汶川、蘆山和康定地震造成的鮮水河斷裂帶庫侖應力變化及對地震危險性的影響

王閻昭 王 敏 安艷芬

1 中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室，北京市朝陽區(qū)華嚴里甲1號，100029

鮮水河和龍門山斷裂帶是青藏高原東緣兩條重要斷裂帶。前者以快速左旋走滑活動為特征，強震發(fā)生頻繁［1］；后者為變形緩慢的鏟形逆沖斷層，兼具右旋走滑分量，2008年和2013年分別發(fā)生汶川Mw 7.9地震和蘆山Mw 6.6地震。2014－11－22鮮水河斷裂發(fā)生康定地震，全球矩心矩張量解（GCMT）對應的震中位置為（30.24°N，101.78°E），震源深度24.6km，走向N143°E、傾角85°的主破裂面發(fā)生左旋剪切破裂，矩震級為6.1［2－5］（USGS給出的震中位置為30.34°N、101.737°E）。本文分別計算汶川和蘆山地震的同震和震后介質粘滯性響應以及康定地震同震引起的鮮水河斷裂庫侖應力變化，分析汶川和蘆山地震與康定地震間的關系，并對鮮水河斷裂帶未來地震危險性作出定量估計。

1 庫侖應力變化和地震提前／延遲

根據(jù)庫侖破裂準則，斷層面上的庫侖應力變化為：

其中，Δτs和Δσn分別為斷層面上的剪切應力（以斷層滑移方向為正）和正應力（以拉張為正）的變化量，μ為摩擦系數(shù)，Δp為 孔隙壓變化量［6－7］。孔隙壓變化導致的摩擦弱化效應可表示為等效摩擦系數(shù)μ′＝μ（1－B），其中B為Skempton系數(shù)，取值范圍為0～1［8］，則式（1）可改寫為：

依據(jù)式（2）計算汶川和蘆山地震同震和震后介質粘滯性響應和康定地震同震引起的鮮水河斷裂的ΔCFS。鮮水河斷裂以走滑活動為主，假設其斷層面直立。地震同震和震后區(qū)域介質粘滯性響應引起的應力變化均利用PSGRN／PSCMP程序［9］計算，其中汶川和蘆山地震的同震破裂模型分別采用Shen［10］和Jiang［5］的結果。由于目前沒有康定地震同震破裂分布的結果發(fā)表，且該地震的破裂規(guī)模較小，其同震破裂的空間分布對應力應變場的影響不大，因此假設一個同震位錯均勻分布的矩形破裂面。USGS 和GCMT 給出的震中位置分別為地震的起始破裂點和能量釋放中心，破裂面長度L大致為二者距離的2倍，約為24km；破裂面的寬度w大致與震源深度相當，即24.6km；位錯量D可利用下式估計［11］：

給定剪切模量μ＝3×1010Pa，可得D約為0.1m。

由于震后滑移對應力應變場的貢獻與主震相比不大且主要集中在近場［10］，而汶川地震同震破裂模型反演基于震后數(shù)周乃至數(shù)月的觀測數(shù)據(jù)，大多數(shù)余震的影響已包含在內，因此計算中未考慮震后斷層面滑移的影響。計算ΔCFS時采用表1所示的簡化的介質結構模型，介質波速結構和密度主要參考Shen［10］的結果，并通過改變介質的粘滯性系數(shù)考察其對計算結果的影響。

表1 松潘－甘孜和巴顏喀拉地塊介質結構模型Tab.1 Rheological structure models of the Songpan－Ganzi and Bayan Har blocks

為了更直觀地認識ΔCFS對地震危險性的影響，在線性庫侖應力加載的假設條件下，根據(jù)現(xiàn)今構造變形速率估計斷層面上的庫侖應力加載速率，并以此為量度計算地震引起的ΔCFS及下次地震提前／延遲的時間ΔT。假設鮮水河斷裂帶在彈性半空間20～2 000km 深度范圍內發(fā)生穩(wěn)定滑移，其北西段、中段和南東段左旋走滑速率分別為10.7±1.0、10.4±1.1和10.2±0.6mm／a［12］，利用Okada［13］算法計算由此導致的應變率場（為避免邊界效應，計算中將發(fā)生滑移的斷層沿走向向兩端分別延伸1 500km），給定介質剪切模量（3×1010Pa）和泊松比（0.25），得到應力加載速率。然后將式（2）中的應力分量替換為相應的加載速率，即可得到斷層面上的庫侖應力加載速率，則：

2 計算結果

分別估算汶川、蘆山和康定地震引起的鮮水河斷裂斷層面上10km 深處的ΔCFS及3者疊加導致的ΔT。由于應力場在5～15km 深度范圍內的變化不大，選擇10km 深度處的計算結果具有較好的代表性。同時，由于斷層面上的摩擦系數(shù)和孔隙壓未知，在模型1的假設條件下分別考察μ′＝0和μ′＝0.4兩種情況。

