1966年邢臺(tái)地震靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)分析

李守勇　鄒立曄　孫　晴　趙愛(ài)平

1　河北省地震局邯鄲中心臺(tái)，邯鄲市明怡街1號(hào)，056001 2　中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市三里河南橫街5號(hào)，100045 3　江西省地震局，南昌市洪都北大道865號(hào)，330039

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1966年邢臺(tái)地震靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)分析

李守勇1鄒立曄2孫晴1趙愛(ài)平3

1河北省地震局邯鄲中心臺(tái)，邯鄲市明怡街1號(hào)，056001 2中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市三里河南橫街5號(hào)，100045 3江西省地震局，南昌市洪都北大道865號(hào)，330039

通過(guò)分析1966年邢臺(tái)5次地震的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)情況發(fā)現(xiàn)，前2次地震對(duì)后面的地震有較好的觸發(fā)，而MS7.2以后地震的觸發(fā)不理想。從而認(rèn)為，隨著地震的發(fā)生和震源深度的增加，巖漿活動(dòng)對(duì)地殼介質(zhì)的影響越來(lái)越大，地殼介質(zhì)彈性性能越來(lái)越弱，即該區(qū)域淺部可以用均勻彈性半空間來(lái)近似，而深部在巖漿等因素的影響下，用均勻彈性半空間來(lái)近似存在較大的誤差，不適合用彈性位錯(cuò)理論計(jì)算地震的觸發(fā)關(guān)系。這從側(cè)面反映了該地區(qū)巖漿活動(dòng)的劇烈性和超殼斷層存在的客觀性。

邢臺(tái)地震；靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)；震源深度；巖漿；高導(dǎo)層

1966-03-08邢臺(tái)地震距今已近50 a，在短短21 d內(nèi)發(fā)生了5次MS≥6.0的地震，給當(dāng)?shù)厝嗣裨斐删薮蟮纳?cái)產(chǎn)損失。邢臺(tái)震群中，以發(fā)生在寧晉的MS7.2地震最大，位于新河斷裂附近。由于本次地震在地表的活動(dòng)痕跡不明顯，測(cè)深數(shù)據(jù)和震源機(jī)制解資料顯示，新河斷裂收斂于地下8 km的脫滑帶[1]，而其下高傾角至莫霍面的深大斷層的活動(dòng)是邢臺(tái)地震發(fā)生的主要誘因[2]。

邢臺(tái)地震是板內(nèi)地震，而俯沖帶上的地震，其靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)效果不明顯[3]。萬(wàn)永革等[4]計(jì)算了邢臺(tái)03-08 MS6.8地震對(duì)03-22 MS7.2地震的觸發(fā)，但因?yàn)樾吓_(tái)地震是一個(gè)地震群，MS≥6級(jí)的地震多達(dá)5個(gè)，而僅2個(gè)地震的靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)情況不能涵蓋全部。

本文以構(gòu)造背景和震源深度為基礎(chǔ)，分析了1966年邢臺(tái)5次MS≥6.0級(jí)地震的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)情況，認(rèn)為該區(qū)淺部可以用均勻彈性介質(zhì)近似，而深部在巖漿等因素的影響下，用均勻彈性介質(zhì)來(lái)近似存在較大誤差。這對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)邢臺(tái)地震及其地下構(gòu)造有一定意義。

1　邢臺(tái)地震的構(gòu)造背景

中國(guó)大陸西緣在印度板塊與歐亞大陸碰撞、擠壓，東緣在菲律賓海板塊、太平洋板塊俯沖的背景下，被大型活動(dòng)斷裂帶分割成多個(gè)塊體。華北塊體是我國(guó)地震多發(fā)區(qū)之一，許多學(xué)者利用震源機(jī)制資料對(duì)該區(qū)進(jìn)行大量研究[5]后認(rèn)為，該區(qū)的最大主壓應(yīng)力軸為北東東-南西西向。華北地區(qū)的地震帶分布在以北東東-南西西為主的情況下，一些穩(wěn)定地塊的邊緣和內(nèi)部有許多北西向地震分布帶，與北東東-南西西向地震活動(dòng)帶構(gòu)成了本區(qū)基本的地震活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[6](見(jiàn)圖1，MS≥5.0,震源深度≥40 km)。

