新疆精河2017年6.6級地震對2018年5.4級地震的應(yīng)力影響分析

李惠玲 曹建玲 魏文薪

1 山西省地震局，太原市晉祠路二段69號，0300212 太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原市晉祠鎮(zhèn)，030025 3 中國地震局地震預(yù)測研究所，北京市復(fù)興路63號，100036 4 中國地震局地震預(yù)測研究所地震預(yù)測重點實驗室，北京市復(fù)興路63號，100036

強震造成的應(yīng)力觸發(fā)作用可能會誘發(fā)附近區(qū)域發(fā)生余震以及后續(xù)地震，并可能影響震中及鄰近斷層的地殼變形和應(yīng)力變化，觸發(fā)或減緩相鄰斷層的地震活動性[1-4]。因此，開展地震同震和震后效應(yīng)產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力變化分析對研究區(qū)域地震孕育過程和未來地震危險性具有重要意義。

天山地區(qū)活動構(gòu)造以一系列近東西向逆沖斷裂和走滑斷裂為主，斷裂及斷裂交會區(qū)中-強地震活動頻繁。2017-08-09新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣發(fā)生6.6級地震(圖1)。該地震發(fā)生于北天山中段，是一次逆沖為主的地震事件，發(fā)震構(gòu)造與區(qū)域北西和近東西向逆沖型活動斷裂的性質(zhì)一致。2018-10-16在精河6.6級地震西南30 km處又發(fā)生5.4級地震。該地震震中附近無已知斷裂[5]，考慮到其距離庫松木楔克山前斷裂帶較近，而庫松木楔克斷裂存在多個分支斷裂，發(fā)震斷層可能屬于該斷裂帶的分支斷層。

本文對精河6.6級地震造成的同震變形及應(yīng)力變化進行定量分析，重點討論6.6級地震對5.4級地震的觸發(fā)作用，同時計算6.6級地震對鄰近主要活動斷層的影響，為該震源區(qū)附近主要發(fā)震斷裂的強震趨勢判定提供定量依據(jù)。

主震震源機制解(紅色)來源于國內(nèi)外不同機構(gòu)，歷史震源機制解(黑色，1976年至精河6.6級地震前)來源于GCMT圖1 精河6.6級地震地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Geological tectonics of Jinghe MS6.6 earthquake

1 資料與計算方法

本文收集精河地震同震破裂模型，考慮地殼結(jié)構(gòu)粘彈性松弛效應(yīng)，采用PSGRN/PSCMP軟件[8]計算精河6.6級地震在周邊活動斷裂的庫侖破裂應(yīng)力分布，并計算分析精河6.6級地震與5.4級地震的應(yīng)力觸發(fā)關(guān)系。

1.1 精河6.6級地震同震破裂斷層模型選取

精河6.6級地震后，部分機構(gòu)反演得到斷層模型[9-10]，其中節(jié)面Ⅰ走向為76°～92°，節(jié)面Ⅱ走向為269°～277°，破裂斷層傾角為44°～60°。雖然斷層走向和傾角存在較大差異，但斷層滑動角約為90°，為逆沖性質(zhì)的地震。部分學者利用InSAR數(shù)據(jù)反演精河6.6級地震同震破裂斷層模型[6,11]。施賀青等[6]反演認為，斷層走向為77°，與多家機構(gòu)結(jié)論相近，也更接近余震展布方向，該破裂模型中最大位移量集中分布在8～17 km深度，與中國地震臺網(wǎng)中心[9]給出的主震深度11 km和余震集中深度4～17 km較接近，因此本文利用該模型計算此次地震的應(yīng)力場擾動。

1.2 精河6.6級地震震源區(qū)介質(zhì)物性參數(shù)選取

精河6.6級地震震源區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)資料比較缺乏，但橫跨天山東北部的布爾津-沙雅[12]、烏魯木齊-庫爾勒[13]、跨1906年瑪納斯7.7級地震斷裂段[14]的地震反射剖面可提供速度結(jié)構(gòu)；精河6.6級地震科考項目布設(shè)的地震臺陣觀測及反演結(jié)果也可給出精河震源區(qū)P波速度結(jié)構(gòu)。上述波速結(jié)果可用來計算精河6.6級地震震源區(qū)介質(zhì)彈性參數(shù)，這些研究結(jié)果均反映天山東北部研究區(qū)中下地殼內(nèi)(10～20 km)存在顯著的低速區(qū)。

根據(jù)收集的研究區(qū)現(xiàn)有的地殼結(jié)構(gòu)、地震波速、介質(zhì)密度及粘滯系數(shù)[12,14-16]，將天山地區(qū)巖石圈結(jié)構(gòu)簡化為均勻的分層結(jié)構(gòu)，選用表1中分層力學參數(shù)作為計算庫侖應(yīng)力的介質(zhì)參數(shù)。

表1 巖石圈各分層結(jié)構(gòu)模型及力學參數(shù)

