釋該震例的延時(shí)觸發(fā)效應(yīng)；雷興林等(2013)和Wang等(2014)的工作也表明黏彈性庫(kù)侖應(yīng)力變化可更好地解釋汶川地震對(duì)蘆山地震的觸發(fā)作用．本文基于中國(guó)活動(dòng)斷裂數(shù)據(jù)庫(kù)(鄧起東等，2002)及CMT(Global Centroid Moment Tensor Catalog)歷史地震震源機(jī)制解資料，建立更為精細(xì)的活動(dòng)斷層模型；根據(jù)USGS公布的主震破裂模型，進(jìn)一步分析尼泊爾地震引起的同震及震后黏彈性庫(kù)侖應(yīng)力變化，以期描述尼泊爾地震引起的青藏高原主要活動(dòng)斷裂同震及震后應(yīng)力演化特征，為震后地震危險(xiǎn)性評(píng)估提供參考．

2 模型與方法

2.1 斷層破裂的庫(kù)侖應(yīng)力模型

地震發(fā)生瞬間，發(fā)震斷裂產(chǎn)生較大的靜態(tài)同震滑移，并在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)引起靜態(tài)同震應(yīng)變和應(yīng)力．由于中下地殼和上地幔屬于較弱的黏彈性物質(zhì)，地震應(yīng)力可隨時(shí)間逐漸松弛釋放并引起震后地表位移，產(chǎn)生隨時(shí)間變化的震后黏彈性松弛應(yīng)變和應(yīng)力．同震和震后應(yīng)力調(diào)整均會(huì)引起接收斷層的庫(kù)侖應(yīng)力變化．根據(jù)庫(kù)侖破裂準(zhǔn)則，接收斷層庫(kù)侖應(yīng)力變化定義為：

Δσf=Δτ+μ(Δσn+ΔP),

(1)

式中，Δτ為斷層上的剪切應(yīng)力變化(沿?cái)鄬踊瑒?dòng)方向?yàn)檎?，Δσn為正應(yīng)力變化(使斷層解鎖為正)．ΔP為斷層區(qū)的孔隙壓力變化(壓縮為正)，μ為摩擦系數(shù)(范圍為0～1)．庫(kù)侖應(yīng)力Δσf為正時(shí)破裂受到促進(jìn)，為負(fù)時(shí)破裂被抑制；增加剪切應(yīng)力或使斷層解鎖兩種情況均可驅(qū)使促進(jìn)破裂．ΔP與Δσn作用的趨勢(shì)相反，常在式(1)中引入“有效”摩擦系數(shù)μ′而合并成一項(xiàng)(解朝娣等，2010)，即為式(2)：

Δσf=Δτ+μ′Δσn.

(2)

由上述模型可知，庫(kù)侖破裂應(yīng)力的計(jì)算與滑動(dòng)分布模型密切相關(guān)，并受到接收斷層參數(shù)和有效摩擦系數(shù)的影響．此外，黏彈性庫(kù)侖應(yīng)力的計(jì)算需要選取可靠的巖石圈分層結(jié)構(gòu)參數(shù)．

2.2 巖石圈分層結(jié)構(gòu)

青藏高原處于印度板塊與歐亞板塊碰撞匯聚區(qū)域，地殼增厚，以高海拔與高山地貌為顯著特征．滕吉文等(2012)利用P波和S波震相進(jìn)行二維速度結(jié)構(gòu)反演，獲得青藏高原地殼與上地幔精細(xì)速度結(jié)構(gòu)，王椿鏞等(2003)利用人工地震剖面和廣角反射數(shù)據(jù)研究了青藏高原東邊緣的地殼速度結(jié)構(gòu)，本文綜合以上結(jié)果建立巖石圈速度結(jié)構(gòu)．巖石圈流變性質(zhì)主要參考青藏高原東昆侖斷裂帶區(qū)域研究成果(沈正康等，2003；邵志剛等，2008)，中下地殼和上地幔流變結(jié)構(gòu)使用Maxwell體模擬(表1)．黏滯系數(shù)的不確定性會(huì)影響中下地殼及上地幔震后弛豫時(shí)間與應(yīng)力釋放速率，然而對(duì)應(yīng)力場(chǎng)空間分布特征與時(shí)間變化趨勢(shì)的影響較小(單斌等，2013)．

