蘆山MS7.0地震和汶川MS8.0地震對川滇地區(qū)的庫侖應(yīng)力影響

王力偉，黃柳芳

（廣東省地震局，廣州 510070）

蘆山MS7.0地震和汶川MS8.0地震對川滇地區(qū)的庫侖應(yīng)力影響

王力偉，黃柳芳

（廣東省地震局，廣州 510070）

2013年4月20日，龍門山斷裂帶南段發(fā)生了蘆山MS7.0地震，震前的靜態(tài)庫侖應(yīng)力計算表明此處位于2008年汶川MS8.0地震靜態(tài)庫侖應(yīng)力顯著增強(qiáng)地區(qū)，蘆山地震的發(fā)生對區(qū)域應(yīng)力進(jìn)行了釋放和調(diào)整。利用川滇地區(qū)的活動斷裂數(shù)據(jù)和地震震源機(jī)制解，構(gòu)建了研究區(qū)的0.1°×0.1°的網(wǎng)格化接收斷層矩陣。計算了自重多層粘彈性介質(zhì)中，不同模型參數(shù)下，蘆山地震和汶川地震對川滇地區(qū)的靜態(tài)庫侖應(yīng)力影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蘆山地震與汶川地震之間的破裂空段、東昆侖斷裂東段瑪曲段、塔藏段以及鮮水河斷裂中南段道孚-乾寧段靜態(tài)庫侖應(yīng)力增加明顯，地震危險性較高。

庫侖應(yīng)力；應(yīng)力觸發(fā)；MS7.0蘆山地震；MS8.0汶川地震

0 引言

2013年4月20日，四川蘆山發(fā)生MS7.0地震（簡稱蘆山地震），是距2008年汶川MS8.0（簡稱汶川地震）地震后龍門山推覆構(gòu)造帶上發(fā)生的最大一次破壞性地震。地震發(fā)生在龍門山斷裂帶西南段彭縣-蘆山斷裂帶的天全-大川段附近[1]。震源反演結(jié)果表明，此次地震是典型的逆沖型地震[2]，震中距離汶川地震主震約87 km。地震發(fā)生之前，多個研究小組便計算出此處位于2008年汶川地震產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖應(yīng)力增加的地區(qū)[3-4]，而靜態(tài)庫侖應(yīng)力增加地區(qū)正是強(qiáng)余震易發(fā)生地區(qū)。蘆山地震對區(qū)域應(yīng)力進(jìn)行了釋放和重新調(diào)整，這次地震對川滇地區(qū)地震活動有何影響是人們關(guān)心的問題。因此，基于計算的地震產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化，深入分析蘆山地震和汶川地震對川滇地區(qū)應(yīng)力觸發(fā)影響，對震區(qū)地震危險區(qū)判定和震后災(zāi)區(qū)重建具有重要的參考價值。

地震位錯產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化常用投影到接收斷層面的剪應(yīng)力和正應(yīng)力的大小來綜合描述斷層的破裂狀態(tài)，庫侖應(yīng)力增加，則促進(jìn)斷層破裂，使下次地震發(fā)生時間提前，反之，則抑制斷層破裂，使下次地震發(fā)生時間延后。由于其物理意義清晰，常用來研究地震之間的相互觸發(fā)關(guān)系、余震空間分布規(guī)律、震區(qū)地震活動速率的變化和周邊活動斷層的地震危險性等。

靜態(tài)庫侖應(yīng)力的計算需要確定斷層面的幾何形狀和滑動角，以投影地震產(chǎn)生的應(yīng)力變化張量。目前研究常采用確定的接收斷層面和考慮構(gòu)造應(yīng)力場的最優(yōu)破裂斷層面。龍門山斷裂帶位于青藏高原東南緣，是青藏高原推覆四川盆地之上的重要控制單元[5]。受青藏高原物質(zhì)東移和四川盆地阻擋等因素的影響，此地區(qū)的構(gòu)造活動特別復(fù)雜，既有以逆沖活動為特征的龍門山斷裂帶，也有以走滑活動為特征的鮮水河-安寧河-則木河斷裂帶，地震的孕育和發(fā)生與這些斷裂的存在和擴(kuò)展密切相關(guān)，而接收斷層不同活動參數(shù)會導(dǎo)致靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化的數(shù)值差異，甚至應(yīng)力增加和降低的定性差別[4]。因此，接收斷層的建模應(yīng)充分考慮區(qū)域斷裂活動特性的差異和歷史地震的破裂機(jī)制。

