喜馬拉雅東構造結附近強震對滇西南地區斷層的影響研究*

孟令媛，史海霞，周龍泉

0 引言

喜馬拉雅造山帶包含喜馬拉雅弧、東構造結和西構造結3個基本組成部分，是大陸碰撞后印度板塊繼續向北移動，并向西藏高原下俯沖產生的構造變形系統向南凸出的弧形，東、西構造結的變形過程在時間、空間上的差異，是西藏東部下地殼向東、東南流動的部分原因 (滕吉文等，2006;馬曉靜，高祥林，2011)。依據構造地質學劃分喜馬拉雅造山帶區域，東構造結為北東走向的馬蹄形同軸弧，主要是由主邊界逆斷層東端和緬甸弧構成，還包含幾條大致平行的斷層弧，最顯著的構造特征是環繞東構造結的大尺度順時針旋轉運動，以及緬甸弧東邊的寬闊右旋剪切變形帶，其中實皆 (Sagaing)斷裂是緬甸弧及東構造結的重要組成部分，也是整個喜馬拉雅造山帶的東邊界 (尹安，2006)。實皆斷裂是緬甸中部近南北向高角度右旋走滑斷裂，長約1 200 km，GPS資料研究表明，該斷裂右旋走滑速率為15～18 mm/a(宋健等，2011)，是東構造結強震最為活躍的斷裂帶，且靠近我國滇西南地區，自1900年以來發生過多次M≥7地震，最近一次為2012年11月11日的緬甸MS7.0地震，其震中位置為發生在實皆斷裂帶上的1946年MS7.8地震和1956年MS7.0地震中間的空段內，震源深度約20 km，震中位置距離我國云南省邊境約200 km①http://earthquake.usgs.gov/earthauakes/eqarchives/epic/result.php．。

近年來，國際地震界廣泛關注強震產生的庫侖破裂應力變化及其對周圍斷層的影響，主要涉及后續地震的發震位置和時間 (Harris，1998;Stein，1999)。即某一斷層發生地震時，不僅在該發震斷層上產生應力降及應變能的釋放，同時應力還會被傳遞至其周圍的斷層上，進而使得這些斷層發生應力的改變和調整 (Harris et al.，1995;Toda et al.，1998)。萬永革等 (2002)針對中國大陸發生的4次大震震后應力變化情況指出，后續破裂事件均受到前面發生的地震事件的影響，即前面的地震事件對后續地震事件均存在某種程度的觸發作用。斷層之間的相互作用不僅可以通過觸發來體現，而且當某一斷層發生地震時，對其周圍斷層應力的影響或者有增加或者有減少，即加速或者延緩地震的發生時間，產生觸震和緩震效應 (King et al.，1994;張秋文等，2003)，如1857年Ft.Tejon大地震產生的緩震效應對南加州后續地震的抑制作用十分明顯 (Harris，Simpson，1996)。此外，針對2008年汶川地震后對周邊斷層地震活動性影響的研究中指出，汶川地震的發生使得鮮水河斷裂道孚—康定段及則木河斷裂的庫侖破裂應力增加，金沙江斷裂的庫侖破裂應力減小 (萬永革等，2009;邵志剛等，2010)。

本文針對2000年以來喜馬拉雅東構造結發生的3次7級左右地震后周圍應力場的變化進行分析，計算其對我國滇西南地區斷層靜態庫侖破裂應力的具體影響，討論滇西南斷層間的相互影響及加卸載效應，并估計該區域潛在的地震危險性。

1 計算方法

地震的發生主要由地下巖石的錯動造成，地震發生前后較短時間內實現了彈性能的快速釋放，假設地球介質為半無限空間且空間內各向同性，若已知地震位錯的幾何參數和錯動大小，即可求出半無限空間內部的位移場和應變場。基于庫侖定律，斷層面上庫侖破裂應力變化的表達式為

式中:Δτ為剪切應力變化;Δσn為正應力變化;f為斷層面介質摩擦系數;Δp為孔隙壓力變化，實際上Δp調節著斷層面上的有效正應力，Δp減少摩擦系數的效應可以用f'=f(1－B)表示，其中B為Skemptons系數，取值范圍為0～1，當巖石應力的改變遠遠快于巖石中Δp的擴散，則Δp可以通過B值在式 (1)中得到體現，且轉換為

