九寨溝MS 7.0地震靜態(tài)庫侖應(yīng)力觸發(fā)及對附近斷層影響分析

朱航 屈勇

四川省地震局，成都市人民南路3段29號 610041

0 引言

2017年8月8日九寨溝MS7.0地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體東邊界。根據(jù)先前的認(rèn)識，巴顏喀拉塊體位于青藏活動地塊區(qū)中北部，其北、南邊界分別被具有左旋走滑性質(zhì)的東昆侖斷裂帶、甘孜-玉樹斷裂帶和鮮水河斷裂帶所包圍，東邊界則由龍門山斷裂帶、岷江-虎牙斷裂帶等共同構(gòu)成（張培震等，2003）。自1997年西藏瑪尼MS7.9地震發(fā)生以來，巴顏喀拉塊體邊界共發(fā)生8次7級以上地震（含2次8級地震），其中，3次發(fā)生在四川境內(nèi)，即2008年汶川MS8.0、2013年蘆山MS7.0和2017年九寨溝MS7.0等地震；這3次地震都發(fā)生在巴顏喀拉塊體東邊界。此外，巴顏喀拉塊體東邊界1973～1976年曾發(fā)生4次MS≥6.5地震，即1973年8月11日松潘黃龍MS6.5以及1976年8月 16～23日松潘MS7.2、MS6.7、MS7.2地震。上述7次地震共同構(gòu)成了1973～2017年巴顏喀拉塊體東邊界強(qiáng)震序列。

為了了解巴顏喀拉塊體東邊界強(qiáng)震序列的發(fā)生規(guī)律和相關(guān)物理機(jī)制，我們曾對其應(yīng)力觸發(fā)過程進(jìn)行了系列跟蹤研究。朱航等（2009）計(jì)算和研究了1973～1976年四川松潘4次強(qiáng)震組成的序列引起的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化圖像，分析了由該序列各次事件引起的近場應(yīng)力變化及其與后續(xù)強(qiáng)震間的關(guān)系，同時分析了該序列引起的遠(yuǎn)場應(yīng)力變化與隨后25年區(qū)域中、強(qiáng)地震活動間的關(guān)系。結(jié)果顯示，1973年8月11日松潘黃龍6.5級地震導(dǎo)致虎牙斷裂帶中段庫侖應(yīng)力顯著增加，并觸發(fā)了1976年8月16日的7.2級地震；此后，又沿?cái)鄬酉蚰舷嗬^觸發(fā)了1976年8月22日6.7級地震和8月23日7.2級地震。此外，在該強(qiáng)震序列發(fā)生后的25年間，在距該序列發(fā)震斷層中部約200km范圍內(nèi)，6次5.0～6.6級地震均發(fā)生在由該序列引起的遠(yuǎn)場、微量的庫侖應(yīng)力變化增加區(qū)中。汶川8.0級地震發(fā)生后，Zhu等（2010）發(fā)現(xiàn)，2008年汶川8.0級地震的震中位于1973～1976年四川松潘強(qiáng)震序列引起的庫侖應(yīng)力觸發(fā)區(qū)內(nèi)，說明松潘強(qiáng)震序列的發(fā)生導(dǎo)致了龍門山斷裂帶中、南段應(yīng)力水平的增強(qiáng)，從而可能在一定程度上使得汶川8.0級地震提前發(fā)生；計(jì)算松潘強(qiáng)震序列和汶川8.0級強(qiáng)震共同引起的庫侖應(yīng)力變化，結(jié)果顯示，汶川8.0級地震觸發(fā)了2008年5月25日龍門山斷裂帶北東段上的青川6.4級地震；龍門山斷裂帶南段也處于應(yīng)力觸發(fā)區(qū)內(nèi)；與汶川地震發(fā)震斷層平行的茂縣-汶川斷裂（龍門山斷裂帶后山斷裂）則處于應(yīng)力影區(qū)內(nèi)，發(fā)生強(qiáng)震的危險性應(yīng)相對減小。值得說明的是，2013年蘆山7.0級地震發(fā)生在該研究提出的龍門山斷裂帶南段應(yīng)力觸發(fā)區(qū)內(nèi)。屈勇等（2017）計(jì)算和研究了1973～2014年發(fā)生在巴顏喀拉塊體東-南邊界斷裂帶上的、由9次MS≥6.3地震組成的強(qiáng)震序列引起的庫侖應(yīng)力變化圖像，分析序列中先發(fā)地震破裂對后發(fā)地震的應(yīng)力觸發(fā)作用，結(jié)果表明：①1973～1976年在巴顏喀拉塊體東邊界的虎牙斷裂帶上發(fā)生的4次強(qiáng)震存在顯著的應(yīng)力觸發(fā)關(guān)系，同時改變了龍門山斷裂帶中南段及周圍區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)，相繼觸發(fā)了汶川8.0級、蘆山7.0級地震；②南邊界鮮水河斷裂帶自1973年以來發(fā)生的3次強(qiáng)震同樣存在應(yīng)力觸發(fā)關(guān)系，2014年康定6.3級地震是巴顏喀拉塊體東、南邊界強(qiáng)震活動導(dǎo)致的庫侖應(yīng)力變化共同觸發(fā)的結(jié)果。

