基金项目:国家自然科学基金“川滇地区构造应力场环境与地震活动性关系研究”(41004021)与“断层的地震成核-失稳过程受应力扰动影响的研究”(41104036)联合资助.
(1. 云南省地震局,云南 昆明650224; 2.云南大学 地球物理系,云南 昆明650091)
(1.Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming 650224,Yunnan,China)(2.School of Resource Environment and Earth Sciences,Yunnan University,Kunming 650091,Yunnan,China)
Dayao M6.2,M6.1 earthquakes; focal mechanism solutions; tectonic stress field; coulomb failure stress
备注
基金项目:国家自然科学基金“川滇地区构造应力场环境与地震活动性关系研究”(41004021)与“断层的地震成核-失稳过程受应力扰动影响的研究”(41104036)联合资助.
利用2003年7月21日、10月16日大姚6.2、6.1 级地震余震序列的震源机制解资料,采用滑动方向拟合法反演出大姚两次强震的构造应力,定量给出其构造应力变化量。以反演得到的2003年大姚6.2、6.1级地震构造应力为基础,分别计算两次强震后产生的静态库仑破裂应力变化,研究大姚6.2级地震引起的应力变化是否触发了6.1级地震。结果 显示:两次地震发生后震源区构造应力场最大主压应力S1作用由北东向近水平作用为主转为北东东向水平作用,6.2 级地震对6.1 级地震有明显的触发作用。
Using the focal mechanism solutions of aftershock sequence of Dayao M6.2,M6.1 earthquakes occurred on Jul.21 and Oct.16 in 2003,we inversed the tectonic stress of these two strong earthquakes by slips direction fitting method and obtained their tectonic stress variation. Basing on the tectonic stress of these two earthquakes,we calculated static coulomb failure stress variation after these two strong earthquakes and studied whether the tectonic stress of Dayao M6.2 earthquake triggered the Dayao M6.1 earthquake. The results showed that the maximum principal stress S1 of tectonic stress field which was nearly horizontal action with NE turned to NEE direction in the focal zone after two strong earthquakes. The Dayao M6.2 earthquake on Jul.21 apparently triggered the Dayao M6.1 earthquake on Oct.16 in 2003.
引言
2003年7月21日、10月16日在云南省大姚县先后发生了6.2、6.1级地震,震中位于滇中构造块体内部。该区历史上地震活动较弱,1993年前,仅记录到M≥5.0地震5次。然而自1993年以来,该区地震活动明显增强,中强地震频发,相继发生了1993年2月1日大姚5.3级地震、1993年8月14日姚安5.6 级地震、2000年1月15日姚安5.9级、6.5级地震和2003年大姚6.2级、6.1级地震。云南地区6级以上地震主要沿着一些主要断裂带分布,地震的发生都能找到对应的发震构造,但上述这6次地震没有发生在明显的断裂构造附近(苏有锦,2004)。为了探讨该地区强震发生的动力背景及双震发生的机制,张建国等(2009),华卫等(2006),周龙泉等(2007)从地震构造、地壳速度结构及震源特征等方面对这6次地震进行了研究。