1.3 接收斷層選取及其參數(shù)

位于精河6.6級地震西側(cè)的庫松木楔克山前斷裂被認為是其發(fā)震構(gòu)造[5,17]；位于精河6.6級地震南側(cè)近東西向展布的喀什河斷裂為1812年尼勒克8級地震的發(fā)震斷裂[18]；位于精河6.6級地震北側(cè)的博阿斷裂(博羅科努-阿其克庫都克斷裂)是天山帶和準噶爾盆地之間的大型塊體邊界斷裂；近東西走向的準噶爾南緣斷裂可能是1906年瑪納斯7.7級地震發(fā)震構(gòu)造的一部分[19]。選取這些靠近震中的活動斷裂分析精河6.6級地震庫侖應(yīng)力變化。

破裂面上的庫侖應(yīng)力變化定義為[20]：

ΔCFS=Δτ+μ′Δσn

式中，Δτ為破裂面上的剪切應(yīng)力變化，μ′為有效摩擦系數(shù)，Δσn為破裂面上的正應(yīng)力變化。

在計算地震引起的區(qū)域庫侖應(yīng)力變化時，應(yīng)根據(jù)研究區(qū)背景資料、斷層面介質(zhì)特性、孔隙壓力等確定有效摩擦系數(shù)大小[21]。研究表明，活動速率相對較小的斷層具備較高的有效摩擦系數(shù)，而天山東北部主要活動斷裂的活動速率約為2～5 mm/a[22]。因此，本文將有效摩擦系數(shù)設(shè)為0.4。

2 計算結(jié)果

2.1 精河6.6級地震同震地表位移

計算精河6.6級地震同震地表位移場、同震及震后應(yīng)力場變化、同震在周邊主要活動斷裂上的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化及精河6.6級地震在5.4級地震震中位置2個節(jié)面的同震庫侖應(yīng)力變化。

圖2和圖3為精河6.6級地震產(chǎn)生的地表同震位移?？梢钥闯觯瑪鄬由媳P圍繞震中大幅隆升(圖2(a))，最大隆升量為84 mm(圖2(b))，與InSAR觀測的地表最大抬升80 mm非常接近[6]，表明該斷層破裂模型及本文計算結(jié)果具有可靠性。靠近震中區(qū)域垂向位移顯示出明顯的不對稱性，上盤(南盤)抬升量(最大可達84 mm)大于下盤(北盤)沉降量(最大僅為5 mm)，符合逆沖斷層同震變形的普遍特征。精河6.6級地震造成的地表水平位移遠小于垂向位移，最大水平位移為25 mm，為靠近震中的平行和垂直斷層走向的位移。斷層南北兩側(cè)的遠場水平位移主要以垂直斷層走向位移為主，表現(xiàn)為向震中會聚特征，斷層兩盤垂直斷層走向的位移量基本沿斷層走向南北對稱，但方向相反。斷層兩端沿走向外延區(qū)幾乎無水平位移。震中附近100 km水平向同震位移在5～25 mm范圍內(nèi)，遠場水平位移低于5 mm(圖3)。

圖2 精河6.6級地震造成的地表同震垂向位移Fig.2 Co-seismic vertical displacements caused by the Jinghe MS6.6 earthquake

圖3 精河6.6級地震造成的地表同震水平向位移Fig.3 Co-seismic horizontal displacements caused by the Jinghe MS6.6 earthquake

2.2 精河6.6級地震靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化

精河6.6級地震余震集中分布在10～17 km深度[5]，因此選擇15 km深度震中附近斷層面上同震庫侖應(yīng)力變化進行分析。利用斷層跡線點位計算主要斷層不同段走向(平均長度5 km)，這些斷層段的傾向和傾角資料參考文獻[23]，但靠近震中的庫松木楔克斷裂的分支斷裂由于缺少斷層產(chǎn)狀資料，其傾向和傾角則沿用精河6.6級地震主震破裂面的傾向和傾角。利用PSGRN/PSCMP軟件計算獲得這些斷層點位的同震應(yīng)力張量，然后利用任意走向和傾角斷層面的庫侖應(yīng)力計算公式[16]計算精河6.6級地震震中附近主要斷層面的庫侖應(yīng)力(圖4)。

圖4 精河6.6級地震造成震中附近主要斷層面的同震庫侖應(yīng)力變化Fig.4 Co-seismic Coulomb stress changes on the active faults near the epicenter of the Jinghe MS6.6 earthquake

從圖4可以看出，精河6.6級地震后，精河縣震中南北兩側(cè)庫松木楔克斷裂東段及其分支斷裂、博阿斷裂精河段、喀什河斷裂東段處于應(yīng)力顯著加載區(qū)，同震庫侖應(yīng)力增加可達到10 kPa以上，即主震對震中附近約100 km內(nèi)(約3倍于主震破裂面長度)的斷層產(chǎn)生顯著的同震影響。遠離震中的斷層段落上，同震庫侖應(yīng)力變化則在2 kPa以下，同震影響較小。