2.3 主要震源參數(shù)

本文主要目標(biāo)是評(píng)估地震破裂對(duì)震區(qū)及中國(guó)青藏高原活動(dòng)斷裂同震和震后應(yīng)力影響，為防震減災(zāi)和地震危險(xiǎn)性評(píng)估提供參考，所以直接使用科研機(jī)構(gòu)已公布的地震破裂滑動(dòng)分布模型．我們使用USGS根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)地震波反演公布的地震破裂滑動(dòng)模

表1 巖石圈分層結(jié)構(gòu)模型Table 1 Stratified model comprised of elastic upper crust, viscoelastic lower crust and viscoelastic mantle

注：本文主要計(jì)算結(jié)果采用模型1參數(shù)，模型2和模型3的參數(shù)將在結(jié)果穩(wěn)定性分析中使用．

型作為本文的先驗(yàn)?zāi)Ｐ停撃Ｐ凸灿?21個(gè)子斷裂，子斷裂長(zhǎng)寬為20 km×15 km，地表跡線與喜馬拉雅主山前沖斷裂基本一致，最大滑移3.1 m．滑移分布與余震分布具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖2)．

圖2 USGS提供的尼泊爾地震同震滑動(dòng)分布模型(http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us20002926 scientific_finitefault)Fig.2 Coseismic slip model of 2015 MW7.9 Nepal earthquake from USGS

2.4 接收斷層參數(shù)

庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算與接收斷層參數(shù)(走向、傾角、滑動(dòng)角、埋深)密切相關(guān)．本文主要根據(jù)中國(guó)活動(dòng)斷裂數(shù)據(jù)庫(kù)(鄧起東等，2002)建立接收斷層模型．然而活斷層數(shù)據(jù)往往僅能給出明確的走向信息，傾角與滑動(dòng)角信息多不完整．我們參考盛書(shū)中等(2015)的方法，采用歷史地震震源機(jī)制解作為接收斷層參數(shù)．青藏高原地區(qū)地震頻發(fā)，歷史地震數(shù)據(jù)積累豐富(圖1)，利用該方法可取得主要活動(dòng)斷裂不同分段較為明確的產(chǎn)狀信息，進(jìn)而建立較為精細(xì)的接收斷層模型．

由于幾乎不可能通過(guò)實(shí)際觀測(cè)來(lái)測(cè)定接收斷層的有效摩擦系數(shù)，目前其選取主要是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)

(Parsons et al., 1999)．Parsons等(1999)認(rèn)為高角度的走滑斷層應(yīng)該對(duì)應(yīng)較低的有效摩擦系數(shù)，而傾斜斷層的有效摩擦系數(shù)較高；Xiong等(2010)認(rèn)為0.2～0.4的摩擦系數(shù)取值適用于走滑斷裂．本文計(jì)算中有效摩擦系數(shù)采用文獻(xiàn)常用值0.4，并將討論不同摩擦系數(shù)取值對(duì)結(jié)果的影響．

此外，由于在多次試算中發(fā)現(xiàn)深度變化對(duì)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分布特征影響不大，本文選取10 km 為計(jì)算庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化的深度，并假定剪切模量為30 GPa，泊松比為0.25．

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 主震對(duì)余震的觸發(fā)作用

由于很難獲取全部余震的震源機(jī)制解資料，研究中假定余震發(fā)生在最優(yōu)破裂面上(解朝娣等，2010)，根據(jù)USGS公布的震源破裂模型，計(jì)算了尼泊爾主震在10 km深度處所產(chǎn)生的同震庫(kù)侖應(yīng)力變化場(chǎng)(圖3)．計(jì)算中有效摩擦系數(shù)取值0.4．并顧及區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的影響.由于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力軸方向的改變直接影響接收斷層的最優(yōu)破裂面(解朝娣等，2010)，計(jì)算中參考Parsons等(2006)，設(shè)置區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力軸方向垂直于斷層走向．

