2020年龍泉山斷裂帶MS5.1地震成因綜合分析

柳存喜, 黎 莎, 劉冠男

(1. 雅礱江流域水電開發(fā)有限公司, 四川 成都 610051; 2. 中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司, 貴州 貴陽 550081;3. 成都理工大學地球物理學院, 四川 成都 610059;4. 數(shù)學地質(zhì)四川省重點實驗室(成都理工大學), 四川 成都 610059)

0 引言

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)正式測定結(jié)果,北京時間2020年2月3日凌晨0時5分41秒,四川省成都市青白江區(qū)發(fā)生了MS5.1地震,震中烈度達到Ⅵ度。本次MS5.1地震為近100多年來震中最靠近成都市主城區(qū)的一次。該事件震中位置距成都市中心大約38 km,震中附近還包括了人口稠密的金堂縣(距離14 km)、青白江區(qū)(距離30 km)和廣漢市(距離31 km),這些區(qū)域有強烈震感。

龍泉山斷裂帶位于殘留四川前陸盆地、龍門山斷裂帶東側(cè)。印度和歐亞兩大板塊的持續(xù)碰撞與匯聚,迫使巴顏喀拉地塊向東移動并遇到上揚子板塊的阻擋,因此產(chǎn)生的強烈逆沖作用造就了青藏高原地區(qū)海拔梯度最大的區(qū)域—龍門山斷裂帶(圖1)。龍泉山斷裂帶是龍門山造山帶的伴生物[3-4]。但與龍門山斷裂帶的情況相反,龍泉山斷裂帶總體走向為20°至30°N,長約200 km,斷層深度主要發(fā)育于上地殼[5-7],以孕育中小地震為主。從歷史地震記錄來看,5.0級及以上地震事件在該區(qū)域非常罕見。曾有一些學者利用不同的資料和方法評價了龍泉山斷裂帶上強震觸發(fā)的危險性以及可能發(fā)生的最大級別地震事件。黃祖智和唐榮昌[8]利用不同的活動斷層長度-最大可能震級公式,并考慮到歷史事件的震級,計算出未來地震事件的最大可能震級為5.5±0.5級。唐榮昌等[9]通過分析斷層活動強度和已發(fā)生地震的震級判斷認為,蒲江—新津—成都—德陽斷裂與龍泉山西坡斷裂上的潛在地震震級為5.5 級左右。徐水森等[10]繪制了龍泉山斷裂帶的蠕變曲線,結(jié)果顯示龍泉山斷裂帶的能量積累過程緩慢且能量釋放水平較低,并據(jù)此推斷該斷裂帶孕震周期較長,未來地震事件的震級較低。王偉濤等[5]認為龍泉山斷裂帶上絕大部分的滑動量都被褶皺運動吸收,因此不具備孕育強震的條件。然而,黃偉等[11]提出的另一種觀點,認為這種褶皺結(jié)構(gòu)能否孕育強震需要根據(jù)更多的地學資料來判斷。此外,黃偉等[11]研究認為,依據(jù)目前中國大陸地震地表破裂和震級的關系而言,該斷裂曾發(fā)生的強震震級應大于6.5級,強震危險性的判斷不能過分依賴于歷史地震事件的情況。

黑色細實線,活動斷層;淺藍色虛線,主要構(gòu)造邊界[1];灰色震源球,龍門山斷裂帶及周邊地區(qū)歷史強震的震源機制[2]。紅色細實線,龍泉山斷裂帶;白色尖頭,構(gòu)造地塊的運動方向;藍色五角星,本次MS5.1級地震定位后的震中;紅色震源球,本次MS5.1級地震震源機制解(USGS);不同顏色的圓形符號,龍泉山斷裂帶上的歷史地震事件;SCB,四川盆地;SGB,松潘—甘孜(巴顏喀拉)地塊;CDB,川滇菱形塊體圖1 龍泉山斷裂帶及周邊區(qū)域構(gòu)造及地震活動Fig.1 A schematic map of topography,tectonic settings and seismicity in LQSF and its adjacent areas

