龍門山斷裂帶的貝尼奧夫應(yīng)變分析

李 英,高永國(guó),王維歡,許康生

(甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

滑動(dòng)速率是對(duì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述,龍門山地區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及滑動(dòng)速率一直是地學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。Densemore等[1]認(rèn)為龍門山斷裂帶在全新世的滑動(dòng)率在0.5 mm/a之下?；贕PS的觀測(cè)結(jié)果,一些學(xué)者也給出了略有差異的結(jié)果,King等[2]在1997年指出龍門山斷裂帶的縮短速率在0～5 mm/a;2000年Holt等[3]認(rèn)為是在1～5 mm/a,2004年張培震等[4]認(rèn)為是在(4.0±2.0) mm/a。上述研究都是在較大時(shí)間尺度和空間尺度上的平均結(jié)果,已經(jīng)發(fā)表的小尺度的研究結(jié)果不多。繼2008年汶川大地震之后,這一區(qū)域附近又發(fā)生了幾次大的地震,例如2013年的蘆山MS7.0地震,2017年的九寨溝MS7.0地震。關(guān)于這些地震的發(fā)震構(gòu)造、震源機(jī)制及與龍門山斷裂帶的關(guān)系已有一些研究結(jié)果[5-7]。那么在較小的時(shí)間尺度上,龍門山地區(qū)不同區(qū)段的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有什么特征或差異,和鄰區(qū)發(fā)生的強(qiáng)震存在怎樣的關(guān)系?關(guān)于巖石受壓的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)室研究表明,基于聲發(fā)射密度計(jì)算的加卸載響應(yīng)比曲線和基于貝尼奧夫應(yīng)變計(jì)算的加卸載響應(yīng)比曲線相當(dāng)一致[8],意味著貝尼奧夫應(yīng)變描述了介質(zhì)受壓漸進(jìn)破壞的力學(xué)過程。本文基于最近10年該區(qū)域地震觀測(cè)的結(jié)果,估算不同區(qū)段的貝尼奧夫應(yīng)變,并試圖初步探討與本區(qū)域大地震孕育和發(fā)生的關(guān)系。

1 資料和資料處理

本文所用資料來自中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)的統(tǒng)一編目結(jié)果,研究對(duì)象為龍門山斷裂帶。龍門山斷裂帶位于巴顏喀拉塊體和華南塊體的交匯區(qū)域。自西向東排列有汶川—茂縣斷裂、映秀—北川斷裂和灌縣—安縣斷裂,沿?cái)嗔炎呦蛞话惴譃槟?、中、?段(瀘定—灌縣,灌縣—北川、北川—廣元)[5,9-10]。據(jù)此我們從北到南大致劃分三個(gè)區(qū)域進(jìn)行研究,如圖1所示,區(qū)域a:103°～106°E,32°～34°N;區(qū)域b:101.5°～104.5°E,30°～32°N;區(qū)域c:101°～104.0°E,28°～30°N。研究時(shí)段為2011—2020年,震級(jí)ML2.5以上,不同區(qū)段地震震級(jí)的時(shí)序在圖2中給出。

圖1 地震分布及分區(qū)(2011—2020年)Fig.1 Earthquake distribution and zonation in the study area(2011-2020)

圖2 龍門山斷裂帶三個(gè)區(qū)域地震震級(jí)時(shí)序圖Fig.2 The magnitude sequence of earthquakes in three sections of Longmenshan fault zone

早在21世紀(jì)中葉,美國(guó)地震學(xué)家Benioff[112]指出,貝尼奧夫應(yīng)變可以用于度量一個(gè)區(qū)域的滑動(dòng)速率。近年來其在地震前矩釋放加速研究方面得到了應(yīng)用[12]。本文采用了Robinson提出的關(guān)系式[13]:

lgM0=1.5ML+9.05

(1)

式中:ML為震級(jí);M0為地震矩(N·m)。地震矩和能量的關(guān)系,采用了1977年Kanamori給出的數(shù)學(xué)式[14]:

(2)

式中:E為地震輻射能,將其開平方就得到了貝尼奧夫應(yīng)變。貝尼奧夫應(yīng)變?cè)跁r(shí)序上的逐項(xiàng)累加就得到了累積貝尼奧夫應(yīng)變。

2 結(jié)果與討論

圖3(a)所示,這是基于龍門山斷裂北段發(fā)生地震估算的累積貝尼奧夫應(yīng)變?？梢娋耪瘻螹S7.0地震產(chǎn)生了明顯的累積貝尼奧夫應(yīng)變的階躍,而對(duì)于蘆山MS7.0地震反映微弱。圖3(b)展示的是龍門山中段的累積貝尼奧夫應(yīng)變,對(duì)于蘆山MS7.0地震產(chǎn)生了明顯階躍,而對(duì)于九寨溝地震沒有明顯反映。圖3(c)給出了龍門山南段的累積貝尼奧夫應(yīng)變,對(duì)于上述兩例地震沒有明顯反映。這就顯示出較為明顯的區(qū)域性特征。我們知道,貝尼奧夫應(yīng)變是對(duì)區(qū)域內(nèi)深部及地殼在力源作用下應(yīng)力積累及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種描述,區(qū)域應(yīng)力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也受到周邊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的作用和影響。

圖3 龍門山斷裂帶三個(gè)區(qū)域的累積貝尼奧夫應(yīng)變Fig.3 Cumulative Benioff strain in three sections of Longmenshan fault zone