本文根據(jù)川滇地區(qū)（Lon：99°~110°E，Lat：27°~36°N）活動斷裂數(shù)據(jù)[6-7]和 Global CMT（www. globalcmt.org）給出的1976年1月至2014年9月川滇地區(qū)地震震源的CMT解，構(gòu)建了研究區(qū)的網(wǎng)格化接收斷層矩陣（網(wǎng)格：0.1°×0.1°），利用Wang發(fā)展的以粘彈性分層模型為基礎(chǔ)考慮地殼重力影響的應(yīng)力場計算程序PSGRN/PSCMP，通過建立自重多層麥克斯韋粘彈性介質(zhì)地殼模型，考慮模型參數(shù)取值的不確定性，計算了蘆山地震和汶川地震于2015年5月對周邊靜態(tài)庫侖應(yīng)力影響。據(jù)此，分析了此地區(qū)主要活動斷層的地震危險性。

1 計算原理

地震產(chǎn)生的靜態(tài)應(yīng)力場是庫侖應(yīng)力計算的核心，彈性位錯理論是其基礎(chǔ)，主要是根據(jù)位錯的幾何分布和位錯量以及地球模型，計算位錯激發(fā)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力等響應(yīng)。Okada給出均勻彈性半空間中任意位錯點源和有限斷層面源在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的位移場和應(yīng)變場的解析表達(dá)式[8]。Wang發(fā)展了自重多層粘彈性介質(zhì)中任意位錯產(chǎn)生應(yīng)力場的格林函數(shù)求解方法[9]，并開發(fā)了軟件包PSGRN/PSCMP，軟件包采用格林函數(shù)求解方法計算自重多層粘彈性介質(zhì)中地震位錯產(chǎn)生的應(yīng)力場，通過疊加模型分層和重力影響的數(shù)值解和均勻彈性半空間中Okada的解析解，軟件計算結(jié)果非常穩(wěn)定，還可模擬下地殼和上地幔的粘彈性松弛效應(yīng)引起的應(yīng)力隨時間的調(diào)整。在此，我們用PSGRN/PSCMP軟件計算地震產(chǎn)生的靜態(tài)應(yīng)力場。

計算地震位錯產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化，常用投影到接收斷層面上的剪切力和正應(yīng)力的大小ΔCFS=Δτ+μ（Δσn+ΔP）來綜合描述[10]。其中Δτ為投影到接收斷層滑動方向的剪切應(yīng)力變化（與滑動方向同向為正），Δσn為正應(yīng)力變化（張開為正）， μ為斷層面摩擦系數(shù)，ΔP為孔隙水壓變化。用等效摩擦系數(shù)簡化孔隙水壓的影響時，庫侖應(yīng)力變化則表示為ΔCFS=Δτ+μ′Δσn；其中μ′=μ（1-B），B為Skempton系數(shù)，理論范圍為[0，1][11]。

2 位錯模型

蘆山地震發(fā)生后，王衛(wèi)民等、張勇等分別利用遠(yuǎn)場體波資料和有限斷層反演方法給出了蘆山地震的破裂模型[2，12]。反演結(jié)果表明：主震和余震分布于龍門山斷裂帶西南段的彭縣-灌縣斷裂上，斷層破裂長度約65 km，寬度約35 km，最大滑動量約為1.3~1.59 m，集中在13 km附近，斷層破裂面走向205°，傾角38.5°，為典型的逆沖型地震。本研究中，汶川地震的破裂模型采用Ji等、王衛(wèi)民等的反演結(jié)果[13-14]。

