龍門山斷裂帶南段應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)震危險性研究

易桂喜，聞學(xué)澤，辛 華，喬慧珍，王思維，宮 悅

1 四川省地震局，成都 610041

2 成都理工大學(xué)地球探測與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，成都 610059

3 中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

1 引 言

2008年5月12日汶川M8．0級大地震發(fā)生在青藏高原東緣龍門山斷裂帶中－北段，破裂沿中－北段呈北東向單側(cè)擴(kuò)展［1－3］，龍門山斷裂帶南段未參與汶川地震的破裂與余震活動［4］（見圖1）．南段無6．5級以上歷史地震記錄，近代僅發(fā)生了1941 年6 月12日寶興與康定間M6．0、1970年2 月24 日大邑M6．2 兩次6 級以上地震，屬于長期缺少大震級（M≥7．0）地震 事 件 的 破 裂 空 區(qū)［4－5］．1970 年 大 邑M6．2級地震后，南段未發(fā)生5級以上地震．汶川地震導(dǎo)致周邊斷層的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生不同程度的變化，龍門山斷裂帶南段庫侖破裂應(yīng)力增強(qiáng)［6－13］，有利于強(qiáng)震的發(fā)生．然而，汶川地震至今，南段及近鄰發(fā)生的最大震級地震為2012年10月19日天全—蘆山間M4．2（或ML4．6），震中位于龍門山斷裂帶南段前陸地帶，南段處于較低水平的地震活動狀態(tài)．屬于長期的大地震空區(qū)、近年來地震活動水平偏低的龍門山斷裂帶南段目前的應(yīng)力狀態(tài)及其強(qiáng)震危險性成為重點(diǎn)關(guān)注的問題之一．

圖1 龍門山及鄰區(qū)活動構(gòu)造圖［4］黑色粗虛線以南為龍門山斷裂帶南段．彩色圓為汶川5級以上余震震中．

強(qiáng)震通常發(fā)生于活動斷裂帶上具有高應(yīng)力積累的凹凸體［14］或 閉 鎖 斷 裂 段［15－16］．實 驗 室 巖 石 破 裂實驗［17］、與流體抽取有關(guān)的地震活動研究［18］以及礦山巖石破裂觀測［19］等均表明，應(yīng)力與古登堡－里克特震級（M）－頻度（N）關(guān)系式［20］

中的b值呈反比，b值越低，應(yīng)力水平越高．式中a、b為回歸常數(shù)．b值作為估計斷裂帶相對應(yīng)力水平的主要地震活動性參數(shù)之一，已廣泛用于中－長期地震危 險 性 評 價［15－16，21－30］．近年 來，地震 視 應(yīng) 力 也 逐漸用于斷裂帶應(yīng)力狀態(tài)分析與地震趨勢判定［31－36］．本文利用b值與地震視應(yīng)力值，評價龍門山斷裂帶南段當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)震危險性．

2 資料和方法

2．1 b值

利用四川區(qū)域地震臺網(wǎng)1977年1月至2012年12月的地震目錄資料計算b值．龍門山斷裂帶南段位于該臺網(wǎng)監(jiān)測能力相對較高的區(qū)域［37］．ML≥2．0級地震的震級－頻度線性擬合（圖2）相關(guān)系數(shù)R＝0．999，直線斜率b＝1．02±0．007，與全球范圍的區(qū)域平均b值一致．因此，在計算b值時，取最小完整性震級MC為2．0．圖3給出了1977—2012年龍門山斷裂帶南段ML≥2．0級地震事件的震中分布，圖中用黑色和綠色區(qū)別汶川地震前、后的地震事件．

圖2 龍門山斷裂帶南段震級－頻度分布圖（1977－01－01—2012－12－31）

沿斷裂帶b值計算方法：沿龍門山斷裂帶南段，以0．1°×0．1°間距進(jìn)行網(wǎng)格化，挑選出以每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為圓心、半經(jīng)為r的圓形統(tǒng)計單元內(nèi)的地震．確定統(tǒng)計單元內(nèi)能滿足整個研究時段的最小完整性震級MC；然后，利用最小二乘法由各單元震級M≥MC的地震資料計算出（1）式中的b值，將其作為相應(yīng)單元中心點(diǎn)（即網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)）的計算值，進(jìn)而獲得b值空間分布．計算時震級分檔間隔取0．1，每個統(tǒng)計單元內(nèi)的地震樣本數(shù)不少于50，參與擬合的有效震級分檔數(shù)不低于5檔．統(tǒng)計單元的半徑r值通常取20km；對于地震分布較稀疏的局部區(qū)域，擴(kuò)大r值，最大不超過40km．

