1966年邢臺地震靜態(tài)庫侖應力觸發(fā)分析

李守勇　鄒立曄　孫　晴　趙愛平

1　河北省地震局邯鄲中心臺，邯鄲市明怡街1號，056001 2　中國地震臺網中心，北京市三里河南橫街5號，100045 3　江西省地震局，南昌市洪都北大道865號，330039

?

1966年邢臺地震靜態(tài)庫侖應力觸發(fā)分析

李守勇1鄒立曄2孫晴1趙愛平3

1河北省地震局邯鄲中心臺，邯鄲市明怡街1號，056001 2中國地震臺網中心，北京市三里河南橫街5號，100045 3江西省地震局，南昌市洪都北大道865號，330039

通過分析1966年邢臺5次地震的靜態(tài)庫侖應力觸發(fā)情況發(fā)現，前2次地震對后面的地震有較好的觸發(fā)，而MS7.2以后地震的觸發(fā)不理想。從而認為，隨著地震的發(fā)生和震源深度的增加，巖漿活動對地殼介質的影響越來越大，地殼介質彈性性能越來越弱，即該區(qū)域淺部可以用均勻彈性半空間來近似，而深部在巖漿等因素的影響下，用均勻彈性半空間來近似存在較大的誤差，不適合用彈性位錯理論計算地震的觸發(fā)關系。這從側面反映了該地區(qū)巖漿活動的劇烈性和超殼斷層存在的客觀性。

邢臺地震；靜態(tài)庫侖應力觸發(fā)；震源深度；巖漿；高導層

1966-03-08邢臺地震距今已近50 a，在短短21 d內發(fā)生了5次MS≥6.0的地震，給當地人民造成巨大的生命財產損失。邢臺震群中，以發(fā)生在寧晉的MS7.2地震最大，位于新河斷裂附近。由于本次地震在地表的活動痕跡不明顯，測深數據和震源機制解資料顯示，新河斷裂收斂于地下8 km的脫滑帶[1]，而其下高傾角至莫霍面的深大斷層的活動是邢臺地震發(fā)生的主要誘因[2]。

邢臺地震是板內地震，而俯沖帶上的地震，其靜態(tài)庫侖應力觸發(fā)效果不明顯[3]。萬永革等[4]計算了邢臺03-08 MS6.8地震對03-22 MS7.2地震的觸發(fā)，但因為邢臺地震是一個地震群，MS≥6級的地震多達5個，而僅2個地震的靜態(tài)應力觸發(fā)情況不能涵蓋全部。

本文以構造背景和震源深度為基礎，分析了1966年邢臺5次MS≥6.0級地震的靜態(tài)庫侖應力觸發(fā)情況，認為該區(qū)淺部可以用均勻彈性介質近似，而深部在巖漿等因素的影響下，用均勻彈性介質來近似存在較大誤差。這對進一步認識邢臺地震及其地下構造有一定意義。

1　邢臺地震的構造背景

中國大陸西緣在印度板塊與歐亞大陸碰撞、擠壓，東緣在菲律賓海板塊、太平洋板塊俯沖的背景下，被大型活動斷裂帶分割成多個塊體。華北塊體是我國地震多發(fā)區(qū)之一，許多學者利用震源機制資料對該區(qū)進行大量研究[5]后認為，該區(qū)的最大主壓應力軸為北東東-南西西向。華北地區(qū)的地震帶分布在以北東東-南西西為主的情況下，一些穩(wěn)定地塊的邊緣和內部有許多北西向地震分布帶，與北東東-南西西向地震活動帶構成了本區(qū)基本的地震活動網絡[6](見圖1，MS≥5.0,震源深度≥40 km)。

圖1　邢臺地震及其周邊斷裂分布Fig.1　Xingtai earthquake and its surrounding fracture distribution

邢臺地區(qū)莫霍面最淺約32 km[7]，震區(qū)的中下地殼具有較高的溫壓條件[1]。邢臺地震發(fā)生在殼內的高導層上，而高導層內的物質溫度較高，有導電率極高的物質成分[8]。其下有劇烈的巖漿活動，巖漿活動成為控制邢臺地震的一個重要因素[9]。

