巴顏喀拉塊體東—南邊界強震序列庫侖應力觸發過程

屈勇++朱航

摘要：計算和研究了1973—2014年發生在巴顏喀拉塊體東-南邊界斷裂帶上的、由9次MS≥63地震組成的強震序列引起的庫侖靜應力變化圖像，分析序列中先發地震破裂對后發地震的應力觸發作用。結果表明：（1）1973—1976年在巴顏喀拉塊體東邊界的虎牙斷裂帶上發生的4次強震存在著顯著的應力觸發關系，同時改變了龍門山斷裂帶中南段及周圍區域的應力狀態，相繼觸發了汶川MS80地震和蘆山MS70地震；（2）南邊界鮮水河斷裂帶自1973年以來發生的3次強震同樣存在應力觸發關系，2014年康定MS63地震是巴顏喀拉塊體東、南邊界強震活動導致的庫侖應力變化共同觸發的結果；（3）序列中9次地震共同產生的庫侖應力變化圖像顯示：龍門山斷裂帶南段的汶川地震至蘆山地震破裂段之間的空區，鮮水河斷裂帶南段的道孚地震至康定地震破裂段之間的空區以及鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、龍門山斷裂帶交匯的三岔口地區均在庫侖應力增加區的覆蓋范圍之內，需要重點關注。

關鍵詞：巴顏喀拉塊體；庫侖應力變化；靜應力觸發；強震序列

中圖分類號：P315727文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）02-0216-10

0前言

巴顏喀拉塊體位于青藏活動地塊區中北部，其北、南邊界分別被具有左旋走滑性質的東昆侖斷裂帶、甘孜—玉樹斷裂帶和鮮水河斷裂帶包圍，東邊界則由龍門山斷裂帶和西北側的岷江—虎牙斷裂帶共同構成（張培震等，2003）。

自1973年以來，巴顏喀拉塊體南邊界和東邊界上發生多次MS≥63地震，如1973年2月6日在鮮水河斷裂帶北西段發生的爐霍MS76地震；1981年1月24日在鮮水河斷裂帶中段發生的道孚MS69地震；2014年11月22日在鮮水河斷裂帶南段發生的康定MS63地震，這3次地震在空間上沿巴顏喀拉塊體南邊界由西向東分布。1973年8月11日在虎牙斷裂帶北段發生了松潘黃龍MS63地震；1976年8月16～23日在虎牙斷裂帶中-南段的松潘-平武交界地區發生了MS72，MS67，MS72地震；2008年5月12日和2013年4月20日在龍門山斷裂帶的中-北段和南段分別發生了汶川MS80和蘆山MS70強震，這6次強震沿巴顏喀拉塊體的東邊界從北向南依次分布。上述地震共同構成了本文所稱的“巴顏喀拉塊體東-南邊界強震序列”。

我們的關注點在于：沿巴顏喀拉塊體邊界斷裂帶由北向南，由西向東依次發生的地震是否屬于應力觸發的結果？這一強震序列的發生對周邊地區的中、強地震活動有何影響？康定MS63地震發生之后，巴顏喀拉塊體東-南邊界斷層帶的應力積累變化情況如何？這些問題都需要我們從力學機制上探討應力變化與后續強震的觸發關系。

[KG（0.15mm]有關應力變化與地震關系的研究早在20世紀60年代就已興起，并于90年代達到一個相對成熟的階段（Scholz，1990；Deng，Sykes，1997）。Smith和William（1969）通過觀察南加州圣安德烈斯斷層帶上的應變調整，分析和探討了應力應變與強震之間的關系；King等（1994）最早將靜態庫侖應力變化應用在了地震觸發和余震分布的研究中，其結果表明：大地震引起靜態庫侖應力變化會對周邊斷層上的強震起到觸發作用，1992年6月28日發生的Big Bear MW65地震就是受到3 h以前的Landers MW73地震同震庫侖應力的觸發；Stein等（1997）和Nalbant等（1998）計算了伊茲米特-愛琴海地區的地震序列庫侖應力變化，得出地震發生概率與庫侖破裂應力變化存在正相關關系的結論，并成功預測了1999年伊茲米特地震；Papadimitriou等（2004）在考慮同震位錯及震間構造應力加載的情況下，研究了自1893 年以來鮮水河及附近斷裂帶的庫侖應力演化與地震觸發關系，發現MS≥65強震均發生在庫侖應力增加的斷層段。[KG）]