其中，f'包含了孔隙流體和斷層面上介質的特性，一般取值為0.2～0.8(King et al.，1994)。

基于式 (1)和 (2)，采用Toda等 (1998)開發的Coulomb3.3軟件對庫侖破裂應力變化進行計算。計算中地殼的剪切模量取3.3×104MPa，泊松比取值 0.25，f'取值 0.4，該值為 King等(1994)通過不同f'取值相應庫侖破裂應力圖像變化情況給出的經驗取值。通常引起應力變化的地震和破裂面稱為“源地震”和“源斷層”，區域中的其它先存在的斷層為“接收斷層”，Coulomb3.3軟件的計算過程中，接收斷層的ΔCFS的計算結果受到源斷層的走向、傾角和滑動角，源地震的同震位錯，以及接收斷層的幾何特征和摩擦系數的綜合影響 (King et al.，1994)。

活動斷層庫侖破裂應力的變化對其地震的活動性存在著一定的影響，簡單的對應關系即為應力增加，則地震活動性增強，最后會慢慢回歸到背景的水平，而應力減小則可能使周圍的地震活動性的進程受到延緩。斷層的演化過程一般可分為3個階段:穩定滑動階段、加速階段、瞬態失穩階段。第一階段即為斷層的閉鎖階段，通常占到整個演化階段的約90%的時間進程，而同震過程則對應于第三階段，即斷層的動態破裂，通常在幾十秒到上百秒內完成。彈性位錯 (Elastic Dislocation)理論下的觸震效應和緩震效應的時間變化量Δt可表示為

式中，τ'為剪應力加載速率，式 (3)被廣泛應用于對地震加卸載區成因的討論和解釋 (Harris，1998;Toda et al.，1998;Parsons et al.，2000)。剪應力加載速率τ'無法直接測得，需要基于理論計算求得，通常根據剪應力加載速率τ'和靜態應力降Δτs及地震回復周期tr之間的近似關系 (Dieterich，1994)求得:

式中，Δτs為主震靜態應力降，可以表示為(Knopoff，1958)

其中:μ為剪切模量，且μ=3×1010Pa;W為發震斷層寬度;D為地震的平均滑動位移。

在計算過程中，選取喜馬拉雅東構造結靠近滇西南地區2000年以來發生的2000年6月7日緬甸MS6.9地震、2011年3月24日緬甸MS7.2地震和2012年11月11日緬甸MS7.0地震作為源地震(圖1)。把滇西南地區靠近邊境的大盈江斷裂、龍陵—瑞麗斷裂、南汀河西支斷裂、南汀河東支斷裂、孟連—瀾滄斷裂、打洛—景洪斷裂、怒江斷裂、木嘎斷裂和龍陵—瀾滄斷裂9條斷層設定為接收斷層，并將9條斷層各自的走向、傾角和滑動角作為相應接收斷層的幾何輸入參數 (圖1)。根據以上方法和程序，計算這3次地震引起的周圍應力的變化情況，并針對滇西南地區大盈江斷裂等9個斷層所受到的ΔCFS進行計算，從而進一步分析喜馬拉雅東構造結附近強震對滇西南地區斷層的加卸載影響。

2 地震參數選取及周圍斷層參數的設定

2000年6月7日緬甸MS6.9地震、2011年3月24日緬甸MS7.2地震和2012年11月11日緬甸MS7.0地震3次地震的發震斷層產狀以及位錯參數見表1。為計算滇西南地區庫侖破裂應力的變化，需要明確計算區域內斷層的幾何參數及運動學特征，筆者主要參照鄧起東等 (2002)依據地質和地震信息提供的活動斷層相關數據來構建斷層模型參數 (表2)，這些斷層即為應用Coulomb3.3軟件的計算過程的接收斷層。圖1中給出的F1～F9斷層主要考慮滇西南地區靠近緬甸3次7級左右強震的位置及影響范圍，實皆斷裂為近NS向的走滑型，因此，F1～F6均為NE向，其中F6打洛—景洪斷裂展布相對較長，且靠近2011年緬甸MS7.2地震，F7為距離2000年緬甸MS6.9、2012年緬甸MS7.0兩次地震較近，且與實皆斷裂近乎平行的怒江斷裂，F8、F9則為靠近2011年地震的兩條NW向斷裂，其中F9為龍陵—瀾滄斷裂的南段部分，本文考慮的計算長度約占總長的1/4。

