東安納托利亞斷裂帶近期庫(kù)侖應(yīng)力演化及與2020年埃拉澤MW6.8地震的觸發(fā)關(guān)系

王茗冊(cè) 何仲秋 陳 庭,3

1 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢市珞喻路129號(hào)，430079 2 南方科技大學(xué)理學(xué)院，深圳市學(xué)苑大道1088號(hào)，518055 3 武漢大學(xué)地球空間環(huán)境與大地測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市珞喻路129號(hào)，430079

東安納托利亞左旋走滑斷裂帶(east Anatolian fault zone, EAFZ)是東地中海地區(qū)主要的陸內(nèi)轉(zhuǎn)換斷裂之一，與北安納托利亞右旋斷裂帶(north Anatolian fault zone, NAFZ)共同容納了安納托利亞板塊的西向擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，該斷裂帶同時(shí)也受阿拉伯板塊西北向俯沖作用控制[1-3]。東安納托利亞斷裂帶起于西南的哈塔伊(Hatay)，終止于東北的Karliova三聯(lián)結(jié)點(diǎn)位置，即北安納托利亞斷裂帶和東安納托利亞斷裂帶的交會(huì)處(圖1)。

灰線表示活動(dòng)斷裂；紅線表示主要斷層段；子圖中K為卡利若瓦(Karliova)三聯(lián)結(jié)點(diǎn)位置圖1 研究區(qū)構(gòu)造背景及1822年來(lái)6級(jí)以上地震震源機(jī)制Fig.1 Regional tectonic background in study area and focal mechanism of the historical M>6 earthquakes since 1822

東安納托利亞斷裂帶地震活動(dòng)頻繁，20世紀(jì)以來(lái)多次發(fā)生6級(jí)以上強(qiáng)震[4]。2020-01-24土耳其東部埃拉澤(Elaz)地區(qū)發(fā)生MW6.8地震，震中位置(39.070°E, 38.407°N)，震源深度12 km，總體走向244°N，呈左旋走滑性質(zhì)，破裂長(zhǎng)度約75 km[5]。此次地震發(fā)生于Pütürge斷層段東北部區(qū)域，而該區(qū)域在這次事件之前被認(rèn)為是一個(gè)地震空區(qū)[2]。

東安納托利亞斷裂帶上較為完整的歷史地震記錄為研究該區(qū)域應(yīng)力演化以及地震間的應(yīng)力觸發(fā)關(guān)系提供了良好的條件。已有的研究表明，該斷裂帶區(qū)域存在強(qiáng)震間的應(yīng)力觸發(fā)作用[6-8]。本文以1822年為起始時(shí)間點(diǎn)，計(jì)算東安納托利亞斷裂帶附近區(qū)域6級(jí)以上歷史強(qiáng)震在2020年埃拉澤MW6.8地震震中位置由同震位錯(cuò)以及震后粘彈松弛效應(yīng)產(chǎn)生的庫(kù)侖應(yīng)力變化，同時(shí)考慮震間構(gòu)造加載的影響，研究此次地震與整個(gè)斷裂帶應(yīng)力演化的關(guān)系，并分析東安納托利亞斷裂帶附近各斷層段的應(yīng)力積累情況。

1 模型與方法

1.1 庫(kù)侖應(yīng)力模型

庫(kù)侖破裂準(zhǔn)則認(rèn)為，斷層面的脆性破裂是正應(yīng)力和剪切應(yīng)力的共同作用，當(dāng)斷層面受到的庫(kù)侖應(yīng)力變化為正時(shí)斷層趨向于錯(cuò)動(dòng)，為負(fù)時(shí)則相反。通常用庫(kù)侖破裂應(yīng)力的變化量(ΔCFS)描述斷層破裂的可能性[9-10]：

ΔCFS=Δτ+μ′Δσn

(1)

式中，Δτ為斷層面上剪切應(yīng)力變化量，Δσn為正應(yīng)力變化量，μ′為有效摩擦系數(shù)，一般取0.2～0.8。本文分別計(jì)算μ′=0.2、0.4、0.6時(shí)的結(jié)果，最終選定μ′=0.4。

