2014年于田MS7.3地震產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化及對周邊斷層的影響

宋金 周龍泉

1)中國地震局地球物理研究所，北京市民族大學(xué)南路5號 100081

2)中國地震臺網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號 100045

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2014年2月12日17時19分，新疆于田發(fā)生MS7.3強(qiáng)震，震中位置為36.1°N、82.5°E，震源深度12km。地震震中位于西昆侖塊體與昆侖-柴達(dá)木-祁連塊體之間的阿爾金斷裂西南端NE向張剪切段鄰近區(qū)域(徐錫偉等，2011;Xu et al，2013)，也是阿爾金斷裂、康西瓦斷裂等的交匯部位。該區(qū)域地震活動十分活躍，2008年3月21日在本次地震震中西南方向約100km處就曾發(fā)生過MS7.3地震，周邊地區(qū)2011年和2012年分別發(fā)生了MS5.5、MS6.2地震(圖1)。截至3月12日11時42分，于田7.3地震共記錄到ML1.0以上余震4000多次，其中MS5.0～5.9地震1次，MS4.0～4.9地震12次。目前余震活動依然持續(xù)，有效判定未來強(qiáng)余震發(fā)生位置、圈定震區(qū)周邊未來可能地震活動的范圍對災(zāi)后重建和次生災(zāi)害防御具有重要參考意義。

圖1 于田MS7.3地震及其周邊地區(qū)構(gòu)造環(huán)境

大量研究表明大地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化對后續(xù)地震發(fā)生位置和時間有較大影響(Harris，1998;Stein，1999;Das et al，1981;Deng et al，1999;周龍泉等，2008;華衛(wèi)等，2009;宋金等，2011;單斌等，2012、2013;繆淼等，2013)。King等(1994)計算了蘭德斯地震在最優(yōu)化破裂方向上產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化圖像，發(fā)現(xiàn)其與蘭德斯地震的余震活動空間分布特征吻合較好;Lin等(2004)對圣安德列斯斷裂帶南部逆沖-走滑斷層與逆斷層地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化進(jìn)行了計算，結(jié)果顯示與余震活動空間分布較為一致;劉桂萍等(2000)通過對比唐山7.8級地震后區(qū)域靜應(yīng)力場的變化和震前區(qū)域地震活動的變化，發(fā)現(xiàn)主震周圍3個地震活動增強(qiáng)區(qū)域可能受到唐山地震的觸發(fā)。大地震引起的庫侖破裂應(yīng)力變化除了可以有效解釋余震空間分布特征之外，許多研究也表明庫侖破裂應(yīng)力變化也可用于解釋強(qiáng)震間的相互作用。韓竹軍等(2008)分析了南北地震帶北部5次M≥7級地震之間的相互觸發(fā)影響，發(fā)現(xiàn)下一次地震均發(fā)生在之前地震產(chǎn)生的應(yīng)力觸發(fā)區(qū)。朱航等(2009)的研究表明汶川地震的發(fā)生與松潘1973、1976年兩組地震有密切關(guān)系。張竹琪等(2008)的計算結(jié)果顯示1997年新疆伽師震群中的地震均對后續(xù)地震產(chǎn)生明顯的應(yīng)力觸發(fā)作用，該地區(qū)正斷層活動促進(jìn)了雁形走滑斷層間地震的循環(huán)觸發(fā)。萬永革等(2010)計算了2008年于田MS7.3地震對周邊斷層的應(yīng)力擾動。2014年2月12日于田再次發(fā)生MS7.3地震，針對本次地震是否受到2008年、2011年及2012年周邊3次地震的觸發(fā)作用以及本次地震發(fā)生后對周邊主要斷層會產(chǎn)生怎樣的應(yīng)力擾動影響進(jìn)行分析研究，將有助于提高對于強(qiáng)震活動機(jī)理及未來地震危險性的認(rèn)識。