表1 喜馬拉雅東構造結附近3次7.0級左右地震的發震斷層幾何參數及位錯參數Tab.1 Geometric and dislocation parameters on the seismogenic fault of three M7.0 earthquakes around the eastern Himalayan tectonic syntax is

表2 滇西南地區接收斷層幾何參數Tab.2 Geometric parameters of the receiver faults in Southwest Yunnan area

3 計算結果

根據已設定的地震斷層模型和活動斷層性質及滑動特性，計算投影到斷層面和滑動方向上的庫侖破裂應力變化 (圖2)。本研究所選取的3次7級左右地震對滇西南地區活動斷層的影響主要以應力卸載為主，其中大盈江斷裂 (F1)、龍陵—瑞麗斷裂 (F2)、南汀河西支斷裂 (F3)、南汀河東支斷裂 (F4)、孟連—瀾滄斷裂 (F5)和打洛—景洪斷裂 (F6)呈NE向展布，與滇西南地區西側靠近實皆斷裂的整體構造相對一致，庫侖破裂應力均為負值，受應力卸載的影響，量值范圍在－0.06～－0.01 bar之間，這6條NE向斷裂的ΔCFS由北 至 南 依 次 為 － 0.01 bar、 － 0.04 bar、－0.02 bar、 －0.02 bar、 －0.03 bar和 0.06 bar;怒江斷裂 (F7)、木嘎斷裂 (F8)和龍陵—瀾滄斷裂 (F9)為NW向展布，其中怒江斷裂 (F7)為應力卸載影響，ΔCFS為 －0.02 bar，木嘎斷裂(F8)和龍陵—瀾滄斷裂 (F9)為應力加載影響，ΔCFS分別為0.002 bar和0.004 bar。

參照圖1，2000年緬甸MS6.9地震發生之后至2011年緬甸MS7.2地震之間，滇西南地區M≥5.0地震主要集中分布在大盈江斷裂 (F1)和龍陵—瑞麗斷裂 (F2)附近，相對平靜的斷層周圍為南汀河西支斷裂 (F3)、南汀河東支斷裂 (F4)和怒江斷裂 (F7);緬甸2011年MS7.2地震發生之后截至2012年12月31日，滇西南地區M≥5.0地震仍分布在F1和F2附近區域。對比圖2，可將滇西南靠近緬甸一側的9條活動斷層大體分為3個區域:第一個區域 (A)包含 NE向的 F1、F2和NNE向的F7;第二個區域 (B)包含2個NE向的F3和F4;第三個區域 (C)則由NE向的F5、F6和NW向的F8、F9組成。A區和B區均為庫侖破裂應力卸載區域，A區持續有M≥5.0地震活動，但沒有達到M≥6.0，B區自2000年緬甸MS6.9地震之后持續M≥5.0地震平靜;C區為庫侖破裂應力加載區域，且自2011年緬甸MS7.2地震之后至2012年底，C區的地震活動同樣處于持續的M≥5.0地震平靜之中。

針對本研究涉及的9條活動斷層，定義其分別作為特征斷層歷史距今發生M≥5.0地震的時間間隔為視復發周期，即tr*，最近一次M≥5.0地震的主震的靜態應力降為Δτrs，則基于式 (4)則有τ'=Δτrs/tr*。利用圖2和式 (3)，可以近似給出本文所涉及的9條活動斷層的觸震和緩震效應推算結果 (表3)及示意圖 (圖3)。本研究給出的結果是假設庫侖破裂應力的擾動發生在斷層演化的第二階段，即加速階段，則表3中利用式 (3)給出的Δt計算結果均為假設所分析的活動斷層已處在加速階段的前提下，受到ΔCFS擾動的觸震和緩震影響。

表3 滇西南地區接收斷層觸震/緩震計算結果Tab.3 Results of the trigging and delaying on the receiver faults in Southwest Yunnan area

實際上，關于視復發周期的定義，一方面，特征斷層上歷史上距今最近一次的大地震和前一次大地震的間隔可以定義為視復發周期;另一方面，如果距今僅發生過一次較大地震，由于本研究給出的結果是假設庫侖破裂應力的擾動發生在斷層演化的第二階段，則可以認為這一次地震距離現在的時間間隔為視復發周期。

