1974年和1979年溧陽兩次地震同震庫侖應(yīng)力變化及其發(fā)震構(gòu)造研究

儲飛　王韶穩(wěn)　張毅　談昕　袁泉　徐如剛

摘要：

1974年和1979年在蘇皖交界的溧陽地區(qū)分別發(fā)生了兩次破壞性地震，造成了大量人員傷亡和財產(chǎn)損失。分別計算這兩次地震引起的同震庫侖應(yīng)力變化，并與余震分布情況進行對比分析，認(rèn)為兩次地震的發(fā)震斷層均為NW走向。計算得出溧陽1979年地震震中位置處于1974年地震引發(fā)的靜態(tài)庫侖應(yīng)力增加的區(qū)域，應(yīng)力變化值約0001 MPa，表明1974年地震的發(fā)生對1979年地震的發(fā)生具有一定的積極影響，但由于應(yīng)力變化值較小，未能造成直接的觸發(fā)。

關(guān)鍵詞：溧陽地震；庫侖應(yīng)力變化；震源機制解；蘇皖交界

中圖分類號：P31572文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2016）03-0397-07

0引言

1974年4月22日在蘇皖交界的溧陽地區(qū)發(fā)生了MS55地震，震源深度16 km（賀楚儒等，1988），5年后的1979年7月9日幾乎在同一位置又發(fā)生了MS60地震，震源深度12 km（賀楚儒，張德齊，1990）。5年內(nèi)原地重復(fù)發(fā)生兩次破壞性地震的情況在中國東部的板內(nèi)地震中非常少見（葉洪等，1980）。

溧陽兩次地震造成了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。地震發(fā)生后專家們先后對其進行了大量研究分析。對1974年MS55地震的發(fā)震構(gòu)造問題，賀楚儒等（1983）、葉洪等（1980）和Chung等（1995）意見較為一致，認(rèn)為其發(fā)震斷裂應(yīng)為NWW向斷裂。而對1979年MS60地震的發(fā)震斷裂問題則一直沒有較為統(tǒng)一的意見。葉洪等（1980）應(yīng)用零矢量方法研究了1979年MS60地震與其余震的震源機制解，分析認(rèn)為該地震是在NEE向擠壓應(yīng)力作用下，沿著NE向的茅山斷裂帶東支發(fā)生了右旋走滑兼有正斷層性質(zhì)的錯動。林邦慧等（1982）、劉萬琴和黃家正（1982）分別利用P波頻譜和瑞利波方向性函數(shù)對溧陽MS60地震進行研究，認(rèn)為此次地震是NW向斷層向SE方向發(fā)生的左旋走滑破裂。Chung 等（1995）利用2°～90°之間的長周期P波、SH波及短周期遠震PD波的波形數(shù)據(jù)，確定了此次地震具有逆沖分量的走滑震源機制，但對于此次地震的發(fā)震斷裂沒有給出具體的意見。對于兩次地震之間的關(guān)系，朱春俊（1992）、胡連英（1997）和葉洪等（1980）認(rèn)為這不是兩次孤立的地震事件，兩次地震之間必然存在一定的聯(lián)系。

本文分別計算了溧陽兩次地震引起的同震庫侖應(yīng)力變化，并與余震分布情況進行對比分析，根據(jù)分析結(jié)果提出1979年溧陽MS60地震發(fā)震斷裂的意見，判斷1974年地震是否對1979年地震具有觸發(fā)作用。

1庫侖應(yīng)力變化研究概述

庫侖破裂應(yīng)力是指作用在斷層面上，克服摩擦阻力使斷層滑動的力，而庫侖破裂應(yīng)力變化是指庫侖破裂應(yīng)力的改變量（王連捷等，2008）。地震發(fā)生時所釋放的斷層上所積累的應(yīng)力并沒有完全憑空消失，而是通過傳輸，轉(zhuǎn)移至周邊地區(qū)，導(dǎo)致鄰近區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力升高或者降低，進而觸發(fā)或者抑制這些地區(qū)的地震活動（單斌等，2010）。近幾年來，大地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化對后續(xù)的地震活動造成的影響受到廣泛關(guān)注（Harris，1998；Parsons，Dreger，2000；Toda et al，2011；石耀霖，曹建玲，2010），并已被諸多震例研究所證實（Stein et al，1994；King et al，1994；Toda et al，2008）。許多震例表明，大地震后庫侖應(yīng)力的變化對后續(xù)地震活動有促進作用，很小的庫侖應(yīng)力變化就可能對地震的活動性及時空分布產(chǎn)生較大的影響（Stein et al，1997；Deng，Sykes，1997）。