2．2 地震視應(yīng)力

地震視應(yīng)力σapp定義為［38］：

式中，ES為地震波輻射能量；M0為地震矩；μ為震源區(qū)介質(zhì)剪切模量，通常取μ＝3．0×104MPa［38－40］．ES與M0之比表示單位地震矩輻射出的地震波能量．地震視應(yīng)力為震源區(qū)絕對應(yīng)力水平的下限估計［31，40］，σapp值越高，震源區(qū)應(yīng)力水平越高［31－36］．

在近震源情況下，基于Brune圓盤模型［41］，忽略非彈性衰減，震源譜可表示為［42］：

根據(jù)地震波形三分向速度記錄，可得合成位移譜：

在低頻段f1—f2，Ω（f）≈Ω0，則合成位移譜平方的積分SD 為：

獲得地震波零頻極限Ω0：

進(jìn)而求得地震矩M0［42］、考慮低頻和高頻補(bǔ)償后 的地震波輻射能量ES［43］：

式中，f為頻率；fc為拐角頻率，求取方法參見相關(guān)文獻(xiàn)［34］；V（f）為速度譜，下標(biāo)Z、NS、EW 分別表示垂直、南北、東西向分量；d為震源距；β為S波速，取β＝3．5km／s；ρ為介質(zhì)密度，取ρ＝2．71g／cm3；Rθφ為輻射圖型因子，取S 波的均方根輻射圖型因子

本文選取四川區(qū)域地震臺網(wǎng)震中距≤200km的臺站記錄的具有較高信噪比的寬頻帶數(shù)字化地震波形資料，利用S波1．0～20Hz頻帶范圍的波形計算震源譜，由（2）式逐臺求取地震視應(yīng)力σapp，取各臺計算結(jié)果的平均值作為相應(yīng)地震的視應(yīng)力值．為消除個別臺站異常高值對結(jié)果的影響，采用Archuleta等［45］的方法求取平均值ˉx與標(biāo)準(zhǔn)差Δx：

其中，N為計算使用的臺站數(shù)，xi為第i個臺站的計算值．

地震視應(yīng)力與震級的關(guān)系已有不少研究．例如，李艷娥等先后計算了2007年寧洱M6．4級地震前滇西南地區(qū)98 次ML≥2．5 級地震的視應(yīng)力、2008年汶川M8．0級地震前四川地區(qū)439次ML≥3．0級地震的視應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)：滇西南地區(qū)ML2．5～5．0級地震的視應(yīng)力與震級具有較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0．77［34］，四川地區(qū)視應(yīng)力σapp的對數(shù)與震級ML呈正比，相關(guān)系數(shù)R＝0．634［35］，數(shù)據(jù)離散性高于滇西地區(qū)的．王瓊等［36］對1999年岫巖M5．4級地震序列的視應(yīng)力研究結(jié)果顯示，視應(yīng)力與震級關(guān)系具有顯著的分段性：ML2．0～4．5級地震的視應(yīng)力與震級具有較好的線性關(guān)系，對于ML≥4．5級地震，兩者非線性相關(guān)．上述研究也表明，地震視應(yīng)力與震級的相關(guān)性存在較顯著的地區(qū)差異．基于中小地震的視應(yīng)力具有隨震級增大而升高的特征［34－36］，本文在分析比較不同地震的視應(yīng)力值與區(qū)域應(yīng)力的關(guān)系時，采用如下原則：震級相當(dāng)時，視應(yīng)力值相對高的震源區(qū)應(yīng)力水平高；視應(yīng)力值相等時，震級較低的震源區(qū)應(yīng)力水平高．

3 結(jié) 果

圖4為龍門山斷裂帶南段b值圖像，除個別統(tǒng)計單元b值標(biāo)準(zhǔn)誤差為0．02外，其余統(tǒng)計單元b值標(biāo)準(zhǔn)誤差≤0．01．其中，圖4a為當(dāng)前b值分布，利用1977年1月1日至2012年12月31日ML≥2．0級地震獲得．圖4b為Δb值分布圖，是當(dāng)前b值與利用1977年1月1日至2008年5月11日時段ML≥2．0級地震獲得的汶川地震前的b值兩者之間的差異，用于推測大地震后斷裂帶應(yīng)力水平的變化．Δb正值表示b值升高，應(yīng)力水平下降；負(fù)值則說明b值降低，應(yīng)力水平升高．

