东昆仑破裂带大地震应力转移与断层相互作用

东昆仑破裂带大地震应力转移与断层相互作用

1库仑应力变化2001年11月14日，ms8.1（mw7.8）可科西米地震发生在青藏高原北部的东昆仑断裂带。这是20世纪20年代宁夏海原地震后发生的最大地震。地震前的70年里，东昆仑断裂带发生了四次强震。m7.0.1937年，m7.0发生的强震发生在华石峡m7.5m地震、道兰msm7.0地震、1973年马尼ms7.3和1997年马尼mw7.5m地震。这一系列大震事件发生在同一活动带的不同区域，这为讨论大陆上强震之间的应力触发效果提供了理想的例子。近年来,大震产生的库仑破裂应力变化对后续中强震发生位置和时间的影响,成为国际地震学界广泛关注的研究课题.越来越多的震例表明,大震产生的库仑破裂应力的增加明显有利于后续中强地震的发生.因此,研究地震产生的库仑破裂应力变化总和对后续中强地震发生位置的影响并进而预测将来地震发生位置,从力学机制上为地震危险性分析以至地震预报提供了一种具有潜力的新途径.如Deng等通过计算1812～1995年发生在南加利福尼亚的中强地震在后续地震破裂面上产生的库仑破裂应力变化总和,发现95%的M≥6的地震均发生在库仑应力变化有助于断层破裂的地区(库仑应力增加区);对1932～1995年间M≥5的地震进行计算与统计,同样发现约85%的地震发生在库仑应力增加区.他们根据以上结果对加利福尼亚未来地震危险性进行了评估.Stein等研究了土耳其北安那托利亚断层1939～1992年间10个M≥6.7地震的应力转移情况,计算得到9个地震在库仑破裂应力变化的“驱使”下发生,库仑破裂应力增加的典型值为0.1～1MPa,相当于3～30年的长期应力加载效果.Nalbant等也研究了土耳其西北地区和北爱琴海地区的29个MS≥6的地震,发现16个地震与前期地震产生的库仑破裂应力变化有关,并判定Izmit为未来可能发生地震的地区,结果大地震果然于1999年在该地区发生.Papadimitriou等研究了北爱琴海地区地震及长期构造加载产生的库仑破裂应力变化,发现所有地震均发生在库仑破裂应力增加区,并据此预测了未来20年地震发生的可能位置.在地震应力触发研究中,传统方法主要基于弹性介质模型,因此所得结果为应力场的弹性响应.模拟地震活动时,在主震刚结束时的短期时段内,仅考虑应力场的弹性响应或许是一种较好的近似.但在100～102a的时间尺度上,地震后黏弹性松弛造成的长期应力场变化是不容忽视的.这种黏弹性松弛是由脆性地壳岩层和下伏的黏弹性软流层的耦合产生的.Pollitz的研究表明,在断层邻近地区同震应变要比震后应变大;但在几倍于弹性岩层厚度的更大距离内,在1至数倍特征时间常数的时间范围内,震后应变一般比同震应变大得多.例如,有关研究表明,1995年日本神户M7.0地震就因神户南部几百公里外的南海海沟1944年和1946年两次8级大地震的应力扩散而明显提前.Ben-Zion等运用黏弹性模型也得出发生在圣安德烈斯断层上的1857年FortTejon地震对Parkfield地震的发震时间有调制作用.特别令人注意的是,1999年南加州HectorMineMW7.1地震距1992年LandersMW7.3地震震中仅约20km,并且有7年的时间间隔.如此之近的距离显然使人们很难怀疑它们之间的相关性.USGS的科学家们运用Wald等给出的震源模型和弹性半空间地壳模型,计算了Landers地震在HectorMine震中产生的静态库仑破裂应力变化.虽然得到的正应力变化使得HectorMine地震断层解锁,但库仑破裂应力变化为负,也就是说,同震应力变化自身并不能满意地解释Landers地震对HectorMine地震的触发作用.Freed等和Zeng分别根据三维有限元方法和广义反射/透射系数方法计算了下地壳和上地幔的黏弹性导致的库仑破裂应力变化,结果表明下地壳和上地幔介质的弛豫形变在7年后造成地震震源位置处0.1～0.2MPa的库仑应力增加,从而最终促成1999年HectorMine地震的发生.