兩次于田MS7.3地震間應(yīng)力觸發(fā)作用及2014年于田地震的發(fā)生對周緣斷層的影響

李玉江, 陳連旺, 楊樹新, 劉少峰, 楊興悅

1)中國地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動力學(xué)重點實驗室, 北京 100085; 2)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083; 3)中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅蘭州 730000

兩次于田MS7.3地震間應(yīng)力觸發(fā)作用及2014年于田地震的發(fā)生對周緣斷層的影響

李玉江1, 2), 陳連旺1), 楊樹新1), 劉少峰2), 楊興悅3)

1)中國地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動力學(xué)重點實驗室, 北京 100085; 2)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083; 3)中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅蘭州 730000

基于青藏高原及鄰區(qū)的三維粘彈性有限元模型, 討論 2008年于田 MS7.3級地震與 2014年于田MS7.3級地震之間的關(guān)系, 并研究2014年于田MS7.3級地震的發(fā)生造成周圍斷層的庫侖破裂應(yīng)力變化。初步結(jié)果表明: 1)2008年于田MS7.3級地震在2014年于田MS7.3級地震震中滑動方向上產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化高于地震觸發(fā)的閾值0.01 MPa, 存在明顯的觸發(fā)作用。在視摩擦系數(shù)分別取0.4和0.6時, 震源區(qū)同震庫侖破裂應(yīng)力變化為0.0167 MPa和0.0170 MPa; 而考慮粘彈性松弛作用時產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力增加量分別為0.0187 MPa和0.0194 MPa。結(jié)合斷裂帶構(gòu)造應(yīng)力年累計速率的結(jié)果, 2008年于田地震的發(fā)生造成2014年于田地震提前21.4~24.9 a; 2)在較短的時間尺度內(nèi), 對于距離相近的兩次地震之間, 同震產(chǎn)生的應(yīng)力變化遠大于粘彈性松弛效應(yīng)產(chǎn)生的變化; 3)2014年于田MS7.3級地震的發(fā)生造成阿爾金斷裂中北段、瑪尼—玉樹斷裂中段、東昆侖斷裂西段、柴達木北緣斷裂東段、西秦嶺北緣斷裂西段等不同程度的加載效應(yīng), 地震危險性有所增強。其中阿爾金斷裂中段庫侖應(yīng)力增加最為明顯, 最大達2.8×10–3MPa; 瑪尼—玉樹斷裂中段次之,應(yīng)力增加量最大達5.6×10–4MPa; 東昆侖斷裂西段應(yīng)力增加量最大達4.75×10–4MPa。而瑪尼—玉樹斷裂西段庫侖破裂應(yīng)力最大卸載量達3.6×10–3MPa。

于田地震; 阿爾金斷裂; 庫侖破裂應(yīng)力; 粘彈性松弛; 數(shù)值模擬

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定, 北京時間 2014年 2月12日17時19分50.3秒, 新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)于田縣發(fā)生 MS7.3地震, 震中位置: 36.1°N, 82.5°E, 震源深度: 12.0 km。截止到2月17日08 時00分, 共記錄到余震3294次, 其中MS≥4.0地震17次, 余震序列大致沿NE向展布。根據(jù)United States Geological Survey(USGS)的地震矩張量反演結(jié)果, 地震節(jié)面Ⅰ的走向為 332°、傾角 86°、滑動角–172°; 節(jié)面Ⅱ的走向為242°、傾角82°、滑動角–4°, 綜合震源區(qū)附近斷層分布, 節(jié)面Ⅱ為地震的發(fā)震斷層, 為北東向高角度左旋走滑型斷層。