3 速度模型

龍門山斷裂帶地殼速度結(jié)構(gòu)東西兩側(cè)差異較大，以西為松潘-甘孜褶皺系，以東為揚(yáng)子地臺。本研究采用呂堅等采用的平均一維速度模型（表 1）[15]，其綜合了最新的人工地震測深和天然地震反演結(jié)果，并用于對蘆山主震和余震序列重定位和震源機(jī)制解反演研究。為模擬下地殼和上地幔的粘彈性松弛效應(yīng)對應(yīng)力的調(diào)整，設(shè)下地殼和上地幔為粘彈性介質(zhì)，粘滯系數(shù)取1.0×1019Pa·s[16]。

表1 地殼速度模型Table 1 Structure velocity model

4 接收斷層

川滇地區(qū)構(gòu)造活動特別復(fù)雜，不同構(gòu)造部位的活動斷裂具有各自不同的空間展布和運(yùn)動學(xué)特征，巴顏喀喇地塊東邊界為NE向右旋逆沖的龍門山斷裂帶，南邊界為NW向左旋走滑的甘孜-玉樹-鮮水河斷裂帶，北邊界為NWW向擠壓型左旋走滑的東昆侖斷裂帶和近NS向的逆沖為主兼左旋的岷山斷裂帶。川-滇活動地塊西邊界為右旋走滑金沙江斷裂帶。柴達(dá)木地塊和祁連地塊分界的NWW向西秦嶺北緣斷裂具有左旋正走滑特征。龍門山斷裂帶西側(cè)發(fā)育有NE向右旋走滑的龍日壩段帶和NW向左旋走滑的撫邊河斷裂，東側(cè)卻發(fā)育有逆沖型的龍泉山斷裂和右旋走滑兼逆沖的華容山斷裂帶。主要活動斷裂的活動習(xí)性見表2。

而庫侖應(yīng)力的計算需要將地震產(chǎn)生的應(yīng)力變化張量投影到空間幾何位置、產(chǎn)狀和活動特性已知的接收斷層面上，接收斷層的不同模型參數(shù)，會對計算結(jié)果造成較大的影響，尤其在主震破裂面周邊地區(qū)[4]。目前，通常認(rèn)為主震的破裂機(jī)制對余震在整個破裂尺度內(nèi)起主導(dǎo)作用，用主震的破裂機(jī)制代替整個研究區(qū)域的破裂機(jī)制；或者，考慮區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的影響，選取最優(yōu)破裂斷層面作為接收斷層面，而區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的大小和方向大多是未知的。

由于破壞型地震的孕育和發(fā)生與活動斷裂密切相關(guān)，因此，我們采用確定斷層面的處理方法，依據(jù)鄧起東和聞學(xué)澤給出的川滇地區(qū)主要活動斷裂的活動特性和Global CMT給出的川滇地區(qū)1976年1月至2014年9月地震震源的震源機(jī)制解。首先，根據(jù)各個活動斷裂的空間幾何展布和傾向資料，確定活動斷裂的走向和傾向，然后根據(jù)表2中斷裂的活動習(xí)性，取傾角和滑動角的均值作為活動斷裂模型的傾角和滑動角，構(gòu)建活動斷裂的走向、傾向、傾角和滑動角模型，然后，根據(jù)構(gòu)建的活動斷裂模型和文獻(xiàn)資料，優(yōu)選出 Global CMT解中104個地震事件震源機(jī)制解的優(yōu)勢破裂面，用優(yōu)勢破裂面作為接收斷層面（圖1）。據(jù)此，通過最近插值算法，構(gòu)建了川滇地區(qū)網(wǎng)格化的0.1° ×0.1°的接收斷層矩陣，圖1給出了接收斷層的走向、傾角和滑動角，圖中接收斷層矩陣能反映表2中主要活動斷裂的活動習(xí)性，與區(qū)域應(yīng)力場主壓應(yīng)力主軸的方向具有協(xié)調(diào)一致性[17-18]，斷層模型深設(shè)為5~20 km，符合此區(qū)域的小震集中活動深度[19]。

