基金项目:国家自然科学基金(41964001)、地震动力学国家重点实验室开放基金(LED2019B04)和同济大学海洋地质国家重点实验室开放基金(MGK1827)联合资助.
(1.云南大学 地球科学学院,云南 昆明 650091; 2.中国地震局地质研究所 地震动力学国家重点实验室,北京 100029; 3.上海市地震局,上海 200062)
(1.School of Earth Sciences,Yunnan University,Kunming 650091,Yunnan,China)(2.State Key Laboratory of Earthquake Dynamics,Institute of Geology,China Earthquake Administration,Beijing 100029,China)(3.Shanghai Earthquake Agency,Shanghai 200062,China)
Kangding earthquake; Coulomb failure stress change; earthquake triggering; fault interaction effect
备注
基金项目:国家自然科学基金(41964001)、地震动力学国家重点实验室开放基金(LED2019B04)和同济大学海洋地质国家重点实验室开放基金(MGK1827)联合资助.
以2014年四川康定MS6.3和MS5.8地震为研究对象,计算了2次主震在近场和周围断层造成的库仑破裂应力变化,研究主震与余震的触发关系,以及2次主震对周围断层施加的应力负荷作用。结果 表明:2次主震的共同作用控制了后续地震活动的演化趋势,其中康定MS6.3地震产生的库仑破裂应力变化对后续余震事件的触发占主导作用。鲜水河断裂带南段和安宁河断裂带受到了一定的应力加载作用,未来地震活动的趋势可能会加强。
In this study,the problem of earthquake triggering is discussed by using the MS6.3 earthquake on Nov.22,2014 and the MS5.8 earthquake on Nov.25,2014 in Kangding,Sichuan Province.Firstly,based on the regional tectonic stress field in this area,we calculated the spatial distributions of static stress changes caused by the Kangding MS6.3 and MS5.8 earthquakes on the optimal fault planes,and studied the stress triggering effect of the main shock to the aftershocks.Furthermore,we analyzed the stress loading and unloading effects of the two main-shocks on the surrounding faults by calculating the Coulomb rupture stress changes on the surrounding faults.The results show that the joint action of the two main earthquakes controls the evolution trend of the subsequent seismicity.Moreover,the Coulomb failure stress change produced by the Kangding MS6.3 earthquake has a good correlation with the aftershocks,and the triggering effect on the subsequent events is dominant.In addition,the southern segment of the Xianshuihe fault and the Anninghe fault are subjected to certain stress loading by two earthquakes,and the seismic activity may be strengthened in the future.
引言
大地震产生的位错会改变地震震源破裂附近区域(近场区域)的应力状态,也可能会改变周围断层发震的可能性,这种现象属于地震的应力触发问题。通过计算地震造成的库仑破裂应力变化,研究地震引发的应力触发问题,并分析其地震后续活动与库仑破裂变化增强地区之间是否存在相关性,如果具有相关性,那就意味着主震会对后续活动产生触发作用(万永革等,2000,2002a,b; 吴小平等,2007)。