該次強震位于巴顏喀拉塊體西緣NE向阿爾金斷裂的西南段, 是自1924年阿爾金斷裂發(fā)生7.2級左旋走滑型雙震以來, 斷裂帶上的又一次左旋走滑型地震, 距離2008年于田地震約100 km(李海兵等, 2014)。阿爾金斷裂是青藏高原北緣的一條以左旋走滑為主的主控邊界斷裂, 該斷裂在中晚侏羅紀(jì)—早白堊紀(jì)和早第三紀(jì)曾發(fā)生過強烈的構(gòu)造活動, 并在第四紀(jì)至今仍具有較強的構(gòu)造活動性。而2008年于田MS7.3級地震就發(fā)生在西昆侖斷裂與阿爾金斷裂的轉(zhuǎn)換帶上(圖1)。徐錫偉等(2003)基于高分衛(wèi)星影像、航片、野外地質(zhì)調(diào)查及同位素測年等多手段的研究認為, 阿爾金斷裂的晚第四紀(jì)左旋走滑速率從中段的 17.5 mm/a向東有規(guī)律地遞減到 2.2 mm/a;而西段康西瓦段的晚第四紀(jì)滑動速率最大達18 mm/a(李海兵等, 2008)。從地震發(fā)震的動力學(xué)背景分析, 印度板塊相對歐亞板塊的北東向運動, 造成青藏高原的南北向縮短和東西向擴張。由于高原物質(zhì)東向運移, 產(chǎn)生高原內(nèi)部大尺度的NE—近EW向阿爾金斷裂和昆侖斷裂的走滑運動及近 NS向玉龍—喀什斷裂的正斷運動等相適應(yīng)的構(gòu)造運動體系。雖然兩次地震的發(fā)生未造成太大的人員傷亡,但是在短短不到6年的時間尺度內(nèi)同一構(gòu)造區(qū)發(fā)生兩次 7.0級以上地震, 兩次地震是否存在關(guān)聯(lián)性？地震的發(fā)生對青藏高原東北緣主要活動斷裂的應(yīng)力場影響如何值得深入研究。

圖1 青藏高原及鄰區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景簡圖(斷層數(shù)據(jù)據(jù)鄧起東等, 2002)Fig. 1 Tectonic setting of the Tibetan Plateau and its adjacent regions(faults data after DENG et al., 2002)

近年來, 庫侖破裂應(yīng)力被廣泛用來分析強震間相互作用及強余震序列之間的關(guān)系上(Stein et al.,1983, 1992; King et al., 1994; Deng et al., 1996, 1997; 沈正康等, 2003; 陳連旺等, 2008; 朱航等, 2009; Zhu et al., 2010)。萬永革等(2010)研究2008年于田MS7.3地震造成周圍斷層庫侖破裂應(yīng)力的變化, 并發(fā)現(xiàn)2005年巴基斯坦地震對于田地震的弱加載效應(yīng)。He 等(2011)考慮同震及震后效應(yīng)的影響, 研究小江斷裂帶上自1500年以來近500年間發(fā)生的9次MS≥7.0強震之間的相互作用, 認為大部分強震間存在明顯的觸發(fā)作用。李玉江等(2013)應(yīng)用有限單元法, 考慮粘彈性松弛等震后效應(yīng)的影響, 分析汶川地震的發(fā)生造成周圍斷層的庫侖破裂應(yīng)力變化。單斌等(2013)研究蘆山地震的發(fā)生導(dǎo)致周圍斷層的庫侖應(yīng)力變化,及其與汶川地震的關(guān)系。前人的研究總體表明, 強震序列間存在明顯的觸發(fā)或加載作用, 且主震的發(fā)生所產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力變化能夠較好地解釋余震的分布, 庫侖破裂應(yīng)力變化可以作為判定未來地震危險區(qū)的參考依據(jù)。

本文基于青藏高原及鄰區(qū)的三維粘彈性有限元模型, 以野外地質(zhì)科學(xué)考察獲得的地震破裂參數(shù)作為約束(徐錫偉等, 2011), 通過將滑動量數(shù)據(jù)作為載荷加載到有限元模型中所對應(yīng)的節(jié)點上, 模擬2008年于田MS7.3地震的發(fā)生?？紤]地震震后近6年粘彈性松弛效應(yīng)的影響, 探討此次地震與 2014 年 MS7.3強震之間的關(guān)聯(lián)性。在此基礎(chǔ)上, 結(jié)合2014年于田 MS7.3級地震破裂過程結(jié)果(張勇等, 2014), 分析該地震的發(fā)生引起青藏高原東北緣主要活動斷層的靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力變化。