圖3中C區則為觸震效應的影響區，對比“M7專項”針對南北帶南段—中—長期大地震危險性的研究成果，指出騰沖—瑞麗地區為M≥7.0地震中—長期危險性值得注意地區 (M7專項工作組，2012;聞學澤等，2012)。對比圖3中A區和騰沖—瑞麗注意地區不包含怒江斷裂 (F7)，主要以大盈江斷裂 (F1)和龍陵—瑞麗斷裂 (F3)為主，B區和C區孟連—瀾滄斷裂 (F5)的附近區域為地震空區部分，C區龍陵—瀾滄斷裂附近區域為強震破裂區。

4 討論與結論

本研究主要涉及喜馬拉雅東構造結2000年以來的3次7級左右地震對我國滇西南地區空間應力變化及活動斷層靜態庫侖應力變化的影響，這3次7級左右地震震中位置均在我國西南邊境境外區域。同時，由于東構造結范圍較廣，且實皆斷裂展布較長，本研究計算區域大于1×106km2，受到計算能力的限制，在針對滇西南地區活動斷層計算庫侖破裂應力變化時，沒有對單一活動斷層進行分段化處理，而是將每一個活動斷層作為整體計算ΔCFS取值。3次7級左右地震的震源深度范圍大致在20 km(表1)，可以認為該區域地殼的脆性破裂向下不超過25 km。在庫侖破裂應力變化計算過程中，將斷層面深度范圍取值地表至地下20 km處，根據Coulomb3.3軟件的算法原理，現有的計算結果為地表以下10 km深度庫侖破裂應力的變化情況。結果顯示，選取的3次7級左右地震對滇西南地區活動斷層的影響主要以應力卸載為主，其中大盈江斷裂、龍陵—瑞麗斷裂、南汀河西支斷裂、南汀河東支斷裂、孟連—瀾滄斷裂和打洛—景洪斷裂呈現NE向展布，與滇西南地區西側靠近實皆斷裂的整體構造相對一致，庫侖破裂應力均為負值，受到應力卸載的影響，量值范圍在－0.06～－0.01 bar;NW向的怒江斷裂為應力卸載影響，ΔCFS為－0.02 bar，而木嘎斷裂和龍陵—瀾滄斷裂為應力加載影響，ΔCFS分別為+0.002 bar和 +0.004 bar。

實際上，在本文所選取的9條接收斷層境內的附近區域2000年以來也有6級左右的地震發生，這些地震同樣會對這些接收斷層產生一定的庫倫破裂應力影響，本文僅選取了境外的3次7級左右地震作為源地震進行研究，主要是考慮了這3個震例分布由北至南，基本展布滇西南地區的境外空間。基于現有的計算結果，得出初步結論為:2000年的緬甸MS6.9地震和2012年的緬甸MS7.0地震距離滇西南地區接收斷層距離較遠，發震斷層空間展布以近南北向為主 (圖1)，二者的影響較小且主要以應力卸載為主;而2011年的緬甸MS7.2地震，距滇西南地區，近且發震斷層展布為NE向，其對周圍接收斷層的加卸載影響則均相對略大。這一初步結論，對這一區域未來發生的7級左右強震對滇西南地區斷層的庫侖破裂應力影響有一定的參照意義。

通常情況下觸震和緩震的作用是相對的，并且M≥5.0地震的成核過程也要相對復雜，孕育時間也不是絕對的。3次7級左右地震對大盈江斷裂、龍陵—瑞麗斷裂、南汀河西支斷裂、南汀河東支斷裂、孟連—瀾滄斷裂、打洛—景洪斷裂、怒江斷裂的緩震效應影響在－0.69～－0.21 a，對龍陵—瀾滄斷裂的觸震影響為+0.35 a(表3)。表3中給出的9條活動斷層的ΔCFS的絕對數值也較小，主要是由于所選擇的這3個7級左右地震距離9條活動斷層相對較遠，但庫侖破裂應力的影響是存在的，由式 (3)推算出來的觸震和緩震效應的Δt也是在假設擾動發生在斷層演化的加速階段中。因此，表3中給出的Δt的計算結果對于設定區域短臨期 (1 a左右尺度)地震活動性的研究具備一定的參考價值。

本文在撰寫過程中，劉桂萍研究員、劉杰研究員、蔣海昆研究員和張永仙研究員給予了有益的指導與幫助，作者在此一并表示感謝。

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