谢富仁等(1994,2011)研究表明,地壳中的应力状态与地震活动关系密切,活动断裂带的构造应力方向、类型变化的部位是易发生强震的地点; 均匀区域应力场背景上的局部应力变化是强震活动相对集中的地区。构造应力场是强震孕育、发生的动力学来源,而断层之间相互作用引起的应力变化也能触发强震。本文旨在探讨2003年大姚两次强震的构造应力处于什么状态?是否与区域构造应力一致?两次地震的构造应力是否发生了改变?2003年7月21日大姚6.2级地震引起的应力变化是否触发了10月16日大姚6.1级地震。
构造应力的基础资料包括震源机制解、断层滑动反演、钻孔崩落、水压致裂和应力解除资料等。其中断层滑动反演、钻孔崩落、水压致裂和应力解除资料反映的是地壳浅部的应力状态,而震源机制解资料主要反映了中、上地壳的应力状态,地震的发生一般在十至数十公里深的地壳内部,震源机制解资料能更好的反映构造应力环境。通常对震源机制解进行统计分析得到P、T和N轴的优势方位,这个优势方位代表该地区的构造应力场方向。但P、B、T轴并不等同于构造应力场的3个主应力σ1、σ2 和σ3轴,统计分析得到P、T和N轴的优势方位只能对构造应力场进行大致的方向性描述,很难准确描述某一地区的构造应力场特征。
笔者利用2003年7月21日、10月16日在大姚6.2、6.1 级地震余震序列的震源机制解资料,采用滑动方向拟合法(许忠淮,1985)反演出两次强震的构造应力,对其进行对比分析,定量给出两次地震的构造应力变化量。
地震是应力积累到一定程度,地壳岩层突然破裂、错动的一种自然现象(徐纪人等,2008)。强震的同震位错会引起附近区域的应力变化,其通过持久性地改变施加在断层上的应力来影响后续地震,应力变化将影响断裂的破裂失稳条件,当应力变化为正值时,加速了周围断裂或临近区域的应力累积,使下次地震提前发生,这种作用即为增震作用,也称为地震触发效应; 相反,应力变化为负值时,周围断裂或临近区域的应力累积进程会被延缓滞后(万永革等,2000,2002; 刘桂萍,傅征祥,2001; 张国民,李丽,1997; Harris,1998; 吴小平等,2007)。华卫等(2006)对2003年大姚6.2、6.1级地震库仑破裂静应力变化研究表明,7月21日6.2级地震对10月16日6.1级地震有明显的触发作用,但其在计算地震库仑破裂静应力变化时没有考虑构造应力的影响。
笔者以反演得到的2003年大姚6.2、6.1级地震构造应力为基础,分别计算两次强震后产生的静态库仑破裂应力变化,探讨2003年7月21日大姚6.2级地震引起的应力变化是否触发了10月16日大姚6.1级地震。
1 震源区构造应力场反演
1.1 计算方法(1)断层面上剪应力的方向
设控制断层滑动的应力张量为T,则作用于断层面上的力(图1a)
f '=T·n.(1)
式中,n为断层面单位法向矢量。f '可以分解成沿断层面的剪应力τ'shear和垂直断层面的正应力σ'n
f '=τ'+σ'n.(2)
则断层面上的剪应力
τ'=T·n-(n·T·n)·n.(3)
应力张量T可以用含有归一化偏应力张量D的形式来表示(Angelier,1979; 谢富仁等,1994; 许忠淮,戈澍谟,1984)
T =t1D + t2I.(4)
式中,I为单位矩阵; t1(> 0),t2为任意数。由于只有偏应力张量D才产生剪应力
τ=D·n-(n·D·n)·n.(5)
所以τ与τ'的方向相同,如图1b所示。
图1 断层面上应力示意图
(n为断层面单位法向矢量,f '为断层面上应力,τ'为断层面上剪应力,σ'n为断层面上正应力,S为断层面滑动方向,α为断层面上剪应力与滑动方向间的夹角; f,σn和τ分别 是偏应力张量作用于断层面上的应力、正应力和剪应力)