劉雅麗[12]通過物理實驗模擬了龍泉山斷裂帶的發(fā)育演化過程,并指出潛在發(fā)震能力為5.5級,最大不超過6.5級。盡管在龍泉山斷裂帶上潛在的地震震級和強震危險性的判斷仍不明了,但是,按照前人學者的研究推測,在龍泉山斷裂帶存在發(fā)生5.5～6.5級地震的可能性。假如一個6.0級或者6.5級地震的發(fā)生在較淺的深度(≤10 km),它對人口密度如此之大的區(qū)域所造成的破壞也可能是巨大的。

本研究結(jié)合龍泉山斷裂帶的地震活動性、龍泉地震及震源區(qū)域的高分辨率三維速度(vP、vS)和泊松比(σ)參數(shù)模型[13-16]、固體潮應力,對本次MS5.1地震的震源發(fā)震深度、孕震構(gòu)造、固體潮應力變化對地震觸發(fā)的影響以及地震成因開展了綜合分析,旨在進一步了解本次地震事件的成因及龍泉山斷裂帶的深部結(jié)構(gòu)與地震活動性、認識龍泉山斷裂帶孕震機制,為震源區(qū)及周邊防震減災工作提供參考依據(jù)。

1 龍泉山斷裂帶的地震活動性

為了解龍泉山斷裂帶的地震活動性,我們收集了1900年至今(截止到北京時間2020年2月22日)地震事件數(shù)據(jù)(圖1)。其中,1900—2008年的數(shù)據(jù)來自國際地震中心的地震事件報告(ISC Bulletin),2009年至今的數(shù)據(jù)來自中國地震臺網(wǎng)正式目錄。資料顯示,自1967年以來龍泉山斷裂帶共發(fā)生地震266次(圖1),地震事件震級普遍偏小。如表1所列,震級≥3.0級的事件22次,占事件總數(shù)的8.3%;震級≥4.0級的事件10次,占事件總數(shù)的3.8%;震級≥5.0級的事件僅有3次,占事件總數(shù)的1.2%。相反地,震級<2.0的事件數(shù)量達到211次,占事件總數(shù)的比例約80%。該分析表明龍泉山斷裂帶在過去50多年里主要以中小地震(震級<5.5)為主,這與前人的推斷和解釋一致[5,8,10]。

表1 龍泉山斷裂帶地震(M≥3.0)事件目錄.

此外,表1和圖2顯示在22次震級≥3.0級的地震事件中,有6次發(fā)生在2008年5月12日MW7.9汶川地震之后的24小時內(nèi),且事件震級普遍偏大。其中,有1次震級超過5.0級的地震事件僅發(fā)生在汶川地震之后的十余秒。此后在2008年6月和9月,又各有1次3.0級以上的地震事件發(fā)生。初步分析,該現(xiàn)象表明汶川地震引起的持續(xù)破裂和強烈沖擊很可能對龍泉山斷裂帶的地震活動性產(chǎn)生了顯著的同震效應。張國宏等[17]通過研究發(fā)現(xiàn),汶川地震發(fā)生后龍泉山斷裂帶上的庫倫應力增加了0.1 bar。而錢琦和韓竹君[18]則認為汶川地震發(fā)生后龍泉山斷裂帶上的庫倫應力變化自北向南逐漸減弱,其中北段的庫倫應力變化達到0.46～0.58 bar,中段的庫倫應力變化為0.12～0.17 bar。而本次地震剛好發(fā)生在龍泉山斷裂帶的北段(圖1),這暗示了本次事件可能與汶川地震引起的四川前陸盆地地殼應力的重新分配有關。特別值得注意的是,錢琦和韓竹君[18]利用前人的方法[19-20]計算了汶川地震前以及震后十年內(nèi),在本次MS5.1地震震中周邊區(qū)域內(nèi)發(fā)生5.0

圖2 龍泉山斷裂帶地震事件頻次及震級分布圖Fig.2 Frequency and magnitude distribution of earthquakes along the Longquanshan fault zone