邢臺1966～1985年MS≥5.0地震目錄和部分震源深度≥40 km的地震目錄(到1967-01-12止)見文獻[10-11]，震中分布如圖1所示。可以看出，震源深度≥40 km的地震隨著時間的推移其數量越來越多,且其分布貫穿邢臺震區(qū)的南北。總體而言，震源深度由淺而深。

2　計算原理

應力觸發(fā)研究始于20世紀60年代。King等[12]計算了1992年美國Landers地震破裂面附近最優(yōu)方向上的庫侖應力變化；Deng等[13]計算了1982～1995年南加州中強震所產生的庫侖應力變化的總和，根據地震產生的靜態(tài)應力分布，可以預測后續(xù)余震的空間活動。

作為對實際地殼介質的近似，用均勻彈性將其簡化，根據地震位錯理論及庫侖定律可以計算靜態(tài)庫侖應力的分布。地震時，斷層受到應力作用而破裂，對周圍的結構產生應力傳遞。其傳遞的庫侖應力為正值時，促使該處的斷層破裂，有利于地震的發(fā)生，而為負值則抑制該處的斷層破裂。靜態(tài)庫侖應力公式為[12]：

(1)

式中，Δσf是源斷層滑動傳遞到接收斷層上的靜態(tài)庫侖應力變化，Δτs是剪切應力的變化，Δσn是正應力的變化，μ′為接收斷層上的摩擦系數。

3　邢臺地震參數的選擇

邢臺地震是震群型，其下低速高導層的埋深為10～20 km[14]，地震平均深度為20.3 km[15]，為高傾角的走滑斷層。河北省地震局[10]給出了5次MS≥6.0地震的震源機制解。據文獻[16]，對于MS6.2地震，取震源機制解的第二個節(jié)面為斷層面；對于其余4個地震，選擇第一個節(jié)面為斷層面(如表1所示)。震源機制的滑動角根據文獻[18]提供的公式計算，這里取摩擦系數為0.5[19]。假設震源深度都位于斷層面的中央，根據文獻[20]求斷層錯動位移，根據文獻[21]求斷層長度，具體參數見表2。

表1　邢臺MS≥6.0地震的震源機制解

表2　邢臺MS≥6.0地震的斷層參數

華北南部地區(qū)地應力場[22]如表3所示，另假設泊松比為0.25，楊氏模量為80 000 mPa，最大主應力為10 mPa，中等主應力為3 mPa，最小主應力為0。使用USGS的Coulomb 3.3進行靜態(tài)

表3　華北地區(qū)南部地應力場

庫侖應力計算。

4　邢臺地震靜態(tài)庫侖應力的結果

考慮背景應力場，我們得到邢臺地震在空間上的靜態(tài)庫侖應力分布(見圖2，單位bar)。據圖2知，MS6.7地震發(fā)生在MS6.8地震的靜態(tài)庫侖應力增加的邊緣處，距離靜態(tài)庫侖應力的負值區(qū)很近(圖2(a))；其5級以上的地震中有3個發(fā)生在庫侖應力增加區(qū)，有3個發(fā)生在負值區(qū)；MS6.7地震的發(fā)生時間與MS7.2地震僅差8 min，其間沒有更小的MS5以上的地震發(fā)生，MS7.2地震發(fā)生在MS6.7地震的靜態(tài)庫侖應力增加的地區(qū)(圖2(b))；MS7.2地震與MS6.2地震之間的小震都發(fā)生在應力減少區(qū)，MS6.2地震發(fā)生在靜態(tài)庫侖應力增加區(qū)與應力影區(qū)之間的白區(qū)，基本不受MS7.2地震的靜態(tài)庫侖應力的影響(圖2(c))；之后的MS6.0地震發(fā)生在MS6.2地震產生的靜態(tài)庫侖應力的白區(qū)，基本不受影響，而其間的一個5級以上的小震發(fā)生在MS6.2地震產生的庫侖靜態(tài)應力的增加區(qū)(圖2(d))。從計算結果總體看來，MS6.8地震對MS6.7地震及MS6.7 地震對MS7.2地震的靜態(tài)應力觸發(fā)較好，MS7.2地震及其以后的地震產生的靜態(tài)庫侖應力與后續(xù)地震的發(fā)生對應關系不明顯，即觸發(fā)不好。

