1974年4月22日在苏皖交界的溧阳地区发生了M_S5.5地震,震源深度16 km(贺楚儒等,1988),5年后的1979年7月9日几乎在同一位置又发生了M_S6.0地震,震源深度12 km(贺楚儒,张德齐,1990)。5年内原地重复发生两次破坏性地震的情况在中国东部的板内地震中非常少见(叶洪等,1980)。

溧阳两次地震造成了大量的人员伤亡和财产损失。地震发生后专家们先后对其进行了大量研究分析。对1974年M_S5.5地震的发震构造问题,贺楚儒等(1983)、叶洪等(1980)和Chung等(1995)意见较为一致,认为其发震断裂应为NWW向断裂。而对1979年M_S6.0地震的发震断裂问题则一直没有较为统一的意见。叶洪等(1980)应用零矢量方法研究了1979年M_S6.0地震与其余震的震源机制解,分析认为该地震是在NEE向挤压应力作用下,沿着NE向的茅山断裂带东支发生了右旋走滑兼有正断层性质的错动。林邦慧等(1982)、刘万琴和黄家正(1982)分别利用P波频谱和瑞利波方向性函数对溧阳M_S6.0地震进行研究,认为此次地震是NW向断层向SE方向发生的左旋走滑破裂。Chung 等(1995)利用2°～90°之间的长周期P波、SH波及短周期远震PD波的波形数据,确定了此次地震具有逆冲分量的走滑震源机制,但对于此次地震的发震断裂没有给出具体的意见。对于两次地震之间的关系,朱春俊(1992)、胡连英(1997)和叶洪等(1980)认为这不是两次孤立的地震事件,两次地震之间必然存在一定的联系。

本文分别计算了溧阳两次地震引起的同震库仑应力变化,并与余震分布情况进行对比分析,根据分析结果提出1979年溧阳M_S6.0地震发震断裂的意见,判断1974年地震是否对1979年地震具有触发作用。

库仑破裂应力是指作用在断层面上,克服摩擦阻力使断层滑动的力,而库仑破裂应力变化是指库仑破裂应力的改变量(王连捷等,2008)。地震发生时所释放的断层上所积累的应力并没有完全凭空消失,而是通过传输,转移至周边地区,导致邻近区域内的应力升高或者降低,进而触发或者抑制这些地区的地震活动(单斌等,2010)。近几年来,大地震产生的库仑破裂应力变化对后续的地震活动造成的影响受到广泛关注(Harris,1998; Parsons,Dreger,2000; Toda et al,2011; 石耀霖,曹建玲,2010),并已被诸多震例研究所证实(Stein et al,1994; King et al,1994; Toda et al,2008)。许多震例表明,大地震后库仑应力的变化对后续地震活动有促进作用,很小的库仑应力变化就可能对地震的活动性及时空分布产生较大的影响(Stein et al,1997; Deng,Sykes,1997)。

自2008年汶川大地震发生后,地震引发的库仑应力变化研究迅速受到了研究学者们的关注,分别从不同角度对库仑应力计算过程中的若干问题、库仑应力变化与余震分布的对应关系、库仑应力变化对周边断裂活动的影响等方面进行了深入的探讨。

库仑破裂应力变化的表达式如下(Okada,1992; King et al,1994):

ΔCFS=Δτ+μ'Δσ_n(1)

式中,ΔCFS为库仑破裂应力变化,Δτ为剪切应力变化,Δσ_n为正应力变化,μ'为有效摩擦系数。根据库仑破裂准则,断层面上的剪切应力大于或等于阻碍滑动的摩擦力时,沿断层面就会发生摩擦滑动。诸多震例研究成果表明,地震所引发的库仑应力增加的区域有利于后续地震的发生,而负值区则明显抑制后续地震的发生(Lin,Stein,2004; Toda et al,2011)。

溧阳地震处于华南块体的扬子地台接近与华北块体接壤的北部边界(Chung et al,1995)。这一地区的典型特点是一系列晚中生代到早新生代和中新生代时期形成的隆起和凹陷相间展布(贺楚儒,张德齐,1990)。溧阳M_S6.0地震即发生在茅山东侧断陷盆地内,该盆地是一个新生代断陷盆地(叶洪等,1980)。隆起和凹陷多被一系列规模较大的断裂分隔开来。

震区与此次地震活动相关的主要断裂有(图1):

(1)茅山断裂带。茅西断裂位于茅山西侧,总体呈NE30°方向延伸,倾向SE,总长约110 km(江苏省地质矿产局,1984)。茅东断裂为NNE向,切割NE向的逆冲断裂和NNE向推覆构造,长约85 km,断裂走向NE10°～20°,倾向多为SE,主要出露在金坛致和至高淳花山。该断裂具有多

F₁:茅山断裂带; F₂:金坛—南渡断裂;