这些研究结果表明了考虑黏弹性应力松弛过程在估计地震危险性及分析地震应力触发时的重要性.本文采用更加接近真实岩石圈状况的黏弹性成层介质模型,研究东昆仑断裂带上5个M≥7.0的强震破裂所产生的应力演化过程,并计算前面地震在可可西里地震破裂面上产生的库仑破裂应力变化,由此检验以往4次大震对2001年可可西里MW7.8地震的触发作用.2断层面错动场点模拟本研究采用Luco等的广义反射/透射矩阵方法计算位移和应力的格林函数,并采用Zeng发展的黏弹性形变模拟软件进行模拟.将断层分为多个子断层并运用格林函数表示方法叠加它们对场点的贡献,求解有限断层面错动在周围空间产生的应力场.将计算得到给定场点的应力张量分解为断层法向的正应力Δσn和滑动方向上的剪切应力Δτs,库仑破裂应力变化表示为这里μ为摩擦系数,包含了孔隙流体压力变化造成的影响.目前不同作者在库仑破裂应力变化计算中所采用的μ值具有较大范围(0～0.8).由于本研究侧重于大地震之间的黏弹性应力相互作用,采用Kagan等研究南加利福尼亚的强震序列得到的摩擦系数μ=0.数值试验表明,改变此值对计算得到的库仑破裂应力变化的空间分布图像影响不大,但对应力变化值的大小有一定的影响.3地震带、震源模型和区域地壳结构的三维结构3.1区域地质背景东昆仑地震带是青藏高原北部一条左旋走滑强烈的活动断裂带(图1),其中λE为经度,φN为纬度.西起86°E,向东经布喀达板峰、库赛湖、西大滩、东大滩、秀沟、阿拉克湖、托索湖、玛沁,东止105°E附近的四川九寨沟东.绵延近2000km,走向N70°～90°W.该断裂与阿尔金断裂带、海原断裂带一起在研究欧亚板块受印度板块的挤压造成青藏高原物质东向滑移的变形中具有重要地位.围绕该活动断裂带已经进行了断层活动性研究和地壳结构研究,并且该断层发生的地震机制与前人所认识的形变机制具有较好的一致性.这些研究成果为研究地震诱发因素的时空演化提供了重要条件.3.2中高地震地表破裂带的断裂特征1937年1月7日的花石峡M7.5地震发生在花石峡、托索湖一带(图1).根据实地考察资料,这次地震地表破裂带总体长度约208km,走向在托索湖以西为N100°～110°E,在托索湖以东为N130°～140°E.破裂带的主断面较陡,多在70°以上.不同地段的断面南倾、北倾交互发生.断层总体运动性质表现为强烈的左旋走滑.倾滑分量很小,表现为南盘略有抬升,垂直位移和水平位移的比值多在1∶5～1∶4,对应的滑动角约为15°.本研究采用的震源参数列于表1,其中L为断层长度,W为断层宽度,u为错动量,M0为地震.断层走向采用地表形变带走向,将形变带划分为14个段落来体现形变带的弯曲.为简单起见,整个断层倾角采用70°,倾向南,滑动角15°.此断层模型与Molnar等得到的模型一致.断层面各段错动量采用实地考察结果的平均值,对于没有考察资料的托索湖地区,以内插方法获得错动量的近似值.错动量u随断层走向的分布示于图2a,图中x表示东向距离.由于该地区地壳下部的黏度系数较小(参看下节),本研究中所取地震破裂深度均小于10km.地震断层面宽度采用10km.1963年4月19日的都兰MS7.1地震发生在花石峡地震断层以西的阿拉克湖附近(图1).其宏观震中为35.5°N,97.6°E.该地震可认为是花石峡地震沿断层西向扩展的产物.兰州地震研究所对该地震的宏观调查表明,Ⅶ度区等震线为北西-南东向,呈椭圆形,长轴约80km,短轴40km.由于该地震没有地表破裂数据,本研究中断层走向采用第四纪活断层数据,倾角、滑动角和地震矩采用Molnar等的震源机制解.为了更好地模拟地震破裂,将断层分为7段,每一段具有相同的滑动量.断层长度由走滑断层的统计公式L=100.62M-2.57(km)估计,此估计值与宏观调查的Ⅶ度区等震线的长半轴长度(80km)大体一致.由于未能获得该地震地表破裂的记载,假设断层宽度由地表下2km扩展到10km,剪切模量取4.0×1010Pa,断层错动量根据地震矩求出.