沈正康等（2003）采用廣義反射/透射矩陣方法研究了東昆侖活動斷裂帶庫侖應力演化與強震間關系，發現該斷裂帶自1937年以來發生的4次MS≥7地震均造成2001年昆侖山口西81級地震斷層面上庫侖破裂應力增加；吳小平等（2007）研究了1988年11月6日云南瀾滄―耿馬MS76、72級地震產生的完全庫侖破裂應力變化的時-空演化圖像，證實第1次主震觸發了第2次主震；朱航和聞學澤（2009，2012）分別對1973—1976年間四川松潘4次強震序列和1733—1850年間小江—則木河斷裂帶上4次MS≥70地震序列引起的庫侖應力變化及其余震分布的關系進行了研究，結果表明：后發強震破裂均發生在先發強震破裂引起的庫侖應力顯著增加區內，相互連接的各斷裂帶之間和斷裂帶內部各段之間均存在顯著的、力學上的相互作用；徐晶等（2013）基于負位錯理論，計算了鮮水河斷裂帶10個斷層段的震間長期構造加載作用引起的斷層上的應力積累，討論了同震、震后、震間效應引起的累積庫侖應力變化與區域強震活動的關系，得到了鮮水河斷裂帶上1893年以來發生的7次強震均是在之前一系列強震及構造應力加載驅使下發生的結論；盛書中等（2015）及萬永革等（2015）針對尼泊爾MS81強震對中國大陸的靜態應力觸發影響和水平應力變化進行了研究，認為此次地震及后續兩次強余震對中國大陸產生的應力變化量值很小，其應力加載主要集中在鄰近的西藏和新疆地區的部分斷層上，其余地區的斷層則主要受到了應力卸載作用。

因此，特定區域的強震成因可以由庫侖應力變化來進行合理解釋，進而幫助判定潛在的強震危險性（解朝娣等，2014）。本文擬采用庫侖破裂應力原理和方法對巴顏喀拉塊體東-南邊界的強震觸發機理及地震序列時空演化規律展開研究。

[BT1-*2]1計算原理和方法

庫侖破裂應力是指斷層面上存在著一定程度的應力積累，當積累應力大小超過斷層面的滑動阻抗強度時，斷層面將會滑動和破裂。假設地球是一個半無限空間且各向同性的介質球體，根據庫侖定理，斷層面上的靜態庫侖破裂應力Δσf表達式為：[KH*2]

Δσf=Δτs+μ*（Δσn+Δp）[JY]（1）[KH*2D]

式中：Δτs為斷層面剪切應力變化（沿滑動方向為正）；Δσn為斷層面的正應力（張應力為正）；Δp為斷層面孔隙壓力變化（壓應力為正）；μ為斷層面的摩擦系數（Stein，1999）。如果Δσf為正，破裂被激發，反之則受阻，剪切應力的增加及斷層的受張都加速破裂。Δσn被Δp抵消作用后的效果，可用折合有效摩擦系數μ′體現，因此庫侖破裂應力Δσf的表達式可簡化為：[KH*2]

Δσf=Δτs+μ′*Δσn[JY]（2）[KH*2]