如圖3所示，尼泊爾地震產(chǎn)生的同震庫(kù)侖應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)沿北西—南東向展布，與發(fā)震斷層走向平行．90%以上的余震分布于應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)域，應(yīng)力降低區(qū)域少有余震發(fā)生．最優(yōu)破裂面上的同震庫(kù)侖應(yīng)力場(chǎng)可較好地解釋余震分布特征．余震主要分布在最大滑動(dòng)量等值線外部庫(kù)侖應(yīng)力增加的區(qū)域，有少部分余震靠近最大破裂區(qū)域，可能該區(qū)域積累的地震能量在主震破裂期間沒(méi)有全部釋放．本文結(jié)果與張貝等(2015)的結(jié)果具有可比性．張貝等(2015)假定余震機(jī)制與主震一致，與本文假定存在差異，但這種差異并未對(duì)尼泊爾地震同震庫(kù)侖應(yīng)力場(chǎng)的分布特征產(chǎn)生重大影響．

表2 尼泊爾主震對(duì)強(qiáng)余震的觸發(fā)作用Table 2 The trigger action of strong aftershocks by main event

圖3 尼泊爾MW7.9地震同震庫(kù)侖應(yīng)力(CMB)變化與余震分布

圖4 尼泊爾地震引起的青藏高原活動(dòng)斷裂同震應(yīng)力變化

更加精細(xì)的分析需要依據(jù)特定余震的震源機(jī)制解計(jì)算其所受應(yīng)力觸發(fā)作用．表2展示了USGS提供的三個(gè)強(qiáng)余震震源機(jī)制及其發(fā)震節(jié)面的應(yīng)力變化．由結(jié)果可知，余震發(fā)震節(jié)面庫(kù)侖應(yīng)力變化超過(guò)0.1 MPa，可認(rèn)為表中所示余震均受到主震的應(yīng)力觸發(fā)作用．

3.2 尼泊爾地震引起的青藏高原活動(dòng)斷裂同震庫(kù)侖應(yīng)力變化

假定接收斷層有效摩擦系數(shù)均為0.4，依據(jù)接收斷層模型，我們利用PSGRN/PSCMP程序(Wang et al.,2006)計(jì)算了尼泊爾地震對(duì)青藏高原活動(dòng)斷裂的同震庫(kù)侖應(yīng)力影響(圖4)．計(jì)算結(jié)果表明，距尼泊爾地震震中較近的斷裂庫(kù)侖應(yīng)力變化較大，而較遠(yuǎn)的活動(dòng)斷裂所受到應(yīng)力影響較小．亞?wèn)|—谷露地塹南段、北喜馬拉雅斷裂西段、當(dāng)惹雍錯(cuò)—定日斷裂、甲崗—定結(jié)斷裂和錯(cuò)那—瓊結(jié)斷裂受到尼泊爾地震影響，斷裂面庫(kù)侖應(yīng)力得到較大增強(qiáng)，其中當(dāng)惹雍錯(cuò)—定日斷裂南端，北喜馬拉雅斷裂西段最大同震庫(kù)侖應(yīng)力變化超過(guò)0.01 MPa．其他大部分?jǐn)嗔衙鎺?kù)侖應(yīng)力變化值低于0.01 MPa．

亞?wèn)|—谷露地塹作為青藏高原內(nèi)部規(guī)模最大的一條近南北向裂谷帶，地貌清晰，斷層發(fā)育，地震活動(dòng)性強(qiáng)，在青藏高原構(gòu)造研究中占有重要地位(Tapponnier et al., 1981)．亞?wèn)|—谷露地塹歷史地震集中于中北段：如1411年裂谷中段羊八井一帶曾發(fā)生約8級(jí)地震，1952年約8級(jí)崩錯(cuò)地震則發(fā)生在裂谷北端附近一條北北西向右旋走滑斷層上(Armijo et al., 1989)，近期強(qiáng)震活動(dòng)以1992年尼木MW6.1地震和2008年當(dāng)雄MW6.3地震為代表 (Elliott et al., 2008)，基本在1411年歷史地震的原址復(fù)發(fā)．然而該斷裂南段鮮有歷史地震記錄，可能已積累較大應(yīng)力．尼泊爾地震進(jìn)一步加強(qiáng)了該斷裂南段的應(yīng)力水平，其地震危險(xiǎn)性值得關(guān)注．