所用震源参数列于表1.1973年7月14日的玛尼MS7.3地震,采用Molnar等根据地震波资料得到的震源机制的倾角、滑动角和地震矩,断层面走向采用北东东向展布的玛尔盖茶卡断层走向.将断层分为4段模拟第四纪活动断层数据.仿照Peltzer等根据1997年玛尼地震同震InSAR资料反演得到的断层模型,断层宽度取自地表向下延伸8km.其余各参数按照1963年都兰地震参数的确定方法给出.1997年11月8日的玛尼MW7.5地震发生于玛尔盖茶卡湖东北缘.Peltzer等根据InSAR资料推测其破裂分布于长160～170km、深度为0～8km的垂直断层面上,最大左旋位移是6～7m.玛尼地震科学考察组得到该地震断层为一条北东东向展布的陡倾角或近于直立的活断层,断层北盘略有向南逆冲分量,最大左旋位移达4.5m,其东西两侧的左旋水平位移约3m,略小于Peltzer等得到的滑动量.本研究采用20段断层模拟玛尔盖茶卡断层的走向,断层长度、宽度采用Peltzer等得到的数值,倾角采用直立断层,滑动角根据玛尼地震科学考察组结果确定为-5°.断层参数列于表1.断层滑动量采用Peltzer等滑动分布资料的分段平均结果(图2b).2001年11月14日的可可西里MW7.8地震发生于青海新疆交界处昆仑山南麓的库赛湖附近.震后中国地震局组织进行了现场考察.地表破裂带的总体走向N70°～90°W,地震地表破裂带的主体长度约为350km,以左旋走滑为主,最大水平位移约6m.南盘略有上升,垂直位移量向东逐渐减弱.根据地表形变带分布确定该地震的断层面解:断层面走向采用地表形变带走向,倾角取垂直,滑动角根据考察点的垂直位移与水平位移之比确定.为了更好地拟合断层地表破裂走向,将考察得到的破裂带划分为31个断层段.断层深度采用自地表向下10km.其滑动量随断层的分布根据实地考察观测结果确定(图2c).3.3速度结构模型参数虽然在东昆仑破裂带北面的柴达木盆地进行过详细的人工地震剖面,但考虑到盆地内的速度结构不一定能代表东昆仑破裂带的速度结构,本研究选取基本沿东昆仑破裂带的人工地震剖面(花石峡-阿克塞剖面)的速度结构1),.东昆仑破裂带的莫霍面较整个青藏高原的平均深度浅.所选速度结构模型参数见表2,其中d表示所分水平层厚度,VP表示P波速度,G表示剪切模量,η表示黏滞系数.S波速度由P波速度除以3√3得到.地壳及上地幔密度结构由VP、VS及G求得.王庆良等(私人通讯,2002)根据震后形变的指数衰减特征得到通海、炉霍、共和地震的平均震后形变弛豫时间为5年.按4.0×1010Pa的剪切模量计算,地壳黏度为6.3×1018Pa·s.考虑到地壳上部10km为地震发震层,那里的黏度不可能如此低,我们仅在地壳下部采用王庆良等得到的黏度值.地壳上部10km采用Shen等模拟青藏高原地壳变形时采用的黏度值1021Pa·s.作为过渡带,地壳上部10～18km的黏度采用2.0×1019Pa·s.这种黏度结构与Wei等根据大地电磁测深研究青藏高原内部昆仑山以下地壳高导层所在深度的位置大体一致.每层的黏度取值见表2.4不同地震事件对库仑破裂应力的影响根据上面的震源模型和地球介质模型,计算了5km深度处每一个地震在断层面走向99°的垂直断层上,滑动角为5°(可可西里地震破裂机制)方向上产生的库仑破裂应力变化(图3).在这些图中,暗区表示库仑破裂应力下降,即断层破裂可能性降低,通常被称为应力影区.亮区表示库仑破裂应力增加,即断层破裂可能性增加.可以看出,花石峡地震、都兰地震,1973年和1997年玛尼地震在2001年可可西里地震破裂面上均造成库仑破裂应力增加.虽然总体库仑破裂应力增加在大部分可可西里地震断层面上小于0.01MPa,但断层东端达0.018MPa(图3e).这说明前面四个地震的发生有利于2001年可可西里地震的发生,它们的发生可能触发了2001年11月14日的可可西里地震.