本文運(yùn)用已發(fā)布的有限斷層模型，通過計算2014年于田7.3級地震附近地區(qū)2008年以來強(qiáng)震產(chǎn)生的同震靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力變化來分析周邊強(qiáng)震對本次地震的觸發(fā)效應(yīng);同時計算本次地震產(chǎn)生的應(yīng)力變化對后續(xù)余震的觸發(fā)作用;并通過計算周圍斷層的加卸載情況，為該區(qū)未來的地震危險性判定提供依據(jù)。

1 靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化

所謂地震“應(yīng)力觸發(fā)”，是指前期發(fā)生的地震在研究區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力變化對研究區(qū)未來地震活動產(chǎn)生的促進(jìn)或抑制作用(Harris，1998)。具體計算方法為將前期地震產(chǎn)生的應(yīng)力變化張量投影到關(guān)注的斷層面和滑動方向上，考慮正應(yīng)力、孔隙壓力和摩擦系數(shù)的影響，得到庫侖破裂應(yīng)力變化ΔCFS。若庫侖破裂應(yīng)力變化為正，之前地震產(chǎn)生的應(yīng)力變化會促使目標(biāo)斷層運(yùn)動，即地震可能被觸發(fā)，地震危險增大;反之，負(fù)的庫侖破裂應(yīng)力變化則會抑制斷層運(yùn)動，發(fā)生地震的可能性降低(Harris，1998;King et al，1994)。

依據(jù)庫侖破裂準(zhǔn)則，當(dāng)斷層面剪切應(yīng)力達(dá)到摩擦強(qiáng)度時，斷層面將發(fā)生剪切破壞。庫侖破裂應(yīng)力變化 ΔCFS定義為(Harris，1998;Stein et al，1992)

式中μ為摩擦系數(shù);Δτs和Δσn分別為斷層面上的剪切應(yīng)力和正應(yīng)力;Δτs沿滑動方向為正;Δσn則定義為張開為正;Δp為孔隙流體壓力變化?？紫秹毫p少摩擦系數(shù)的效應(yīng)可用μ'=μ(1－B)表示。其中，B為 Skempton系數(shù)，數(shù)值范圍為0～1(Rice，1992)。因此，式(1)變?yōu)?/p>

當(dāng)ΔCFS＞0時，則該應(yīng)力變化有利于后續(xù)地震的發(fā)生;否則，不利于其發(fā)生。

2 計算過程與結(jié)果

2.1 2008年MS7.3、2011年MS5.5、2012年MS6.2和2014年MS7.3地震間的觸發(fā)影響

2008年以來于田地區(qū)曾發(fā)生過4次MS5.5以上地震，分別為MS7.3、MS5.5、MS6.2地震以及2014年2月12日MS7.3地震。下面依次計算這些地震的庫侖破裂應(yīng)力擾動值，討論上述地震事件之間的相互作用關(guān)系。

計算過程中，2008年于田MS7.3地震采用Ji Chen①http://www.geol.ucsb.edu/faculty/ji/big_earthquakes/home.html給出的有限斷層模型反演結(jié)果計算庫侖破裂應(yīng)力變化，該模型由14×5個滑移單元組成。2014年MS7.3地震采用張勇等(2014)給出的有限斷層模型反演結(jié)果計算庫侖破裂應(yīng)力變化，該模型由17×9個滑移單元組成。由于缺少有限斷層模型資料，2011年MS5.5、2012年MS6.2地震均采用哈佛大學(xué)矩心矩張量解作為輸入?yún)?shù)。根據(jù)周邊實(shí)際斷層及其余震空間分布情況，認(rèn)為這兩次地震斷層面參數(shù)分別為:走向 245°、傾角 89°、滑動角 －8°和走向 215°、傾角 47°、滑動角 －52°;其破裂長度L和寬度W根據(jù)Wells等(1994)的統(tǒng)計公式得到