2017年九寨溝7.0級地震發(fā)生在1973年松潘黃龍6.5級地震震中以北的鄰近區(qū)域，它與先前發(fā)生在巴顏喀拉塊體東邊界的各次強(qiáng)震間的應(yīng)力觸發(fā)關(guān)系，以及它向鄰近斷層的應(yīng)力轉(zhuǎn)移情況，是本文所關(guān)注的問題。本文將計(jì)算有關(guān)的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化，探討九寨溝7.0級地震的應(yīng)力觸發(fā)機(jī)制，并指出由九寨溝7.0級地震發(fā)生所引起的庫侖應(yīng)力增加而可能被觸發(fā)強(qiáng)震的斷層。

1 研究方法

庫侖破裂應(yīng)力是指斷層面上存在著一定程度的應(yīng)力積累，當(dāng)積累應(yīng)力大小超過斷層面的滑動阻抗強(qiáng)度時，斷層面將會滑動和破裂。關(guān)于庫侖破裂準(zhǔn)則以及地震的應(yīng)力觸發(fā)理論已有大量論述（King et al，1994；Stein，1999；Pollitz et al，2002；Deng et al，1997；Harris，1998；Okada，1992），庫侖破裂準(zhǔn)則確定了巖體中先存斷層重新發(fā)生摩擦滑動或者“破裂”的應(yīng)力條件（Scholz，1990；Jaeger et al，1979）。斷層上的庫侖應(yīng)力若發(fā)生改變，將影響該斷層重新滑動或破裂的失穩(wěn)條件；超過0.01MPa的微小庫侖應(yīng)力變化就會影響斷層的應(yīng)力分布狀態(tài)，從而增加或縮短斷層發(fā)生潛在破裂所需的時間（King et al，1994；Stein，1999）。研究斷層趨于破裂的過程可使用庫侖應(yīng)力變化Δσf進(jìn)行數(shù)值描述

式中，Δτs為斷層面的剪切應(yīng)力變化（沿滑動方向?yàn)檎沪う襫為正應(yīng)力變化（張應(yīng)力為正），μ′為斷層面的摩擦系數(shù)。

當(dāng)一次強(qiáng)震發(fā)生時，發(fā)震斷層的應(yīng)力將在一定程度上得以釋放，同時，地震時的同震位錯會引起附近區(qū)域斷層的靜態(tài)應(yīng)力變化，即應(yīng)力轉(zhuǎn)移。當(dāng)所引起的相鄰斷層段上的庫侖應(yīng)力變化為正值時，該斷層段重新發(fā)生粘滑的可能性增大，或者會很快發(fā)生另一次地震，這種情況即地震的應(yīng)力觸發(fā)作用；當(dāng)庫侖應(yīng)力變化為負(fù)值時，該斷層段重新發(fā)生粘滑的可能性降低。一般稱庫侖應(yīng)力變化的正值區(qū)域?yàn)閼?yīng)力觸發(fā)區(qū)，負(fù)值區(qū)域?yàn)閼?yīng)力影區(qū)（King et al，1994）。引起應(yīng)力變化的地震和破裂面稱為“源地震”和“源斷層”，區(qū)域中的其它先存斷層稱為“接受斷層”。根據(jù)Okada（1992）提出的均勻各向同性彈性半空間模型，可由源斷層的同震位錯計(jì)算接受斷層的庫侖應(yīng)力變化量。本文采用King等（1994）推導(dǎo)的庫侖應(yīng)力變化公式以及發(fā)展的相關(guān)算法，并使用Coulomb3.3軟件分別計(jì)算1973～2017年間巴顏喀拉塊體東邊界強(qiáng)震序列引起的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化，分析可能存在的觸發(fā)作用，并進(jìn)一步研究該強(qiáng)震序列對周邊地區(qū)中、強(qiáng)地震活動的影響。