同震庫(kù)侖應(yīng)力變化是由地震斷層在同震階段短時(shí)間內(nèi)的錯(cuò)動(dòng)引起的[11-12]，地震發(fā)生后下地殼和上地幔的粘彈性介質(zhì)由于震后松弛效應(yīng)會(huì)使地震活動(dòng)斷層的應(yīng)力水平顯著抬升[13]，震間階段由于斷層非震滑動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力加載也會(huì)對(duì)斷層的應(yīng)力積累狀態(tài)造成影響[14-16]。本文基于研究區(qū)域內(nèi)M>6強(qiáng)震的震源位錯(cuò)模型和斷層分段模型，同時(shí)考慮同震、震后和震間效應(yīng)，采用Wang等[17]開(kāi)發(fā)的PSGRN/PSCMP程序計(jì)算庫(kù)侖應(yīng)力變化。

1.2 地球分層介質(zhì)模型

根據(jù)Crust1.0模型[18]參數(shù)，參考Sunbul等[19]的研究結(jié)果，采用Maxwell體模型模擬中下地殼的流變性質(zhì)，建立分層介質(zhì)模型(表1)。由于東安納托利亞斷裂帶位于板塊推擠形成的復(fù)雜構(gòu)造體系之間的過(guò)渡區(qū)，因此本文還選取不同的粘滯系數(shù)來(lái)探討其對(duì)應(yīng)力演化結(jié)果的影響。

表1 分層介質(zhì)模型Tab.1 The stratified medium model

1.3 研究區(qū)域大于6級(jí)歷史強(qiáng)震破裂模型

本文主要參考前人[4-7,19-23]總結(jié)的1822年以來(lái)東安納托利亞斷裂帶附近17次M> 6強(qiáng)震的震源滑動(dòng)模型(表2)。全球GMT目錄(http:∥globalcmt.org)顯示，東安納托利亞斷裂帶區(qū)域地震震源主要位于5～15 km深度，因此本文以10 km作為計(jì)算深度。根據(jù)分層介質(zhì)模型，粘彈性作用從上地殼底部18.5 km的深度開(kāi)始，地震震源集中在孕震層位錯(cuò)深度的中間區(qū)域，故位錯(cuò)深度設(shè)定為18.5 km。

表2 東安納托利亞斷裂帶附近1822年以來(lái)6級(jí)以上歷史地震的破裂參數(shù)Tab.2 Rupture parameters of M>6 earthquakes near EAFZ since 1822

1.4 斷層分段模型

參考已有的斷層段劃分和滑移速率研究結(jié)果[2,6-7,24]，結(jié)合歐洲孕震斷層數(shù)據(jù)庫(kù)(http:∥diss.rm.ingv.it/share-edsf/index)，將東安納托利亞斷裂帶以及北安納托利亞斷裂帶東端部分劃分為6個(gè)斷層段(圖1)，并給出各段平均滑移速率(表3)。斷層的閉鎖深度設(shè)置為18.5 km，即上地殼底部深度，與Reilinger等[1]和Bletery等[25]使用GPS的研究結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

表3 東安納托利亞斷裂帶附近斷層分段參數(shù)[2,6-7,24]Tab.3 Parameters of main fault segmentations near EAFZ

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 同震庫(kù)侖應(yīng)力變化

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，計(jì)算每一次地震對(duì)2020年埃拉澤MW6.8地震(接收斷層)的應(yīng)力觸發(fā)影響，得到圖2?？梢钥闯觯?822年M7.5、1875年M6.7和1992年M6.8地震在2020年MW6.8地震處激發(fā)的同震庫(kù)侖應(yīng)力為負(fù)外，其余歷史地震引起的同震庫(kù)侖應(yīng)力變化都為正。表4顯示，1874年M7.1、1893年M7.1、1905年M6.8以及1939年M7.8地震分別造成了0.964bar、0.207 bar、0.624bar和0.180bar的同震庫(kù)侖應(yīng)力增加，超過(guò)了理論地震觸發(fā)閾值0.1 bar；而1875年M6.7地震產(chǎn)生了5.074 bar的應(yīng)力卸載。多數(shù)地震沒(méi)有造成明顯的促進(jìn)或抑制作用，庫(kù)侖應(yīng)力變化低于0.1 bar，這是由于同震庫(kù)侖應(yīng)力變化的影響隨著距離的增加而迅速衰減，并與源斷層的破裂程度有關(guān)。由于1875年M6.7地震對(duì)應(yīng)力的卸載，導(dǎo)致歷史地震激發(fā)的同震庫(kù)侖應(yīng)力變化累積為負(fù)，因此認(rèn)為同震應(yīng)力的觸發(fā)作用不明顯。