[KG（0.15mm]釋放應力的地震和破裂面被稱為“源地震”和“源斷層”，其它先存斷層面被稱為“接受斷層”。接受斷層上的庫侖應力變化取決于自身幾何特征與摩擦系數以及源斷層產狀和源地震的同震位錯。當“接受斷層”的應力變化為負值時，該斷層區被稱為應力影區，斷層面發生滑動和破裂的可能性減小；當“接受斷層”上的庫侖應力變化為正值時，該斷層區就被稱為應力觸發區，斷層面發生滑動和破裂的可能性增大。當變化幅度達到甚至超過該斷層面的臨界失穩條件時，就很可能會觸發另一次地震（Okada，1992）。本文基于上述原理，采用遠田晉次（Shinji Toda）等開發的Coulomb33軟件分別計算1973—2014年間巴顏喀拉東邊界和南邊界強震序列引起的靜態庫侖應力變化，分析可能存在的觸發作用，并進一步研究該強震序列對周邊地區中、強地震活動的影響。[KG）]

[BT1-*2]2發震斷層與位錯模型

受印度洋板塊北向推擠作用的影響，青藏活動地塊區整體朝S-SE方向運動，位于其中的巴顏喀拉塊體受周邊塊體擠壓和華南克拉通地塊阻擋，在邊界帶上產生了強烈的構造運動和變形。本文研究的1973—2014年強震序列分別發生在巴顏喀拉塊體東邊界近NS向虎牙斷裂帶、NE向龍門山斷裂及南邊界NW-SE向鮮水河斷裂帶上。已有地質資料（張培震等，2003；聞學澤等，2011）表明：東邊界的虎牙斷裂帶北段為NW走向，以左旋走滑運動為主；中、南段為NNW-近NS向，表現為左旋走滑兼逆沖為主的運動方式。向南延伸逐漸過渡到龍門山逆沖推覆斷裂帶，共由3條主干斷裂組成：東邊灌縣—江油前山斷裂帶，中間北川—映秀中央斷裂帶和西邊汶川—茂縣后山斷裂帶。汶川地震主要發生在龍門山中央斷裂帶上，其地表破裂是從映秀附近向北東方向單側破裂，從斷層破裂方式上看，從開始逆沖逐漸過渡到右旋走滑；而南邊界NW向的鮮水河斷裂帶是一條自晚第四紀以來具有強烈左旋特性的大型走滑斷裂帶，北接甘孜—玉樹斷裂帶，南與安寧河—則木河斷裂帶相交，是中國大陸地殼運動變形最強烈的斷裂帶之一。

為了獲取計算所需各次地震事件的震中位置、發震斷層產狀及同震位錯量，我們在綜合多種資料的基礎上，構建Coulomb33軟件計算所需的斷層模型。其中1973年2月6日爐霍MS76地震和1973年8月11日黃龍MS65地震的震中位置、發震斷層產狀源自成爾林等（1981，1983）的研究結果，1976—2014年巴顏喀拉塊體東-南邊界強震序列7次事件的震中位置及發震斷層產狀數據來源于中國地震臺網中心（http：∥wwwcencac cn/AdvsearchHandler）；同震位錯方面，1976年8月3次地震事件的平均位錯取自Jones等（1984）由地震矩和破裂面積的估計結果；2008年汶川MS80地震、2013年蘆山MS70地震和2014年康定MS63地震的同震位錯量則分別取自王衛民等（2008）、劉成利等（2013）和易桂喜等（2015）的震源破裂模型；其它3次地震事件的同震位錯量由聞學澤（1995）建立的走滑型地震斷層的經驗公式估計得出：[KH*1]

ln（u*l）=233MS-53[JY]（3）[KH*1D]

式中：MS是面波震級；u*l是同震平均位錯u與破裂長度l的乘積。巴顏喀拉塊體東-南邊界9次地震的震源機制解參見圖1b。

3計算結果及分析

為了研究表1中巴顏喀拉塊體東-南邊界強震序列的靜應力觸發過程，本文以龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶和安寧河―則木河斷裂帶交界處的三岔口地區為中心，取（995°～106°E，29°～335°N）的矩形范圍作為研究區。計算之前，將1973年以前研究區內的庫侖應力變化量歸零。在計算過程中，參數的選取遵循如下規則：計算深度為地下10 km，剪切模量取33×1010 Pa，泊松比取025，有效摩擦系數μ′取04，這套取值是King等（1994）根據不同地區計算的庫侖應力變化得出的經驗值。下面分別對巴顏喀拉塊體東、南邊界地震的庫侖應力觸發圖像進行分析。

