据中国地震台网测定,2016年11月25日22时24分,在新疆克孜勒苏柯尔克孜州阿克陶县发生了M_S6.7地震,震中位置(39.3°N,74.0°E)。截至11月27日0时,共记录到M_L5.0～5.9余震1次,M_L4.0～4.9余震5次,最大余震震级为M_L5.3。2016年12月8日13时15分,新疆昌吉州呼图壁县发生了M_S6.2地震,震中位置(43.8°N,86.3°E),截至12月11日18时,记录到的余震总数为1 225个,余震震级最高为M_L4.5。这2次地震发生后,余震活动频繁,本文拟对这2次地震主震是否产生了应力触发作用以及是否影响了后续地震活动的发生进行研究。

地震应力触发研究始于1992年美国Landers地震,King等(1994)计算得到该地震对后续BigBear 6.5级地震产生的库仑破裂应力增量约2 bar,认为Landers地震加速了BigBear地震的发生。此后,大量的地震实例中都发现存在地震触发作用,甚至有可能触发中等地震。地震应力触发通常是以Okada断层位错产生的静态位移表达式(Okada,1985,1992)为基础,通过计算主震产生的库仑破裂应力变化的空间分布,对比后续余震活动的空间分布,以此为基础分析地震的应力触发作用(Hardebeck et al,1998; Hill et al,1993; Toda et al,1998; 刘桂萍,傅征祥,2001; 万永革等,2000; 解朝娣等,2010)。

本文利用2016年新疆阿克陶地震以及呼图壁地震的余震精定位数据,以及中国地震局地球物理研究所(2016)给出的2次主震的震源破裂过程研究结果,通过计算主震产生的库仑破裂应力空间分布,对这2次主震及余震活动分布与库仑破裂应力变化之间的关系进行了探讨,以此研究地震对余震的应力触发作用。

陈杰等(2016)对阿克陶地区的震后考察,发现 2016年新疆阿克陶M_S6.7地震发震断层处于公格尔拉张系,而公格尔拉张系属于帕米尔构造结,位于帕米尔高原东部,并与西部卡拉库尔地堑的EW向拉张作用配合影响帕米尔内部活动变形。公格尔拉张系长约250 km,总体走向NW—SE,倾向W,倾角20°～ 45°(陈杰等,2016)。此次地震的发震断层是公格尔拉张系最北段的全新世活动转换断层NWW走向的木吉右旋走滑断裂(图1)。这一结果与中国地震局地球物理研究所(2016)给出的震源破裂过程一致。重新定位的主震位于木吉断裂上,绝大多数余震主要分布在木吉断裂南侧1个走向NWW、长逾 80 km的条带内。余震带的北边界上陡下缓,很好地限定了木吉断裂的铲形深部几何结构。

该区域历史上强震活跃,震中100 km范围内曾记录到17次 6级以上地震,其中7级以上地震4次,距离新疆阿克陶M_S6.7地震震中最近的地震为1974年乌恰7.3级地震,震中相距19～25 km; 时间相隔最近的地震为2016年6月26日吉尔吉斯斯坦M_S6.7地震,震中相距约58 km(陈杰等,2016)。

图1 2016年新疆阿克陶MS6.7地震的发震构造与余震分布图
Fig.1 Map of the seismic tectonics of the 2016 Xinjiang Arketao MS6.7 earthquake and the distribution of its aftershocks

如图2所示,2016年新疆呼图壁M_S6.2地震震中位于准格尔南缘断裂带附近,该断裂是晚更新世有过活动的逆冲断裂(中国地震局地质研究所,2016)。呼图壁县隶属昌吉回族自治州,位于新疆维吾尔自治区中北部,地处欧亚大陆腹地,准噶尔盆地南缘,东距新疆维吾尔自治区首府乌鲁木齐68 km。该区域由一系列NWW向展布的线性断层、断裂组成,其现代构造应力场主要表现为近SN—NNE向的挤压(赵善坤等,2013)。区域内主要的活动断层包括:准格尔南缘断裂、霍尔果斯—玛纳斯—吐谷努断裂、博罗科努—阿其克库都克断裂等(董曼,魏文薪,2015; 魏斌等,2016)。该地区历史上地震活动频发,1600年以来震中200 km范围内曾记录到8次 6级以上地震,1次7级以上地震。