圖2 青藏高原及鄰區(qū)的三維地質(zhì)模型Fig. 2 Three-dimensional geological model of the eastern Tibetan Plateau and its adjacent regions

1 青藏高原及鄰區(qū)三維有限元模型

1.1 活動斷裂與三維有限元模型

依據(jù)活動地塊的概念, 張培震等(2003)將青藏高原地塊主體區(qū)域分為 6個二級活動地塊, 分別為拉薩地塊、羌塘地塊、巴顏喀拉地塊、柴達木地塊、祁連地塊和川滇地塊。而在塊體之間發(fā)育一系列規(guī)模宏大、活動性強的弧形斷裂帶。青藏塊體的南邊界為喜馬拉雅逆沖推覆構(gòu)造帶, 該帶是印度板塊與歐亞板塊碰撞而形成的新生代造山帶; 喀拉昆侖—嘉黎斷裂帶分割拉薩和羌塘塊體, 是一條由多條不連續(xù)北西西向左旋走滑斷裂成羽型式排列組成的復(fù)雜活動斷裂帶; 可可西里斷裂帶、瑪尼—甘孜玉樹斷裂帶構(gòu)成巴顏喀拉塊體的南邊界, 岷江斷裂、龍門山斷裂構(gòu)成巴顏喀拉塊體的東邊界; 東昆侖斷裂構(gòu)成巴顏喀拉塊體和東昆侖—柴達木塊體的北和南邊界; 西秦嶺北緣—柴達木盆地北緣斷裂是東昆侖—柴達木塊體和祁連山塊體的邊界; 祁連北緣斷裂構(gòu)成了祁連塊體的北邊界和東昆侖—柴達木塊體的東邊界。巨型的阿爾金斷裂構(gòu)成巴顏喀拉、東昆侖—柴達木、祁連塊體的西邊界; 而川滇塊體則主要包括“三江”斷裂帶、鮮水河—安寧河—小江斷裂帶等。各斷裂分布具體見圖1。

考慮到研究目標(biāo)的需要, 本文主要考慮上述活動斷裂帶, 將活動斷裂處理為具有一定厚度的軟弱帶(10 km), 建立青藏高原及鄰區(qū)的三維地質(zhì)模型(圖2), 其中, 2008年于田地震的發(fā)震斷層玉龍—喀什斷裂處理為傾角為45°、傾向西的正斷層(Xu et al., 2013);龍門山斷裂處理為上陡下緩的“鏟狀”結(jié)構(gòu)(張培震等, 2008); 其他斷層近似處理為垂直斷層。模型范圍為75°—108°E, 21°—42°N, 包含上地殼、中地殼和下地殼3層, 對應(yīng)厚度分別為20 km、15 km和30 km。在地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上, 通過模型網(wǎng)格化及斷層區(qū)優(yōu)化技術(shù), 獲得青藏高原及鄰區(qū)較為精細的三維有限元模型, 模型包含441958個單元, 675477個節(jié)點。

1.2 介質(zhì)物性參數(shù)與本構(gòu)關(guān)系

用天然地震資料確定青藏高原及其鄰區(qū)的三維地殼速度結(jié)構(gòu), 獲得大量的研究成果。本文主要依據(jù)前人關(guān)于波速結(jié)構(gòu)的研究成果(王椿鏞等, 2003, 2008;徐強等, 2009), 根據(jù)楊氏模量與泊松比、縱波速度和密度之間的關(guān)系(王仁等, 1980), 確定各分區(qū)物性參數(shù)。其中斷層的楊氏模量取周圍介質(zhì)平均值的 1/3,泊松比稍大。整個中、上地殼楊氏模量變化范圍為(0.6~1.0)×1011Pa; 下地殼為(1.0~1.7)×1011Pa。上地殼處理為彈性介質(zhì), 中、下地殼處理為粘彈性介質(zhì),中下地殼的粘滯系數(shù)主要依據(jù)石耀霖等(2008)關(guān)于中國大陸巖石圈等效粘滯系數(shù)的研究成果。在中地殼, 除羌塘地塊取 1020Pa?s外, 其他地塊統(tǒng)一取1021Pa?s; 在下地殼, 拉薩地塊、羌塘地塊、巴顏喀拉地塊取1020Pa?s, 其他取5×1020Pa?s。