當(dāng)惹雍錯(cuò)—定日斷裂、甲崗—定結(jié)斷裂和錯(cuò)那—瓊結(jié)斷裂均為西藏南部近南北向的正斷層，共同調(diào)節(jié)著青藏高原的隆升與東西向拉張．甲崗—定結(jié)斷裂南段歷史上曾發(fā)生一系列中小震群，北端與格林錯(cuò)斷裂交界處曾于1934年發(fā)生MS7.0地震；當(dāng)惹雍錯(cuò)—定日斷裂北段曾發(fā)生MW>6地震，其南段則缺少歷史地震記錄；錯(cuò)那—瓊結(jié)斷裂南段曾在1806年和1871年相繼發(fā)生兩次MS7.5地震．以上三段斷裂應(yīng)力狀態(tài)在尼泊爾震后均被不同程度加載，并以當(dāng)惹雍錯(cuò)—定日斷裂南段尤為強(qiáng)烈．

北喜馬拉雅斷裂西段受到較強(qiáng)應(yīng)力加載，最大變化量超過(guò)應(yīng)力觸發(fā)閾值，然而其中段應(yīng)力卸載作用明顯，整段斷裂平均應(yīng)力變化水平低于0.01 MPa．相關(guān)研究認(rèn)為，僅斷裂一端受到應(yīng)力加載依然可能觸發(fā)地震(Nalbant et al., 2005)．可以認(rèn)為北喜馬拉雅斷裂受到尼泊爾地震同震應(yīng)力影響，未來(lái)地震危險(xiǎn)性有所上升．

此外，尼泊爾地震同震庫(kù)侖應(yīng)力有效降低了帕龍錯(cuò)斷裂、班公錯(cuò)斷裂、改則—洞措斷裂的應(yīng)力水平，其地震危險(xiǎn)性可能有所下降．距離尼泊爾地震震中位置較遠(yuǎn)的活動(dòng)斷裂，如阿爾金斷裂、東昆侖斷裂等，庫(kù)侖應(yīng)力變化量級(jí)很小，其受尼泊爾地震影響可以忽略．

我們采用PSGRN/PSCMP程序計(jì)算庫(kù)侖應(yīng)力變化，與盛書(shū)中等(2015)所采用的Coulomb3.3程序在地殼分層模型選取方面存在差異．Coulomb3.3程序基于彈性位錯(cuò)模型，只能計(jì)算同震庫(kù)侖應(yīng)力變化；而PSGRN/PSCMP程序基于黏彈性地殼分層模型，可有效模擬同震和震后形變及應(yīng)力變化，可以提供比前者更詳盡的庫(kù)侖應(yīng)力變化估計(jì)．由于計(jì)算模型差異，本節(jié)同震庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與盛書(shū)中等(2015)并不完全一致，如盛書(shū)中等(2015)認(rèn)為當(dāng)惹雍錯(cuò)—定日斷裂北段和喀喇昆侖斷裂南段同震庫(kù)侖應(yīng)力降低，而本文結(jié)果顯示其應(yīng)力加載．但總體而言，我們所展示的同震庫(kù)侖應(yīng)力空間分布和量級(jí)特征與盛書(shū)中等(2015)的結(jié)果具有可比性，這也在一定程度上說(shuō)明了本文結(jié)果的可靠性．

3.3 尼泊爾地震引起的青藏高原活動(dòng)斷裂震后應(yīng)力演化

我們假定接收斷層有效摩擦系數(shù)均為0.4，利用PSGRN/PSCMP程序計(jì)算了尼泊爾地震引起的青藏高原活動(dòng)斷裂震后10年、20年和40年的應(yīng)力變化(圖5a—5c)．