图2 2016年新疆呼图壁MS6.2地震的发震构造与余震分布图
Fig.2 Map of the seismic tectonics of the 2016 Xinjiang Hutubi MS6.2 earthquake and the distribution of its aftershocks

首先用Okada(1985,1992)给出的静态位移和应变的解析表达式,计算震源在后续断层面上产生的应变分量,再由胡克定律计算出应力分量,然后由柯西公式可得后续断层面上的应力矢量T。设后续断层面的法向和滑动方向单位矢量分别为n(n₁,n₂,n₃)和s(s₁,s₂,s₃),将应力矢量投影到后续断层面上可得正应力变化与切应力变化为:

Δσ_n=T_in_i(1)

Δτ=T_is_i(2)

根据库仑破裂准则,定义描述物体趋近破裂程度的库仑破裂应力变化为(Harris,1998):

Δσ_f=Δτ+μ'Δσ_n(3)

式中:μ'为计算点处断层面介质的视摩擦系数,包括孔隙流体和断层面上的介质特性,其取值范围一般为0.2～0.8(Harris,1998)。将正应力变化Δσ_n和切应力Δτ变化代入(3)式,就可计算出震源破裂产生的库仑破裂应力变化Δσ_f。

根据上述计算原理,以这2个地震的震源模型计算阿克陶M_S6.7地震和呼图壁M_S6.2地震产生的库仑破裂应力变化的空间分布。地壳的剪切模量取3.3×10¹⁰ N/m²,泊松比取为0.25。余震序列采用新疆地震局提供的震后精定位地震目录作为后续地震活动数据。图4和图5分别给出了阿克陶M_S6.7地震和呼图壁M_S6.2地震的余震序列M-T图和余震震源深度分布图,从图中可以看出,2个余震序列的多数地震事件分布在8 km深度处。

图4 2016年新疆阿克陶MS6.7地震序列的M-T图(a)和余震震源深度分布图(b)
Fig.4 Magnitude varying with time(a)and depth distribution of aftershocks(b)of the 2016 Xinjiang Arketao MS6.7 earthquake sequence

图5 2016年新疆呼图壁MS6.2地震序列的M-T图(a)和余震震源深度分布图(b)
Fig.5 Magnitude varying with time(a)and depth distribution of aftershocks(b)of the 2016 Xinjiang Hutubi MS6.2 earthquake sequence

库仑破裂应力的计算需进行断层面投影,采用主震断层面的走向、倾角和滑动角作为投影断层面的参数。考虑到大多数余震的震源深度为8 km,本文库仑破裂应力变化的计算深度也取为8 km,视摩擦系数取为0.4(万永革等,2003)。王莹(2011)研究结果也表明:走滑断层主要沿走向滑动,其产生的库仑应力分布主要在断层两侧正负相间分布,而逆断层的两端均有较强的库仑应力增加区,这与本文结论相符。图6给出2次地震产生的库仑破裂应力变化与后续地震活动的空间分布情况。

图6 2016年新疆阿克陶MS6.7地震(a)和呼图壁MS6.2地震(b)产生的库仑应力变化与后续地震活动的空间分布
Fig.6 Map of the Coulomb failure stress changes and spatial distribution of aftershocks of the 2016 Xinjiang Arketao MS6.7 earthquake(a)and the

图6a显示,2016年新疆阿克陶M_S6.7主震发生后的前几天,余震活动主要发生在库仑破裂应力减小的区域; 随后,在主震的东侧应力增加区内发生了数次余震。但总体而言,这次主震活动对余震的应力触发作用不明显。

由图6b给出的呼图壁M_S6.2地震产生的余震事件几乎发生在一个较集中的小区域,95%以上的余震都发生在震中附近的应力增加区域内。这说明主震产生的库仑破裂应力变化可能起到了应力触发作用,从而促使了大量余震的发生,且应力变化的分布是以震中为圆心呈放射状分布,有优势的应力增加区和减小区存在。