Fig.1 Schematic diagram of stress on the fault plane(n is unit normal vector,f ' is stress,τ' is shear stress,σ'n is the normal stress,S is the sliding direction,α is angle between shear stress and slip direction on the fault plane; f,σn and τ is the stress,normal stress and shear stress which are deviator stress tensor acting on the fault plane)Φ=(σ2-σ3)/(σ1-σ3).(6)
(2)断层面上剪应力的相对大小
若要使断层真正产生滑动,剪应力的大小应符合摩擦滑动准则
τ'=C0+μσ'n,(7)
其中,μ是摩擦系数,C0为聚合强度。对于断层C0可以忽略不计(Brace,Kohlstedt,1980; Zoback,1992),式(7)可改写成
τ'/σ'n=μ.(8)
由于只有偏应力张量D才产生沿断层面的剪应力,球应力张量部分只对正应力有影响,由式(3)、(4)和(5)推出(图1b)
τ/σn≥τ'/σ'n.(9)
也就是说,当偏应力张量作用在断层面上剪应力与正应力的大小之比满足
τ/σn≥μ.(10)
时,断层才能产生滑动。
1.2 基础资料据云南数字地震台网测定,2003 年7 月21 日23 时16 分30 秒,云南大姚发生了M6.2地震,震中位置(25.95°N,101.23°E),震源深度为6 km。之后,10 月16 日20 时28 分03 秒,在该区再次发生M6.1地震,震中位置(25.92°N,101.30°E),震源深度为5 km,位于第1 次地震东南向约8 km 处(图2)。震后,云南省地震局在地震现场布设了临时地震台网,自震后第二天进行了为期一个月的近源观测,监测余震的发展趋势,获得了丰富的数字化余震记录。读取台网接收到的波形资料中的P波初动和振幅比,反演得到了两次主震和49个余震的震源机制解(表1、表2)。其中大姚6.2级地震有37个余震震源机制解,大姚6.1级地震有12个余震震源机制解。
F1:元谋断裂; F2:攀西断裂; F3:程海—宾川断裂;
F4:红河断裂; F5:南华—楚雄断裂;
F6:牟定断裂; F7:鹤庆—洱源断裂
1.3 区域构造应力场由大姚6.2级地震的37个余震、6.1级地震的12个余震的震源机制解资料,利用Max Wyss和Stefan Wiemer的震源机制应力反演软件ZMAP程序,分别反演了大姚6.2、6.1级地震时,在大姚附近地区的区域构造应力场(表3)。从图3a可以看出,大姚6.2级地震所在地区的区域最大主压应力以水平分量为主(倾角为28°),方位角呈南西向(方位角为240°),代表应力值相对大小的R值为0.4。从图3b可以看出,大姚6.1级地震所在地区的区域最大主压应力以水平分量为主(倾角为6°),方位角呈南西向(方位角为250°),代表应力值相对大小的R值为0.4。从图3b可以看出,大姚6.1级地震所在地区的区域最大主压应力以水平分量为主(倾角为6°),方位角呈南西向(方位角为250°),代表应力值相对大小的.6。
表2 2003年7月21日、10月16日大姚6.2、6.1级地震序列余震震源机制解
Tab.2 Focal mechanisms of aftershocks of Dayou Ms6.2 earthquake on Jul.21 and Ms6.1 earthquake on Oct.16 in 2003表3 大姚6.2、6.1级地震构造应力场反演结果
Tab.3 Inversion results of tectonic stress field of Dayao MS6.2,MS6.1 earthquakes(a)(b)
图3 反演得到的大姚6.2级(a)、6.1级(b)地震区域构造应力场