近年来,关于地震应力触发作用方面的研究取得了一系列进展,在中强地震之间的触发关系方面,Deng和Sykes(1997)研究了自1812年以来加利福尼亚南部地震所造成的库仑破裂应力的变化,发现大多数M>6.0地震发生在库仑破裂应力变化显著增加地区; Papadimitriou等(2004)研究了鲜水河断裂及邻近地区不断变化的应力因素,发现自1893年以来MS>6.5强震发生于应力增加区的断层上。以往多数研究主要针对主震与余震活动之间的触发作用,如吴小平等(2007)对云南澜沧—耿马地区地震活动的应力触发现象进行了研究,发现9个MS5.0~5.9地震中,有8个都是由澜沧MS7.6地震触发的; Hardebeck等(1998)研究了Landers 7.3级地震对余震的触发作用,发现85%的余震发生于应力增加区域; 解朝娣等(2010)利用5个不同的地震断层模型计算库仑破裂应力的分布,得出汶川MS8.0地震在一定程度上触发了其后余震的结论。这些研究对于分析地震后余震活动的趋势以及周围断层的地震活动性具有一定的指示性,而关于双震型地震的应力触发作用尚缺乏更多的研究。
本文选取2014年11月22日和25日四川康定MS6.3地震和MS5.8地震作为研究对象,对2次主震在近场产生的静态库仑破裂应力变化进行计算。在此基础上,计算了2次主震对周围断层造成的库仑破裂应力的变化,分析了2次主震是否对周围断层施加了应力负荷作用。
1 研究方法
根据库仑准则(Harris,1998; Rice,Cleary,1976),导致岩石破裂的剪应力τ将受到其自身的内聚应力S,正应力σn和孔隙流体压力pr的影响,即S-κ(σn+pr)定义了岩石断层面或软弱面的抗剪强度,其中κ为内部摩擦系数。τ与抗剪强度越接近,断层平面破裂的可能性就越大。描述岩石接近破坏程度的库仑破裂应力可以进一步定义为(Green,2012; Rice,1992):
式中:|τ|为破裂面上的剪应力的大小。
库仑断裂应力变化通常用于估计应力的相对变化,因此库仑应力变化(Harris,1998)定义为:
式中:Δ|τ|为剪应力变化(应力变化张量投影到断层面); Δσn为正应力变化; Δpr为孔隙流体压力变化。
如果已知后续地震的断层滑动方向,则可在滑动方向上投影得到剪应力变化Δ|τ|。假设介质是均匀的,断层比周围岩石更能够延伸,则σxx=σyy=σzz,Δσkk/3=Δσn,可以推出常见库仑断裂应力变化的描述为:
式中:μ'称为有效摩擦系数,本文取为0.4。
在计算近场库仑破裂应力变化的空间分布时,通常使用最优取向的断层平面投影方法(Harris,1998; King et al,1994),最优取向断层面可由区域应力场约束。假设主震断层附近有足够数量的断层存在于所有的方向上; 而在区域应力场约束条件下,在随后的地震中最有可能发生滑动的断层即为最优取向的断层。
2 构造背景
2014年康定地震震中及邻区为中国地震最活跃的地区之一。欧亚板块和印度板块之间的相互碰撞,使该地区具有强烈的挤压变形、地壳缩短和增厚等构造特征。该地区及周边受青藏高原的强烈隆升以及高原地壳物质向东逃逸的影响,形成了一系列走滑断层,主要包括安宁河断裂带、龙门山断裂带、则木河断裂带、甘孜—玉树断裂带和鲜水河断裂带等(图1)。自晚新生代以来,其运动表现出很强的左旋水平剪切的特点(李大虎等,2015; 孟宪纲等,2016)。
自2008年以来,南北地震带发生过几次大地震(图1),如2008年汶川MS8.0地震和2013年芦山MS7.0地震都发生在龙门山断裂带上。2014年11月22日康定MS6.3地震发生在川滇菱形块体东边界的鲜水河断裂带上,11月25日,又发生了MS5.8地震(廖林等,2015),2次地震震中几乎在同一位置。本文依据我国西南地区现代构造应力场相关研究结果(杜义等,2009; 谢富仁,祝景忠,1993),计算康定2次主震在近场区域产生的库仑破裂应力变化场,见表1。
3 主震震源模型
本文选用张旭等(2016)提供的康定MS6.3和MS5.8地震震源模型数据(表2),计算2次主震产生的库仑破裂应力的空间分布。MS6.3和MS5.8地震的断层面尺度分别为41 km×26 km 和21 km×22 km,将断层面按1 km×1 km尺度划分为次一级的一系列子断层。图2显示了康定2次主震震源模型的滑动分布。
表2 2014年康定MS6.3和MS5.8地震的震源模型主要参数
Tab.2 Main parameters of source models of the Kangding MS6.3 and MS5.8 earthquakes in 2014图2 2014年康定MS6.3(a)和MS5.8(b)地震震源模型的滑动分布
Fig.2 Slip distribution of source models for the Kangding MS6.3(a)and MS5.8(b) earthquakes in 20144 计算结果分析
4.1 近场应力变化的空间分布及其与后续余震活动的关系为凸显余震活动与应力变化空间分布的对应关系,本文仅计算了康定2次主震附近的应力场分布,库仑破裂应力变化的计算深度均取为和主震震源深度一致,分别为20 km和16 km,剪切模量为 3.3×1010 Pa,泊松比为 0.25。康定2次主震引起的库仑破裂应力变化及2014年11月22日至12月1日后续余震事件的空间分布如图3所示。从图3可以看出,康定2次主震引起的库仑应力变化的空间分布呈现出应力增加区和减小区相间的特征,具有一定程度的对称性,表现为正应力和负应力变化交错的花瓣图案。从图3a可以看出,最大的应力增加区出现在主震断层的东北、西南、西北和东南方向,而主要的应力减小区分布在断层的东西两侧,断层南侧也呈现为显著的应力减小区域。从图3b可以看出,断层东西两侧为应力减小最显著的区域,而在断层的南北两端和稍远的东部、西部地区为应力显著增加的区域。离震中越远,库仑破裂应力的变化越小。