本文采用Prony級數(shù)來模擬介質(zhì)的粘彈性特征,其核方程如下:

其中, G為剪切模量, K為體積模量, G∞和K∞分別為時間無窮大時的剪切模量和體積模量, Gi和Ki則分別為第 i個 Prony單元的剪切和體積模量, nG和nK表示為Prony單元的個數(shù),和為各Prony級數(shù)分量的松弛時間。

1.3 模型邊界條件

本文利用 ITRF2000參考框架處理得到的中國大陸2004—2007年的GPS觀測資料, 通過對速度場數(shù)據(jù)進行三次樣條插值, 獲得該速度值與計算時間步長的乘積, 作為有限元模型的位移邊界條件。由于地殼運動速度在垂向的差異尚未明確定論, 作為一種近似, 本文所施加的邊界條件不隨深度變化,且模型底部水平向自由, 法向約束。

2 2008年于田地震對2014年于田MS7.3地震的影響

2.1 靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力

根據(jù)庫侖破裂假設(shè), 巖石趨近于破裂程度的庫侖破裂應(yīng)力σf據(jù)King等(1994)為:

其中, τ為斷層面上的剪應(yīng)力, σn為正應(yīng)力,定義張應(yīng)力為正, p為孔隙流體壓力, μ為斷層面介質(zhì)的摩擦系數(shù)。

目前, 精確確定地下應(yīng)力張量是極為困難的,通常定義庫侖破裂應(yīng)力變化(Harris, 1998)。當(dāng) μ不隨時間變化時, 由(1)式庫侖應(yīng)力變化為:

式中, Δτ為斷層面上剪應(yīng)力的變化(以斷層滑動方向為正), Δσn和Δp分別為斷層面上的正應(yīng)力和孔隙壓力的變化。如果Δσf＞0, 則有利于后續(xù)地震的發(fā)生。

為了簡化孔隙壓力變化的影響, 引入Skempton系數(shù) B', 取值范圍為 0~1, B'依賴于巖石體膨脹系數(shù)和流體所占體積比例的常數(shù), 則。假定斷層處比周圍巖石更具有延展性, 則, 并假定,它給出孔隙流體和斷層面上的介質(zhì)屬性, 范圍為0~1, 那么庫侖破裂應(yīng)力變化Δσf變?yōu)?

2.2 2008年于田MS7.3地震造成2014年于田MS7.3地震破裂面的庫侖應(yīng)力變化

2008年于田MS7.3級地震發(fā)生在阿爾金斷裂、康西瓦斷裂與昆侖斷裂帶西段瑪爾蓋茶卡斷裂的交匯部位, 為近東西向張性應(yīng)力作用下形成的兼有正斷和左旋走滑分量的地震(Elliott et al., 2010; Xu et al., 2013)。Furuya等(2011)利用合成孔徑雷達數(shù)據(jù)及余震分布資料, 獲得地震的破裂模型, 認為此次地震發(fā)生在近南北走向、傾向西的斷層上, 且正斷滑動量較大。張國宏等(2011)基于 InSAR數(shù)據(jù), 反演于田地震的斷層滑動分布。研究認為同震滑動主要集中在0~14 km, 且最大滑動量達3.2 m。野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明, 地震位于近南北向玉龍—喀什斷裂帶上, 同震地表破裂帶達 31 km, 且左旋走滑量和垂向運動量最大分別達1.8 m和2.0 m(徐錫偉等, 2011)。本文參考徐錫偉等(2011)關(guān)于破裂長度及同震運動量的研究結(jié)果, 研究2008年于田MS7.3級地震在 2014年于田地震破裂面和滑動方向上產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化。