由图3可以看出,1963年都兰地震位于库仑应力增加区,增加值为0.02～0.03MPa;1937年花石峡地震和1963年都兰地震由于距离1973年玛尼地震较远,在其震源位置处产生的库仑破裂应力变化小于0.01MPa,但位于库仑破裂应力增加区.若认为小于0.01MPa的库仑破裂应力变化也能触发地震,则花石峡地震和都兰地震对其均有微弱的触发作用,但这也不能排除动态应力触发的可能性.1973年玛尼地震距1997年地震断层较近,在其震源位置处产生的库仑破裂应力增加约为0.01MPa.前面4个地震在2001年可可西里地震大部分断层面上产生的库仑破裂应力增加均小于0.01MPa,但在其东端达到0.018MPa(图3d).至2003年7月,上述5个地震,主要是花石峡和可可西里地震在可可西里地表破裂以东东昆仑断裂带的东大滩、西大滩地区产生的库仑破裂应力达到0.05～0.1MPa.图4给出2001年可可西里地震发生时在该地震破裂面上的库仑破裂应力ΔCFS变化.由于花石峡地震和都兰地震距可可西里发震断层较近,对其影响较大.图中d表示沿断层走向的距离,h表示深度,即断层面的垂向距离.另外由图4还可以看出可可西里地震破裂面上的库仑破裂应力变化随深度改变不大.为了定量表示黏弹性介质弛豫对库仑破裂应力变化的放大作用,以下式表示某地震错动产生的同震库仑破裂应力变化在总体库仑破裂应力变化(可可西里地震发生前夕)中所占份额其中,r表示可可西里地震发生前同震产生库仑破裂应力变化在总体库仑破裂应力变化中所占份额.N表示研究区域库仑破裂应力的计算点数.Δσci表示第i点上某个地震同震库仑破裂应力变化,Δσsi表示可可西里地震发生前某个地震在第i点产生的库仑破裂应力变化.地震产生的库仑破裂应力变化包含两部分,第一部分为地震的同震库仑破裂应力变化(Δσci),第二部分为由于地球介质的黏弹性弛豫导致的库仑破裂应力变化(Δσsi-Δσci).很明显,r值越小,同震库仑破裂应力变化占总库仑破裂应力变化的份额越小,黏弹性弛豫导致的库仑破裂应力变化越大.根据(2)式得到花石峡、都兰、1973年玛尼和1997年玛尼地震同震库仑应力变化所占份额分别为11.5%,27.2%,34.8%和79.6%.总之,随着地震发生时间的推迟,中下地壳的黏弹性松弛导致的库仑破裂应力变化逐渐增加,致使其同震库仑破裂应力变化所占的份额逐渐减小.总体来看,前面四个地震在2001年可可西里地震破裂面上由于地球黏弹性弛豫产生的库仑破裂应力变化(即Δσsi-Δσci)随着时间的推移逐渐加大.库仑破裂应力变化为正的地区也随着时间的推移逐渐扩大.这与Zeng计算的Landers地震对HectorMine地震的影响是一致的:Landers地震后下地壳应力场的松弛使得HectorMine震源位置处的库仑应力逐渐移出应力影区,从而促使HectorMine地震的发生.这里需要说明的是,HectorMine地震相距Landers地震震中只有20km,对其影响较大,本研究给出的前面4次地震相距可可西里地震达数百公里,因而对其影响较小.为了研究各个地震事件对地震断层面不同点的影响,图5给出可可西里地震断层面东端A、中心位置B和西端C点的库仑破裂应力变化随时间的改变,并且给出摩擦系数μ不为0时对结果的影响,图中纵坐标为时间,单位为年.可以看出,前面发生的4次地震在可可西里地震断层面上产生的剪切应力(同时亦为μ为0时的库仑破裂应力)均有利于可可西里地震的发生.而正应力均为负,使得断层面被挤压而不利于可可西里地震的发生.若假定摩擦系数μ=0.4,正应力的挤压效应还不足以抵消剪切应力的增加,计算的库仑破裂应力变化仍有利于可可西里地震的发生(图5).由于A点靠近花石峡地震和都兰地震,而这两次地震的发震时间较早,中、下地壳的黏弹性弛豫对库仑破裂应力变化影响较大,致使该点的应力变化最大,并且在花石峡地震和都兰地震发生时也能看到该点同震应力的明显增加.C点靠近1973年和1997年玛尼地震断层,由于1973年玛尼地震地震矩释放较小(表1),看不出明显的同震应力变化,而1997年玛尼地震使得该点剪切应力明显增加,正应力明显减小,而库仑破裂应力变化改变很小.