自2008年汶川大地震發(fā)生后，地震引發(fā)的庫侖應(yīng)力變化研究迅速受到了研究學(xué)者們的關(guān)注，分別從不同角度對庫侖應(yīng)力計算過程中的若干問題、庫侖應(yīng)力變化與余震分布的對應(yīng)關(guān)系、庫侖應(yīng)力變化對周邊斷裂活動的影響等方面進行了深入的探討。

庫侖破裂應(yīng)力變化的表達式如下（Okada，1992；King et al，1994）：

ΔCFS=Δτ+μ′Δσn（1）

式中，ΔCFS為庫侖破裂應(yīng)力變化，Δτ為剪切應(yīng)力變化，Δσn為正應(yīng)力變化，μ′為有效摩擦系數(shù)。根據(jù)庫侖破裂準(zhǔn)則，斷層面上的剪切應(yīng)力大于或等于阻礙滑動的摩擦力時，沿斷層面就會發(fā)生摩擦滑動。諸多震例研究成果表明，地震所引發(fā)的庫侖應(yīng)力增加的區(qū)域有利于后續(xù)地震的發(fā)生，而負值區(qū)則明顯抑制后續(xù)地震的發(fā)生（Lin，Stein，2004；Toda et al，2011）。

2震區(qū)地震地質(zhì)背景

溧陽地震處于華南塊體的揚子地臺接近與華北塊體接壤的北部邊界（Chung et al，1995）。這一地區(qū)的典型特點是一系列晚中生代到早新生代和中新生代時期形成的隆起和凹陷相間展布（賀楚儒，張德齊，1990）。溧陽MS60地震即發(fā)生在茅山東側(cè)斷陷盆地內(nèi)，該盆地是一個新生代斷陷盆地（葉洪等，1980）。隆起和凹陷多被一系列規(guī)模較大的斷裂分隔開來。

震區(qū)與此次地震活動相關(guān)的主要斷裂有（圖1）：

（1）茅山斷裂帶。茅西斷裂位于茅山西側(cè)，總體呈NE30°方向延伸，傾向SE，總長約110 km（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1984）。茅東斷裂為NNE向，切割NE向的逆沖斷裂和NNE向推覆構(gòu)造，長約85 km，斷裂走向NE10°～20°，傾向多為SE，主要出露在金壇致和至高淳花山。該斷裂具有多期活動特征，屬左行兼逆沖和旋轉(zhuǎn)運動特質(zhì)（胡連英，徐學(xué)思，1992）。

（2）金壇—南渡斷裂。呈NNE向延伸，長約80 km，1974年和1979年溧陽2次地震的余震多沿該斷裂呈帶狀分布。跨越金壇—南渡斷裂的水準(zhǔn)觀測資料表明，在溧陽1979年MS60地震前后具明顯差異（侯康明等，2012）。根據(jù)上述資料及地震活動情況，可推斷該斷裂應(yīng)屬于第四紀(jì)晚更新世活動斷裂。

（3）溧陽—南渡斷裂。該斷裂向近EW向延伸長約20 km，與金壇—南渡斷裂相交，大部分為第四系所覆蓋，屬隱伏斷裂（侯康明等，2012）。

31979年溧陽MS60地震引起的庫侖應(yīng)力變化及其發(fā)震斷裂討論

1979年7月9日溧陽地區(qū)發(fā)生MS60地震，其后又發(fā)生了多次余震。自1979年7月9日主震后至1980年1月31日共記錄到余震336次（MS≥0），其中MS≥40的余震有2次，均為走滑型錯動（葉洪等，1980）。由圖2可以看出，溧陽MS60地震震中位于NE向的金壇—南渡斷裂與近EW向的溧陽—南渡相交的位置，余震大多分布在主震震中附近，大致沿EW向溧陽—南渡斷裂分布，另有少數(shù)余震分布較為分散。整體上來看，幾乎所有的余震都處在金壇—南渡斷裂的東側(cè)，極少數(shù)余震發(fā)生在其西側(cè)。