圖1中黑色矩形框表示蘆山地震和汶川地震破裂面的地表投影[2，13]，黃色五角星表示USGS給出的汶川地震和蘆山地震主震震中，灰色震源球表示Global CMT給出的地震震源機(jī)制解和插值用的節(jié)平面。黑色線條表示鄧起東的活動斷裂[6]，灰色線條表示聞學(xué)澤的活動斷裂[7]，見表2。右下角插圖為研究區(qū)通過最近插值算法構(gòu)建的接收斷層矩陣圖示，黑色線條標(biāo)示的節(jié)平面為計算的接收斷層面。

表2 研究區(qū)的主要活動斷層及其參數(shù)Table 2 Parameter ranges for major active faults

圖1 研究區(qū)域構(gòu)造簡圖及網(wǎng)格化的接收斷層矩陣圖示Fig.1 Tectonic maps and grided receiver fault matrix of study region

5 計算結(jié)果

利用王衛(wèi)民等給出的蘆山地震破裂模型[12]和Ji等給出的汶川地震破裂模型[13]，采用表1中一維自重多層粘彈性地殼速度模型，斷層面等效摩擦系數(shù)取0.4，計算深度取10 km，接收斷層面采用圖1中給出的確定的接收斷層矩陣，考慮介質(zhì)的粘彈性效應(yīng)，我們使用PSGRN/PSCMP軟件[9]，首先計算了2015年5月10 km深度的應(yīng)力格林函數(shù)，然后計算了蘆山地震和汶川地震共同產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化（圖2）。圖2中黑色矩形框表示蘆山地震和汶川地震破裂面的地表投影[2，13]，黃色五角星表示USGS給出的汶川地震和蘆山地震主震震中，黑色線條表示鄧起東的活動斷裂[6]，斷層編號意義見表2，紅色代表靜態(tài)庫侖應(yīng)力增加，藍(lán)色代表靜態(tài)庫侖應(yīng)力降低。

圖2 蘆山地震和汶川地震共同產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化圖像Fig.2 Static coulomb stress changes induced by Lushan and Wenchuan earthquakes

一般認(rèn)為靜態(tài)庫侖應(yīng)力觸發(fā)閾值大于0.1Bar，由圖2可見，受蘆山地震和汶川地震的共同影響，

位于靜態(tài)庫侖應(yīng)力增加區(qū)域的斷裂有：鮮水河斷裂道孚-康定-石棉段、龍門山斷裂帶南段的汶川-茂文斷裂隴東-九里崗段、汶川-映秀斷裂民治-長河壩段、彭縣-蘆山斷裂大川段、龍門山斷裂帶北段的青川-勉縣段、廣元隱伏斷裂的青川-勉縣段、文縣斷裂的文縣-勉縣段，東昆侖斷裂瑪曲-若爾蓋-塔藏段以及瑪多-甘德斷裂阿壩段，位于靜態(tài)庫侖應(yīng)力增加區(qū)域的斷裂使下次地震發(fā)生時間提前，地震危險性較強(qiáng)。位于靜態(tài)庫侖應(yīng)力降低區(qū)域的斷裂有：鮮水河斷裂甘孜-道孚段，安寧河斷裂、則木河斷裂、撫邊河斷裂、龍日壩斷裂、龍門山斷裂帶南段的汶川-茂文斷裂寶興-瀘定段、岷江斷裂、虎牙斷裂、迭部-白龍江斷裂東段、西秦嶺北緣斷裂、隴縣-寶雞斷裂帶以及四川盆地的華容山斷裂，位于靜態(tài)庫侖應(yīng)力降低區(qū)域的斷裂使下次地震發(fā)生時間延后，地震危險性較弱。