可可西里地震断层中点位置B仅能观测到1937年花石峡地震和1997年玛尼地震时的明显同震应力变化.应该注意的是,图5所给出的剪切应力变化和正应力变化均有随时间的加速过程.这可以从两个方面来解释,第一,岩石圈各层内弛豫时间不同(中地壳和下地壳为数年,上地壳Ⅱ为数十年,上地幔为百年),几种不同弛豫时间的综合效应导致观测到的应力加速现象.第二,震源产生的黏弹性效应具有随时间向外扩散的过程.距震源较远的点虽然观测到的库仑应力变化较小,但深部的黏弹性弛豫效应的贡献大于浅部贡献,随时间的加速过程也更明显.5地壳系统应力变化对地震发生时间的影响在地震应力触发问题的讨论中,按照对后续地震作用的应力形式不同,目前所进行的研究大致上可分为几类:(1)静态应力触发研究,(2)动态应力触发研究,(3)黏弹性扩散应力触发研究.但对于同一地区考虑黏弹性介质中多个大地震对后续地震事件综合影响的研究还未见报道.本文针对东昆仑破裂带发生的1937年花石峡、1963年都兰、1973年玛尼、1997年玛尼和2001年可可西里地震计算了前面地震在可可西里地震破裂面上的库仑破裂应力变化.计算结果表明,前面地震产生的库仑破裂应力变化均有利于可可西里地震的发生.中下地壳的黏弹性弛豫效应使得库仑破裂应力变化随时间逐渐增大,在中、远场范围黏弹性弛豫造成的库仑破裂应力甚至可以大大超过同震形变造成的库仑破裂应力.关于库仑破裂应力变化对于地震触发的估计,可可西里地震破裂面上大部分区域库仑破裂应力变化小于0.01MPa,但在其东端达0.018MPa.虽然0.018MPa的库仑破裂应力变化值略大于0.01MPa的地震触发阈值,但考虑到该断层每年错动11mm,假设在100km的空间范围内产生形变,地壳剪切模量为4×1010Pa,则每年会产生10-7量级的应变,相当于4400Pa的应力积累,这样0.018MPa的库仑破裂应力变化相当于4.0年的应力积累.1963年都兰地震震源处的库仑破裂应力变化为0.02～0.03MPa.该地震发生于东昆仑破裂带的阿拉克湖段上,该段断层全新世时期的左旋滑动速率为每年5～8mm,按同样方法估计,0.02～0.03MPa的库仑破裂应力变化相当于6～15年的积累.1937年和1963年地震距1973年地震较远,对其影响很小,但库仑破裂应力变化为正.1997年玛尼地震处的库仑破裂应力变化约为0.01MPa,而玛尔盖茶卡断层的全新世左旋走滑速率约为每年10mm,按上述方法估计0.01MPa的应力变化相当于2.5年的长期构造加载积累.可可西里地震发生后,东大滩和西大滩段的库仑破裂应力变化达0.05～0.1MPa,按该段断层全新世左旋滑动速率每年12mm估计,该库仑破裂应力变化相当于10～20年的长期构造加载积累,预示着这一地区的地震危险性增加,这与徐锡伟等根据地质考查和地震空区推测得到的结论一致.需要注意的是,花石峡及都兰地震断层的东南端及与断层垂直的方向也出现较高的库仑破裂应力增加,但考虑到后发生的可可西里地震的影响、断层的分布以及可可西里地震的动态应力触发效应,东大滩-西大滩断层段发生地震的危险性应当比这里为大.由此看来,地震产生的库仑破裂应力变化可以较好地估计将来地震发生的位置.但如何根据地震产生的库仑破裂应力变化预测将来地震的发生时间是一个未解决的问题.当地壳系统加载到接近破裂的临界状态时,任何小的应力增加可能导致地震的发生,前面地震产生的应力变化可能与后续地震有相当好的对应关系.然而,地壳系统未加载到临界状态时,前面地震产生的应力变化就不能触发后续地震.对地壳系统所处的应力状态进行实时正确估计是运用库仑破裂应力变化对将来地震发生时间进行预测的关键环节.一旦地壳系统达到破裂的临界状态,小的应力变化也可能会引起其他物理性质,例如介质的电导率、地震波速、介质各向异性等的变化.对