從圖 3視摩擦系數(shù)'μ=0.4和 0.6兩種情況下, 在0~20 km深度范圍內(nèi)同震庫侖應(yīng)力變化(圖3中a)和同震與粘彈性松弛效應(yīng)產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化(圖3中b)來看, 在'μ=0.4時, 2008年于田MS7.3級地震在2014年于田MS7.3級地震震中滑動方向上產(chǎn)生的同震庫侖破裂應(yīng)力增加 0.0167 MPa, 而考慮近 6年的震后粘彈性松弛效應(yīng)后, 由同震與粘彈性松弛效應(yīng)共同產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力增加量達0.0187 MPa;在'μ=0.6時, 2014年地震震源區(qū)同震庫侖破裂應(yīng)力增加 0.0170 MPa, 而同震與粘彈性松弛效應(yīng)產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力增加量達0.0194 MPa。在不同的摩擦系數(shù)取值時, 兩種情況下庫侖應(yīng)力變化都高于地震觸發(fā)的閾值0.01 MPa, 存在明顯的觸發(fā)作用。另外, 對于距離較近的兩次地震, 在較短的時間尺度內(nèi), 同震應(yīng)力變化遠大于粘彈性松弛作用造成的應(yīng)力變化。

圖3 2008年于田MS7.3地震在2014年于田地震破裂面和滑動方向上的庫侖破裂應(yīng)力變化Fig. 3 Coulomb failure stress change caused by the antecedent MS7.3 Yutian earthquake in 2008 and projected on the fault plane and in the slip direction of the Yutian earthquake in 2014

3 2014年于田地震的發(fā)生造成周邊斷層的同震庫侖應(yīng)力變化

通過將同震滑動量數(shù)據(jù)作為載荷加載到有限元模型中所對應(yīng)的節(jié)點上, 模擬地震的發(fā)生。利用數(shù)值模擬得到的任意點應(yīng)力張量的 6個獨立分量,既可以研究應(yīng)力場的主應(yīng)力和主方向, 也可以計算任一走向, 任一傾向斷層面上的應(yīng)力向量, 即正應(yīng)力σn和剪應(yīng)力τ(陳連旺等, 2008)。在計算過程中,對于接收斷層參數(shù)的選取(走向、傾角、滑動角), 本文主要依據(jù)鄧起東等(2002)中國大陸主要活動斷裂特征的研究成果, 根據(jù)這些參數(shù), 分別計算由地震產(chǎn)生的投影到給定斷層面和滑動方向上的庫侖破裂應(yīng)力變化。參考Stein等(1983)和King等(1994)的做法, 視摩擦系數(shù)取μ'=0.4。

從圖4于田地震引起周圍斷層的同震庫侖破裂應(yīng)力變化結(jié)果來看, 地震發(fā)生造成阿爾金斷裂中北段、瑪尼—玉樹斷裂中段、東昆侖斷裂西段、柴達木北緣斷裂東段、西秦嶺北緣斷裂西段等不同程度的加載效應(yīng), 地震危險性有所增強。其中阿爾金斷裂中段庫侖應(yīng)力增加最為明顯, 最大達 2.8×10–3MPa;瑪尼—玉樹斷裂中段次之, 應(yīng)力增加量最大達0.56×10–3MPa; 東昆侖斷裂西段應(yīng)力增加量最大達0.475×10–3MPa。相反, 地震的發(fā)生造成瑪尼—玉樹斷裂西段、岷江斷裂不同程度的卸載效應(yīng), 其中瑪尼—玉樹斷裂西段最大卸載量達3.6×10–3MPa。

2014年于田MS7.3地震的發(fā)生造成青藏高原東北緣主要活動斷裂不同程度的加載效應(yīng), 應(yīng)力狀態(tài)有一定增強, 但加載量還遠遠小于地震觸發(fā)的閾值0.01 MPa(King et al., 1994)。

圖4 2014年MS7.3于田地震造成周圍斷層的同震庫侖破裂應(yīng)力變化Fig. 4 Coseismic failure stress change of the surrounding faults caused by MS7.3 Yutian earthquake of 2014