在庫侖應(yīng)力的計算過程中，速度結(jié)構(gòu)和接收斷層位置和走向?qū)Y(jié)果影響較小外，其它參數(shù)均會影響到計算結(jié)果，汶川地震的庫侖應(yīng)力變化的不確定性分析表明，靜態(tài)庫侖應(yīng)力計算參數(shù)選取的影響必須加以考慮，其中以震源破裂分布的影響為需優(yōu)先考慮的要素，接著依序為計算深度、等效摩擦系數(shù)、接收斷層的傾角和滑動角、地殼介質(zhì)的分層結(jié)構(gòu)等因素[4]。本文考慮不同的計算深度、摩擦系數(shù)、震源破裂模型和下地殼上地幔的震后粘彈性松弛效應(yīng)進(jìn)行敏感性測試，測試結(jié)果表明，隨著計算深度的增加，龍門山斷裂南段蘆山地震破裂斷層和汶川地震破裂斷層之間破裂空段的靜態(tài)庫侖應(yīng)力大小和應(yīng)力增加區(qū)域明顯變大，符合逆沖盲掩斷層的靜態(tài)應(yīng)力變化特征[10]。等效摩擦系數(shù)取0.2時，鮮水河斷裂道孚-康定-石棉段靜態(tài)庫侖應(yīng)力降低，地震危險性減弱，等效摩擦系數(shù)取0.8時，鮮水河斷裂道孚-康定-石棉段靜態(tài)庫侖應(yīng)力增加，龍泉山斷裂由降低區(qū)域變?yōu)樵鰪?qiáng)區(qū)域，地震危險性增強(qiáng)。采用張勇的蘆山地震和王衛(wèi)民的汶川地震震源破裂模型時[2，12]，雖然靜態(tài)應(yīng)力圖式在斷層破裂面附近發(fā)生變化，但總體特征未變，受影響的斷層為，鮮水河斷裂道孚-康定段靜態(tài)庫侖應(yīng)力降低，新津-成都斷裂由降低區(qū)域變?yōu)樵鰪?qiáng)區(qū)域。 采用粘滯系數(shù)為1.0×1019 Pa·s的Maxwell體來模擬震后隨著時間推移，下地殼和上地幔的粘彈性松弛效應(yīng)對應(yīng)力積累和釋放的影響，計算發(fā)現(xiàn)采用粘滯模型，應(yīng)力大小隨時間有增加趨勢，但是庫侖應(yīng)力的分布圖式?jīng)]有改變。

與前人研究結(jié)果比較，本結(jié)果與繆淼等采用相同位錯模型和摩擦系數(shù)在均勻彈性半空間中的結(jié)果吻合[38]，例如：庫侖應(yīng)力顯著增加的斷裂和顯著降低的斷裂吻合。本文計算了汶川地震和蘆山地震共同對川滇地區(qū)的庫侖應(yīng)力影響，結(jié)果與Tota等和萬永革等單獨考慮汶川地震影響相比較[39，3]，由于接收斷層不同和蘆山地震的加卸載作用，位于蘆山地震破裂斷層周邊的應(yīng)力分布圖式變化較大，其它遠(yuǎn)場區(qū)域應(yīng)力分布圖式與單獨考慮汶川地震時相似。本文研究區(qū)域較大，且考慮了不同計算參數(shù)的結(jié)果分析和震后自重粘彈性介質(zhì)中庫侖應(yīng)力隨時間的變化，震后考慮重力和粘滯模型影響的結(jié)果與鄧明莉等的形變模擬結(jié)果吻合[40]。