μ′＝0時計算結果如圖1、圖2。汶川地震使得鮮水河斷裂帶八美至磨西庫侖應力增加1.2×103～1.3×104Pa，八美以北和磨西以南分別減少1.5×103～2.3×104和9.7×102～2.9×103Pa。蘆山地震則導致康定至磨西庫侖應力增加5.1×102～1.6×103Pa，康定以北和磨西以南分別減少1.5×102～2.3×103和0.7×102～4.0×102Pa。汶川和蘆山地震在康定地震破裂帶附近引起的ΔCFS分別為1.1×104和－2.2×103Pa，分別對康定地震的發(fā)生起到促進和延遲的作用?？刀ǖ卣饎t導致地震破裂帶以外的整個鮮水河斷裂帶上庫侖應力增加，其中破裂帶以北的ΔCFS由1.6×104Pa向北衰減至1.4×102Pa，以南由2.0×104Pa向南衰減至3.0×102Pa。3 次地震的綜合效應導致鮮水河斷裂帶八美至磨西（康定地震同震破裂段除外）的地震危險性增加，使其地震提前0～5a，而其余地區(qū)則推遲0～4a。

圖1 μ′＝0時汶川、蘆山和康定地震造成的ΔCFS和ΔT（灰線為活動斷裂地表行跡，黑框為康定地震破裂面范圍，鮮水河斷裂帶上的彩色線段代表相應ΔCFS或ΔT）Fig.1 ΔCFS caused by the Wenchuan，Lushan，and Kangding earthquakes assumingμ′＝0and the totalΔT（Gray curves denote active faults.Black rectangle shows rupture zone of the Kangding earthquake.Colors stand for values ofΔCFS orΔT）

當μ′≠0 時，斷層面上的正應力將對ΔCFS產生貢獻。如圖2，當μ′＝0.4時，汶川地震在道孚以北、道孚至豬腰子海子以及豬腰子海子以南引起的ΔCFS 分別為－1.5×104～－2.0×103、1.2×102～1.9×104和－6.9×103～－2.3×103Pa。蘆山地震對斯丁措以北、斯丁措至磨西和磨西以南ΔCFS的貢獻則分別為－1.4×103～－1.9×102、2.2×102～2.3×103和－9.2×102～－2.0×102Pa。二者在康定地震破裂帶附近引起的ΔCFS分別為1.9×104和－1.0×103Pa?？刀ǖ卣饘е碌卣鹌屏褞б酝獾恼麄€鮮水河斷裂帶上庫侖應力增加，其中破裂帶以北ΔCFS由1.2×104Pa向北衰減至1.6×102Pa，以南則由2.5×104Pa向南衰減至2.8×102Pa。3次地震的綜合效應使得鮮水河斷裂帶道孚至豬腰子海子（康定地震同震破裂段除外）的地震危險性增加，使其地震提前0～6a，而其余地區(qū)推遲0～2a。

圖2 3次地震造成的ΔCFS和總ΔT 沿斷層走向的變化（a）、（b）和（c）分別為汶川、蘆山和康定地震造成的ΔCFS，（d）為3次地震造成的總ΔT；其中實線和虛線分別為μ′＝0和μ′＝0.4時的結果；黑線、綠線、紅線和藍線分別為地震同震、模型1、模型2和模型3的結果）Fig.3 Variation ofΔCFSs and the totalΔTcaused by the Wenchuan，Lushan and Kangding earthquakes along fault strike（a），（b）and（c）showΔCFSs induced by the Wenchuan，Lushanand Kangding earthquakes，respectively.（d）showsΔTcaused by the three earthquakes.Solid and dashed lines denote results assumingμ′＝0andμ′＝0.4，respectively.Black，green，red and blue lines show results of only－coseismic model and those under model 1，model 2，and model 3，respectively）

3 結 語

本文對鮮水河斷裂帶地震危險性的估計未考慮非線性效應對地震的觸發(fā)作用，如受速度－狀態(tài)相依本構關系控制的破裂加速效應［14］和考慮強度和／或庫侖應力狀態(tài)非均勻分布的斷層模型［15］等，雖然在某種程度上增加了結果的不確定性，但受限于對諸如斷層面粗糙體及其摩擦性質、地震破裂歷史及其滑移量分布等相關因素的認識不足，非線性效應很難估計。本文在線性加載假設下的計算結果對長期地震危險性的估計仍具有統(tǒng)計意義。

為考察流變學結構對ΔCFS的影響，除模型1（參見表1）外還分別計算了不考慮介質粘滯性響應（即只考慮地震同震）以及下地殼上地幔粘滯性系數(shù)更低（模型2）和更高（模型3）情況下3次地震對鮮水河斷裂帶的影響（圖3）。結果顯示，下地殼上地幔粘滯性系數(shù)越低，介質粘滯性響應造成的ΔCFS越大，沿走向的變化越劇烈。粘滯性系數(shù)的差異對ΔT計算結果的影響最多可達3 a，且主要為汶川地震的貢獻。同時，從圖2還可以清晰地看到，蘆山地震在鮮水河斷裂帶上引起的ΔCFS總體上比汶川和康定地震低1～2個數(shù)量級，3次地震造成的總應力擾動主要來自汶川和康定地震；汶川地震的影響幾乎遍及整個鮮水河斷裂帶，而康定地震的影響則主要集中在距地震破裂帶大約200km 的范圍內。

汶川和蘆山地震分別造成康定地震破裂段庫侖應力的加載和卸載，但后者的數(shù)值比前者低一個數(shù)量級。同時，汶川、蘆山和康定3個地震引起的區(qū)域應力場擾動也對鮮水河斷裂帶未來的地震危險性產生影響。在線性應力加載的假設條件下，當μ′＝0時，3次地震將使八美至磨西（除康定地震破裂帶外）的地震提前0～5a，其余地區(qū)推遲0～4a；當μ′＝0.4時，3次地震則會使道孚至豬腰子海子（除康定地震破裂帶外）的地震提前0～6a，其余地區(qū)推遲0～2a。

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