通過計算和對比同震及震后應(yīng)力調(diào)整可知，在5～10 a尺度內(nèi)應(yīng)力衰減變化并不顯著，原因可能為深部介質(zhì)粘彈性松弛時間較長，在5～10 a尺度主震造成的應(yīng)力變化基本還是地殼介質(zhì)對此次地震的彈性響應(yīng)。

2.3 精河6.6級地震在5.4級地震震區(qū)造成的應(yīng)力調(diào)整

基于前文有關(guān)精河6.6級地震同震破裂模型以及5.4級地震震源機制解信息，分別計算2次地震震源機制解反映的2個斷層節(jié)面上的庫侖應(yīng)力變化(因為5.4級地震與6.6級地震類似，未產(chǎn)生明顯的地表破裂，難以判定發(fā)震斷層)。

按照表1參數(shù)計算精河5.4級地震斷層節(jié)面上庫侖應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，精河6.6級地震在5.4級地震的2個節(jié)面上產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖應(yīng)力相差較小(圖5)，在節(jié)面Ⅰ(走向111°、傾角55°、滑動角105°)和節(jié)面Ⅱ(走向266°、傾角37.7°、滑動角69.7°)上產(chǎn)生的同震庫侖應(yīng)力分別為5 kPa 和8 kPa，均低于觸發(fā)余震的靜態(tài)庫侖應(yīng)力閾值10 kPa[1]。在10 a時間尺度內(nèi)，震中附近數(shù)百km水平尺度和15 km深度范圍內(nèi)，介質(zhì)基本表現(xiàn)為彈性介質(zhì)，即從精河6.6級地震至5.4級地震的14個月時間內(nèi)，5.4級地震位置處的應(yīng)力分量和庫侖應(yīng)力基本為靜態(tài)，且不隨時間發(fā)生顯著變化。模型計算的精河5.4級地震2個節(jié)面的應(yīng)力分量和庫侖應(yīng)力隨時間的變化曲線基本為水平線。

圖5 精河6.6級地震在5.4級地震震中位置造成的2個斷層節(jié)面上庫侖應(yīng)力的時間序列Fig.5 Time series of Coulomb stress on two fault planes of Jinghe MS5.4 earthquake caused by Jinghe MS6.6 earthquake

考慮到精河6.6級地震所在的北天山地區(qū)普遍存在殼內(nèi)低速層，本文從力學性質(zhì)角度考慮該低速層，即將15～50 km深度處介質(zhì)的流變參數(shù)降低至1×1018Pa·s，在保持其他模型參數(shù)不變的情況下進一步計算精河6.6級地震在5.4級地震2個節(jié)面上的同震及震后庫侖應(yīng)力變化。結(jié)果表明，前者在后者2個斷層節(jié)面上造成的庫侖應(yīng)力在前者同震時刻雖然為正值，但隨著時間推移至后者發(fā)震時刻，庫侖應(yīng)力逐漸降低，即精河6.6級地震在5.4級地震2個斷層節(jié)面上的影響表現(xiàn)為同震加載，震后逐漸卸載。分析庫侖應(yīng)力計算結(jié)果可知，前者對后者既不存在同震觸發(fā)也不存在延遲觸發(fā)，因此本文推測兩者不存在應(yīng)力觸發(fā)關(guān)聯(lián)，即兩者為獨立地震事件。

3 結(jié) 語

1)同震位移場結(jié)果顯示，精河6.6級地震引起斷層上盤圍繞震中大幅隆升及下盤沉降，震中附近上盤最大隆升量為84 mm，下盤最大沉降量為5 mm；地表同震水平位移遠小于垂向位移，最大水平位移為25 mm，表現(xiàn)為發(fā)震斷層南側(cè)整體向北和北側(cè)整體向南運動，在空間上呈會聚狀指向震中。

2)精河6.6級地震造成精河縣震中南北兩側(cè)斷裂(庫松木楔克山前斷裂東段及其分支斷裂、博阿斷裂精河段、喀什河斷裂東段)庫侖應(yīng)力顯著增加，且5～10 a尺度應(yīng)力影響無顯著變化，基本為對同震的彈性響應(yīng)，初步推斷精河6.6級地震產(chǎn)生的庫侖破裂靜態(tài)應(yīng)力變化可能會影響這些斷裂后續(xù)的強震風險性。

3)2017年精河6.6級地震對2018年精河5.4級地震無明顯觸發(fā)作用，前者在后者震中位置上造成的同震庫侖應(yīng)力變化低于同震應(yīng)力觸發(fā)閾值10 kPa。即使考慮到震源區(qū)殼內(nèi)低速層的影響，隨時間推移后者斷層上的庫侖應(yīng)力也逐漸下降，前者對后者延遲觸發(fā)的可能性也很小。

致謝：感謝吳傳勇、趙翠萍、楊峰、王偉君和楊攀新對本文提供的幫助。