綠色震源球表示各個(gè)歷史地震(源斷層)震源機(jī)制；紅色和藍(lán)色震源球分別代表2020年埃拉澤MW6.8地震(接收斷層)震中位置庫(kù)侖應(yīng)力變化為正值和負(fù)值圖2 1822年以來(lái)東安納托利亞斷裂帶附近6級(jí)以上歷史地震破裂引起的同震庫(kù)侖應(yīng)力變化Fig.2 Coseismic Coulomb failure stress changes caused by ruptures of M>6 earthquakes near EAFZ since 1822

表4 1822年以來(lái)6級(jí)以上地震在2020年埃拉澤MW6.8地震震源處的庫(kù)侖應(yīng)力變化Tab.4 Coulomb failure stress changes at the epicenter of 2020 Elazl MW6.8 earthquake caused by M>6 earthquakes since 1822

表4 1822年以來(lái)6級(jí)以上地震在2020年埃拉澤MW6.8地震震源處的庫(kù)侖應(yīng)力變化Tab.4 Coulomb failure stress changes at the epicenter of 2020 Elazl MW6.8 earthquake caused by M>6 earthquakes since 1822

日期同震庫(kù)侖應(yīng)力/bar0.20.40.6(同震庫(kù)侖應(yīng)力+震后粘彈性應(yīng)力)/bar模型1模型20.20.40.60.20.40.61822-08-13-0.034-0.028-0.023-0.496-0.431-0.365-0.349-0.307-0.2651866-05-120.0250.0230.0220.2690.2660.2630.1550.1510.1461872-04-030.0020.0020.0010.0470.0390.0310.0290.0250.0201874-05-030.7520.9641.1772.3492.6332.9171.7962.0482.3011875-03-27-5.397-5.074-4.751-4.257-3.849-3.441-4.732-4.355-3.9781893-03-020.2290.2070.1850.8290.7730.7170.6070.6040.5991905-12-040.7060.6240.5411.5831.4111.2381.2301.1281.0261924-09-130.0010.0010.0000.0170.0160.0150.0090.0090.0081939-12-260.0880.1800.2710.1820.2780.3740.2010.3300.4591949-08-170.0170.0150.0120.0920.0810.0680.0470.0400.0321966-08-190.0010.0010.0010.0190.0190.0190.0080.0080.0091971-05-220.0060.0060.0060.0370.0380.0380.0140.0130.0111975-09-060.0000.0000.000-0.002-0.006-0.0100.000-0.001-0.0031983-10-300.0010.0010.0000.0120.0110.0100.0060.0060.0051992-03-13-0.011-0.010-0.009-0.036-0.038-0.040-0.019-0.018-0.0172003-05-010.0080.0080.0080.0360.0350.0340.0160.0160.0162010-03-080.0410.0400.0390.0900.0840.0780.0520.0500.048凈庫(kù)侖應(yīng)力-3.565-3.040-2.5200.7711.3601.946-0.930-0.2530.417

注：0.2、0.4、0.6為有效摩擦系數(shù)。

2.2 震后粘彈性應(yīng)力變化

歷史地震對(duì)2020年埃拉澤MW6.8地震產(chǎn)生的震后粘彈性應(yīng)力變化及積累變化如圖3和圖4(b)所示?？梢钥闯?，1866年M7.2、1874年M7.1、1875年M6.7、1893年M7.1和1905年M6.8地震震后的粘滯松弛效應(yīng)引起2020年埃拉澤MW6.8地震處的應(yīng)力增加，且明顯超過(guò)地震觸發(fā)閾值，應(yīng)力累積增加4.4 bar。綜合震后粘滯松弛效應(yīng)與同震位錯(cuò)共同引起的庫(kù)侖應(yīng)力變化，得到1.36 bar的應(yīng)力增加，反映出東安納托利亞斷裂帶附近的震后粘滯松弛效應(yīng)對(duì)后續(xù)地震的觸發(fā)有重要影響(圖5)。