圖2　邢臺地震中的靜態(tài)庫侖應力變化Fig.2　Xingtai earthquake static Coulomb stress changes

5　結　語

邢臺地震自MS7.2地震以后觸發(fā)不好。其下原本有較強的巖漿活動，在MS6.8地震后，有一個深度為33 km的地震發(fā)生，不僅超過該區(qū)殼內高導層的深度，也接近了莫霍面的深度。而殼內高導層富含高溫高壓的連通流體[8]，使巖漿等液體沿著地震產生的裂隙向地表方向滲透，其后隨著MS6.7地震及MS7.2地震的發(fā)生，使巖漿對這些裂隙的作用更加強烈，這可能也是地震深度逐漸增加的原因。隨著巖漿對地殼裂隙的填充，使其彈性性能減小，一些局部介質呈現準塑性，其用變形來抵消地震傳給它的能量(這也可很好地解釋地面烈度不規(guī)則的現象)，因而用彈性位錯理論計算會產生很大的誤差，甚至得到錯誤的結果，這也是MS7.2地震以前的地震有較好的觸發(fā)，而其后面的地震觸發(fā)不好的原因。

靜態(tài)庫侖應力的觸發(fā)對板內有些地震有較好的應對，而對板塊邊緣的地震則效果不好，如對俯沖帶上的地震用庫侖破裂準則計算其觸發(fā)效果就不是很好[3]。同樣，對板內受巖漿活動(或其他近液態(tài)物質)影響劇烈的地方，其觸發(fā)效果也不好。板內地區(qū)，由于地震的復雜性，不同地區(qū)的介質有很大差別，有的地區(qū)可以用均勻彈性介質來近似，而有的地區(qū)由于介質的不均勻性及一些介質物態(tài)的不統(tǒng)一性(如巖漿活動等因素)，使用均勻彈性介質來近似存在與實際情況較大的誤差。中國大陸西部，上地幔高導層的埋深偏大，而地震普遍發(fā)生于其上[14]。這說明，四川、云南及西部等一些地區(qū)可以用均勻彈性介質來近似，地震時用庫侖破裂準則來計算其觸發(fā)性能有較好[23]的應對。而地震時的邢臺地區(qū)，其淺部可以用均勻彈性介質近似，而其深部由于巖漿活動的影響，則不能用均勻彈性介質來近似。這一現象也從側面反映了邢臺地震時，地下的較強巖漿活動和超殼深斷層存在的客觀性。

致謝:華北水電學院的劉遠征博士、中國地震臺網中心的張雪梅博士給予許多有益建議，在此深表感謝！

[1]王椿鏞，張先康，吳慶舉，等.華北盆地滑脫構造的地震學證據[J].地球物理學報，1994，37(5)：613-620(Wang Chunyong，Zhang Xiankang，Wu Qingju，et al.Seismic Evidence of Detachment in North China Basin[J].Chinese Journal of Geophysics,1994，37 (5)：613-620)

[2]邵學鐘，張家茹，章思亞，等.邢臺地震區(qū)深部構造背景的地震轉換波探測和研究[J].地球物理學報，1993，36(5)：609-620(Shao Xuezhong，Zhang Jiaru，Zhang Siya，et al.Study of Deep Structures in Xingtai Earthquake Area by Method of Converted Waves of Earthquakes[J].Chinese Journal of Geophysics，1993,36(5)：609-620)

[3]繆淼，朱守彪.俯沖帶上特大地震靜態(tài)庫侖應力變化對后續(xù)余震觸發(fā)效果的研究[J].地球物理學報，2012，55(9)：2 982-2 993(Miao Miao，Zhu Shoubiao.A Study of the Impact of Static Coulomb Stress Changes of Megathrust Earthquakes along Subduction Zone on the Following Afterxhocks[J].Chinese Journal of Geophysics，2012，55 (9)：2 982-2 993)

[4]萬永革，吳忠良，周公威，等.幾次復雜地震中不同破裂事件之間的“應力觸發(fā)”問題[J].地震學報，2000，22(6)：568-576(Wan Yongge，Wu Zhongliang，Zhou Gongwei，et al.“Stress Triggering” between Different Rupture Events in Several Earthquakes[J].Acta Seismologica Sinica，2000，22 (6)：568-57)

[5]李欽祖.華北地區(qū)地殼應力場的基本特征[J].地球物理學報，1980，23(4)：376-388(Li Qinzu.General Features of the Stress Field in the Crust of North China[J].Chinese Journal of Geophysics，1980，23(4)：376-388)