Fig.3 Regional tectonic stress field of Dayao MS6.2(a),MS6.1(b)earthquakes obtained in inversion崔效锋和谢富仁(1999)通过利用震源机制解反演我国西南及邻区构造应力,对应力场进行了分区,大姚两次强震所在的区域位于应力场分区的D区(表4)。对比反演得到的大姚两次地震构造应力与应力场分区D区构造应力,可以发现两次地震构造应力最大主应力轴S1方位分别相差21°和11°,仰角分别相差5°和17°; R值分别相差0.01和19。虽然最大主应力轴S1方位分别相差21°和11°,但其方位均为北北东向,反演得到大姚两次地震构造应力的最大主应力轴S1方位与区域构造应力基本一致。
Yunnan(Cui,Xie,1999)3 最优取向断层面投影的库仑破裂应力变化计算
4 结论与讨论
震源机制解滑动方向拟合法结果不仅具有实际物理意义,并且是定量化的,避免了利用震源机制解的P、T 轴分析带来的系统偏差。另外,由于震源机制解真实反映了深部地壳现今应力状况和断层构造的运动特性,因而其结果可能比其它资料得到的结果可靠性更高。
由大姚M6.2、M6.1地震余震震源机制解,反演得到的大姚两次地震震源区的区域构造应力场结果显示:大姚M6.2地震震源区最大主压应力S1方位角为240°,仰角为28°,相对大小的R值为0.4; 大姚6.1级地震震源区最大主压应力S1方位角为250°,仰角为6°,相对大小的R值为0.6。大姚6.1与6.2级地震S1方位角和仰角相比,大姚M6.1地震S1方位角相差10°,仰角相差22°,R值相差0.2。这说明两次地震发生后构造应力场发生了微小改变,震源区构造应力场最大主压应力S1作用仍为北东东向水平作用。
此次大姚6.2、6.1级双震,震中位置十分靠近,余震的空间分布呈不均匀单侧展布,其余震序列空间分布优势方向北西西—南东东的展布方向与震源机制节面B、地震的等震线长轴走向基本一致,表明两次地震受控于同一发震断层。大姚6.1级地震余震序列位于6.2级地震时断层破裂不充分的东南端,表明大姚6.1级地震是6.2级地震在同一断层向东南端延伸的另一次破裂。地震库仑破裂静应力变化的计算结果表明,7 月21日大姚6.2级地震对10月16日6.1级地震有明显的触发作用,这种触发作用可能与两次地震受控于同一断裂相关。
3.1 原理和方法根据库仑破裂准则,使岩石破裂失稳的库仑破裂应力为(King et al,1994)
σf=τβ-μ(σβ-p).(11)
式中,σβ为断层面上的正应力,τβ为切应力,p为孔隙流体压力,μ为断层面介质的摩擦系数。
如果断层面与主应力σ1轴的夹角为β(图4),则正应力和切应力可以表示为
σβ=1/2(σ1+σ3)-1/2(σ1-σ3)cos2β,(12)
τβ=1/2(σ1-σ3)sin2β.(13)
其中,σ1是最大主应力; σ3是最小主应力。式(11)为
σf=1/2(σ1-σ3)(sin2β-μcos2β)-1/2μ(σ1+σ3)+μp.(14)
对式(14)求β的偏微分,可以发现β满足cot2β=-1/μ时,库仑破裂应力取最大值σmaxf。
图4 最优取向断层面上应力的坐标系示意图
Fig.4 Sketch map of coordinate system on the fault plane stress in optimal orientationσf=τβ-μ'σβ.(15)
μ'包括了孔隙流体和断层面上的介质特性,一般μ'取0.2~0.8。由于难以对地壳应力值直接进行精确测量,因此利用库仑破裂应力变化可估计应力的相对变化,式(15)可改写为
Δσf=Δτβ-μ'Δσβ.(16)
式中,Δσβ为断层面上的正应力变化,Δτβ为切应力变化。
库仑破裂应力变化定义于具体的断层面,所谓最优取向断层面是指计算库仑破裂应力变化时,某一产状接收断层面上计算得到的库仑应力变化大于同一地点其他产状的接收断层面上得到的应力变化幅值,这类产状的接收断层即是最优取向断层。以最优取向断层面投影计算得到的应力变化空间分布,可以解释余震分布情况,也可以预测未来后续地震活动的空间分布。
要计算最优取向断层面上的库仑破裂应力变化,首先用Okada(1992)给出的静态位移和应变的解析表达式,计算震源断层在接收断层面处产生的应变分量,由胡克定律计算出应力分量σqij。然后将已计算出的σqij和区域构造应力σrij叠加得到总应力:
σtij=σrij+σqij.(17)
由总应力σtij确定主应力轴方向,如图2所示,θ为最大主应力轴与x轴的夹角:
θ=1/2tan-1((2σtxy)/(σtxx-σtyy)).(18)
此时最优取向断层面的方向ψ0通过(θ±β)得以确定。
虽然最优取向断层面的方向性通过总应力确定,但是该断层面上的正应力和切应力变化值却只取决于震源断层产生的应力变化,因此在最优取向断层面上的库仑破裂应力变化表示为
σ33=σqxxsin2ψ0-2σqxysinψ0cosψ0+σqyycosψ0,(19)
τ13=1/2(σqyy-σqxx)sin2ψ0+τqxycos2ψ0.(20)
求得σ33和τ13的相对变化Δσ33与Δτ13,进而最优取向投影方向上的库仑破裂应力变化(King et al,1994)
Δσoptf=Δτ13-μ'Δσ33.(21)
3.2 计算步骤笔者使用的大姚地区的地壳模型见表5,该模型参考了国家地震局82测深工程有关资料和阚荣举和林中洋(1986),王椿镛等(2002),吴建平等(2001),胡家富等(2003),周龙泉等(2007)有关云南地壳结构的研究,并在上部增设了一个弹性半空间,表5中S波速度VS由经验关系式VP=1.73VS确定,密度由周真恒等(2001)对云南地壳和上地幔的岩石学结构研究给出。
研究区域以大姚6.2级地震震中为中心的(100×100)km2的区域,如图5a所示,图中中间粗线表示地震断层在地面的投影。
利用P波初动和振幅比对大姚M6.2、M6.1级地震序列求解得到的震源机制解(表1),结合两次地震的等震线图(图2),得到两次地震的断层参数,如表6所示,断层长度据华卫等(2006)运用地震标定律对两次地震研究得到的结果,分别取15.1 km和13.8 km。
表6 大姚主震断层参数
Tab.6 Fault parameters of Dayao MS6.2、MS6.1 earthquakes笔者利用Robinson和McGinty(2000)根据Okada(1992)方法编制的GNStress程序计算地震产生的库仑破裂静应力变化。取μ'= 0.75,计算结果见图5,图中蓝色区域代表库仑破裂应力变化为负的地区,红色区域代表库仑破裂应力变化为正的地区,空心圆圈代表地震。
3.3 库仑破裂静应力变化根据表5中地壳模型和表6中大姚6.2级地震断层参数,以反演得到的大姚6.2级地震震源区构造应力场为基础建立最佳断层投影面。由于大姚6.2级地震震源深度在5 km。因此,我们计算此次地震在深度为5 km处的地震库仑破裂静应力变化(图5a)。由图可见,6.2级地震位于库仑破裂静应力变化为正值的地区,库仑破裂静应力变化大约在0.16~0.179 MPa之间,静态库仑破裂应力变化触发阈值一般为0.1 MPa,这表明6.1级地震可能是由6.2级地震触发的结果。
根据地壳模型(表5)和大姚6.1级地震断层参数(表6),以反演得到的大姚6.2、6.1级地震震源区构造应力场为基础建立最佳断层投影面。由于10月16日6.1级地震序列震源深度在2~10 km之间,平均深度6 km。因此,我们计算的是6.2、6.1级地震在深度为6 km处的地震库仑破裂静应力变化(图5b)。由图可见,库仑破裂静应力变化为正值的地区最大值为0.098 1 MPa,小于静态库仑破裂应力变化触发阈值0.1 MPa。这表明
(a)(b)
图5 地震库仑破裂静应力变化计算结果
(a)大姚MS6.2地震;(b)大姚MS6.1地震
Fig.5 Calculation results of variation of seismic coulomb static stress(a)Dayao MS6.2 earthquake;(b)Dayao MS6.1 earthquake6.1级地震发生后,由6.2、6.1级地震共同产生的静态库仑破裂应力为正值的地区虽然面积较大,但其最大值为0.098 1,小于静态库仑破裂应力变化触发阈值,其对后续地震的发生作用较弱。
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