对比图3a,b可发现,康定MS6.3地震后发生的余震事件多数都位于库仑破裂正应力变化区,
图3 2014年康定MS6.3(a)和MS5.8(b)地震产生的库仑应力变化及余震事件的空间分布
Fig.3 Coulomb stress changes induced by the Kangding MS6.3(a)and MS5.8(b) earthquakes and the spatial distribution of aftershocks这表明应力变化与余震活动的分布之间具有很好的相关性。而康定MS5.8地震后的余震事件与应力增加区却并没有明显的相关性,可能表明MS5.8地震引起的应力变化对后续余震事件没有显著的触发作用。以上分析表明,康定MS6.3地震对后续余震事件的触发占主导作用。
为考察康定2次主震的共同影响,笔者计算了康定2次主震在周边地区共同产生的库仑破裂应力变化,计算深度取为16 km,作图时有意减小色标范围,以便突出应力变化与余震分布的对比关系,结果如图4a所示。从图中可以看出,在2次主震的共同作用下,80%~90%的余震都发生在应力增加区。由于2次主震的发震时间仅相隔3天,其余震不便于区分,因此,判定2次主震的共同作用控制了后续地震活动的演化趋势,其中康定MS6.3地震对后续余震事件的触发占主导作用。
本文应力计算中存在不确定性因素,主要来源于计算初始参数设置、断层震源模型参数等。因此,通过保持其它参数不变,分析有效摩擦系数μ'对结果的影响,进行敏感性分析,如图4b,c所示。对比图4可以发现,μ'对结果的影响较小,主要是改变了应力增加区的空间范围的大小。
4.2 康定地震对周围断层的应力加载和卸载作用为进一步研究康定2次主震对周边断裂的影响,本文选取震中附近的主要活动断裂带为投影断层,计算康定地震在这些断裂带上产生的库仑破裂应力变化。在研究区内,根据中国活动构造相关研究结果(邓起东,2007)选取投影断层,最终选定鲜水河断裂带、茂汶—汶川断裂带、北川—映秀断裂带、理塘断裂带、龙泉山断裂带、安宁河断裂带和则木河断裂带共7个典型断裂带。各投影断裂带的参数主要依据前人的相关研究结果(邓起东,2007; 邓起东等,1994; 单斌等,2009; 徐锡伟等,2005; 朱航,闻学泽,2012; 王晓芳等,2016; 冉勇康等,2008; 万永革等,2009)确定,由于断裂带空间展布较长,有些断裂带甚至分为几个子段落,本文取中间值代表整条断裂带的走向、倾角和滑动角; 参考历史地震给出安宁河和则木河断裂带的滑动角参数,计算参数见表3。康定2次主震在投影断层上产生的库仑破裂应力变化计算结果如图5所示。
图5 2014年康定2次主震在附近断裂上引起的库仑破裂应力分布
Fig.5 Distributions of Coulomb stress changes on the nearby faults induced by two Kangding earthquakes in 2014从图5可以看出,鲜水河断裂带受康定2次主震震源破裂的影响最大:2次主震引起的库仑应力变化,导致鲜水河断裂带南段承受了较大的应力加载作用,从而可能导致后续破裂和滑移的发生。康定2次主震产生的库仑应力变化使安宁河断裂整体受到了应力加载作用,使茂汶—汶川断裂带受到较明显的应力卸载作用。研究区内的其它邻近断裂带受地理位置、断层产状等因素的影响,受到2次主震施加的应力加载和卸载影响并不明显。综上可以发现,鲜水河断裂带南段和安宁河断裂带受到一定的应力加载作用,未来地震活动的趋势可能会增强,这种影响可能即刻发生,也可能延迟发生。
从图5估计康定2次主震在周边断裂上产生的库仑应力变化峰值,得到鲜水河断裂为0.03 MPa、茂汶—汶川断裂带为 0.000 2 MPa、安宁河断裂带为 0.000 2 MPa,其它断裂带上应力变化值更小,不作进一步考虑。根据王辉等(2008)对鲜水河断裂带康定段的研究结果,鲜水河断裂带康定段的应力积累年平均速率为0.007 7 MPa,则康定2次主震产生的库仑破裂应力变化引起的发震时间改变量为3.9年。
5 结论
本文以2014年11月22、25日四川康定MS6.3和MS5.8地震为研究对象,探讨地震触发问题。首先,基于该区的构造应力场,利用最优方向断层平面进行投影,计算康定2次主震产生静态应力变化的空间分布,研究主震对余震的应力触发问题。在此基础上,通过计算2次主震在周边断层上产生的库仑破裂应力变化,分析其对周围断层的应力加载和卸载效应。康定2次主震产生的库仑破裂应力的空间分布均表现出正负变化交替呈现的特征,正负变化呈花瓣状对称分布。尽管2次主震发震时间仅隔3天,但应力增加区和减小区的分布存在显著差异。
从康定2次主震近场应力变化的空间分布与余震分布的对应关系看,MS6.3地震产生的应力分布与随后的余震活动具有良好的相关性,即MS6.3地震对于余震触发的作用是主导的。从康定地震对周围断层的影响来看,受地理位置和震级等因素的影响,鲜水河断裂带南段和安宁河断裂带承受了较明显的应力加载作用,未来的地震活动趋势可能会增强。其他邻近断裂带受2次主震施加的应力加载和卸载效果不明显。
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