为了分析较大余震对后续地震活动的分布是否也产生了影响,笔者筛查了2016年新疆阿克陶M_S6.7地震和呼图壁M_S6.2地震的所有余震事件,如图4和图5所示。仅2016年的阿克陶M_S6.7地震有一个余震事件的震级大于5级,该余震发生于11月 26 日17时23分,震级为M_L5.3,震中位置为(39.17°N,74.27°E)。由于无法确定该M_L5.3余震的震源断层规模,无法精确计算其产生的库仑破裂应力变化的空间分布。但是依据张旭等(2017)给出的该余震事件的震源机制解,走向基本与主震一致,倾角也相近,其产生的应力分布与主震的大体趋势应差别不大,但量级小很多,对整个研究区域的应力变化空间分布(图7)的影响应较小,所以本文主要考虑了M_S6.7主震产生的应力变化对后续余震活动的影响。

采用全部精定位余震事件对余震与应力分布的关系进行分析。为了检验序列的完备性对结果是否产生影响,进一步对地震序列的完备性进行了分析,结果如图7所示。结果显示阿克陶地震序列的最小完备震级M_C约为3.0级,呼图壁地震序列的最小完备震级M_C约为2.2级。

只采用震级大于M_C的地震事件,分析其与库仑破裂应力变化分布的对应关系,结果如图8所示。分别对比图6a和图8a,6b和图8b,可以发现采用全部地震事件和较完备的地震事件进行分析,得到的结果差别不大,但更能突出呼图壁M_S6.2地震产生的库仑破裂应力与后续地震活动的对应关系; 这也表明呼图壁M_S6.2地震产生的库仑破裂应力对地震活动有显著的应力触发作用,而阿克陶M_S6.7地震的对余震的应力触发作用不明显。

图7 2016年新疆阿克陶地震序列(a)和呼图壁地震序列(b)的目录完备性分析
Fig.7 Map of the completeness analysis of the aftershock catalogue for the 2016 Arketao (a)and Hutubi earthquakes(b)

根据库仑破裂准则,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,将加速周围断裂或临近区域的应力累积,使下次地震提前发生,这种效应即是地震触发作用。本文通过计算2016年新疆的2次M>6.0地震产生的库仑破裂应力变化,对余震分布与库仑破裂应力变化之间的关系进行了分析,以此讨论地震的应力触发作用,主要得出以下结论:

(1)2016年新疆阿克陶M_S6.7地震的余震活动发生于主震产生的库仑破裂应力的应力减小区域内,余震序列的发震原因很有可能是主震断层的后续次生破裂引起的。

(2)呼图壁M_S6.2地震95%以上的余震都发生在震中附近的应力增加区域内,主震产生的库仑破裂应力对地震活动有显著的应力触发作用。此次

图8 2016年新疆阿克陶MS6.7地震(a)和呼图壁MS6.2地震(b)产生的库仑应力变化与后续M>MC地震活动的空间分布
Fig.8 Map of the Coulomb failure stress changes and aftershocks with M>MC of the 2016 MS6.7 Arketao earthquake(a)and the

地震的后续地震活动还可能持续受到主震的应力触发作用。大地震产生的库仑破裂应力变化主要通过改变周边地区的应力状态,进而起到地震的触发作用。

(3)新疆阿克陶M_S6.7地震的发震断层是公格尔拉张系最北段的木吉右旋走滑断裂,此次地震也属于走滑型的,走滑型断层产生的应力场分布特征一般是应力增加区和减小区相间分布; 而呼图壁M_S6.2地震的发震断层是准格尔南缘断裂带,该断裂是逆冲断裂,此次地震也属于逆冲型,因而产生了有优势的应力增加区和减小区,对后续地震活动的影响也相对集中,有利于起到应力触发作用。

张勇为本次工作提供的震源断层数据和热心帮助,新疆地震局李金和刘建明为本次工作提供的余震精定位数据,在此一并表示感谢。