根據(jù)以上庫侖應(yīng)力原理可知，由Coulomb3.3軟件計(jì)算的接受斷層上的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化量取決于源斷層的幾何特征（斷層走向、傾角、滑動角）與源地震的同震位錯，以及接受斷層的幾何特征及斷層摩擦系數(shù)等（King et al，1994）。

2 發(fā)震構(gòu)造與位錯模型

受印度洋板塊北向推擠作用的影響，青藏活動地塊區(qū)整體朝S-SE方向運(yùn)動，位于其中的巴顏喀拉塊體受華南地塊阻擋，在東邊界帶上產(chǎn)生了強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動和變形。巴顏喀拉塊體北邊界主要由東昆侖斷裂帶構(gòu)成，南邊界的南東段主要由鮮水河、甘孜-玉樹斷裂帶構(gòu)成，均表現(xiàn)為左旋走滑運(yùn)動。本文以巴顏喀拉塊體東邊界及鄰近地區(qū)為主體，取29.5°～35.0°N、101.5°～106.5°E的矩形范圍作為研究區(qū)。區(qū)內(nèi)1973～2017年強(qiáng)震序列分別發(fā)生在巴顏喀拉塊體東邊界的NW向樹正斷裂、NNW向虎牙斷裂帶以及NE向龍門山斷裂帶上，其中，樹正斷裂表現(xiàn)為左旋走滑，而虎牙斷裂帶則表現(xiàn)為左旋走滑兼逆沖的運(yùn)動方式，虎牙斷裂帶向南延伸逐漸過渡到由3條主干斷裂組成的龍門山逆沖推覆斷裂帶（圖1）。

圖1顯示了1973～2017年巴顏喀拉塊體東邊界強(qiáng)震序列的震中位置及發(fā)震構(gòu)造，并標(biāo)注了各次地震的震源機(jī)制解。由圖1可見，2008年汶川MS8.0、2013年蘆山MS7.0等地震均發(fā)生在龍門山斷裂帶中、南段，震源機(jī)制為逆沖型；1976年8月16～23日2次松潘MS7.2地震發(fā)生在NNW向的虎牙斷裂帶，震源機(jī)制為左旋走滑兼逆沖型；1976年8月22日松潘MS6.7地震發(fā)生在NE向葉塘斷裂，該斷裂為逆沖型。2017年九寨溝MS7.0地震發(fā)生在NW向樹正斷裂，震源機(jī)制為左旋走滑型。

關(guān)于1973年松潘黃龍MS6.5地震的發(fā)震構(gòu)造尚存疑問。據(jù)《中國震例（1966－1975）》（程式等，1988）記載：“1973年8月11日松潘黃龍MS6.5地震震中附近沒有發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂構(gòu)造，因此，使用等震線走向、余震分布和震源機(jī)制解節(jié)面的走向判斷，這次地震的構(gòu)造位置位于NNW向虎牙斷裂向北的延伸線上?！庇蓤D1可見，1973年松潘黃龍MS6.5地震與2017年九寨溝MS7.0地震的震中都位于樹正斷裂的西側(cè)，它們的震源機(jī)制非常相似，均為走滑型，其NW向節(jié)面走向與樹正斷裂的走向一致。據(jù)此，我們可以認(rèn)定，這2次地震都發(fā)生在NW走向的樹正斷裂，均為左旋剪切破裂。

為了獲取計(jì)算所需的各次地震事件的震中位置、發(fā)震斷層產(chǎn)狀及同震位錯量，我們在綜合多種資料的基礎(chǔ)上，構(gòu)建利用Coulomb3.3軟件計(jì)算所需的斷層模型。表1為巴顏喀拉塊體東邊界強(qiáng)震序列7次事件發(fā)震斷層產(chǎn)狀及同震位錯參數(shù)，其數(shù)據(jù)來源見表注。表1中1973年松潘黃龍MS6.5、2017年8月8日九寨溝MS7.0等地震的同震位錯量由以下聞學(xué)澤（1995）建立的走滑型地震斷層的經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)得出

圖1 巴顏喀拉塊體東邊界活動斷裂及1973年以來MS≥6.5地震分布

表1 巴顏喀拉塊體東邊界強(qiáng)震序列7次事件發(fā)震斷層產(chǎn)狀及同震位錯參數(shù)

