利用強震地震序列反演震區構造應力狀態的方法研究

張永慶

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

利用強震地震序列反演震區構造應力狀態的方法研究

張永慶

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

地殼的應力狀態是地殼最重要的性質之一,地殼表面和內部發生的各種地質構造現象及其伴生的各種物理現象與化學現象都與地殼應力的作用密切相關。因此,了解大陸地殼應力分布狀態,特別是地殼深部應力狀態,是解決地球動力學有關科學問題的基礎,同時也是探明深部資源、保護環境、減輕災害所必需開展的基礎性研究工作。

早期人們通過應力現場測量來獲取地殼淺部的應力信息,后來隨著地震雙力偶模型的發展,人們開始利用地震活動來獲取地殼深部的應力信息,發展了基于此原理的構造分析法、大地測量學方法、矩張量法等。這些方法獲取的是不同深度地殼內的應力狀態。對于深部應力狀態尤其是應力大小的獲取,仍然是應力場研究中的難點。

“復雜自然系統的科學發現過程往往就是理解它們生成的時空圖像的過程”(計算物理指導委員會提交給美國科學基金會的報告)。大震或強震及其余震活動是震源區應力場在時間和空間上的一系列快速或慢速調整過程,因此,地震序列包含了來自孕震層處的很多重要信息,如震源區介質的應力-應變狀態及其演化過程、介質的幾何形態變化和本構關系變化形態等。

有關地震活動和破裂應力變化之間的關系已有很多相關研究,它們均指向地震活動受控于地震構造和應力環境這兩個關鍵因素,但基于地震序列分析的構造應力場研究比較少。以地震活動和應力變化為中心主題,本文完成了3部分內容,包括利用強震地震序列反演構造應力場的方法、汶川地震震前震后應力轉移、汶川地震序列時空特征所反映的震區應力場調整過程,下面分別介紹。

本文的第一部分內容是應力場研究,采用力學計算和統計相結合的辦法,通過評估破裂應力變化與地震活動空間圖像的相似性,反演震源區構造應力狀態參數,得到如下結論:

(1)地震序列中蘊含大地震孕育的應力環境信息,通過分析地震序列圖像能夠獲得震源區構造應力場參數。利用強震地震序列反演構造應力狀態參數的方法是:以強震的地震序列和震源模型為輸入,采用位錯模型計算每個地震的破裂應力變化(本文中所指的破裂應力是指優勢破裂面上的庫侖破裂應力,第二章附錄有推導過程),評估強震前后這些地震的破裂應力變化與地震活動的空間分布圖像的相似性,利用遺傳算法逐步調整應力參數使得應力-地震活動的空間相關性最大,如此反復多次得到最佳應力狀態參數。該方法獲得的應力值為孕震層處的應力參數,同時獲得了有效摩擦系數,這在一定程度上考慮了正應力對于余震空間分布的影響,避免了震源機制解反演應力場的摩擦系數為零的假設,正應力在余震空間分布中的作用得以體現,這與觀測結果更為接近。

(2)通過麗江地震、Hector M ine地震和汶川地震3個地震的研究,認識到利用強震地震序列反演應力狀態的方法適用于各種主余型地震。反演可獲得震源區應力狀態的8個參數,包括主應力大小、方向、應力形因子、有效摩擦系數、應力梯度參考量等。上述參數中的方向性參數與震源機制反演結果一致性較好。

(3)汶川地震所在震源區的構造應力狀態參數為:最大主應力方位角295°、傾角5°、大小為75 M Pa、有效摩擦系數0.7、應力形因子0.6、應力梯度因子2 g/cm3、最小主應力和中等主應力之比為0.7左右。

本文的第二部分內容是汶川地震前后破裂應力變化的時空圖像分析,采用多種時間和空間范圍上破裂應力變化圖像的疊加方法研究其時間和空間演化規律,得到如下結論:

(1)汶川地震的震后不同時間段內的破裂應力變化有著顯著的差異,以汶川地震后13天的青川MS6.4級地震為界,青川地震之前的破裂應力變化處在快速變化過程中,地震主要活動集中在斷層面附近,青川地震之后破裂應力變化逐步擴散到斷層以外,應力變化的分區格局就此形成,之后再無大的變化。

(2)汶川破裂應力變化在深度上有很顯著的變化,文縣斷裂所在地區0～5 km深度上的破裂應力變化為正,5 km以下則為負,汶川震中西北方向上的破裂應力變化也有同樣的現象,這種情況反映了傾滑地震斷層的斷層面傾角對破裂應力變化空間分布的控制性作用。

(3)汶川斷層面上的破裂應力變化也呈現顯著空間差異,以主震震中為參考點,主震震中傾向方向向上30 km以及青川震中以下出現了兩個顯著的破裂應力變化為負的區域,分別對應著M≥4.5余震較少的區域。