圖1　邢臺(tái)地震及其周邊斷裂分布Fig.1　Xingtai earthquake and its surrounding fracture distribution

邢臺(tái)地區(qū)莫霍面最淺約32 km[7]，震區(qū)的中下地殼具有較高的溫壓條件[1]。邢臺(tái)地震發(fā)生在殼內(nèi)的高導(dǎo)層上，而高導(dǎo)層內(nèi)的物質(zhì)溫度較高，有導(dǎo)電率極高的物質(zhì)成分[8]。其下有劇烈的巖漿活動(dòng)，巖漿活動(dòng)成為控制邢臺(tái)地震的一個(gè)重要因素[9]。

邢臺(tái)1966～1985年MS≥5.0地震目錄和部分震源深度≥40 km的地震目錄(到1967-01-12止)見(jiàn)文獻(xiàn)[10-11]，震中分布如圖1所示?？梢钥闯?，震源深度≥40 km的地震隨著時(shí)間的推移其數(shù)量越來(lái)越多,且其分布貫穿邢臺(tái)震區(qū)的南北。總體而言，震源深度由淺而深。

2　計(jì)算原理

應(yīng)力觸發(fā)研究始于20世紀(jì)60年代。King等[12]計(jì)算了1992年美國(guó)Landers地震破裂面附近最優(yōu)方向上的庫(kù)侖應(yīng)力變化；Deng等[13]計(jì)算了1982～1995年南加州中強(qiáng)震所產(chǎn)生的庫(kù)侖應(yīng)力變化的總和，根據(jù)地震產(chǎn)生的靜態(tài)應(yīng)力分布，可以預(yù)測(cè)后續(xù)余震的空間活動(dòng)。

作為對(duì)實(shí)際地殼介質(zhì)的近似，用均勻彈性將其簡(jiǎn)化，根據(jù)地震位錯(cuò)理論及庫(kù)侖定律可以計(jì)算靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力的分布。地震時(shí)，斷層受到應(yīng)力作用而破裂，對(duì)周?chē)慕Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力傳遞。其傳遞的庫(kù)侖應(yīng)力為正值時(shí)，促使該處的斷層破裂，有利于地震的發(fā)生，而為負(fù)值則抑制該處的斷層破裂。靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力公式為[12]：

(1)

式中，Δσf是源斷層滑動(dòng)傳遞到接收斷層上的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化，Δτs是剪切應(yīng)力的變化，Δσn是正應(yīng)力的變化，μ′為接收斷層上的摩擦系數(shù)。

3　邢臺(tái)地震參數(shù)的選擇

邢臺(tái)地震是震群型，其下低速高導(dǎo)層的埋深為10～20 km[14]，地震平均深度為20.3 km[15]，為高傾角的走滑斷層。河北省地震局[10]給出了5次MS≥6.0地震的震源機(jī)制解。據(jù)文獻(xiàn)[16]，對(duì)于MS6.2地震，取震源機(jī)制解的第二個(gè)節(jié)面為斷層面；對(duì)于其余4個(gè)地震，選擇第一個(gè)節(jié)面為斷層面(如表1所示)。震源機(jī)制的滑動(dòng)角根據(jù)文獻(xiàn)[18]提供的公式計(jì)算，這里取摩擦系數(shù)為0.5[19]。假設(shè)震源深度都位于斷層面的中央，根據(jù)文獻(xiàn)[20]求斷層錯(cuò)動(dòng)位移，根據(jù)文獻(xiàn)[21]求斷層長(zhǎng)度，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表1　邢臺(tái)MS≥6.0地震的震源機(jī)制解