可以看出，距離尼泊爾地震震中較近的斷裂受震后應(yīng)力影響較大：北喜馬拉雅斷裂整體受到震后應(yīng)力卸載，其西段同震應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)隨時(shí)間逐漸轉(zhuǎn)化為應(yīng)力影區(qū)；改則—洞措斷裂、喀喇昆侖斷裂同樣受到震后應(yīng)力卸載作用；藏南一系列正斷層，如帕龍錯(cuò)斷裂、當(dāng)惹雍錯(cuò)—定日斷裂、亞?wèn)|—谷露斷裂和錯(cuò)那—瓊結(jié)斷裂，均受到震后應(yīng)力加載，其中帕龍錯(cuò)斷裂南段由同震應(yīng)力影區(qū)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)，當(dāng)惹雍錯(cuò)—定日斷裂南段應(yīng)力進(jìn)一步加強(qiáng)，震后40年其南端應(yīng)力變化峰值達(dá)到0.1345 MPa，亞?wèn)|—谷露斷裂南段和錯(cuò)那—瓊結(jié)斷裂應(yīng)力亦持續(xù)增強(qiáng)．藏南正斷層的地震活動(dòng)性值得進(jìn)一步關(guān)注．距離尼泊爾地震震中較遠(yuǎn)的活動(dòng)斷裂在震后應(yīng)力變化較小，如東昆侖斷裂震后庫(kù)侖應(yīng)力變化值低于102Pa量級(jí)，可以忽略不計(jì)．

值得注意的是，根據(jù)我們的計(jì)算結(jié)果，尼泊爾地震震后40年對(duì)青藏高原，特別是距震中較近的藏南地區(qū)活動(dòng)斷裂的黏彈性庫(kù)侖應(yīng)力影響與同震庫(kù)侖應(yīng)力影響量值大體相當(dāng)，說(shuō)明中下地殼與上地幔的黏彈性松弛效應(yīng)可有效改變震后斷層面的應(yīng)力狀態(tài)．在圣安地列斯斷裂帶、鮮水河斷裂帶、昆侖斷裂帶等地區(qū)的歷史震例研究中也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象(Freed and Lin, 2001; Freed et al., 2007; Ali et al., 2008; Xiong et al., 2010; Shan et al., 2013)．

圖5 尼泊爾地震引起的青藏高原活動(dòng)斷裂震后應(yīng)力演化

圖6 計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定性分析

3.4 結(jié)果穩(wěn)定性分析

由庫(kù)侖應(yīng)力數(shù)學(xué)模型可知，靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果主要與有效摩擦系數(shù)和接收斷層參數(shù)相關(guān)，除此之外黏彈性庫(kù)侖應(yīng)力還與地殼分層結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)．本節(jié)以亞?wèn)|—谷露斷裂為例，分析不同參數(shù)取值對(duì)最終計(jì)算結(jié)果的影響．

震后正應(yīng)力與剪應(yīng)力的計(jì)算與有效摩擦系數(shù)無(wú)關(guān)，摩擦系數(shù)的改變影響正應(yīng)力變化在庫(kù)侖應(yīng)力變化中的權(quán)重．在應(yīng)力條件恒定的前提下，摩擦系數(shù)對(duì)庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算的影響是線性的．本文分別采用0.2，0.4和0.6的有效摩擦系數(shù)取值，計(jì)算亞?wèn)|—谷露斷裂同震庫(kù)侖應(yīng)力變化(圖6a)．考慮不同的有效摩擦系數(shù)，亞?wèn)|—谷露斷裂同震庫(kù)侖應(yīng)力變化隨有效摩擦系數(shù)取值的增加而線性升高，但應(yīng)力分布特征并未發(fā)生改變．計(jì)算結(jié)果表明有效摩擦系數(shù)取值并不影響庫(kù)侖應(yīng)力變化趨勢(shì)．

接收斷層參數(shù)選取主要依據(jù)中國(guó)活動(dòng)斷裂數(shù)據(jù)庫(kù)(鄧起東等，2002)和CMT提供的歷史地震震源機(jī)制解資料，斷層走向與傾向信息較為明確，而滑動(dòng)角信息不確定性較大．顧及亞?wèn)|—谷露斷裂正斷層性質(zhì)，本文分別采用-70°，-90°和-120°的滑動(dòng)角取值，計(jì)算其同震庫(kù)侖應(yīng)力變化(圖6b)．計(jì)算結(jié)果表明滑動(dòng)角變化對(duì)應(yīng)力結(jié)果呈非線性影響，但僅表現(xiàn)為量值上的少量變化，并不影響庫(kù)侖應(yīng)力變化趨勢(shì)，這從一定程度上說(shuō)明了本文研究結(jié)果的穩(wěn)定性．將來(lái)研究中可結(jié)合更多可靠資料以減小接收斷層參數(shù)不確定性帶來(lái)的影響．