4 結(jié)論與討論

研究地震間相互作用及地震的發(fā)生對周圍區(qū)域斷層的影響, 對于理解斷層間相互作用、主余震序列間關(guān)系、區(qū)域未來地震危險性分析具有重要的意義。本文基于青藏高原及鄰區(qū)的三維粘彈性有限元模型, 研究2014年于田MS7.3級地震與2008年于田 MS7.3級地震的關(guān)聯(lián)性。在此基礎(chǔ)上, 進一步探討此次地震的發(fā)生造成周圍斷層的庫侖破裂應(yīng)力變化。研究結(jié)果表明, 2008年于田MS7.3地震對2014年于田MS7.3地震存在明顯的觸發(fā)作用, 造成2014年地震提前發(fā)生21.4~24.9 a。2014年于田地震的發(fā)生造成阿爾金斷裂中北段、瑪尼—玉樹斷裂中段、東昆侖斷裂西段、柴達木北緣斷裂東段、西秦嶺北緣斷裂西段等不同程度的庫侖破裂應(yīng)力增加, 存在加載效應(yīng), 地震危險性有所增強。

4.1 兩次地震之間的關(guān)聯(lián)性分析

2008年于田MS7.3地震發(fā)生后, 萬永革等(2010)基于Okada程序, 研究此次地震造成周圍斷層的同震庫侖應(yīng)力變化。結(jié)果認為地震的發(fā)生造成阿爾金斷裂的庫侖破裂應(yīng)力增加 0~1.57×10–3MPa, 整條斷裂帶平均庫侖應(yīng)力增加量為3.26×10–4MPa; 2014年于田MS7.3地震的發(fā)震斷層貢嘎錯斷裂東北段庫侖破裂應(yīng)力增加(1.049~4.358)×10–3MPa, 整條斷裂帶平均庫侖應(yīng)力增加量為 2.424×10–3MPa。同時,瑪尼—玉樹斷裂西段庫侖破裂應(yīng)力減小(0.0005~1.514)×10–2MPa, 平均庫侖應(yīng)力減小3.204×10–3MPa。本研究考慮粘彈性松弛效應(yīng)的影響, 分析 2008年于田 MS7.3地震在 2014年于田MS7.3地震破裂面和滑動方向上產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化。結(jié)果認為, 在視摩擦系數(shù)分別取0.4和0.6 時, 震源區(qū)同震庫侖破裂應(yīng)力增加量為0.0167 MPa 和0.0170 MPa; 而考慮粘彈性松弛效應(yīng)時, 震源區(qū)庫侖應(yīng)力增加量為0.0187 MPa和0.0194 MPa, 都高于地震觸發(fā)的閾值 0.01 MPa, 存在明顯的觸發(fā)作用。受于當(dāng)時觀測資料的限制, 利用經(jīng)驗公式確定的斷層同震滑動量較本文采用的滑動量偏小, 從而造成應(yīng)力變化量量值較本文要小。但兩者所反映的加卸載效應(yīng)的研究結(jié)果是吻合的。

以往的研究表明, 地震的發(fā)生不僅造成發(fā)震斷層的應(yīng)力變化, 同時向周圍斷層傳遞應(yīng)力, 從而造成下一次的地震的提前或滯后, 具有觸震與緩震效應(yīng)(Hudnut et al., 1989)。而提前或滯后時間尺度定量表述為:(其中Δσf為庫侖應(yīng)力變化;為構(gòu)造應(yīng)力累計速率)(Parsons, 2002)。本文以2004 —2007年GPS觀測資料作為邊界約束, 獲得2014年于田地震發(fā)震斷層的構(gòu)造應(yīng)力年累計速率(圖5)。

從圖5可以看出, 2014年于田地震發(fā)震斷層的構(gòu)造應(yīng)力累計年速率在733.6~880.7 Pa/a之間變化。其中, 2014年于田地震震中應(yīng)力年累計速率為780 Pa/a, 這與以往基于最小二乘配置法給出的結(jié)果基本一致(Jiang et al., 2014)。結(jié)合震中區(qū)庫侖應(yīng)力增加量0.0167~0.0194 MPa, 我們認為2008年3 月21日于田MS7.3地震的發(fā)生造成2014年2月12日于田MS7.3地震發(fā)震時間提前21.4~24.9 a。