2 震源重定位

地震發(fā)生后,中國地震臺網(wǎng)在第一時間給出了本次MS5.1地震事件的震源參數(shù)。結(jié)果顯示本次地震發(fā)生于2020年2月3日00:05:41 (UTC+8),震中位于(30.74°N,104.46°E),震源深度為21 km。另一方面,美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)也針對本次地震事件給出了事件報告:發(fā)震時刻為2020年2月3日00:05:42 (UTC+8),震源位置為(30.774°N,104.539°E),震源深度為10 km。震源機制解顯示,本次地震事件是一次伴隨著左旋走滑的逆沖滑動(圖1)。值得注意的是,USGS給出的震源深度與中國地震臺網(wǎng)給出的震源深度相差11 km。當震源深度相差如此之大時,所對應的孕震構(gòu)造極有可能完全不同。為了準確地判斷本次地震的孕震構(gòu)造,我們利用基于經(jīng)典Geiger方法的HYPOINVERSE2000單事件定位程序[22]以及川滇三維速度模型[23]對龍泉地震進行了重定位。為保證定位結(jié)果的準確性,我們僅采用了震中距小于3°、震相清楚、方位覆蓋較好的30個地震臺站[圖3(a)]記錄的50條Pg、Sg震相到時資料進行了重定位,其中,參與定位的震相殘差介于-2.5～2.5 s之間[圖3(b)]。定位結(jié)果顯示,本次地震的發(fā)震時間為2020年2月3日00:05:40.906 (UTC+8),震中位置為(30.732°N,104.529°E),震源深度為15.12 km。其中,平均定位殘差為0.886 s,水平定位誤差為1.334 km,垂直定位誤差為2.868 km。

其中,三角形符號代表臺站,上方標注了臺網(wǎng)和臺站的名稱;五角星符號代表定位后的震中圖3 震源位置重定位所涉及的臺站與射線分布以及殘差分布Fig.3 Stations and raypaths and the distribution of residuals that involved in hypocenter relocation

3 孕震構(gòu)造及地震成因

WANG等在2008年汶川地震發(fā)生后通過收集龍門山斷裂帶及四川盆地的大量的固定和臨時臺網(wǎng)資料反演了龍門山及周邊地區(qū)的vP、vS三維精細速度結(jié)構(gòu)模型,并計算了震源區(qū)泊松比(σ)結(jié)構(gòu)模型[13-16]。在本研究中,我們采用上述速度模型對本次地震的孕震構(gòu)造進行分析。如圖4所示,我們展示了8 km、15 km以及20 km三個深度上的水平切片。三維圖像顯示,2020年龍泉地震的震源位于高-低σ變化的邊界附近,且周圍分布著大范圍的低速異常。在彈性參數(shù)相差很大的兩種地質(zhì)體相互碰撞、擠壓的過程中,接觸面上會產(chǎn)生額外的位移,導致高-低σ變化邊界很可能成為一種地震易發(fā)的構(gòu)造[24]。此外,流體對地震觸發(fā)也具有非常顯著的影響,主要體現(xiàn)在兩個方面:(1)增加孔隙中的流體壓力并降低巖石的力學強度,導致巖石更容易發(fā)生破裂;(2)大幅度削減斷層面上的靜摩擦力,導致斷層面更容易發(fā)生滑動。我們注意到,在龍泉山斷裂帶上,絕大多數(shù)歷史中小地震事件位于低速異常區(qū)域以及高σ或高-低σ轉(zhuǎn)換帶區(qū)域內(nèi)。這不僅暗示著高-低轉(zhuǎn)換帶是一種具有較高地震危險性的構(gòu)造,同時也說明了流體對地震的觸發(fā)具有不可忽視的貢獻。特別需要說明的是,四川盆地淺層(≤10 km)的低速、高σ異常通常被解釋為較厚的古生代與中生代沉積層。理論上,這種構(gòu)造不利于應變能量的積累,因而不易發(fā)生地震,尤其是中強震。然而,在2008年5月12日,曾有一次5.3級地震事件發(fā)生在龍泉山北段的低速、高σ異常分布的區(qū)域。這一事實說明,即便在地震危險性較低的區(qū)域仍有可能觸發(fā)較強的地震。如前文所述,考慮到該地震事件發(fā)生在汶川地震之后,我們認為汶川地震的同震效應可能是在龍泉山斷裂帶這種特殊孕震構(gòu)造環(huán)境中觸發(fā)中強地震的重要因素之一。

灰色實線,龍門山斷裂帶;藍色五角星,本次MS5.1地震的震中;白色五角星,龍泉山斷裂帶歷史上M≥5.0地震的震源位置;圓形符號,龍泉山斷裂帶歷史上M<5.0地震的震源位置圖4 不同深度的縱、橫波速度和泊松比圖像的水平切片,引自該區(qū)域前期速度結(jié)構(gòu)研究[13-16]Fig.4 Horizontal slice of P-wave, S-wave velocity and Poisson's ratio image at different depths (from previous studies of velocity structure in this area)[13-16]