[6]蔣溥，戴麗絲，徐峰，等.華北斷塊區(qū)現代構造斷裂的動力學問題的地震研究[J].地震地質，1983，5(1)：15-28(Jiang Pu，Dai Lisi，Xu Feng，et al.Seismological Study of Dynamic Problems of Recent Fracture in the North China Fault Block Region[J].Seismology and Geology，1983，5(1)：15-28)

[7]魏文博，葉高峰，金勝，等.華北地區(qū)地殼P波三維速度結構[J].中國地質大學學報——地球科學，2007，23(4)：441-452(Wei Wenbo，Ye Gaofeng，Jin Sheng，et al.Three Dimensional P-Wave Velocity Structure of the Crust of North China[J].Journal of China University of Geosciences-Earth Science，2007，23(4)：441-452)

[8]徐常芳.中國大陸殼內與上地幔高導層成因及唐山地震機理研究[J].地學前緣，2003,10(增刊1)：101-111(Xu Changfang.The Cause of Formation of the Upper Mantle and Crust High Conductive Layers in Chinese Mainland and the Study of Tangshan Earthquake[J].Earth Science Frontiers，2003，10 (S1)：101-111)

[9]王椿鏞，張先康，林中洋，等.束鹿斷陷盆地及其鄰近地殼結構特征[J].地震學報，1994，16(4)：474-479(Wang Chunyong，Zhang Xiankang，Lin Zhongyang，et al. Shulu Rift Basin and Its Adjacent Structure of the Crust[J].Acta Seismologica Sinica，1994，16 (4)：474-479)

[10]河北省地震局.1966年邢臺地震[M].北京：地震出版社，1986(Earthquake Administration of Hebei Province. Xingtai Earthquake of 1966[M].Beijing：Seismological Press，1986)

[11]河北省地震局.邢臺地震目錄[M].北京：地震出版社，1976(Earthquake Administration of Hebei Province. Xingtai Earthquake Catalog[M].Beijing:Seismological Press，1976)

[12]King G C P，Stein R S，Lin J. Static Stress Changes and the Triggering of Earthquakes[J].Bull Seismo Soc Amer，1994，84 (3)：935-953

[13]Deng J S，Sykes L R. Evolution of the Stress Field in Southern California and Triggering of Moderate-Size Earthquakes：A 200-Year Perspective[J].J Geophys Res，1997，102 (B5)：9 859-9 886

[14]高文，蔣邦本，白登海.邢臺地震區(qū)大地電磁觀測與研究[J].地球物理學報，1990，33(3)：291-297(Gao Wen，Jiang Bangben，Bai Denghai.Magnetotelluric Studues in the Xingtai Earthquake Area of Eastern China[J]. Chinese Journal of Geophysics，1990，33(3)：291-297)

[15]汪素云，James N，馬宗晉，等，華北強震斷層面解和震源深度特征[J].地球物理學報，1991，34(1)：42-54(Wang Suyun, James N, Ma Zongjin, et al.The Characteristics of Fault Plane Solutions and Focal Depths of Strong Earthquakes in North China[J]. Chinese Journal of Geophysics, 1991，34 (1)：42-54)

[16]何志桐，謝挺.邢臺地震系列的空間分布、構造應力場及其發(fā)生過程的探討[J].地球物理學報，1977，20(2)：131-142(He Zhitong,Xie Ting. The Hypocentral Distribution of the Xingtai Earthquake Series,Tectonic Stress Field and the Process of Earthquake Occurrences[J].Chinese Journal of Geophysics, 1977，20(2)：131-142)

[17]王寶成,張之立.1966年邢臺地震序列破裂過程的有限元計算[J].華北地震科學，1990,8(4):31-40(Wang Baocheng,Zhang Zhili.The Finite Element Modeling for the Fracture Process of 1966 Xingtai Earthuqake Sequence[J].North China Earthquake Science,1990,8(4):31-40)

[18]萬永革，吳忠良，周公威，等.根據震源的兩個節(jié)面的走向角和傾角求滑動角[J].地震地磁觀測與研究，2000， 21(5)：26-30(Wan Yongge, Wu Zhongliang, Zhou Gongwei, et al. How to Get Rake Angle of the Earthquake Fault from Known Strike and Dip of the Two Nodal Planes[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2000，21 (5)：26-30)