利用Coulomb 3.3(Toda et al，2005;Lin et al，2004)計算地震在空間上產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化。物性參數(shù)方面，參照King等(1994)的方法，有效摩擦系數(shù)取0.4。圖2(a)為2008年于田MS7.3地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力在2011年MS5.5地震斷層面上的投影，結(jié)果顯示MS5.5地震位于應(yīng)力加載區(qū)，震中位置庫侖破裂應(yīng)力增加量達(dá)0.004MPa，但小于通常被認(rèn)為能夠有效促進(jìn)后續(xù)大地震發(fā)生的閾值0.01MPa(Harris et al，1998)。圖2(b)為2008年MS7.3、2011年MS5.5地震產(chǎn)生的累積靜態(tài)庫侖應(yīng)力在2012年MS6.2地震斷層面上的投影，結(jié)果顯示MS6.2地震位于應(yīng)力影區(qū)，應(yīng)力卸載0.007MPa;也就是說2008年以來兩次于田地震的發(fā)生對MS6.2地震的發(fā)生起延緩作用。圖2(c)顯示了2008年以來于田地區(qū)3次較強(qiáng)地震在2014年MS7.3地震斷層面上的應(yīng)力擾動累加結(jié)果，從圖2(c)中可以明顯看出，2014年MS7.3地震震中恰好位于3次地震產(chǎn)生的應(yīng)力加載區(qū)內(nèi)，震中區(qū)同震庫侖應(yīng)力增加0.021MPa。因此，2008年以來的3次地震對本次地震存在明顯觸發(fā)作用。

圖2 于田2008年以來發(fā)生地震對后續(xù)地震的應(yīng)力擾動影響

2.2 2014年于田7.3級地震對其余震活動的觸發(fā)影響

根據(jù)于田MS7.3地震反演模型(張勇等，2014)計算了同震靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力場變化，果如圖3所示。物性參數(shù)同前述，接收斷層參數(shù)選取GCMT提供的此次于田地震主震震機(jī)制解節(jié)面Ⅰ(走向242°、傾角82°、滑動角－4°)。余震目錄來源于新疆維吾爾自治區(qū)地局。從圖3中可以看出，本次主震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化結(jié)果顯示主震破裂面附近、兩及其NW、SE兩個方向均為明顯的庫侖破裂應(yīng)力增加區(qū)，目前記錄到的ML≥3.0余震中83%分布在破裂面附近的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)內(nèi)，只有少數(shù)余震發(fā)生在應(yīng)力下降的影區(qū)，說明庫破裂應(yīng)力場變化較好地解釋了余震的發(fā)生。然而主震破裂面上的部分應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)依然沒余震發(fā)生，且余震空間分布存在一定空段，這些地區(qū)未來發(fā)生較強(qiáng)余震的可能性較大，需密切關(guān)注。結(jié)源震端有侖有要

圖3 于田MS7.3地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化(計算深度10km)與余震(ML≥3.0)活動空間分布

2.3 2014年于田7.3級地震對周邊斷層的影響

前人的一些研究表明靜態(tài)庫侖應(yīng)力能夠在一定程度上解釋強(qiáng)震間的觸發(fā)作用(Toda et al，2008;Nalbantet al，2010)，而且前述2.1也顯示2011年MS5.5地震和本次MS7.3地震均發(fā)生在之前地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力加載區(qū)內(nèi)。由于此次地震的發(fā)生同樣會對周圍斷層產(chǎn)生應(yīng)力擾動影響，因此本文計算了震中附近區(qū)域幾條主要斷層(鄧起東等，2002;沈正康等，2003;萬永革等，2010;王凡等，2011)的庫侖破裂應(yīng)力變化，具體參數(shù)如表1所示，物性參數(shù)同前述。