溧陽MS60地震發(fā)生后，國內(nèi)外相關(guān)科研機構(gòu)和學(xué)者陸續(xù)對該地震進行了深入的研究，并給出了震源機制解（表1）。由表1可以看出，震源機制解顯示有兩組節(jié)面，一組節(jié)面走向為NW向，另一組節(jié)面走向為NE向，2組節(jié)面的滑動方式均以走滑錯動為主，兼有少許逆沖分量。NW向節(jié)面走向與此區(qū)域近EW向的溧陽—南渡斷裂較為接近，且溧陽MS60地震發(fā)生之后的余震活動主要沿此斷裂分布，而NE向節(jié)面走向則與NE走向的金壇—南渡斷裂較為吻合。

表1中所列2組不同機構(gòu)提供的震源機制解數(shù)據(jù)雖然有所不同，但差別極小，因此本文選取第二組震源機制解參數(shù)（Chung et al，1995）作為發(fā)震斷層，利用Coulomb33程序進行同震庫侖應(yīng)力變化計算，根據(jù)中國地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)設(shè)定震源深度為12 km，斷層面參數(shù)根據(jù)Coulomb33程序所提供的經(jīng)驗公式計算獲得，計算深度設(shè)定為12 km。

由計算出的應(yīng)力變化與余震分布對比圖樣（圖3）可以看出：（1）震中附近區(qū)域主要為應(yīng)力減小區(qū)域，在距震中約數(shù)千米的外圍區(qū)域，應(yīng)力變化呈現(xiàn)不同分布，應(yīng)力增加區(qū)域和應(yīng)力減小區(qū)域呈間隔分布；（2）對比計算所得的同震庫侖應(yīng)力變化與余震分布可得，由NE走向的節(jié)面II所得的計算結(jié)果中只有少數(shù)余震處在應(yīng)力增加的區(qū)域，其余則處在應(yīng)力減小區(qū)域和邊緣地帶；而由NW走向的節(jié)面I所得的計算結(jié)果中絕大多數(shù)余震都分布在應(yīng)力增加的區(qū)域，且余震發(fā)生、發(fā)展的趨勢與應(yīng)力增加區(qū)域的方向趨勢和范圍非常一致。因此，相比于NE走向的節(jié)面II，NW走向的節(jié)面I計算所得的應(yīng)力變化增加的區(qū)域與余震的分布更加吻合。

通過將地震造成的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化與余震分布進行對比，比較結(jié)果更支持1979年溧陽地震的發(fā)震斷層為NW走向，這與林邦慧等（1982）以及劉萬琴和黃家正（1982）的研究結(jié)果較一致。

41974年溧陽MS55地震引起的庫侖應(yīng)力變化及其對1979年地震的觸發(fā)作用分析

41庫侖應(yīng)力變化

1974年4月22日，在江蘇省溧陽西部地區(qū)發(fā)生了MS55地震。由于震中區(qū)人口集中，河網(wǎng)密布，盡管只是一次中強地震，仍然造成了較大的損失。此后的1979年在距離非常近的同一地區(qū)又發(fā)生了MS60地震，這種地震重復(fù)性發(fā)生的現(xiàn)象在中國東部地區(qū)是很少見的（Chung et al，1995），因此，時至今日依然受到地震研究學(xué)者們的高度關(guān)注。圖4給出了1974年溧陽MS55地震及其余震震中的空間分布。謝瑞征等（1980）和高祥林等（1993）利用P波初動對此次地震進行了研究，認(rèn)為本次地震是帶有正滑分量的走滑錯動，基于對余震和最大烈度等震線分布的研究，認(rèn)為發(fā)震斷層面應(yīng)該為NWW向。Chung 等（1995）通過對地震波波形研究的結(jié)果表明本次地震活動為NWW走向斷層具有逆沖分量的走滑錯動，并給出了震源機制解數(shù)據(jù)。

筆者利用Coulomb33程序?qū)?974年溧陽地震所引發(fā)的同震庫侖應(yīng)力變化進行了計算，根據(jù)中國地震臺網(wǎng)（CSN）數(shù)據(jù)設(shè)定震源深度為16 km，斷層面參數(shù)根據(jù)Coulomb33程序所提供的經(jīng)驗公式計算獲得，計算深度設(shè)定為18 km。

圖5可知：（1）在震中附近應(yīng)力變化相對較為復(fù)雜，距震中稍遠處應(yīng)力變化趨勢較為明顯；（2）震后余震在震中附近分布不多，主要集中分布在震中SE方向，這與計算出的靜態(tài)庫侖應(yīng)力增加區(qū)域的分布比較一致；（3）與NE向節(jié)面相比，將NW向節(jié)面設(shè)為發(fā)震斷層計算出的結(jié)果與余震分布更為吻合。