圖5展示了穿過本次地震事件震中的兩個剖面。剖面SN是沿著龍泉山斷裂帶的折線,剖面WE是穿過本次MS5.1地震震中的一條東西向剖面。剖面上的速度和σ異常分布顯示,在本次MS5.1地震以及2008年的M5.3地震震源下方,都有來自四川前陸盆地(龍門山斷裂帶東側(cè))深部的低速、高泊松比異常體向上延伸至震源區(qū)。該速度和泊松比異常特征與穿過龍門山斷裂帶的大地電磁探測結(jié)果具有較好的一致性[25-26]。這些深部低速度異常主要集中在震源的西北邊靠近龍門山斷裂帶區(qū)域,這種異?？梢越忉尀樯畈苛黧w的上涌。雖然四川盆地的淺層覆蓋著較厚的沉積層不利于淺源地震(上地殼)的觸發(fā),但流體的存在提高了地殼中地震的發(fā)震幾率。由此可見,發(fā)生在龍泉山北段的本次MS5.1和2008年M5.3地震并不是偶然現(xiàn)象,深部流體作用、強震同震效應以及特定孕震構(gòu)造在該斷裂帶的地震誘發(fā)及成因中發(fā)揮了重要作用。

藍色五角星,本次5.1級地震的震中;白色五角星,龍泉山斷裂帶歷史上M≥5.0地震的震源位置;圓形符號,龍泉山斷裂帶歷史上M<5.0地震的震源位置。黑色虛線,速度間斷面,引自Crust 1.0模型[27];紅色箭頭表示龍泉山斷裂帶位置,綠色的虛線為龍泉山斷裂帶圓形符號,龍泉山斷裂帶歷史上M<5.0地震的震源位置圖5 縱、橫波速度和泊松比圖像垂直剖面,剖面位置在右下角子圖中給出(黑色實線)Fig.5 Vertical section of P-wave, S-wave velocity and Poisson's ratio image (black solid lines)

4 潮汐應力對地震觸發(fā)的影響

關于地球固體潮與地震的發(fā)生之間是否存在相關性的問題一直存在著爭議。根據(jù)Scholz[28]的觀點,地震是在斷層面上的應力超過某個臨界值的瞬間觸發(fā)的。在此前提下,如果處于臨界狀態(tài)的斷層面上增加額外應力變化,那么就可能觸發(fā)地震。但是有學者認為,固體潮所能夠產(chǎn)生的最大應力僅為103Pa的量級,而觸發(fā)地震的應力降需要達到105～107Pa的量級[29],因此無法成為觸發(fā)地震的因素[30]。然而,有學者通過研究發(fā)現(xiàn)雖然固體潮所產(chǎn)生的應力強度無法與觸發(fā)地震所需的應力降相比,但是它的變化頻率(～104Pa/6 h)卻遠遠大于構(gòu)造應力的變化頻率,這種高頻的周期性應力變化對臨界斷層的影響較為明顯,完全能夠成為觸發(fā)地震的因素[31-32]。地震觸發(fā)與固體潮相關的觀點在特定情況下已被證實,如特定的研究區(qū)域[34-36]、特定的震源機制類型[37-38],或者特定的震級范圍[34,36,39]。對于這一現(xiàn)象,我們認為固體潮與地震觸發(fā)的相關性應該與具體的孕震條件、構(gòu)造以及環(huán)境密切相關,而不能一概而論。Tanaka et al[40]指出,固體潮與地震觸發(fā)的相關性應該與特定的區(qū)域構(gòu)造一同討論。劉冠男等[41]前期研究也得出了相似的結(jié)論。

