2014年2月12日Mw6.9于田地震震源破裂過程及對周圍斷層的應(yīng)力影響

周云，王衛(wèi)民，熊林，何建坤

中國科學(xué)院青藏高原研究所，大陸碰撞與高原隆升重點實驗室，北京 100101

1 引言

2014年2月12日，在青藏高原北緣發(fā)生里氏7.3級的地震（圖1）.該地震發(fā)生在高原平均海拔約5000m的人口稀少地區(qū)，地震發(fā)生后震中近場地區(qū)僅10天內(nèi)余震就達(dá)4000多次.

地震應(yīng)力觸發(fā)理論認(rèn)為，當(dāng)一個地震發(fā)生后它將改變其周邊活動斷裂的應(yīng)力狀態(tài)（Deng and Sykes，1997；Lin and Stein，2004；單斌等，2009；He and Peltzer，2010），進(jìn)而觸發(fā)或抑制周邊活動斷裂潛在地震危險性.這一理論的提出，使人們意識到一些大地震之間可能存在內(nèi)在聯(lián)系，相互之間存在觸發(fā)機制.于是，通過計算地震之后周邊斷層上應(yīng)力加載卸載情況，可以評估地震潛在危險性，并在一定程度上預(yù)測地震可能發(fā)生區(qū)域.如1992年美國加州Mw7.3蘭德斯地震，它使距震中約30km處圣安德列斯斷層上應(yīng)力值增加了0.3MPa，觸發(fā)了3h后Mw6.3級大熊地震（King et al.，1994）.Stein等（1997）計算了土耳其North Anatolian斷裂帶10次M≥6.7級地震的同震應(yīng)力變化，認(rèn)為Izmit地區(qū)會有強震發(fā)生.1999年M7.4級Izmit地震發(fā)生，印證了Stein的預(yù)測.Izmit地震導(dǎo)致的斷層應(yīng)力變化，使距震中約110km處Duzce－Hendek斷層地震危險性急劇升高（Barka，1999），三個月后M7.1級Duzce地震發(fā)生.2004年12月M9.1級蘇門答臘地震發(fā)生后，McCloskey等（2005）計算了庫侖應(yīng)力分布，認(rèn)為North Sumatra斷層短期內(nèi)發(fā)生大地震的危險性很高.2005年3月，蘇門答臘北部發(fā)生M8.6級地震.2008年Mw7.9級汶川地震發(fā)生后，距震中約50km的雅安斷裂上，庫侖應(yīng)力增加了近0.01MPa（Parsons et al.，2008），導(dǎo)致2013年的Mw6.6級蘆山地震的提前發(fā)生（單斌等，2013；劉成利等，2013）.

青藏高原是我國活動斷裂分布最廣泛的地區(qū)之一（鄧起東等，2002）.由于印度板塊不斷向歐亞板塊俯沖，青藏高原開始對大陸巖石圈擠壓，受到塔里木塊體的阻擋，青藏高原急劇隆升，并形成了許多復(fù)雜的斷裂構(gòu)造.在2014年于田地震周邊，分布有規(guī)模巨大的阿爾金斷裂，以及普魯斷裂和康西瓦斷裂等.這些斷裂自第四紀(jì)以來的滑動速率均在幾個mm·a－1到1cm·a－1間，具有強烈的地震活動性（Li et al.，2012；Mériaux et al.，2004；Shen et al.，2001）.本次地震是繼2001年昆侖山口西8.1級地震、2008年于田7.3級地震之后，發(fā)生在青藏塊體西部邊緣的又一次7級以上地震（蔣廷臣等，2012；洪順英等，2010）.近年來，在該地區(qū)的一些正傾滑活動斷層上已經(jīng)發(fā)生了2008年MS7.3級地震和2012年MS6.4級地震.歷史地震記錄表明，該地區(qū)具有強烈活動的阿爾金斷裂、普魯斷裂和康西瓦斷裂等在近百年內(nèi)一直處于彈性應(yīng)變的累積狀態(tài)而沒有強地震事件.2014年于田地震是否會影響這些活動斷裂潛在的地震危險性？這是值得開展深入研究的課題.為此，本文利用遠(yuǎn)場體波地震資料反演了該地震的震源機制解和震源破裂過程.之后應(yīng)用反演的地震滑動模型，根據(jù)彈性無限半空間位錯理論計算了該地震在近場范圍內(nèi)活動斷裂上的同震應(yīng)力變化.其目的在于討論于田地震引起的附近斷裂上的庫侖應(yīng)力變化及其這些活動斷裂可能潛在的地震危險性.