表2　邢臺(tái)MS≥6.0地震的斷層參數(shù)

華北南部地區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)[22]如表3所示，另假設(shè)泊松比為0.25，楊氏模量為80 000 mPa，最大主應(yīng)力為10 mPa，中等主應(yīng)力為3 mPa，最小主應(yīng)力為0。使用USGS的Coulomb 3.3進(jìn)行靜態(tài)

表3　華北地區(qū)南部地應(yīng)力場(chǎng)

庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算。

4　邢臺(tái)地震靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力的結(jié)果

考慮背景應(yīng)力場(chǎng)，我們得到邢臺(tái)地震在空間上的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力分布(見(jiàn)圖2，單位bar)。據(jù)圖2知，MS6.7地震發(fā)生在MS6.8地震的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力增加的邊緣處，距離靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力的負(fù)值區(qū)很近(圖2(a))；其5級(jí)以上的地震中有3個(gè)發(fā)生在庫(kù)侖應(yīng)力增加區(qū)，有3個(gè)發(fā)生在負(fù)值區(qū)；MS6.7地震的發(fā)生時(shí)間與MS7.2地震僅差8 min，其間沒(méi)有更小的MS5以上的地震發(fā)生，MS7.2地震發(fā)生在MS6.7地震的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力增加的地區(qū)(圖2(b))；MS7.2地震與MS6.2地震之間的小震都發(fā)生在應(yīng)力減少區(qū)，MS6.2地震發(fā)生在靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力增加區(qū)與應(yīng)力影區(qū)之間的白區(qū)，基本不受MS7.2地震的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力的影響(圖2(c))；之后的MS6.0地震發(fā)生在MS6.2地震產(chǎn)生的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力的白區(qū)，基本不受影響，而其間的一個(gè)5級(jí)以上的小震發(fā)生在MS6.2地震產(chǎn)生的庫(kù)侖靜態(tài)應(yīng)力的增加區(qū)(圖2(d))。從計(jì)算結(jié)果總體看來(lái)，MS6.8地震對(duì)MS6.7地震及MS6.7 地震對(duì)MS7.2地震的靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)較好，MS7.2地震及其以后的地震產(chǎn)生的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力與后續(xù)地震的發(fā)生對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯，即觸發(fā)不好。

圖2　邢臺(tái)地震中的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化Fig.2　Xingtai earthquake static Coulomb stress changes

5　結(jié)　語(yǔ)

邢臺(tái)地震自MS7.2地震以后觸發(fā)不好。其下原本有較強(qiáng)的巖漿活動(dòng)，在MS6.8地震后，有一個(gè)深度為33 km的地震發(fā)生，不僅超過(guò)該區(qū)殼內(nèi)高導(dǎo)層的深度，也接近了莫霍面的深度。而殼內(nèi)高導(dǎo)層富含高溫高壓的連通流體[8]，使巖漿等液體沿著地震產(chǎn)生的裂隙向地表方向滲透，其后隨著MS6.7地震及MS7.2地震的發(fā)生，使巖漿對(duì)這些裂隙的作用更加強(qiáng)烈，這可能也是地震深度逐漸增加的原因。隨著巖漿對(duì)地殼裂隙的填充，使其彈性性能減小，一些局部介質(zhì)呈現(xiàn)準(zhǔn)塑性，其用變形來(lái)抵消地震傳給它的能量(這也可很好地解釋地面烈度不規(guī)則的現(xiàn)象)，因而用彈性位錯(cuò)理論計(jì)算會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，甚至得到錯(cuò)誤的結(jié)果，這也是MS7.2地震以前的地震有較好的觸發(fā)，而其后面的地震觸發(fā)不好的原因。

靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力的觸發(fā)對(duì)板內(nèi)有些地震有較好的應(yīng)對(duì)，而對(duì)板塊邊緣的地震則效果不好，如對(duì)俯沖帶上的地震用庫(kù)侖破裂準(zhǔn)則計(jì)算其觸發(fā)效果就不是很好[3]。同樣，對(duì)板內(nèi)受巖漿活動(dòng)(或其他近液態(tài)物質(zhì))影響劇烈的地方，其觸發(fā)效果也不好。板內(nèi)地區(qū)，由于地震的復(fù)雜性，不同地區(qū)的介質(zhì)有很大差別，有的地區(qū)可以用均勻彈性介質(zhì)來(lái)近似，而有的地區(qū)由于介質(zhì)的不均勻性及一些介質(zhì)物態(tài)的不統(tǒng)一性(如巖漿活動(dòng)等因素)，使用均勻彈性介質(zhì)來(lái)近似存在與實(shí)際情況較大的誤差。中國(guó)大陸西部，上地幔高導(dǎo)層的埋深偏大，而地震普遍發(fā)生于其上[14]。這說(shuō)明，四川、云南及西部等一些地區(qū)可以用均勻彈性介質(zhì)來(lái)近似，地震時(shí)用庫(kù)侖破裂準(zhǔn)則來(lái)計(jì)算其觸發(fā)性能有較好[23]的應(yīng)對(duì)。而地震時(shí)的邢臺(tái)地區(qū)，其淺部可以用均勻彈性介質(zhì)近似，而其深部由于巖漿活動(dòng)的影響，則不能用均勻彈性介質(zhì)來(lái)近似。這一現(xiàn)象也從側(cè)面反映了邢臺(tái)地震時(shí)，地下的較強(qiáng)巖漿活動(dòng)和超殼深斷層存在的客觀性。

致謝:華北水電學(xué)院的劉遠(yuǎn)征博士、中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的張雪梅博士給予許多有益建議，在此深表感謝！

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LIShouyong1ZOULiye2SUNQing1ZHAOAiping3

1Handan Seismostation of Hebei Province, 1 Mingyi Street, Handan 056001，China 2China Earthquake Networks Center, 5 Nanheng Street, Sanlihe, Beijing 10045,China 3Earthquake Administration of Jiangxi Province, 865 North-Hongdu Road,Nanchang 330039,China

The 1966 Xingtai earthquake devastated densely populated areas. There were a total of fiveMS≥6.0 earthquakes in 21 days. Many studies have shown that there was intense magmatism under the area. Analysis of the static Coulomb stress triggering of the five earthquakes shows that the triggering of the first two earthquakes had good relations, but that the relations after the MS7.2 earthquake triggering were not ideal. This paper argues that, as the earthquakes occurred, the focal depth increases, the impact on the crust magmatism grows, and the elastic properties of crustal medium weakens. The shallow part of the region can be approximated with homogeneous elastic half-space. However, for the deeper part, under the influence of magma and other factors, there is a big error in calculation of earthquake triggering with homogeneous elastic half-space. This is not suitable for calculating the earthquake triggered by the elastic dislocation theory. Furthermore, this also reflects the regional magmatic activity and the objectivity of the existence of the super crust fault.

Xingtai earthquake；static Coulomb stress triggering；focal depth；magma；high conductive layer

The Spark Program of Earthquake Sciences of Hebei，No.DZ20140712043.

ZOU Liye, senior engineer, majors in data management and software development, E-mail:zouly@seis.ac.cn.

2015-11-02

李守勇，工程師，主要從事地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)及應(yīng)力場(chǎng)研究，E-mail:lishy@sina.com。

鄒立曄，高級(jí)工程師，主要從事數(shù)據(jù)管理及相關(guān)軟件研發(fā)工作，E-mail:zouly@seis.ac.cn。

10.14075/j.jgg.2016.10.016

1671-5942(2016)010-0918-04

P315

A

項(xiàng)目來(lái)源：河北省地震科技星火計(jì)劃(DZ20140712043)。

About the first author:LI Shouyong,engineer,majors in the seismic network monitoring and stress field,E-mail:lishy@sina.com.