421974年溧陽地震對1979年溧陽地震的觸發(fā)作用分析

大量研究通過計算地震引起的庫侖應(yīng)力變化發(fā)現(xiàn)地震之間存在相互影響、相互作用的聯(lián)系（King et al，1994；Freed，2005；Stein ，Lisowski，1983；Toda et al，1998；萬永革等，2007；劉桂萍，傅征祥，2000）。地震的發(fā)生釋放了聚集的應(yīng)力，但應(yīng)力并不會完全憑空消失，部分應(yīng)力通過傳輸、轉(zhuǎn)移至其他地區(qū)，進而影響后續(xù)地震的發(fā)生（王連捷等，2008）。庫侖應(yīng)力的增強相當(dāng)于斷層額外負荷的加載，促進地震的發(fā)生；反之，將導(dǎo)致地震的發(fā)生時間推遲。

以Chung等（1995）提供的1974年溧陽地震震源機制解NW向節(jié)面數(shù)據(jù)作為源斷層，1979年溧陽地震發(fā)震斷層面作為接收斷層，計算了1974年溧陽地震引起的庫侖應(yīng)力變化對1979年地震的影響，計算深度設(shè)為12 km，計算出的應(yīng)力變化如圖6所示。結(jié)果顯示，1979年溧陽地震震中位置處于應(yīng)力增加的區(qū)域，但應(yīng)力變化值在0001 MPa左右，小于001 MPa（01 bar），而001 MPa通常被認(rèn)為是能夠有效促進后續(xù)大地震發(fā)生的閥值（Harris，1998）。因此，筆者認(rèn)為溧陽1974年地震引起的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化對1979年地震的發(fā)生具有一定的積極影響，但未能造成直接的觸發(fā)。

5討論與結(jié)論

溧陽1974年和1979年地震是發(fā)生于中國東部大陸穩(wěn)定地區(qū)的2次破壞性地震，因其破壞性及短時期內(nèi)地震原地重復(fù)發(fā)生而備受關(guān)注。本文對溧陽1974年和1979年2次地震序列和震區(qū)構(gòu)造背景進行了簡要分析，分別計算了2次地震引起的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化，并與其余震分布情況進行了對比分析，得到以下結(jié)論和討論：

（1）2次地震的計算結(jié)果均顯示將NW向震源機制解節(jié)面數(shù)據(jù)設(shè)為發(fā)震斷層時的計算結(jié)果與余震分布的吻合度要明顯優(yōu)于NE向節(jié)面的計算結(jié)果，從余震分布的趨勢與應(yīng)力增加區(qū)域的發(fā)展方向和范圍比較也呈現(xiàn)同樣的結(jié)果，因此本文認(rèn)為溧陽兩次地震的發(fā)震斷層均應(yīng)為NW走向斷層。

（2）以1974年地震的發(fā)震斷層作為源斷層，以1979年地震的發(fā)震斷層作為接收斷層，計算了1974年地震引發(fā)的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化對1979年地震的影響，計算結(jié)果顯示1979年溧陽地震震中位置處于應(yīng)力增加的區(qū)域，但應(yīng)力變化值相對較小，未能達到應(yīng)力觸發(fā)的閥值。因此，筆者認(rèn)為溧陽1974年地震的發(fā)生對1979年地震的發(fā)生具有一定的積極影響，但由于應(yīng)力變化值較小，未能造成直接的觸發(fā)。

（3）兩次地震的發(fā)生對周圍斷裂的活動性產(chǎn)生了一定的影響，尤其是對距離較近的溧陽—南渡斷裂、茅山斷裂帶和金壇—南渡斷裂影響較大，后續(xù)跨斷層水準(zhǔn)觀測資料（侯康明等，2012）也證實這一點。

（4）地震的發(fā)生是一個十分復(fù)雜的過程，難以用一種簡單的模型和方法來解釋，庫侖應(yīng)力的變化只是地震的一個觸發(fā)因素，能否發(fā)生地震還取決于斷層所積累的構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)、大小及其變化情況。雖然如此，庫侖應(yīng)力的變化對研究余震發(fā)展趨勢和周邊區(qū)域地震活動仍具有重要意義。

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