圖1 于田地震區(qū)域構(gòu)造與地震活動性黑色粗線條為主要斷裂，黑色細(xì)線條為小斷裂；綠色圓圈為1900年以來6級以上地震；兩個藍(lán)色震源機制為2008年M7.3和2012年M6.2地震（GlobalCMT）；紅色震源機制為我們的反演結(jié)果；小圓圈為2014年于田地震引發(fā)的余震（余震信息來自中國地震臺網(wǎng)）.圖中斷層信息引自萬永革（2010）.Fig.1 Tectonic structure and seismic activity in Yutian earthquake zoneBlack and thin lines denotes major and small faults，respectively.Green circles mean M＞6earthquakes after 1900.Two blue focal mechanisms mean 2008 M7.3and 2012 M6.2 （Global CMT）.Red focal mechanism is our result.Small circles represent aftershocks caused by 2014Yutian earthquakes（from CSN）.Faults information is from Wan et al.，2010.

2 震源過程反演

使用有限斷層反演方法（姚振興和紀(jì)晨等，1997；王衛(wèi)民等，2008；郝金來等，2011），反演了2014年于田地震的震源破裂過程.地震發(fā)生后，從國際地震學(xué)聯(lián)合會（IRIS）地震數(shù)據(jù)中心下載了地震波形記錄，采用張光偉等（2014）重定位研究得到的震中位置（82.56°E，36.04°N），來研究地震震源機制和震源破裂過程.由于發(fā)震區(qū)域海拔很高，缺乏近場資料，在計算中我們只用了遠(yuǎn)場波形記錄.

我們利用遠(yuǎn)場P波反演獲得的這次地震的震源機制解，震源深度10km.反演得到節(jié)面1的走向240°，傾角71.9°，滑動角－2.2°；節(jié)面2的走向330.6°，傾角87.9°，滑動角－177.8°（圖2）.節(jié)面1的走向、傾角與實際貢嘎斷裂最為接近，判定節(jié)面1為斷層破裂面.破裂過程模型計算的理論地震圖與觀測波形資料進(jìn)行擬合，波形相關(guān)性較好（圖3）.依據(jù)點源模型確定的斷層深度、走向和傾角，用一條沿走向長85km，沿傾向?qū)?1km的斷層模擬破裂面，將之剖分成5km×3km的119個子斷層.使用P波垂向和SH波切向波形記錄，反演得到斷層面上滑動分布（圖4）.

圖5給出了在空間上于田地震破裂隨時間的擴展過程.可以看到，整個破裂持續(xù)了18～20s，在6～8s時破裂達(dá)到了最大值.

結(jié)果表明，于田地震是以左旋走滑為主并具有正傾滑分量的地震，破裂在斷層面上的分布比較集中.地震矩為2.91×1019N·m，地震震級為Mw＝6.9，最大滑動210cm.

于田地震發(fā)生后，不同研究機構(gòu)迅速給出了各自的反演結(jié)果（表1）.可以看到，本研究得到的各個斷層參數(shù)與USGS和Harvard CMT的結(jié)果都較為一致.

圖2 2014年M7.3于田地震震源機制解采用下半球投影，同時給出了點源模型的P波垂向位移理論圖（紅線）與資料（黑線）的擬合情況.圖形下方給出了兩組節(jié)面解（左下，λ，δ，θ，h分別表示斷層滑動角、斷層傾角、斷層走向、震源深度）和點源模型的震源時間函數(shù)（右下）.“＋”（綠）和“－”（藍(lán)）圓圈表示P波初動極性.Fig.2 Focal mechanism of 2014 M7.3Yutian earthquakeLower hemisphere projection is used here.The observed P wave records（black line）and synthetic seismogram （red line）based on the simple point model are compared.The parameters of two possible fault planes are listed also，withλ，δ，θ，hindicating the rake angle，dip angle，strike direction and source depth respectively.The obtained source time function are plotted.Green and blue circles indicate“＋”and“－”，respectively.