6 結(jié)語

通過計算蘆山地震和汶川地震的靜態(tài)庫侖應(yīng)力影響，經(jīng)過計算模型和參數(shù)的敏感性分析后，我們發(fā)現(xiàn)始終位于靜態(tài)庫侖應(yīng)力顯著增加區(qū)域的斷裂有：龍門山斷裂帶南段汶川-茂文斷裂隴東-九里崗段、汶川-映秀斷裂民治-長河壩段、彭縣-蘆山斷裂大川段、龍門山斷裂帶北段的青川-勉縣段、廣元隱伏斷裂的青川-勉縣段、文縣斷裂的文縣-勉縣段，東昆侖斷裂瑪曲-若爾蓋-塔藏段以及瑪多-甘德斷裂阿壩段。鮮水河斷裂道孚-康定-石棉段雖位于應(yīng)力增加區(qū)域，但應(yīng)力變化大小受模型參數(shù)影響較大。應(yīng)力增加區(qū)域的斷裂是易發(fā)生地震的斷裂，尤其是那些斷裂帶的地震空區(qū)，這些空區(qū)已長時間未發(fā)生大地震，其相對于其它發(fā)生大地震不久的斷裂可能已經(jīng)積累了更高的應(yīng)力應(yīng)變，因而，應(yīng)力觸發(fā)作用下，活動斷裂的地震空區(qū)部位更易發(fā)生地震[7]。

龍門山斷裂帶具有明顯的分段活動性，該斷裂帶北段斷裂新構(gòu)造活動性較南段弱[41]，蘆山地震的破裂和汶川地震的破裂沒有貫通，在蘆山地震與汶川地震之間形成了一個破裂空段，而震后汶川地震和蘆山地震在此空段的靜態(tài)庫侖應(yīng)力均明顯增加，因此，此段強(qiáng)余震發(fā)生可能性較高。李正芳等指出東昆侖斷裂東段瑪曲段和塔藏段地震危險性較高[42]，易桂喜等指出鮮水河斷裂中南段道孚-乾寧段存在大尺度的凹凸體，將是川滇活動地塊東邊界未來大震或強(qiáng)震的震源區(qū)[43]，而這些斷裂正位于震后汶川地震和蘆山地震靜態(tài)庫侖應(yīng)力顯著增加區(qū)域，因此發(fā)生地震的可能性較高。

致謝：感謝W ang RongJi ang提供的應(yīng)力場計算軟件，鄧起東和聞學(xué)澤提供的活動斷層數(shù)據(jù)。

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Coulomb Stress Change in Sichuan-Yunnan Region Induced by MS7.0 Lushan and MS8.0 Wenchuan Earthquakes

WANG Liwei，HUANG Liufang
（Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China）

The Lushan MS7.0 earthquake occurred in the south segment of Longmenshan fault on 20th April, 2013.Coulomb stress calculation indicates that this segment is located in areas of static coulomb stress increase induced by Wenchuan MS8.0 earthquake.Regional stress was released and adjusted by the Lushan earthquake. Using the active fault data and earthquake focal mechanisms in Sichuan-Yunnan region,the paper builds the 0.1°×0.1°grided receiver fault matrix of the research area,and calculates the static coulomb stress change of Lushan and Wenchuan earthquakes with different model parameters in a layered gravity Maxwell viscoelasticmedia.The results show that the seismic gap from Lushan earthquake to Wenchuan earthquake rupture fault，the Maqu-tazang segment of east Kunlun fault and Daofu-qianning segment of Xianshuihe fault have an obvious stress increase，thus have high rates of large shocks.

Coulomb stress change；Stress trigger；Lushan MS7.0 earthquake；Wenchuan MS8.0 earthquake

P315.7

A

1001-8662（2015）04-0052-06

10.13512/j.hndz.2015.04.08

王力偉，黃柳芳.蘆山MS7.0地震和汶川MS8.0地震對川滇地區(qū)的庫侖應(yīng)力影響 [J].華南地震，2015，35（4）：52-58.[WANG Liwei，HUANG Liufang.Coulomb Stress Change in Sichuan-Yunnan Region Induced by MS7.0 Lushan and MS8.0 Wenchuan Earthquakes[J].South china journal of seismology，2015，35（4）：52-58.]

2014-11-12

王力偉 （1985-），男，工程師，主要從事震源物理、介質(zhì)結(jié)構(gòu)及速度變化研究.

E-mail：wlw032@163.com.