Schuster測試[42]是用來檢驗固體潮與地震觸發(fā)相關性的最常用方法之一,但該方法僅適用于地震簇群。在本研究中,我們根據(jù)駱鳴津等[43]的描述以及Coulomb 3軟件[44]的應力計算方法建立了固體潮理論模型,并分析了本次MS5.1龍泉山地震發(fā)生前后48小時內(nèi)的固體潮應力變化(圖6)。其中,我們援引了USGS公布的震源機制解?？紤]到震源區(qū)域的周邊構(gòu)造并參考現(xiàn)有的斷層數(shù)據(jù),我們選擇節(jié)面Ⅰ作為斷層面。結(jié)果顯示,在地震發(fā)生時刻,固體潮產(chǎn)生的庫倫應力(CFS)為正,接近并趨向于局部極大值,說明本次地震的觸發(fā)與固體潮之間可能具有較高的相關性。固體潮所產(chǎn)生的正應力變化在地震發(fā)生前經(jīng)歷了一次高峰,并且在地震發(fā)生時刻趨近于平衡位置。相比之下,剪切應力在地震發(fā)生前3至4小時開始上升,在地震發(fā)生時刻表現(xiàn)出正值并趨近于局部最大值。這一現(xiàn)象說明,本次地震事件的發(fā)生可能與固體潮所產(chǎn)生的剪切應力變化密切相關,與正應力的變化幾乎無關。根據(jù)Scholz[28]的觀點,以及固體潮應力變化的速率遠遠大于構(gòu)造應力的事實,在大多數(shù)情況下地震的觸發(fā)應當與固體潮密切相關。然而,如前文所述,這種相關的結(jié)論僅在特定情況下成立。我們認為,固體潮與地震觸發(fā)的相關度在某種程度上可能與地震事件的易發(fā)程度有一定的關系。所以,這種相關性很可能暗示,本次MS5.1級地震的震中區(qū)域(也就是龍泉山斷裂帶北段)的地震危險性在發(fā)震前已經(jīng)達到了較高水平。

圖6 龍泉山MS5.1地震發(fā)生前后48 h內(nèi)的理論固體潮應力變化曲線Fig.6 Theoretical curves of tidal stress changes within 48 hours before and after the Longquanshan MS5.1 Longquanshan earthquake

5 結(jié)論

本研究針對2020年2月3日凌晨0時5分41秒發(fā)生在龍泉山斷裂帶北段的MS5.1地震事件進行地震重定位,同時結(jié)合震源區(qū)地震活動性、三維速度和泊松比結(jié)構(gòu)及潮汐應力的變化分析本次MS5.1地震的孕震構(gòu)造和地震成因。結(jié)果表明,本次MS5.1地震是龍泉山斷裂帶歷史上非常罕見的5.0級以上地震事件,地震的震源位于高-低σ異常體的過渡帶附近,這種構(gòu)造是地震易發(fā)的構(gòu)造。此外,在震源區(qū)下方存在著大量的低速異常體,本研究認為該低速異常體是四川前陸盆地(龍門山斷裂帶東側(cè))深部涌入地殼的流體,與前人大地電磁探測研究的結(jié)果有較好的一致性,上涌流體作用是龍泉山斷裂帶深部孕震的主要環(huán)境。地震活動性表明,2008年汶川地震對龍泉山斷裂帶上地震可能具有同震效應;同時,固體潮理論模型顯示,本次MS5.1地震事件與固體潮在斷層面上產(chǎn)生的剪切應力變化密切相關,表明本次地震發(fā)生前龍泉山斷裂帶北段的地震危險性已經(jīng)達到了較高水平,因此認為龍泉山MS5.1地震是深部流體侵入作用、強震同震效應以及特定孕震構(gòu)造環(huán)境的綜合作用的結(jié)果。這一點間接證明,褶皺構(gòu)造是否能夠孕育強震需要根據(jù)具體的情況來判斷[11]。雖然四川盆地淺層分布著大范圍較厚的古生代和中生代沉積物,并且龍泉山斷裂帶上絕大部分的滑動量都被褶皺運動吸收[5],但是深部流體的侵入作用、強震的同震效應以及特定的孕震構(gòu)造綜合作用仍可能為強震的觸發(fā)創(chuàng)造條件。

致謝:本研究受數(shù)學地質(zhì)四川省重點實驗室開放基金資助課題(scsxdz2020yb03),以及雅礱江流域水庫地震監(jiān)測專項(YLDC-DBA-2020003)聯(lián)合資助。地震目錄等數(shù)據(jù)源于國際地震中心(ISC)和國家地震科學數(shù)據(jù)中心(http://data3.earthquake.cn/data/index.jsp)。文中的圖件是利用GMT(Generic Mapping Tools)軟件繪制。