青藏高原中下地殼與上地幔黏滯系數(shù)特征值位于1019～1021之間(萬(wàn)永革等，2009；徐晶等，2013；雷興林等，2013；Shan et al., 2013)，本研究中依據(jù)三組不同參數(shù)(表1)建立地殼分層模型，計(jì)算亞?wèn)|—谷露斷裂震后40年的庫(kù)侖應(yīng)力變化(圖6c)．計(jì)算結(jié)果表明，中下地殼黏滯系數(shù)較高的模型2黏彈性應(yīng)力釋放速率明顯較小，而上地幔黏滯系數(shù)較高的模型3應(yīng)力釋放速率與模型1相差不大，可能中下地殼的震后黏彈性松弛對(duì)區(qū)域地殼變形的影響較大；中下地殼與上地幔黏滯系數(shù)越大，黏彈性應(yīng)力釋放速率越小，黏滯系數(shù)的不確定性主要影響震后應(yīng)力釋放速率，而對(duì)應(yīng)力場(chǎng)空間分布特征與時(shí)間演化趨勢(shì)的影響較小．此外在黏滯系數(shù)合理取值范圍內(nèi)，中下地殼黏滯系數(shù)的不確定性可能導(dǎo)致應(yīng)力變化峰值產(chǎn)生較大的差異．因此，采用更為精細(xì)的分層地殼結(jié)構(gòu)，尤其是中下地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，精確確定庫(kù)侖應(yīng)力變化是需要繼續(xù)深入研究的課題．

4 討論與結(jié)論

本文基于地震應(yīng)力觸發(fā)理論，采用巖石圈分層模型，計(jì)算分析了2015年尼泊爾MW7.9地震余震觸發(fā)作用及其導(dǎo)致的周邊斷層同震與震后庫(kù)侖應(yīng)力變化，得出主要結(jié)論如下：

(1) 尼泊爾地震產(chǎn)生的同震庫(kù)侖應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)沿北西—南東向展布，與發(fā)震斷層走向平行．90%以上的余震分布于同震庫(kù)侖應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)域，而應(yīng)力降低區(qū)域少有余震發(fā)生．最優(yōu)破裂面上的同震庫(kù)侖應(yīng)力場(chǎng)可較好地解釋余震分布特征．余震主要分布在最大滑動(dòng)量等值線外部庫(kù)侖應(yīng)力增加的區(qū)域，有少部分余震靠近最大破裂處，可能該處地震能量在主震破裂期間沒(méi)有全部釋放．

(2) 尼泊爾地震同震庫(kù)侖應(yīng)力對(duì)青藏高原，特別是中尼邊境區(qū)域活動(dòng)斷裂有一定的影響．亞?wèn)|—谷露地塹南段、北喜馬拉雅斷裂西段、當(dāng)惹雍錯(cuò)—定日斷裂和甲崗—定結(jié)斷裂在同震庫(kù)侖應(yīng)力影響下，應(yīng)力水平得到增強(qiáng)，其中當(dāng)惹雍錯(cuò)—定日斷裂南端，北喜馬拉雅斷裂西段庫(kù)侖應(yīng)力變化峰值超過(guò)0.01 MPa．同時(shí)同震庫(kù)侖應(yīng)力使帕龍錯(cuò)斷裂、班公錯(cuò)斷裂、改則—洞措斷裂的應(yīng)力水平降低，其地震危險(xiǎn)性可能因此有所減弱．其他斷裂所受影響量級(jí)較小．