結(jié)果表明，當(dāng)前龍門山斷裂帶南段整體平均b值約1．02，與由1977年1月1日至2008年5月11日資料獲得的汶川地震前南段的平均值1．03相近．

龍門山斷裂帶南段及鄰區(qū)b值橫向差異顯著（圖4a）．瀘定附近、西側(cè)的鮮水河斷裂帶康定以南段以明顯高于區(qū)域平均值（1．02）的高b值為特征，天全北部區(qū)域b值高于1．3，反映龍門山斷裂帶最西南瀘定、天全北部及西側(cè)的鮮水河斷裂帶康定以南斷裂段目前應(yīng)力水平不高．天全與寶興之間及寶興以東，大部分區(qū)域b值＜0．9，低于區(qū)域平均值，表明天全—寶興及其以東目前的應(yīng)力水平高于最西南的瀘定及以西地區(qū)．

南段當(dāng)前b值與汶川地震前b值之間的差異Δb圖像（圖4b）顯示，2008年汶川8．0級地震后，瀘定、天全—蘆山以及寶興北部地區(qū)b值有較明顯降低，瀘定附近區(qū)域b值下降尤為突出，局部b值最大降幅達(dá)0．39，由汶川地震前的1．66下降到目前的1．27，下降幅度超過23%，顯示該區(qū)域在汶川地震后應(yīng)力水平有明顯上升．相反，靠近汶川地震主破裂區(qū)南端的大邑地區(qū)、南段西側(cè)的鮮水河斷裂帶康定以南段b值升高，應(yīng)力水平下降．

2007—2012年，龍門山斷裂帶南段及近鄰區(qū)域共發(fā)生ML≥3．8級地震14次，其震中依據(jù)發(fā)震時間先后由小到大編號繪于圖4中．本文計算了其中13次地震的視應(yīng)力σapp，1次事件（圖4中4號地震）因波形重疊未給出計算結(jié)果．13 次地震的視應(yīng)力值在0．12～0．82 MPa之間（圖5）．為便于與b值結(jié)果進(jìn)行對比分析，上述地震的震級與視應(yīng)力值一并標(biāo)示于圖4a中．

視應(yīng)力計算結(jié)果表明，汶川地震后，發(fā)生在龍門山斷裂帶南段的ML≥3．8級地震的視應(yīng)力水平高于其西側(cè)鮮水河斷裂帶康定段，如，2008年6 月26日大邑ML4．2、2009年9月19日寶興ML4．1級地震的視應(yīng)力值（圖4a與圖5中6、8號）明顯高于2012年3月5日康定ML4．5級地震的視應(yīng)力值（圖4a與圖5中12號）．汶川地震后，原地應(yīng)力測量結(jié)果顯示，龍門山斷裂帶南段寶興測點(diǎn)的水平最大主應(yīng)力為9．8 MPa，遠(yuǎn)高于鮮水河斷裂帶上康定測點(diǎn)的水平最大主應(yīng)力2．6 MPa［46］，反映龍門山斷裂帶南段應(yīng)力水平高于鮮水河斷裂帶康定段，與本文結(jié)果相吻合．2012年3月5日康定ML4．5級地震的視應(yīng)力值（圖4a與圖5中12 號）遠(yuǎn)低于2008 年2月16日瀘定ML4．4和27日康定ML5．0級地震的視應(yīng)力值（圖4a與圖5中2、3號），表明汶川地震后鮮水河斷裂帶康定以南段應(yīng)力水平下降．發(fā)生在龍門山斷裂帶南段南側(cè)四川盆地及盆地邊緣的2007年7月31日滎經(jīng)ML4．3、2011年7月25日雅安—名山間ML4．0、10月27日洪雅ML4．1、2012年10月19日天全—蘆山間ML4．6 級地震的視應(yīng)力值（圖4a與圖5中1、10、11和14號）均處于擬合趨勢線上方，明顯高于龍門山斷裂帶南段大邑地震的視應(yīng)力值（圖4a與圖5中6、9號），說明四川盆地西北部的背景應(yīng)力水平高于龍門山斷裂帶南段東端．