(4)震源模型的參數對破裂應力變化的空間分布有較為強烈的控制作用,該參數和構造應力場方向及有效摩擦系數等,都是影響破裂應力變化計算的關鍵參數,因此對應力變化的討論必須建立在上述條件之上,單純的應力圖像比較可能會產生誤導。

(5)汶川地震震前的破裂應力變化在1992—2008年間基本格局沒有顯著變化,只是在鮮水河中部與龍門山南部與安寧河向西南突出的三角區域出現反復的應力調整,破裂應力變化正區與負區交替出現或者混雜在一起,這種現象可能反映的是該區域應力場交匯處的特點。

本文的第三部分內容是采用余震序列、中小震應變能密度、b值及震源機制解綜合分析的方法研究汶川震源區應力場的調整過程,取得了如下結論:

(1)汶川地震序列的衰減符合修改的大森規律,p值和c值隨時間延伸呈同步上升的趨勢,以震級下限2.0為例,2008年11月至今,p值由0.94逐步升為1.01,而c值則由8上升為12;擬合結果與震級下限有關,震級下限為M 3.0的余震序列擬合結果是p=1.33。

(2)汶川地震序列的發震時刻分析表明汶川余震活動的優勢分布時刻為0—7點和14—19點,結合b值的時間分布,本文認為在大地震后應力場經歷劇烈變化—快速變化—逐漸平靜3個過程,這意味著應力場變化和地震應變能釋放(或地震活動)一樣可能是一種非平穩周期性波動、衰減過程。

(3)b值和震源機制解的分析表明,汶川地震序列無論從力學機制還是從活動習性上都存在強烈的空間不均勻性,平面上大體分為西南段、中段和東北段。地震破裂始于高應力區,向東北向穿越低應力區,終止于高應力區,地震活動的活動中心隨時間也由西南向東北遷移,分別對應于不同的逆沖、逆沖兼走滑、走滑兼逆沖和走滑等幾種應力狀態分區。深度上,較大余震發生在深度較深和應力較大區域,顯示出震級和深度的對應關系,因為b值反映的是地震活動的震級結構,所以余震活動在深度上分布的這一趨勢表明余震有分層活動的特點,該特點是由孕震應力環境決定的。b值的空間分布特點一方面反映了孕震區介質的分段、分層特性,同時也顯示了應力狀態的局部化特征對地震活動的強烈控制作用。

在對汶川地震序列時空特征的研究過程中,建立了以斷層為統計中心的統計模型,并以此研究了汶川地震序列的空間變化特征,并與以主震震中為統計中心的研究結果進行了對比,得到如下結論:

(1)以斷層線為統計中心的統計模型得到的統計結果表明,該模型展示的汶川余震活動空間各向異性較強。99.9%以上的地震活動都分布在與斷層所成俯角50°～120°和240°～310°的方位上,呈現出顯著的優勢方位分布和端部不對稱集中;98%以上的地震活動都分布在距離斷層100 km的空間范圍內,地震活動頻次呈指數衰減。

(2)上述結果表明,斷層的幾何特征對于中小地震活動空間分布具有強烈的控制作用,其中所用統計方法使得我們對地震活動空間各向異性的認識更加直觀,這一統計思路可用于未來利用地震活動反演應力狀態方法中統計模型的改進。

本研究的創新之處可以歸納為以下幾點:

(1)首次在國內采用力學計算與統計相結合的方法,利用地震目錄和震源參數反演計算了麗江地震、Hecto r M ine地震、汶川地震的震源區構造應力狀態參數,獲得了構造應力場的方向性參數和大小、摩擦系數、應力梯度等其他參數。

(2)采用多種時間和空間范圍上破裂應力變化圖像疊加的方法研究其時間和空間演化規律,同時也探索了應力變化隨深度的變化以及在斷層面上的分布。

(3)采用余震序列、b值及震源機制解綜合分析的方法研究汶川震源區應力場的調整過程,認識到汶川地震序列無論從力學機制還是從活動習性上都存在強烈的空間不均勻性,主要表現在:在平面上的分段性,在深度上,較大余震發生在深度較深和應力較大(b值較小)區域,顯示出震級和應力強度的對應關系,具有顯著的分層特征。

(4)結合汶川地震序列的發震時刻與b值的時間分布,研究了應力場隨時間變化的規律,獲知汶川余震活動有兩個優勢分布時刻,認為在大地震發生后應力場經歷劇烈變化—快速變化—逐漸平靜3個過程,可能意味著應力場變化和地震應變能釋放(或地震活動)一樣,是一種非平穩周期性波動、衰減過程。

利用大震前后的地震活動反演震區構造應力狀態,并延伸應用于破裂應力變化的時空演化特征,國內尚無類似研究成果。本文在這個方向上的探索取得了一些有價值的結果,對于促進國內構造應力場研究、應力轉移現象等研究具有重要意義。

地震序列;應力狀態;破裂應力變化;時空演化;汶川地震

P315.72+7;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.07.011

(作者電子信箱,張永慶:w hyzyq@yahoo.com.cn)