F₃:溧阳—南渡断裂

图1 溧阳地区主要断裂分布图
Fig.1 Distribution of main fractures in Liyang area

(2)金坛—南渡断裂。呈NNE向延伸,长约80 km,1974年和1979年溧阳2次地震的余震多沿该断裂呈带状分布。跨越金坛—南渡断裂的水准观测资料表明,在溧阳1979年M_S6.0地震前后具明显差异(侯康明等,2012)。根据上述资料及地震活动情况,可推断该断裂应属于第四纪晚更新世活动断裂。

(3)溧阳—南渡断裂。该断裂向近EW向延伸长约20 km,与金坛—南渡断裂相交,大部分为第四系所覆盖,属隐伏断裂(侯康明等,2012)。

1979年7月9日溧阳地区发生M_S6.0地震,其后又发生了多次余震。自1979年7月9日主震后至1980年1月31日共记录到余震336次(M_S≥0),其中M_S≥4.0的余震有2次,均为走滑型错动(叶洪等,1980)。由图2可以看出,溧阳M_S6.0地震震中位于NE向的金坛—南渡断裂与近EW向的溧阳—南渡相交的位置,余震大多分布在主震震中附近,大致沿EW向溧阳—南渡断裂分布,另有少数余震分布较为分散。整体上来看,几乎所有的余震都处在金坛—南渡断裂的东侧,极少数余震发生在其西侧。

溧阳M_S6.0地震发生后,国内外相关科研机构

F₁:茅山断裂带; F₂:金坛—南渡断裂;

F₃:溧阳—南渡断裂

图2 1979年溧阳MS6.0地震及其余震震中分布图
Fig.2 Distribution of epicenters of Liyang MS6.0 earthquake and its aftershocks in 1979

表1中所列2组不同机构提供的震源机制解数据虽然有所不同,但差别极小,因此本文选取第二组震源机制解参数(Chung et al,1995)作为发震断层,利用Coulomb3.3程序进行同震库仑应力变化计算,根据中国地震台网数据设定震源深度为12 km,断层面参数根据Coulomb3.3程序所提供的经验公式计算获得,计算深度设定为12 km。

由计算出的应力变化与余震分布对比图样(图3)可以看出:(1)震中附近区域主要为应力减小区域,在距震中约数千米的外围区域,应力变化呈现不同分布,应力增加区域和应力减小区域呈间隔分布;(2)对比计算所得的同震库仑应力变化与余震分布可得,由NE走向的节面II所得的计算结果中只有少数余震处在应力增加的区域,其余则处在应力减小区域和边缘地带; 而由NW走向的节面I所得的计算结果中绝大多数余震都分布在应力增加的区域,且余震发生、发展的趋势与应力增加区域的方向趋势和范围非常一致。因此,相比于NE走向的节面II,NW走向的节面I计算所得的应力变化增加的区域与余震的分布更加吻合。

表1 1979年溧阳MS6.0地震震源机制解
Tab.1 The focal mechanism solution of Liyang MS6.0 earthquake in 1979

图3 不同节面参数设为发震断层时计算出的溧阳MS 6.0地震引发的同震库仑应力变化
Fig.3 The coseismic coulomb stress changes induced by Liyang MS6.0 earthquake in 1979 calculated by taking different section parameter as the seismogenic fault

通过将地震造成的静态库仑应力变化与余震分布进行对比,比较结果更支持1979年溧阳地震的发震断层为NW走向,这与林邦慧等(1982)以及刘万琴和黄家正(1982)的研究结果较一致。

溧阳1974年和1979年地震是发生于中国东部大陆稳定地区的2次破坏性地震,因其破坏性及短时期内地震原地重复发生而备受关注。本文对溧阳1974年和1979年2次地震序列和震区构造背景进行了简要分析,分别计算了2次地震引起的静态库仑应力变化,并与其余震分布情况进行了对比分析,得到以下结论和讨论:

(1)2次地震的计算结果均显示将NW向震源机制解节面数据设为发震断层时的计算结果与余震分布的吻合度要明显优于NE向节面的计算结果,从余震分布的趋势与应力增加区域的发展方向和范围比较也呈现同样的结果,因此本文认为溧阳两次地震的发震断层均应为NW走向断层。

(2)以1974年地震的发震断层作为源断层,以1979年地震的发震断层作为接收断层,计算了1974年地震引发的静态库仑应力变化对1979年地震的影响,计算结果显示1979年溧阳地震震中位置处于应力增加的区域,但应力变化值相对较小,未能达到应力触发的阀值。因此,笔者认为溧阳1974年地震的发生对1979年地震的发生具有一定的积极影响,但由于应力变化值较小,未能造成直接的触发。

(3)两次地震的发生对周围断裂的活动性产生了一定的影响,尤其是对距离较近的溧阳—南渡断裂、茅山断裂带和金坛—南渡断裂影响较大,后续跨断层水准观测资料(侯康明等,2012)也证实这一点。

(4)地震的发生是一个十分复杂的过程,难以用一种简单的模型和方法来解释,库仑应力的变化只是地震的一个触发因素,能否发生地震还取决于断层所积累的构造应力状态、大小及其变化情况。虽然如此,库仑应力的变化对研究余震发展趋势和周边区域地震活动仍具有重要意义。