另外, 從同震作用及粘彈性松弛效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力變化來看, 在較短的時間尺度內(nèi), 同震應(yīng)力變化遠大于粘彈性松弛作用造成的應(yīng)力變化。分析其原因認為, 依據(jù)中下地殼粘滯系數(shù)與彈性模量的取值, 中下地殼的松弛時間達300年, 而6年時間尺度的松弛效應(yīng)相對 300年僅僅是應(yīng)力松弛的開始,從而造成由于粘彈性松弛產(chǎn)生的應(yīng)力變化較小。

圖5 2014年于田地震發(fā)震斷層的構(gòu)造應(yīng)力年累計速率Fig. 5 Tectonic stressing rate of the seismogenic fault of the 2014 Yutian earthquake

4.2 2014年于田 MS7.3級地震的發(fā)生對青藏高原東北緣主要活動斷裂的影響

2014年于田MS7.3級地震發(fā)生后, 張勇等(2014)基于遠場體波資料和有限斷層反演地震的破裂過程,結(jié)果顯示地震滑動分布較為集中, 且最大靜態(tài)滑動量達1.8 m?；诘卣鸬耐痨o態(tài)滑移量結(jié)果, 本研究進一步分析此次地震的發(fā)生對青藏高原東北緣主要活動斷裂的影響。結(jié)果表明, 地震的發(fā)生造成阿爾金斷裂中北段、瑪尼—玉樹斷裂中段、東昆侖斷裂西段、柴達木北緣斷裂東段、西秦嶺北緣斷裂西段等不同程度的加載效應(yīng), 地震危險性有所增強。其中阿爾金斷裂中段庫侖應(yīng)力增加最為明顯, 最大達 2.8×10–3MPa; 瑪尼—玉樹斷裂中段次之, 應(yīng)力增加量最大達 0.56×10–3MPa; 東昆侖斷裂西段應(yīng)力增加量最大達 0.475×10–3MPa。同時, 地震的發(fā)生也造成瑪尼—玉樹斷裂西段、岷江斷裂不同程度的卸載效應(yīng), 瑪尼—玉樹斷裂西段庫侖破裂應(yīng)力最大卸載量達3.6×10–3MPa。這些庫侖破裂應(yīng)力變化的量值雖然很小, 但仍會對區(qū)域地震活動性產(chǎn)生一定影響。而縱觀254個余震序列的精定位結(jié)果(張廣偉等, 2014), 沿阿爾金斷裂帶主震的北東方向在本次地震發(fā)生后顯示一個明顯的地震叢集, 說明本次地震對該斷裂帶具有觸發(fā)作用, 本文的研究結(jié)果同樣表明該段庫侖破裂應(yīng)力增加最為明顯。

汶川與蘆山地震發(fā)生后, 前人通過對余震精定位、地震矩釋放等綜合研究表明, 兩次地震產(chǎn)生的破裂沒有貫通, 龍門山斷裂帶西南段仍存在一地震“破裂空段”(陳運泰等2013; 高原等, 2013)。結(jié)合本文2014年于田地震對地震“破裂空段”影響的研究結(jié)果, 我們認為, 雖然同震庫侖破裂應(yīng)力變化較小為 15 Pa, 但仍對西南段產(chǎn)生一定程度的加載效應(yīng)。另外, 由于于田地震震中距離“破裂空段”約2000 km, 在如此遠距離范圍上, 動態(tài)觸發(fā)作用造成的應(yīng)力變化可能大于靜態(tài)應(yīng)力變化, 需要進一步考慮動態(tài)應(yīng)力觸發(fā)作用的影響(Kilb et al., 2010)。

4.3 地球動力學(xué)意義

青藏高原中北部的巴顏喀拉塊體是我國現(xiàn)今地震活動最為強烈的地區(qū)之一, 塊體周緣發(fā)育有東昆侖斷裂帶、瑪尼—玉樹—鮮水河斷裂帶、阿爾金斷裂帶及龍門山斷裂帶等大型活動斷裂。自1997年瑪尼MS7.5級地震以來, 周緣斷裂帶陸續(xù)發(fā)生2001年昆侖山口西MS8.1、2008年于田MS7.3、2008年汶川 MS8.0、2010年玉樹MS7.0、2013年蘆山MS7.0 及2014年于田MS7.3等一系列強震, 系列強震對青藏塊體東北緣造成不同程度的影響(張希等, 2010)。震源機制表現(xiàn)出系列強震主要以左旋走滑為主(刁桂苓等, 2010), 是印度板塊—歐亞板塊的強烈碰撞造成青藏高原內(nèi)部物質(zhì)向東運移的響應(yīng)。深入研究這些地震序列之間的相互關(guān)系及其對區(qū)域活動斷裂運動特征的影響, 對于認識巴顏喀拉塊體的運動學(xué)特征和地震活動性規(guī)律具有重要的參考價值。