式中，MS為面波震級；u×l為同震平均位錯u與破裂長度l的乘積。

3 庫侖應(yīng)力變化圖像與分析

計(jì)算之前，將研究區(qū)內(nèi)1973年以前的庫侖應(yīng)力變化量歸零。計(jì)算中，地殼的剪切模量取3.3×1010Pa，泊松比取0.25，斷層面摩擦系數(shù)μ′取 0.4；該取值是 King等（1994）根據(jù)不同地區(qū)計(jì)算的庫侖應(yīng)力變化得出的經(jīng)驗(yàn)值。計(jì)算深度為地下10km。

圖2 1973～2013年發(fā)生的6次MS≥6.5地震共同引起的以樹正斷裂為接受斷層的庫侖應(yīng)力變化圖像

3.1 巴顏喀拉塊體東邊界先發(fā)地震對九寨溝MS 7.0地震的觸發(fā)作用

圖2是巴顏喀拉塊體東邊界1973～2013年發(fā)生的6次MS≥6.5地震共同引起的以樹正斷裂為接受斷層的庫侖破裂應(yīng)力變化圖像。從表1給出的九寨溝地震發(fā)震斷層產(chǎn)狀可知，斷層運(yùn)動為左旋走滑，斷層走向NW，高傾角，斷層面接近直立。由圖2可見，在巴顏喀拉塊體東邊界大部分段落已經(jīng)破裂的情況下，樹正斷裂北段的庫侖應(yīng)力水平顯著升高，而九寨溝MS7.0地震即發(fā)生在應(yīng)力觸發(fā)區(qū)內(nèi)，因此認(rèn)為，巴顏喀拉塊體東邊界先發(fā)地震對九寨溝地震具有明顯的觸發(fā)作用。

3.2 巴顏喀拉塊體東邊界強(qiáng)震序列對鄰近斷裂的應(yīng)力轉(zhuǎn)移

九寨溝MS7.0地震是巴顏喀拉塊體邊界斷裂帶自1997年以來發(fā)生的第8次MS≥7.0地震，至此，巴顏喀拉塊體東、西邊界大部分已經(jīng)破裂。那么，巴顏喀拉塊體東邊界強(qiáng)震序列的發(fā)生對未來強(qiáng)震形勢有何影響？

九寨溝MS7.0地震震中位于巴顏喀拉塊體東北角的樹正斷裂北段，其南面的巴顏喀拉塊體東邊界斷層段多已破裂，積累的應(yīng)變能得以釋放，因此，不具備未來10年乃至數(shù)十年內(nèi)強(qiáng)震復(fù)發(fā)的條件。本文主要關(guān)注九寨溝地震震中的西、北面3條斷裂帶的近場庫侖應(yīng)力變化情況，具體如下。

3.2.1 巴顏喀拉塊體東邊界強(qiáng)震序列引起的岷江斷裂帶庫侖應(yīng)力變化

岷江斷裂帶南起松潘以南，向北與東昆侖斷裂帶東段相交，大致沿岷江河谷總體呈SN向延伸，長約120km。岷江斷裂帶曾發(fā)生過2次較強(qiáng)地震，分別是1748年漳臘北面的6.5級、1938年松潘6.0級地震。錢洪等（1995）認(rèn)為，岷江斷裂帶活動強(qiáng)度不大，至少沒有發(fā)生過造成斷錯地貌的強(qiáng)烈破壞性地震。

岷江斷裂帶以逆沖為主，兼有一定左旋運(yùn)動分量，斷層傾向W，傾角約80°（鄧起東等，1994）。圖3（a）是九寨溝地震發(fā)生后，巴顏喀拉塊體東邊界1973～2017年發(fā)生的7次MS≥6.5地震共同引起的以岷江斷裂帶為接受斷層的庫侖破裂應(yīng)力變化圖像。由圖3（a）可見，岷江斷裂帶處于應(yīng)力影區(qū)范圍內(nèi)，即鄰近的樹正斷裂破裂錯動，對岷江斷裂帶而言，具有減震效應(yīng)。

3.2.2 巴顏喀拉塊體東邊界強(qiáng)震序列引起的東昆侖斷裂帶庫侖應(yīng)力變化

東昆侖斷裂帶是巴顏喀拉塊體北邊界斷裂系統(tǒng)的一條巨型左旋走滑活動斷裂，自有儀器記錄的1902年以來，沿該斷裂帶先后發(fā)生了7次MS6.9～8.1的大震，震級最大的為2001年11月14日在西段發(fā)生的昆侖山口西8.1級地震；而在斷裂帶東段上存在一處地震空區(qū)——瑪曲空區(qū)（付俊東等，2012），因此，該段具有發(fā)生強(qiáng)震的潛在危險。