綠色震源球表示各個(gè)歷史地震(源斷層)震源機(jī)制；紅色和藍(lán)色震源球分別代表2020年埃拉澤MW6.8地震(接收斷層)震中位置庫(kù)侖應(yīng)力變化為正值和負(fù)值圖3 1822年以來(lái)東安納托利亞斷裂帶附近6級(jí)以上歷史地震震后粘彈性松弛效應(yīng)引起的庫(kù)侖應(yīng)力變化Fig.3 Coulomb failure stress changes caused by postseismic viscoelastic relaxation of M>6 earthquakes near EAFZ since 1822

紅色和藍(lán)色震源球分別代表2020年埃拉澤MW6.8地震(接收斷層)震中位置庫(kù)侖應(yīng)力變化為正值和負(fù)值；綠色五角星表示各個(gè)歷史地震；黑色矩形框表示1874年地震和1875年地震間的地震空區(qū)范圍圖4 東安納托利亞斷裂帶附近同震、震后以及震間作用下積累的庫(kù)侖應(yīng)力變化Fig.4 Coulomb failure stress changes accumulated during coseismic, postseismic and interseismic interactions near EAFZ

紅線為同震庫(kù)侖應(yīng)力變化；黃線和棕線分別為基于模型1和模型2計(jì)算得到的震后粘彈性庫(kù)侖應(yīng)力變化圖5 2020年埃拉澤MW6.8地震震中庫(kù)侖應(yīng)力積累隨強(qiáng)震時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.5 Trends of Coulomb stress accumulation in the epicenter of the 2020 Elazl MW6.8 earthquake with the timing of historical events

2.3 震間構(gòu)造加載

運(yùn)用負(fù)位錯(cuò)理論[15-16]計(jì)算震間構(gòu)造加載應(yīng)力[6,14]。圖4(c)顯示了東安納托利亞斷裂帶附近6個(gè)斷層段的震間構(gòu)造加載作用引起的應(yīng)力變化?？梢钥闯觯?020年埃拉澤MW6.8地震處的應(yīng)力加載為0.037 6 bar/a。1822年以來(lái)，震間構(gòu)造加載作用產(chǎn)生了7.444 bar的應(yīng)力積累，抵消了1875年M6.7地震產(chǎn)生的同震應(yīng)力卸載和1822年M7.5地震后的粘彈性應(yīng)力卸載，對(duì)2020年埃拉澤MW6.8地震有顯著的促進(jìn)作用。

2.4 東安納托利亞斷裂帶上的應(yīng)力積累

圖4顯示了東安納托利亞斷裂帶上歷史地震同震位錯(cuò)、震后粘滯松弛效應(yīng)、斷層震間構(gòu)造加載以及三者共同作用下積累的庫(kù)侖應(yīng)力變化?？梢钥闯?，S1主要受同震位錯(cuò)和震間構(gòu)造加載效應(yīng)的影響，應(yīng)力積累狀態(tài)不明顯；S3和S5受同震位錯(cuò)的影響，斷層上的應(yīng)力被卸載，應(yīng)力積累狀態(tài)較低；S2和S6上的應(yīng)力增加顯著，與Nalbant等[6]和Sunbul[7]的研究結(jié)果大體一致。在S4段南部，即1874年地震和1875年地震間的地震空區(qū)

(圖4(d))，應(yīng)力加載狀態(tài)明顯，而在前面的研究中這部分?jǐn)鄬拥膽?yīng)力積累狀態(tài)不活躍。這是因?yàn)檎痖g構(gòu)造加載應(yīng)力的計(jì)算差異所致，Nalbant等[6]只考慮到持續(xù)至2002年的震間構(gòu)造加載效應(yīng)，而Sunbul[7]則是通過(guò)地殼應(yīng)變率場(chǎng)計(jì)算震間構(gòu)造加載應(yīng)力變化。

3 不同模型參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

3.1 下地殼與上地幔粘滯系數(shù)