圖5 13次ML≥3．8級地震的視應(yīng)力與震級分布地震序號同圖4．

4 討 論

靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力增加0．01 MPa可導(dǎo)致斷層破裂［47－48］，使其地震活動產(chǎn)生顯著變化．Parsons等［6］計算了汶川地震周邊斷層的靜態(tài)庫侖應(yīng)力，2008年汶川地震加載到龍門山斷裂帶南段的靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力值達(dá)0．1 MPa；Toda等［7］的研究結(jié)果顯示，汶川地震使龍門山斷裂帶彭－灌斷裂南西段的靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力增加0．419 MPa；單斌等［9］計算出汶川地震使龍門山斷裂帶南段庫侖破裂應(yīng)力增加0．005～0．015 MPa，認(rèn)為南段存在發(fā)生強(qiáng)余震的可能；萬永革等［10］基于GPS 和InSAR 資料反演的 汶川地震破裂模型，計算出汶川地震加載到龍門山斷裂帶南段靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力最大值達(dá)0．01 MPa；Xie等［11］的研究結(jié)果表明，汶川地震使北川—映秀斷裂和彭縣—灌縣斷裂上的應(yīng)力明顯增加，前者的應(yīng)力增加量為0．004～0．045 MPa，后者為0～0．05 MPa；華衛(wèi)等［49］的研究則顯示，寶興至映秀間庫侖應(yīng)力增加量與多次發(fā)生6級強(qiáng)余震的北川至青川段相同，均達(dá)0．05 MPa．上述研究表明，汶川8．0級地震加載到龍門山斷裂帶南段的靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力值已達(dá)到甚至遠(yuǎn)高于靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)閾值0．01 MPa．然而，與1999 年8月17日土耳其伊茲米特Mw7．4 級地震觸 發(fā)1999 年11 月12 日 迪 茲 杰Mw7．2 級 地震［50－51］、2004年12 月26日 蘇 門 答 臘Mw9．2 級 地震觸發(fā)2005年3月28日Mw8．7級地震［52］不同，汶川地震沒有在龍門山斷裂帶南段快速觸發(fā)出與汶川地震震級相似大小的地震．圖3顯示，汶川地震后，龍門山斷裂帶南段地震活動的空間分布特征與汶川地震前基本一致，表明汶川地震的發(fā)生未明顯改變南段地震活動的空間格局．可見，庫侖應(yīng)力增強(qiáng)并非引發(fā)強(qiáng)震的決定性因素，是否發(fā)生強(qiáng)震取決于增強(qiáng)區(qū)的應(yīng)力積累水平及是否接近破裂極限．

靠近汶川余震區(qū)南端的大邑附近區(qū)域b值（圖4a）低于區(qū)域平均值，但未達(dá)到異常低值（b＜0．7），汶川地震后該區(qū)域b值升高（圖4b），應(yīng)力水平降低，汶川地震后發(fā)生在該區(qū)域的兩次地震（圖4a與圖5中6和9號）的視應(yīng)力不高，反映其長期應(yīng)力積累水平尚未達(dá)到發(fā)生強(qiáng)震的應(yīng)力極限，這或許是汶川8．0級地震的余震帶向南西止于大邑的重要原因之一．該區(qū)域僅在2008 年6 月28 日發(fā)生了1 次ML4．2級地震（圖4a編號6），之后再無4級地震活動．大邑附近區(qū)域的b值升高，也說明汶川地震后并非整個龍門山斷裂帶南段都處于應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)．

天全—蘆山、瀘定以及寶興北部等區(qū)域b值降低（圖4b），應(yīng)力水平升高，但整個南段目前沒有出現(xiàn)如同2008年汶川8．0級地震前龍門山斷裂帶中北段那樣的異常低b值［4，27］．原地應(yīng)力測量結(jié)果顯示，汶川地震前，龍門山斷裂帶北段青川測點(diǎn)的水平最大主應(yīng)力為21～22 MPa［53］，汶川地震的最大余震即發(fā)生在青川，汶川地震后，青川測點(diǎn)復(fù)測的水平最大主應(yīng)力值仍高達(dá)15～16 MPa［53］，遠(yuǎn)高于寶興測點(diǎn)的9．8 MPa［46］．因此，即使龍門山斷裂帶南段位于汶川地震引起的庫侖應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)［6－13，49］，其當(dāng)前的應(yīng)力積累水平也不具備發(fā)生類似汶川8．0級地震的應(yīng)力條件，這可能是汶川地震未能在南段快速觸發(fā)出相似震級大震的主要原因．趙靜等［54］利用1999—2007期GPS水平速度場觀測資料反演了汶川地震前龍門山斷裂帶的閉鎖程度，認(rèn)為南段閉鎖程度低于中－北段．南段短期內(nèi)不具備發(fā)生類似汶川8．0級大震的危險性，但天全至寶興段低于區(qū)域平均值的b值以及相對較高的地震視應(yīng)力值（圖4a）反映該斷裂段已有一定的應(yīng)力積累，具備發(fā)生中－強(qiáng)地震的應(yīng)力條件．

