雅安地震的一些认识.doc

我对雅安芦山地震的一些认识石耀霖（中国科学院大学、中国科学院计算地球动力学实验室）先从汶川地震谈起。汶川地震为什么会发生，网上经常见到的解释为：印度板块与欧亚板块碰撞，造成青藏高原快速隆升和物质向东缓慢流动，在龙门山向东挤压，遇到四川盆地刚性地块阻挡，造成构造应力能量长期积累，最终发生地震。这种说法对不对呢？应该说没有错误，但是十分不够。我们曾经指出（见石耀霖,张贝,张斯奇,张怀，地震数值预报，物理，2013，42（4）：237255!高级科普文章，或石耀霖，地震数值预报，科学中国人，2012年11期科普文章， 或柳畅，朱伯靖，石耀霖，汶川地震释放了龙门山大部分区域的应力，地质学报，2012,86（1）：157169）。但是，为什么汶川地震发生在龙门山之下，而不是更东或更西？为什么汶川地震发生在十余公里深的上地壳底部，而不是更深或更浅？为什么汶川地震西南段以逆冲为主、而东北端为右旋走滑？要回答这一系列问题，仅仅是上面定性的说法是远远不够的，需要定量的数值模拟。图一是我们用三维粘弹性模型数值模拟的结果。为什么用粘弹性，在短期载荷下（地震波传播），岩石圈表现为弹性的；但是岩石在高温高压下地质历史缓慢的运动会发生柔性变形，例如人们可以看到的褶皱。因此必须采用粘弹性模型(如果采用理想弹性模型，所得结果会与实际情况大相径异).图一、三维粘弹性四川盆地在受到基于GPS观测给定的边界条件作用下，达到准稳态时应力增长速率。红色为高应力增长率，蓝色为低应力增长率。四川盆地应力增长率低、无大地震；高原一侧应力增长率高，有一些大地震；最高的应力增长率出现在龙门山下10-20公里的上地壳底部。压应力最大在龙门山断裂带西南段，因此发生逆掩断层；剪应力最大发生在龙门山断裂带东北段，因此右旋走滑断层渐渐发育。以上模拟中，我们输入的是基于观测的结构模型数据，基于观测和实验室实验的物性数据，以及基于地表GPS 观测的边界条件。不知道的是深部边界条件，只能做一些简化的假定；也不知道初始应力条件，只能从假定的零应力出发计算；不知道边界的历史，只能假定开始运动后边界为匀速运动。得到了什么，得到数百年后脱离暂态影响后的准稳态应力变化率，发现该应力增长率与地震活动性有相关关系。得不到的是应力的绝对值，因此也无法预测究竟哪里最危险。因为应力增长率高的地方，模型开始计算时刻的初始应力未必一定最高。只知道增量，不知道原来的初始值，就不知道应力的绝对值，无法确定后续地震最可能发生的时间、地点、规模。如果我们对该区地应力状况有充分的了解，就有可能对更具体的地震危险性作出估计。汶川地震巨大，断裂带长达近300公里，几乎整个龙门山断裂带都发生了破裂，但是西南段的约100公里没有破裂。这一段落会破裂吗？破裂规模会有多大？什么时候破裂？破裂规模上限是以上问题中困难程度较低的问题。就震级来说，由于震级和断层长度存在一定经验关系，因此这段100公里左右的段落即使全部破裂，震级也仅仅可能略大于7级（也可能几个接近7级的地震破坏陆续释放积累的能量）。西南端一段没有地震破裂，但这一段落也是压应力积累率最高的部位之一。而且汶川地震的发生，使这一段落发生类似机制的逆掩断层的地震危险更加增加。（见石耀霖，曹建玲，库伦应力计算及应用过程中若干问题的讨论，地球物理学报，2010，,5（1）：102110），因此会破裂是必然的。图二中表示的是：汶川大地震后，如果一个地方存在类似汶川地震的北东-南西走向的断层，在原来的构造应力场背景下，断层是变得更危险了，还是更安全了（库伦应力增大了还是减小了）？所有彩色部分都多多少少变得更危险了：红色部分应力增加可以到数兆帕，黄绿部分为零点几兆帕，绿色部分为百分之几兆帕。龙门山断层东北端以外断层以东西走向为主，不存在NE-SW走向的断层。但龙门山断层的西南段部分，汶川地震中并未破裂，其库伦应力有明显增加（图二）。图二，对于类似龙门山断层走向和力学性质的断裂，汶川大地造成的震库伦应力变化。从映秀西南到雅安这一段的龙门山断层，既有较高的构造应力增长率，汶川地震又令它库伦应力有较大的提高，自然成为是否会发生下一个大地震的引人注目的地段。但什么时候会发生，则是现有资料难以回答的问题。必须要获得该段落现今地应力的大小究竟是多少？是否已经临近了岩石的强度？那么，究竟这个地区的应力状况怎样呢？我不从事应力测量工作。图三显示了其他研究者一些近期应力测量的结果，主要是主压应力的方向。可以看到宝兴钻孔应力测量结果主压应力为NW-SE向。据秦向辉等（秦向辉等，龙门山断裂带西南段现今地应力状态与地震危险性分析，工程岩石力学学报，2013，,3 增刊1,28702876）认为：“对比分析2003，2008 和2010 年在宝兴、康定地区4 个钻孔的水压致裂应力测量资料，初步揭示汶川地震后断裂西南段现今地应力环境与地震危险性。研究结果表明：龙门山断裂西南段，尤其是康定地区，地震后仍然积累有较高的地应力，震后应力调整以积累为主；龙门山断裂西南端的最大水平主应力已经达到断层活动应力临界下限值，断裂活动进入临界状态，未来具有发生逆断层活动的可能性；结合地应力测量结果、地震地质等资料认为，龙门山断裂西南端具有潜在大震危险性，值得重点关注和研究。”我自己觉得只有少量不深的钻孔应力测量资料，我们在数值预报探讨中还无法在雅安芦山地震前做出确切的预报。作为数值地震预报的探讨，目前还不在于我们是否做了预报，更重要的是预报的根据。雅安接近7级地震的发生，对于我们来说，不是什么意外的事情。但是，在没有地壳深部（10-20公里）基于观测的应力（包含孔隙流体压力）的实测资料、断层强度的资料的情况下，我们仍然没有充分的定量的力学根据判断地震发生的时间，几年？几十年？几百年？就这两天见到的余震目录资料，目前的雅安芦山地震似乎还没有释放出这100公里断裂带内积蓄的能量，但是下一次接近7级地震发生在何时，尚缺乏资料作出估计。我们也可以计算雅安芦山地震对鲜水河