圖3 遠(yuǎn)場臺站分布（a）和有限斷層模型的遠(yuǎn)場波形擬合（b）（a）中黑色三角為P波記錄的臺站，藍(lán)色圓圈為SH波記錄的臺站，紅色圓圈為震中位置.（b）左列為P波垂向位移理論圖（紅線）與記錄（黑線）的對比；右列為SH波切向位移理論圖（紅線）與記錄（黑線）的對比；并給出每個記錄的方位角（左上）、震中距（左下）、振幅比（上）和臺站名（右）.Fig.3 Distribution of teleseismic stations（a），comparison of observed records with synthetic waveforms（b）Station distribution （a），black triangles show stations of P wave，blue circles show stations of SH wave，red circle is epicenter.Comparison of observed （red）and synthetic waveforms （black）for P vertical components，and SH waveforms （b）are shown in the panel，the azimuth，epicentral distance，amplitude ratio and stations name are also indicated.

表1 不同機構(gòu)的震源及斷層參數(shù)Table 1 Source and fault parameter from different research group

圖4 地震斷層面上的滑動分布（c），圖中分別給出了地震斷層滑動分布投影（a）和斷層面滑動矢量特征（b）Fig.4 Inverted slip distribution on the fault（c），the projection of slip distribution on the ground（a）and slip vector character on fault（b）

圖5 于田地震震源破裂過程（地表投影）Fig.5 Rupture process snapshots of Yutian earthquake

3 同震應(yīng)力計算

根據(jù)庫侖破裂定律

可以計算斷層面上的庫侖應(yīng)力變化（King et al.，1994）.式中Δσf為斷層面上庫侖應(yīng)力改變量，Δσn為正應(yīng)力變化，Δτs為剪應(yīng)力變化，μ為摩擦系數(shù).摩擦系數(shù)無法直接觀測，一般選取經(jīng)驗值.改變μ值對應(yīng)力變化值有一定影響，對應(yīng)力的空間分布影響較?。◤垏甑龋?008）.在本文的計算中，參照Stein（1992）和King（1994）的值，取摩擦系數(shù)μ＝0.4.

基于以上反演得到的震源機制解和地震位錯模型（圖4），計算了于田地震產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化.考慮到所研究斷層面在不同深度，庫侖應(yīng)力變化量也不一樣，而觸發(fā)作用一般取決于最大庫侖應(yīng)力增量（Lin and Stein，2004；單斌等，2009）.在計算時，我們以5km為間隔，計算了0～20km的庫侖應(yīng)力分布，選擇其中的最大值.計算過程中，相關(guān)斷層參數(shù)如表2所示.

表2 研究區(qū)域內(nèi)的斷層信息（萬永革等，2010）Table 2 Fault information of earthquake zone

圖6給出了于田地震在鄰近斷層（阿爾金斷裂、普魯斷裂、貢嘎錯斷裂、康西瓦斷裂和龍木錯—邦達(dá)錯斷裂）上的庫侖應(yīng)力變化和余震分布情況.余震主要分布在三個區(qū)域內(nèi)：普魯斷裂北部（塔里木塊體內(nèi)）、康西瓦斷裂東部和貢嘎錯斷裂中部.可以看出，絕大多數(shù)余震位于斷層應(yīng)力增強區(qū)周邊.距離于田地震震中較近的斷層，庫侖應(yīng)力變化很大，發(fā)生的余震也多；而較遠(yuǎn)處斷層上的庫侖應(yīng)力則很快衰減，余震一般也較少.

阿爾金斷裂位于震中東北方向，距離震中超過了100km，庫侖應(yīng)力增量不超過5kPa，低于一般意義上的應(yīng)力觸發(fā)值0.01MPa（Harris and Simpson，1998）.然而，當(dāng)應(yīng)力增加低于0.01MPa時，也可能觸發(fā)地震（Ziv and Rubin，2000）.所以阿爾金斷裂的地震危險性，還需要繼續(xù)研究.余震在阿爾金斷裂上分布很少.