庫(kù)侖應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果會(huì)因?yàn)檫x取的分層介質(zhì)模型參數(shù)、有效摩擦系數(shù)等參數(shù)不同而發(fā)生變化。震后粘彈性應(yīng)力變化對(duì)總庫(kù)侖應(yīng)力變化的貢獻(xiàn)取決于地球分層介質(zhì)的粘彈性結(jié)構(gòu)。下地殼和上地幔的粘滯系數(shù)升高會(huì)減小震后粘彈性應(yīng)力變化的幅度[26]。本文分別采用表1中2種模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖5和表4?？梢钥闯?，模型2中單個(gè)歷史地震對(duì)2020年埃拉澤MW6.8地震造成的震后粘彈性應(yīng)力變化幅值比模型1小0～0.59 bar，累積的震后粘彈性應(yīng)力變化小1.5～1.7 bar，因此不同粘滯系數(shù)造成的應(yīng)力變化差異不能忽略。Keskin[27]的研究表明，土耳其東部的地幔巖石圈較弱，結(jié)合Sunbul等[19]的震后效應(yīng)研究結(jié)果，本文認(rèn)為該區(qū)域設(shè)置較低的粘滯系數(shù)(模型1)更合理。

3.2 有效摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)決定著剪切應(yīng)力和正應(yīng)力對(duì)斷層面的權(quán)重影響，一般認(rèn)為較低的有效摩擦系數(shù)比較適用于走滑型斷層，傾滑斷層則應(yīng)選擇較高的有效摩擦系數(shù)[11-12]。本文研究的地震大部分是走滑型地震，因此分別選取0.2、0.4和0.6作為有效摩擦系數(shù)進(jìn)行計(jì)算并分析。從表4中看出，隨著有效摩擦系數(shù)的變化，模型1下歷史地震對(duì)2020年埃拉澤MW6.8地震引起的同震庫(kù)侖應(yīng)力以及震后粘彈性應(yīng)力變化的總體態(tài)勢(shì)均沒(méi)有改變，數(shù)值大小變化在0.3 bar以內(nèi)，積累的同震和震后庫(kù)侖應(yīng)力變化增加0.6 bar左右?？紤]到東安納托利亞斷裂帶區(qū)域的斷層滑移速率水平，將有效摩擦系數(shù)設(shè)置為0.4較為合理。

3.3 地震斷層參數(shù)

地震震源機(jī)制解或斷層面參數(shù)具有不唯一性，意味著庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果會(huì)受到震源位置、接收斷層參數(shù)的影響。對(duì)于相距較遠(yuǎn)的地震，震源定位誤差對(duì)應(yīng)力變化結(jié)果影響甚微，而對(duì)于1874年M7.1、1875年M6.7、1893年M7.1以及1905年M6.8這些距離相近的地震，震源定位誤差造成的應(yīng)力誤差可能會(huì)被放大。2020年埃拉澤MW6.8地震發(fā)生在1875年地震引起的同震庫(kù)侖應(yīng)力變化正負(fù)交界處，不排除震源定位不同在這樣變化劇烈的位置會(huì)造成較大應(yīng)力結(jié)果誤差的可能性，需要在今后的研究中進(jìn)一步探討。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)共有14個(gè)歷史地震在2020年埃拉澤MW6.8地震處引起同震庫(kù)侖應(yīng)力增加，其中4個(gè)地震增加值超過(guò)0.1 bar，1875年M6.7地震的同震位錯(cuò)效應(yīng)則釋放了5.074 bar的應(yīng)力積累。

2)下地殼和上地幔粘彈性介質(zhì)的震后松弛效應(yīng)對(duì)2020年埃拉澤MW6.8地震震中處的應(yīng)力增加有重要的貢獻(xiàn)。震后粘彈性應(yīng)力的積累抵消了同震應(yīng)力積累后對(duì)該區(qū)域的應(yīng)力卸載作用，并造成了1.36 bar的應(yīng)力積累。

3)斷層的震間構(gòu)造加載作用對(duì)2020年埃拉澤MW6.8地震產(chǎn)生了7.444 bar的構(gòu)造應(yīng)力積累。Turkoglu、Lake Hazar和Yedisu段積累了同震、震后和震間3種效應(yīng)下的庫(kù)侖應(yīng)力，且包含歷史地震空區(qū)，未來(lái)地震活動(dòng)危險(xiǎn)性較高。