圖4(a)給出了2014年于田MS7.3地震主震在周邊地區(qū)主要活動斷層上產(chǎn)生的應(yīng)力擾動。由圖4(a)可以看到，距離本次地震震中最近的貢嘎錯斷裂中段上不同斷層段的庫侖破裂應(yīng)力擾動值變化很大，有的斷層庫侖破裂應(yīng)力變化值高達(dá)0.140MPa;有的則明顯受到應(yīng)力卸載作用的影響，庫侖應(yīng)力變化值為－0.336MPa。該計算結(jié)果一定程度上可能會受震源有限斷層模型的影響，但值得關(guān)注的是該斷裂段受到較強(qiáng)應(yīng)力擾動的影響，可能存在較大的地震危險性?？滴魍邤嗔褨|段少部分?jǐn)鄬佣我彩艿捷^強(qiáng)應(yīng)力加載作用，加載應(yīng)力變化達(dá)0.04MPa。本次7.3級地震主震對距離較近的貢嘎錯斷裂西南段、普魯斷裂中段及康西瓦斷裂中段產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力增加也十分明顯，它們的應(yīng)力增加范圍分別為0.0030～0.0200、0.0004～0.0060、0.0003～0.0050MPa。龍木錯-邦達(dá)錯斷裂東段部分?jǐn)鄬佣魏拓暩洛e斷裂東北段部分?jǐn)鄬佣我彩艿揭欢ǖ膽?yīng)力擾動影響，庫侖應(yīng)力分別上升了0.005、0.001MPa。而康西瓦斷裂東段大部分?jǐn)鄬佣魏推蒸敂嗔褨|段主要呈卸載趨勢，庫侖破裂應(yīng)力變化為－0.0001～－0.1000MPa和－0.001～－0.009MPa。可以看出，2014年于田7.3級地震主震僅對周圍距離其約100km范圍內(nèi)的斷層產(chǎn)生明顯的加卸載作用，距離較遠(yuǎn)的東北方向的阿爾金斷裂帶、西邊的普魯斷裂西段庫侖破裂應(yīng)力波動較小，擾動值最大分別為0.0004、0.0001MPa。

表1 研究區(qū)內(nèi)主要活動斷裂的庫侖應(yīng)力變化

考慮到2008年以來研究區(qū)域已發(fā)生4次MS5.5以上地震且萬永革等(2010)僅給出了2008年于田MS7.3地震對周邊斷層的應(yīng)力擾動結(jié)果，因此本文計算了這4次地震對周邊斷層的應(yīng)力擾動累積結(jié)果(圖4(b))。圖4(b)顯示，貢嘎錯斷裂中段應(yīng)力擾動值仍然最為明顯，需要密切關(guān)注其周邊的地震活動。此外，貢嘎錯斷裂東北段、阿爾金斷裂及普魯斷裂西段上庫侖應(yīng)力增加更為明顯，其應(yīng)力擾動最大值分別達(dá)到0.002、0.001、0.004MPa，這些斷層的地震危險性進(jìn)一步增加。位于研究區(qū)域南段的龍木錯-邦達(dá)錯斷裂帶西段受到應(yīng)力加載的影響，應(yīng)力擾動最大值達(dá)0.008MPa。而之前處于2014年于田MS7.3地震加載作用下的貢嘎錯斷裂西南段、康西瓦斷裂中段和龍木錯-邦達(dá)錯斷裂帶東段在2008年以來4次地震的庫侖破裂應(yīng)力累積影響下明顯處于卸載階段，這主要源于2008年7.3級地震對它們產(chǎn)生的較強(qiáng)卸載影響。

3 討論與結(jié)論

基于靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力觸發(fā)原理，本文計算了2008年以來于田4次MS5.5以上地震產(chǎn)生的同震應(yīng)力場變化，分析它們相互間的應(yīng)力觸發(fā)影響、其應(yīng)力場變化對余震分布及周邊主要斷層的影響，得到以下結(jié)論:

圖4 研究區(qū)內(nèi)主要活動斷層庫侖破裂應(yīng)力變化

(1)2011年MS5.5、2014年MS7.3地震均處于之前地震產(chǎn)生的應(yīng)力加載區(qū)，尤其是2014年MS7.3地震震中區(qū)的庫侖應(yīng)力增量達(dá)0.021MPa，說明2008年以來3次地震對2014年于田MS7.3地震存在明顯觸發(fā)作用。2012年MS6.2地震位于之前地震產(chǎn)生的應(yīng)力影區(qū)內(nèi)，本文中參與計算的地震活動對其發(fā)生有延緩作用。需要說明的是，大地震的真實(shí)破裂過程十分復(fù)雜，有限斷層面反演結(jié)果僅是對真實(shí)情況的一種簡化，基于其計算得到的近場庫侖破裂應(yīng)力變化結(jié)果可能會受到一定影響，所以2012年MS6.2地震是否受到之前地震的觸發(fā)作用，還需進(jìn)一步深入研究。

(2)2014年于田MS7.3地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力圖像能夠較好地解釋目前余震的分布。然而主震破裂面上的部分應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)依然沒有余震發(fā)生，且余震空間分布存在一定空段，這些地區(qū)未來發(fā)生較強(qiáng)余震的可能性較大，需要密切關(guān)注。

(3)距離本次地震震中最近的貢嘎錯斷裂中段上不同斷層段落的庫侖破裂應(yīng)力擾動值變化很大，雖然計算結(jié)果在一定程度上可能會受所采用的震源有限斷層模型的影響，但值得關(guān)注的是該斷裂段受到很強(qiáng)的應(yīng)力擾動影響，該斷裂帶依然存在較大的地震危險性。此外，貢嘎錯斷裂東北段、普魯斷裂中西段及龍木錯-邦達(dá)錯斷裂帶西段受2008年以來地震的影響，累積庫侖應(yīng)力增加也較為明顯，其應(yīng)力擾動最大值均大于0.002MPa，同樣存在一定的地震危險性，需要密切關(guān)注其周邊的地震活動。

(4)本文中對地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化的近似估算采用了比較簡單的彈性半空間模型，實(shí)際上地球介質(zhì)的三維不均勻結(jié)構(gòu)會對計算結(jié)果產(chǎn)生一定影響;同時，關(guān)于地球粘彈性松弛效應(yīng)對應(yīng)力擾動產(chǎn)生的影響，萬永革等(2010)認(rèn)為對描述發(fā)震時間間隔較短的地震相互間的觸發(fā)影響，這種效應(yīng)可以忽略不計;而Freed等(2001)和Zeng(2001)的研究則顯示采用粘彈模型計算得到的蘭德斯地震7年粘滯松弛效應(yīng)導(dǎo)致赫克托礦(Hector Mine)地震震源區(qū)的震后庫侖破裂應(yīng)力增加了0.1～0.2MPa;Nalbante等(2010)的結(jié)果表明汶川地震由于粘彈性松弛效應(yīng)作用對蘆山地震的震源附近產(chǎn)生持續(xù)加載，但這種加載變化極為緩慢，5年內(nèi)的變化值為0.003MPa。本文中2008年MS7.3級地震與本次7.3級地震間隔近6年時間，類比分析認(rèn)為粘彈效應(yīng)可能會對文中結(jié)果產(chǎn)生一定影響，但對距離較近的幾個斷裂帶應(yīng)力擾動的結(jié)果影響不大。此外，大量余震活動也會對區(qū)域應(yīng)力變化產(chǎn)生影響(萬永革等，2005)，2008年于田7.3級地震的余震活動會產(chǎn)生多大的應(yīng)力擾動，可能需要在未來的研究中結(jié)合大量余震數(shù)據(jù)進(jìn)行更為準(zhǔn)確而詳細(xì)的計算。

致謝：劉桂萍研究員、劉杰研究員、蔣海昆研究員和張永仙研究員對本文進(jìn)行了詳細(xì)的指導(dǎo)，作者謹(jǐn)表謝意。