龍門山斷裂帶南端西側(cè)的鮮水河斷裂帶康定以南段屬于1786年73／4級地震的破裂段［55］（圖1）．正的Δb表明汶川地震后該段b值升高，汶川地震后發(fā)生在該段的地震的視應(yīng)力值遠(yuǎn)低于汶川地震前，均揭示該段在汶川地震后應(yīng)力水平下降．該段當(dāng)前的高b值、低地震視應(yīng)力值以及相對較低的原地應(yīng)力測量值［46］反映該斷裂段在經(jīng)歷上一次強(qiáng)震破裂后斷面尚未耦合，應(yīng)力水平較低，短期內(nèi)發(fā)生強(qiáng)震的可能性較小．

近年發(fā)生在龍門山斷裂帶南段南側(cè)四川盆地西北部的幾次ML≥3．8級地震（圖4a與圖5中1、10、11、14號）的視應(yīng)力值明顯偏高，尤其是2012年10月19日天全—蘆山間ML4．6級地震的視應(yīng)力值異常高（圖4a與圖5中14號），反映毗鄰龍門山斷裂帶南段的四川盆地區(qū)域應(yīng)力水平相對較高．Parsons等［6］的庫侖應(yīng)力計算結(jié)果顯示，2008年汶川地震使位于龍門山斷裂帶南側(cè)的四川盆地區(qū)域應(yīng)力顯著升高，這或許是汶川地震后四川盆地內(nèi)4級地震活動水平明顯高于汶川地震前的重要原因，四川盆地具有發(fā)生中－強(qiáng)地震的危險性．2013年2月19日在四川盆地歷史少震與弱震區(qū)三臺縣發(fā)生M4．7級地震，支持本文的研究結(jié)果．

5 結(jié) 論

本文利用1977年1月至2012年12月的地震資料，通過精細(xì)b值空間掃描，對比汶川地震前、后b值的空間分布差異，結(jié)合中小地震視應(yīng)力值，分析了龍門山斷裂帶南段及附近區(qū)域目前的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而分析其強(qiáng)震危險性，并初步探討了南段未參與汶川地震破裂與余震活動的原因．

2008年汶川地震后，龍門山斷裂帶南段僅部分區(qū)域應(yīng)力增強(qiáng)．天全—蘆山、瀘定以及寶興北部等區(qū)域b值下降、應(yīng)力水平明顯升高．靠近汶川余震區(qū)南端的大邑附近區(qū)域b值上升、應(yīng)力水平下降，這或許是汶川余震活動止于大邑的重要原因．

龍門山斷裂帶南段目前整體平均b值約1．02．盡管天全—蘆山、瀘定、以及寶興北部等區(qū)域在汶川地震后b值下降，但南段目前仍未出現(xiàn)類似汶川8．0級地震前中－北段那樣的異常低b值，南段整體的當(dāng)前應(yīng)力積累水平低于汶川地震前中－北段應(yīng)力水平，可能是汶川地震沒能在南段快速觸發(fā)強(qiáng)震的重要原因．短期內(nèi)南段發(fā)生類似汶川8．0級大震的可能性不大，但天全至寶興段已具有一定的應(yīng)力積累，存在發(fā)生中－強(qiáng)地震的危險性．南段西側(cè)的鮮水河斷裂帶康定以南段應(yīng)力水平低，短期內(nèi)發(fā)生強(qiáng)震的可能性較?。?/p>

龍門山斷裂帶南側(cè)四川盆地西北部地區(qū)的地震視應(yīng)力水平明顯高于龍門山斷裂帶南段東端及西側(cè)的鮮水河斷裂帶康定以南段，因此，對四川盆地的中－強(qiáng)地震危險性應(yīng)引起足夠重視．

由于震中距、方位角、臺站場地響應(yīng)、傳播路徑和震源輻射花瓣效應(yīng)的差異，不同臺站記錄到的地震波形具有較大差異，使得震源參數(shù)的計算存在種種不確定性［56］，導(dǎo)致地震視應(yīng)力結(jié)果存在一定的不確定性．但對于地震活動不活躍、不滿足地震活動性參數(shù)空間掃描條件的區(qū)域，地震視應(yīng)力在中、強(qiáng)地震危險區(qū)判定中仍可發(fā)揮重要作用．

致 謝兩位審稿專家提出了具有建設(shè)性的修改建議．視應(yīng)力計算得到中國地震局地球物理研究所李艷娥同志的大力幫助．特此致謝！

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