[19]陳連旺，陸遠忠，劉杰，等. 1966年邢臺地震引起的華北地區(qū)應力場動態(tài)演化過程的三維粘彈性模擬[J].地震學報，2001，23(5)：480-491(Chen Lianwang, Lu Yuanzhong, Liu Jie, et al.Three Dimensional Viscoelastic Simulation on Dynamic Evolution of Stress Field in North China Induced by the 1966 Xingtai Earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica, 2001，23 (5): 480-49)

[20]趙穎，郭恩棟，王瓊，等.走滑斷層地震地表斷裂位錯估計方法研究[J].巖土力學，2013，34(5)：1 404-1 408(Zhao Ying, Guo Endong, Wang Qiong, et al.Estimate Method of Dislocation to Seismic Surface Rupture under Strike-Slip Fault[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013，34 (5): 1 404-1 408)

[21]龍鋒，聞學澤，徐錫偉.華北地區(qū)地震活斷層的震級-破裂長度、破裂面積的經驗關系[J].地震地質，2006，28(4)：511-535(Long Feng, Wen Xueze, Xu Xiwei.Empirical Relationships Between Magnitude and Rupture Length, and Rupture Area, for Seismogenic Active Faults in North China[J]. Seismology and Geology, 2006，28(4): 511-535)

[22]崔效鋒. 1976年唐山地震前后華北地區(qū)現代構造應力場的時空變化特征[J].中國地震，2001，17(3)：280-288(Cui Xiaofeng.The Space-Time Variations of Present Tectonic Stress Field in North China before and after 1976 Tangshan Earthquake[J]. Earthquake Research in China, 2001，17 (3): 280-288)

[23]王瓊，聶曉紅，唐麗華.南天山西段強震應力觸發(fā)作用研究[J].大地測量與地震動力學，2007，27(5)：108-114(Wang Qiong, Nie Xiaohong, Tang Lihua.On Stress Triggering Strong Earthquakes in Western Part of Southern Tianshan Mountain[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2007，27 (5): 108-114)Analysis and Discussion of the Static Coulomb Stress Triggering of the 1966 Xingtai Earthquake

LIShouyong1ZOULiye2SUNQing1ZHAOAiping3

1Handan Seismostation of Hebei Province, 1 Mingyi Street, Handan 056001，China 2China Earthquake Networks Center, 5 Nanheng Street, Sanlihe, Beijing 10045,China 3Earthquake Administration of Jiangxi Province, 865 North-Hongdu Road,Nanchang 330039,China

The 1966 Xingtai earthquake devastated densely populated areas. There were a total of fiveMS≥6.0 earthquakes in 21 days. Many studies have shown that there was intense magmatism under the area. Analysis of the static Coulomb stress triggering of the five earthquakes shows that the triggering of the first two earthquakes had good relations, but that the relations after the MS7.2 earthquake triggering were not ideal. This paper argues that, as the earthquakes occurred, the focal depth increases, the impact on the crust magmatism grows, and the elastic properties of crustal medium weakens. The shallow part of the region can be approximated with homogeneous elastic half-space. However, for the deeper part, under the influence of magma and other factors, there is a big error in calculation of earthquake triggering with homogeneous elastic half-space. This is not suitable for calculating the earthquake triggered by the elastic dislocation theory. Furthermore, this also reflects the regional magmatic activity and the objectivity of the existence of the super crust fault.

Xingtai earthquake；static Coulomb stress triggering；focal depth；magma；high conductive layer

The Spark Program of Earthquake Sciences of Hebei，No.DZ20140712043.

ZOU Liye, senior engineer, majors in data management and software development, E-mail:zouly@seis.ac.cn.

2015-11-02

李守勇，工程師，主要從事地震臺網監(jiān)測及應力場研究，E-mail:lishy@sina.com。

鄒立曄，高級工程師，主要從事數據管理及相關軟件研發(fā)工作，E-mail:zouly@seis.ac.cn。

10.14075/j.jgg.2016.10.016

1671-5942(2016)010-0918-04

P315

A

項目來源：河北省地震科技星火計劃(DZ20140712043)。

About the first author:LI Shouyong,engineer,majors in the seismic network monitoring and stress field,E-mail:lishy@sina.com.