普魯斷裂東部應(yīng)力增強，最大值達(dá)到了0.015MPa；斷層中部達(dá)到0.02MPa以上，有助于斷層發(fā)生破裂；斷層西部應(yīng)力變化不大.從余震分布來看，斷層北部為一個余震密集區(qū).相對于另外兩個區(qū)域，該區(qū)域與主震震中位置較遠(yuǎn)，余震如此集中比較反常.然而，在計算過程中，我們發(fā)現(xiàn)，于田地震在周邊區(qū)域，產(chǎn)生的應(yīng)力增強區(qū)，有兩個位于破裂斷層北部和南部.發(fā)生在塔里木塊體內(nèi)的余震，80%以上發(fā)生在北部的應(yīng)力增強區(qū)內(nèi)，與應(yīng)力分布有很好的相關(guān)性.所以，該余震集中區(qū)域，可以用地震靜態(tài)觸發(fā)理論解釋.

圖6 于田地震引起的周邊區(qū)域（a）及主要斷層上（b）的庫侖應(yīng)力變化（a）于田地震在周邊區(qū)域?qū)е碌膽?yīng)力變化，小圓圈表示余震（余震信息來自中國地震臺網(wǎng)），灰色區(qū)域為斷層破裂面在地表投影；（b）于田地震在周邊斷層上引起的應(yīng)力變化.紅色五角星表示2014年于田地震，兩個藍(lán)色震源球表示2008年M7.3和2012年M6.2.Fig.6 Coulomb stress change in nearby zone and major faults caused by Yutian earthquakeStress change caused by Yutian earthquake in nearby area （a），small circles denote aftershocks （information is from CSN），the gray rectangular region is projection of fault rupture on surface.Stress change on major faults is showed in Fig.b，red star denotes 2014 Yutian earthquake，two blue focal mechanisms indicate 2008 M7.3and 2012 M6.2.

貢嘎錯斷裂由于靠近于田地震震中位置，應(yīng)力變化很復(fù)雜，主要以增加為主.沿著斷層走向，斷層北緣應(yīng)力變化不大，之后迅速增大，達(dá)到了0.04MPa；然后是應(yīng)力影區(qū)，卸載了0.05MPa；之后應(yīng)力增加，達(dá)到0.02MPa；最后在斷層西南部，由于離震中較遠(yuǎn)，應(yīng)力增量逐漸減小.斷層面附近的余震一部分位于應(yīng)力增強區(qū)內(nèi)，在2012年Mw6.2地震的震中位置，可能與該地震相關(guān)；另一部分位于應(yīng)力減弱區(qū)內(nèi)，可能與地震動態(tài)觸發(fā)效應(yīng)有關(guān)（Gonzalez－Huizar and Velasco，2011）.

（二）鐘表教學(xué)。鐘表上兩個數(shù)字之間表示五分鐘，那么就可以用來背誦和5有關(guān)的口訣，比如看到數(shù)字4，很容易想起四五二十，因為4在鐘表上可以表示20分鐘，利用生活經(jīng)驗，把口訣讀出。

康西瓦斷裂東部庫侖應(yīng)力以增加為主，最大值超過了0.05MPa，大大增強了斷層上發(fā)生地震的可能性；斷裂西部庫侖應(yīng)力變化不大.此處也有一個余震聚集區(qū)，位于庫侖應(yīng)力增加的區(qū)域.

龍木錯—邦達(dá)錯斷裂由于距離震中較遠(yuǎn)，庫侖應(yīng)力變化不大，斷層中部應(yīng)力稍微增加，該斷裂周邊，基本上沒有余震的發(fā)生.

4 結(jié)論與討論

通過遠(yuǎn)場地震波形反演，結(jié)合彈性無限半空間位錯理論的靜態(tài)庫侖應(yīng)力計算，就2014年2月12日于田地震有以下主要結(jié)論：

（1）于田地震為震級Mw6.9，震源深度10km，以左旋走滑為主并具有正傾滑分量的地震，破裂在斷層面上的分布比較集中，最大滑動210cm.地震能量主要在前15s內(nèi)釋放.斷層走向240°，傾角72°，地震矩為2.91×1019N·m.

（2）于田地震顯著增加了普魯斷裂中部、康西瓦斷裂東部、貢嘎錯斷裂北部和中部的應(yīng)力積累，大大提升了這些斷層上地震發(fā)生的概率.其中以康西瓦斷裂東部和貢嘎錯斷裂中部應(yīng)力增量為最大，分別達(dá)到了0.05MPa和0.04MPa.