(3) 尼泊爾地震導(dǎo)致的震后庫(kù)侖應(yīng)力場(chǎng)變化將使北喜馬拉雅斷裂整體應(yīng)力卸載，其西段同震應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)隨時(shí)間將逐漸轉(zhuǎn)化為應(yīng)力影區(qū)；改則—洞措斷裂、喀喇昆侖斷裂同樣受到震后應(yīng)力卸載作用；藏南一系列正斷層震后應(yīng)力上升，其中帕龍錯(cuò)斷裂南段受到震后黏彈性庫(kù)侖應(yīng)力影響，由應(yīng)力影區(qū)逐漸轉(zhuǎn)化為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)，當(dāng)惹雍錯(cuò)—定日斷裂南段應(yīng)力進(jìn)一步加強(qiáng)，震后40年其南端應(yīng)力變化峰值達(dá)到0.1345 MPa，亞?wèn)|—谷露斷裂南段應(yīng)力亦持續(xù)增強(qiáng)．藏南正斷層的地震活動(dòng)性值得進(jìn)一步關(guān)注．就震后40年庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果而言，震后黏彈性庫(kù)侖應(yīng)力變化量與同震應(yīng)力變化量已大體相當(dāng)，震后黏彈性松弛效應(yīng)可有效改變震后斷層面應(yīng)力狀態(tài)．

(4) 由于發(fā)震斷層破裂模型、接收斷層模型、有效摩擦系數(shù)、地殼分層模型、巖石圈流變結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取具有不確定性，可能對(duì)庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算存在一定的影響．進(jìn)一步精化尼泊爾地震破裂模型，采用更為精細(xì)的接收斷層模型和地殼分層模型，精確確定尼泊爾地震庫(kù)侖應(yīng)力變化是需要繼續(xù)深入研究的課題．此外，地震引起斷裂帶上庫(kù)侖應(yīng)力變化，但地震孕震過(guò)程十分復(fù)雜，地震最終發(fā)生與否、震級(jí)的大小主要取決于斷裂構(gòu)造應(yīng)力積累是否已接近臨界失穩(wěn)應(yīng)力．

(5) 尼泊爾主震之后發(fā)生的大量余震對(duì)周邊斷層也可能產(chǎn)生應(yīng)力影響．由于大量余震震源機(jī)制與破裂分布尚不明確，且有研究表明，余震所釋放的能量與產(chǎn)生的地表位移場(chǎng)與主震相差懸殊(萬(wàn)永革等，2009)，余震應(yīng)力影響并不能改變庫(kù)侖應(yīng)力場(chǎng)整體分布特征，因此該作用在研究中未作考慮．此外，由于目前資料尚未完備，強(qiáng)震的震后余滑作用在研究中亦未涉及．

致謝 感謝中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所單斌博士在PSGRN/PSCMP程序使用方面的指導(dǎo)．感謝兩位匿名審稿專家對(duì)本研究提出的寶貴意見(jiàn)．USGS提供了尼泊爾地震同震滑動(dòng)分布模型；文中部分圖件利用Generic Mapping Tools (GMT) (Wessel & Smith, 1995)繪制，在此一并感謝．

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(本文編輯 何燕)

Coseismic and postseismic Coulomb stress changes on surrounding major faults caused by the 2015 NepalMW7.9 earthquake

XIONG Wei， TAN Kai*， LIU Gang， QIAO Xue-Jun， NIE Zhao-Sheng

KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy,InstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Wuhan430071,China

The high-intensity region of the 2015 NepalMW7.9 earthquake, that extends eastward from the epicenter, affecting Nepal, northern India, Pakistan, Bangladesh and southern Tibet of China. Since the adjustment of coseismic and postseismic stress could have significant effect on the adjacent areas and surrounding major faults, the study of the coseismic and postseismic stress is crucial for the seismic hazard assessment in these regions. Based on Coulomb failure stress triggering theory and the crustal layering elastic dislocation model, we calculated the coseismic and postseismic stress along surrounding faults induced by the Nepal earthquake and discussed the triggering of the aftershocks by the main event.

10.6038/cjg20151135

P315

2015-06-29，2015-10-19收修定稿

中國(guó)地震局地震研究所所長(zhǎng)基金(IS201456148, IS201506220)，國(guó)家自然科學(xué)基金(41274027,41474097,41404016,41504011,41574017,41541029)資助.

熊維，男，主要從事大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)方面的研究. E-mail: xiongwei_19881229@163.com

*通訊作者 譚凱，博士，研究員，主要從事大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)方面的研究.E-mail: whgpstan@163.com