東昆侖斷裂帶東段呈帚狀散開的幾何特征?？傮w來看，東昆侖斷裂帶東段以左旋走滑運(yùn)動為主，兼有一定逆沖分量，斷裂大體走向 300°，高傾角，斷層面傾向 SW（李陳俠等，2009）。圖3（b）是九寨溝地震發(fā)生后，巴顏喀拉塊體東邊界1973～2017年發(fā)生的7次MS≥6.5地震共同引起的以東昆侖斷裂帶東段為接受斷層的庫侖應(yīng)力變化圖像。由圖3（b）可見，該斷裂處于應(yīng)力觸發(fā)區(qū)范圍內(nèi)，即東邊界強(qiáng)震序列的發(fā)生，對東昆侖斷裂帶東段，特別是對瑪曲空區(qū)具有強(qiáng)震觸發(fā)作用。

3.2.3 巴顏喀拉塊體東邊界強(qiáng)震序列引起的龍日壩斷裂帶庫侖應(yīng)力變化

龍日壩斷裂帶位于龍門山斷裂帶NW側(cè)約200km的巴顏喀拉塊體東部，其北東段由走向 54°N±5°E、相距約30km的龍日曲、毛爾蓋2條分支斷層組成，分別表現(xiàn)出向SE方向逆沖和右旋走滑的運(yùn)動方式。以龍日壩斷裂帶為界，巴顏喀拉地塊分為西部阿壩和東部龍門山2個次級塊體；龍門山次級塊體的整體縮短和隆升反映出從龍門山斷裂帶到龍日壩斷裂帶是巴顏喀拉地塊SE向運(yùn)移過程中由于受到華南地塊的強(qiáng)烈阻擋而形成的后展式推覆構(gòu)造系統(tǒng)，龍日壩斷裂帶正是這一系統(tǒng)中晚第四紀(jì)新生的活動斷裂帶（徐錫偉等，2008）。

圖3 1973～2017年發(fā)生的7次MS≥6.5地震共同引起的庫侖應(yīng)力變化圖像

圖3（c）是九寨溝地震發(fā)生后，巴顏喀拉塊體東邊界1973～2017年發(fā)生的7次MS≥6.5地震共同引起的以龍日壩斷裂帶為接受斷層的庫侖破裂應(yīng)力變化圖像。由圖3（c）可見，該斷裂帶處于應(yīng)力觸發(fā)區(qū)范圍內(nèi)，即東邊界強(qiáng)震序列的發(fā)生有可能觸發(fā)龍日壩斷裂破裂。

4 結(jié)論與討論

（1）2017年8月8日九寨溝7.0級地震是巴顏喀拉塊體東邊界自1973年以來發(fā)生的第7次MS≥6.5地震，利用庫侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析表明，先前發(fā)生的6次地震對九寨溝地震具有觸發(fā)作用。

（2）對九寨溝7.0級地震震中附近主要斷裂應(yīng)力轉(zhuǎn)移的計(jì)算結(jié)果顯示，在巴顏喀拉塊體東邊界7次MS≥6.5地震的共同作用下，東昆侖斷裂帶東段及龍日壩斷裂帶庫侖應(yīng)力水平升高，這可能導(dǎo)致這些斷裂已積累的應(yīng)變能提前釋放，即具有觸發(fā)作用；岷江斷裂帶處于庫侖應(yīng)力影區(qū)內(nèi)，具有減震效應(yīng)。

（3）發(fā)生在巴顏喀拉塊體東邊界的強(qiáng)震是否會短期內(nèi)觸發(fā)北、南邊界的地震，這是我們所關(guān)注的問題。2014年11月22日南邊界的南端發(fā)生了康定6.3級地震，其與2013年4月20日蘆山7.0級地震的時間間隔僅有1.6年，研究認(rèn)為，這是由于巴顏喀拉塊體東、南邊界強(qiáng)震活動導(dǎo)致的庫侖應(yīng)力變化共同觸發(fā)的結(jié)果（屈勇等，2017）。九寨溝7.0級地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體東邊界的北端，其相鄰的北邊界東昆侖斷裂帶東段目前不僅位于應(yīng)力增加區(qū)內(nèi)，而且還存在瑪曲地震空區(qū)，所以，應(yīng)特別關(guān)注該段未來地震危險性。