（3）于田地震引發(fā)的余震，大致分布在三個區(qū)域內(nèi)：普魯斷裂北部、康西瓦斷裂東部和貢嘎錯斷裂中部.前兩個區(qū)域均為應(yīng)力增強區(qū)，與于田地震破裂所導(dǎo)致的靜態(tài)庫侖應(yīng)力觸發(fā)有關(guān).

Stein等（1994）與Chan和Stein（2009）認(rèn)為，當(dāng)斷層上庫侖應(yīng)力增加超過0.01MPa，就可能會觸發(fā)地震.在本事例中，絕大多數(shù)斷裂已經(jīng)達(dá)到了這個值.2008年于田地震之后，萬永革等（2010）研究發(fā)現(xiàn)，于田地震普遍增強了附近大斷裂上的庫侖應(yīng)力值.兩次地震增加的庫侖應(yīng)力，對周邊斷裂的地震已經(jīng)具有了觸發(fā)意義.這些斷裂大多是活動斷裂，走滑速率很大.康西瓦斷裂的活動速率為7±3mm·a－1，阿爾金的活動速率可以達(dá)到9mm·a－1（Mériaux et al.，2004；He et al.，2013）.活動斷裂的特征地震具有一定的旋回性 （Shimazaki and Nakata，1980；Segall and Harris，1987），自1924年M7.1級地震（圖1），至2007年的近百年時間里，該區(qū)域沒有發(fā)生過7級以上的大地震，這些斷裂一直處于彈性應(yīng)變的累積狀態(tài).增加0.01～0.05MPa的庫侖應(yīng)力，有利于使這些斷裂的某些段落接近破裂鄰近狀態(tài)所需時間提前.因此于田地震后本區(qū)的潛在地震危險性研究要引起重視.圖6顯示，有部分余震位于斷層應(yīng)力減弱區(qū)內(nèi)，這可能有以下幾個原因：（1）余震的震源機制尚不清楚.計算中我們選擇主震破裂面的走向、傾向和傾角作為參數(shù)，如果考慮余震震源機制，結(jié)果可能會有變化.（2）動態(tài)觸發(fā)的作用沒有考慮.此例中我們只考慮靜態(tài)應(yīng)力的因素.（3）地殼中流體作用也會對余震分布有影響.所以，于田地震余震的分布，還有待深入研究.

上述研究表明，2014Mw6.9級地震是發(fā)生在阿爾金斷裂西段走向發(fā)生明顯變化的貢嘎錯斷裂上（圖6）.這一空間關(guān)系與2001年昆侖山Mw7.8大地震有相似性，該地震首先在其西端太陽湖次級斷裂上發(fā)生走滑破裂（Lasserre et al.，2005；Robinson et al.，2006），之后以超剪切速度破裂沿東昆侖斷裂向東擴展達(dá)300余公里.2014Mw6.9走滑為主的地震至少使阿爾金大型走滑斷裂在其100km長的段落上增加了5kPa的庫侖應(yīng)力.該應(yīng)力顯然小于前人認(rèn)為的地震觸發(fā)閾值（Stein et al.，1994），但數(shù)值模擬結(jié)果顯示（He and Chéry，2008），阿爾金斷裂的強度可能很?。Σ料禂?shù)小于0.1），因此2014Mw6.9級于田地震后阿爾金斷裂的地震潛在危險性必須引起足夠的重視.

2008年以來，該區(qū)已經(jīng)發(fā)生了2008Mw7.3、2012Mw6.2和2014Mw6.9級地震.從空間上看，這些地震基本上是沿著貢嘎錯斷裂，從南西向北東遷移.前兩個地震以正傾滑型為主，到了最后一個則是以走滑型為主（圖1）.這些地震的空間距離在50～100km之間，那么，根據(jù)地震觸發(fā)理論，這些地震是否是一個早期地震導(dǎo)致的庫侖應(yīng)力變化后的連續(xù)觸發(fā)？在觸發(fā)過程中為什么會有這樣的時間跨度？這是否意味著有黏－彈性應(yīng)力轉(zhuǎn)變（Savage，2000；Johnson et al.，2005；Jia et al.，2012）？這些問題有待于我們以后進(jìn)一步深入研究.

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