為了考察各區(qū)域內(nèi)貝尼奧夫應(yīng)變與附近地震的關(guān)系,我們選擇這幾個(gè)大地震之間相對(duì)“平靜”期的累積貝尼奧夫應(yīng)變擬合直線并計(jì)算其斜率。從表1中可知,較大的斜率意味著地殼運(yùn)動(dòng)能量的釋放相對(duì)“活躍”,反之則意味著能量的釋放相對(duì)“平靜”。我們注意到,在2011—2012年這一時(shí)段內(nèi),區(qū)域a具有較高的斜率,意味著區(qū)域地殼具有較強(qiáng)的活躍性,2015年至2017年7月,該區(qū)域斜率減小超過一半,為10年間的最低斜率。九寨溝MS7.0地震發(fā)生后1年內(nèi),該區(qū)域貝尼奧夫應(yīng)變抬升約2 000×108,地震后應(yīng)變的時(shí)變斜率略有提升。區(qū)域b在2011—2012年這一時(shí)段內(nèi),顯示出10年內(nèi)最低的斜率,蘆山MS7.0地震后一年內(nèi)貝尼奧夫應(yīng)變抬升約5 300×108,貝尼奧夫應(yīng)變的時(shí)變斜率在震后增大約30倍,但對(duì)九寨溝MS7.0無明顯反映,意味著區(qū)域b的構(gòu)造活動(dòng)與蘆山地震關(guān)系密切,而與九寨溝地震關(guān)聯(lián)較弱。區(qū)域c在2011—2012時(shí)段內(nèi)和2018—2020時(shí)段內(nèi)都顯示出較低的斜率。關(guān)于地震孕育和發(fā)生較為公認(rèn)的解釋是,孕震過程是在應(yīng)力作用下能量不斷積累的過程,地震的發(fā)生是一種臨界現(xiàn)象[15],本文得到的貝尼奧夫應(yīng)變對(duì)大地震的階躍抬升也支持了這一觀點(diǎn)。對(duì)于在鄰區(qū)地震時(shí)產(chǎn)生明顯階躍的區(qū)域a和區(qū)域b,我們可以看到一個(gè)共同的特征就是在臨近地震之前一段時(shí)間,具有在研究時(shí)段內(nèi)最小的應(yīng)變時(shí)變斜率。對(duì)于這種現(xiàn)象,一些學(xué)者的研究認(rèn)為,是由于大地震之前震源及其附近滑移導(dǎo)致的應(yīng)力松弛過程[16-17]。關(guān)于震前應(yīng)變釋放的研究表明,在孕震區(qū)較大范圍內(nèi)顯示加速,在較小的范圍內(nèi)存在應(yīng)變釋放減小的現(xiàn)象[18-19]。由于本文研究范圍較小,顯示存在震前應(yīng)變時(shí)變斜率減小的現(xiàn)象,這與上述其他學(xué)者的研究結(jié)果也是吻合的。基于力學(xué)原理,地震孕育是震源區(qū)介質(zhì)受力后變形、損傷、演化、破壞的過程,整個(gè)過程伴隨著能量的釋放,微震活動(dòng)就是能量釋放的表現(xiàn),也就是說貝尼奧夫應(yīng)變也描述了大地震孕育的過程[20]。貝尼奧夫應(yīng)變時(shí)變斜率的變化表征了能量釋放的不均勻性,基本原因就是介質(zhì)的不均勻性,因?yàn)檎鹪磪^(qū)介質(zhì)的不均勻性使得裂紋在成核、擴(kuò)展、相互作用和連通的過程表現(xiàn)出非線性行為[21]。籍此,我們認(rèn)為,由于孕震能量的大小、構(gòu)造介質(zhì)的差異等因素,不同區(qū)域貝尼奧夫應(yīng)變具有共同的表現(xiàn),也會(huì)顯示出區(qū)域特征。研究不同區(qū)域的貝尼奧夫應(yīng)變特征,有助于對(duì)該區(qū)域地震孕育和發(fā)生的特征和機(jī)理研究。

表1 不同時(shí)段累積貝尼奧夫應(yīng)變的時(shí)變斜率Table 1 Time varying slope of cumulative Benioff strain in several periods

3 結(jié)語

基于最近10年龍門山地區(qū)發(fā)生地震估算的貝尼奧夫應(yīng)變結(jié)果可以看到,龍門山地區(qū)三個(gè)區(qū)段貝尼奧夫應(yīng)變對(duì)鄰區(qū)地震存在區(qū)域性差異,其中龍門山中段與蘆山地震存在最為緊密的關(guān)系,震后一年內(nèi)累積貝尼奧夫應(yīng)變抬升量最大,約為5 300×108,但對(duì)于九寨溝地震幾乎沒有反映;而龍門山北段與九寨溝地震有關(guān)聯(lián),而其關(guān)聯(lián)度不及前者,九寨溝地震和蘆山地震同為MS7.0地震,能量相當(dāng),但龍門山北段在九寨溝地震震后一年累積貝尼奧夫應(yīng)變抬升量約為2 000×108,不及前者一半。由此可以推測(cè),龍門山斷裂帶的活動(dòng)對(duì)蘆山地震的發(fā)生有較大貢獻(xiàn),而對(duì)于九寨溝地震的貢獻(xiàn)不及前者。另外我們還注意到累積貝尼奧夫應(yīng)變的時(shí)變斜率在鄰近地震前均存在降低的現(xiàn)象,這應(yīng)該是震前應(yīng)力松弛過程的表現(xiàn)。當(dāng)然,這只是一個(gè)初步研究,還需要對(duì)更多震例作進(jìn)一步的研究。