需要說明的是, 地殼背景應(yīng)力場狀態(tài)是十分復(fù)雜的, 庫侖應(yīng)力的變化只是地震的一個觸發(fā)因素,但庫侖應(yīng)力變化對解釋各斷裂地震危險性變化仍有重要意義。

致謝: 在本文完成過程中, 中國地震局地球物理研究所張勇博士提供于田地震的同震破裂過程反演資料, 中國地震局地殼應(yīng)力研究所陸遠忠研究員提出寶貴意見, 所有圖件使用 GMT軟件包繪制(Wessel et al., 1995), 在此一并表示感謝。

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LI Yu-jiang1, 2), CHEN Lian-wang1), YANG Shu-xin1), LIU Shao-feng2), YANG Xing-yue3)
1) Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085; 2) School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083; 3) Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou, Gansu 730000

In this paper, the three-dimensional finite element model for the Tibetan Plateau and its adjacent region was employed to explore the possible relationship between the 2014 Yutian MS7.3 earthquake and the antecedent Yutian MS7.3 earthquake in 2008. Then, the coseismic Coulomb failure stress change of the surrounding faults caused by the Yutian MS7.3 earthquake in 2014 was analyzed. Some preliminary conclusions have been reached: 1) the Coulomb failure stress change caused by the Yutian MS7.3 earthquake in 2008, which was projected in the slip direction of the 2014 Yutian earthquake epicenter, exceeded the earthquake triggering threshold, which demonstrates the apparent triggering effect. Specifically, the coseismic Coulomb failure stress changes were 0.0167 MPa and 0.0170 MPa when we assumed 0.4 and 0.6 as the apparent friction coefficients; meanwhile, theCoulomb failure stress changes incorporating the coseismic and viscoelastic relaxation effects were 0.0187 MPa and 0.0194 MPa respectively. The later 2014 Yutian earthquake advanced the antecedent Yutian earthquake in 2008 by 21.4~25.9 a, as shown by the tectonic stressing rate; 2) in a relatively short time scale, the stress change induced by the coseismic effect is greater than the viscoelastic effect for the two successive earthquakes; 3) the Coulomb failure stresses increased along the mid-north segment of Altun fault, middle segment of Mani-Yushu fault, western segment of Eastern Kulun fault, eastern segment of northern Qaidam fault and western segment of northern margin of West Qinling, suggesting the increasing seismic risk. Among these structures, the Coulomb failure stress increased by 2.8×10-3MPa in the middle segment of Altun fault at the maximum, 5.6×10-4MPa in the middle segment of Mani-Yushu fault, and 4.75×10-4MPa in the western segment of Eastern Kunlun fault. In addition, the Coulomb failure stress decreased by 3.6×10-3MPa in the western segment of Mani-Yushu fault.

Yutian earthquake; Altun fault; Coulomb failure stress; viscoelastic relaxation; numerical simulation

P315.01; O344.3

A

10.3975/cagsb.2015.01.11

本文由國家科技支撐計劃項目(編號: 2012BAK19B03-6)、中央公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(編號: ZDJ2014-03; ZDJ2012-09)和國家自然科學(xué)基金項目(編號: 41104058)聯(lián)合資助。

2014-08-21; 改回日期: 2014-10-01。責(zé)任編輯: 張改俠。

李玉江, 男, 1982年生。助理研究員。從事構(gòu)造應(yīng)力場、地震活動性方面的數(shù)值模擬研究。通訊地址: 100085, 北京市海淀區(qū)西三旗安寧莊路1號。電話: 010-62842659。E-mail: toleeyj@gmail.com。

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