31東邊界庫侖應力圖像及分析

[JP2]對于巴顏喀拉塊體東邊界區域，將研究區限定在（1015°～106°E，29°～335°N）的矩形范圍內。圖2為東邊界強震序列庫侖破裂應力變化圖像。[JP]

圖2a是以1973年8月11日松潘黃龍MS65地震為源地震，以1976年8月16日松潘MS72地震破裂段為接受斷層的庫侖應力變化圖像。從結果可以看出，源斷層的北西和南東端均存在庫侖應力變化的高值區，但發震斷裂在北西端終止，因此未觸發強震。而南東端的庫侖應力變化量在虎牙斷裂帶中段表現為高值，并隨距離的增大而減小。

圖2b是以1973年8月11日MS65地震和1976年8月16日MS72地震共同施加，以1976年8月22日松潘MS67地震破裂段為接受斷層的庫侖應力變化圖像。結果顯示庫侖破裂應力增加的高值區在以1976年8月16日松潘MS72地震破裂段為源斷層的南端，而這個位置是1976年8月22日松潘MS67地震的發震斷裂的所在地。

圖2c是以1976年8月22日及其之前2次地震共同施加，以1976年8月23日松潘MS72地震破裂段為接受斷層的庫侖應力變化圖像。結果表明：前3次地震破裂所引起的庫侖應力增加區已擴展至1976年8月23日MS72地震的發震斷層段。

圖2d是以1976年8月23日及其之前3次地震共同施加、以2008年5月12日汶川MS80地震破裂段為接受斷層的庫侖應力變化圖像，2008年汶川MS80地震的破裂起始點及斷層地表破裂帶都在前4次地震的遠場庫倫應力觸發區內。總體來說，汶川MS80地震的主要能量來自于龍門山斷裂帶長期閉鎖積累，而1973—1976年松潘震群產生的靜態庫侖應力對其具有觸發作用。

圖2e是以2008年5月12日及其之前4次地震共同施加、以2013年4月20日蘆山MS70地震破裂段為接受斷層的庫侖應力變化圖像，蘆山地震震中位于應力觸發區內。分析認為，由于汶川MS80地震向北東方向單側破裂，龍門山斷裂帶南段積累的能量沒有釋放，前面5次地震的發生，使龍門山斷裂帶南段的庫侖破裂應力明顯增加，進而觸發了蘆山MS70地震。這與單斌等（2013）的研究結果類似。

2014年11月22日發生了康定MS63地震，震中位于巴顏喀拉塊體南、東邊界交匯處的鮮水河斷裂南段。圖2f是以2013年4月20日及其之前5次地震共同施加、以2014年康定MS63地震破裂段為接受斷層的庫侖應力變化圖像，結果顯示位于巴顏喀拉塊體南邊界的2014年康定MS63地震的發震斷層也處于庫侖應力增加區內。

本小節的計算與分析結果表明：巴顏喀拉塊體東邊界上1973—1976年的4次強震間存在顯著的庫侖破裂應力觸發關系，1973年沿虎牙斷裂帶北西段發生的MS65地震使得斷裂帶中段和南東段的庫侖應力的顯著增加促使了1976年的4次強震發生，同時改變了龍門山中南段及周圍區域的應力狀態，相繼觸發了汶川MS80地震和蘆山MS70地震；這6次強震的發生也增加了巴顏喀拉塊體南邊界鮮水河斷裂帶南段的庫侖破裂應力，一定程度上觸發了2014年康定MS63地震。

32南邊界庫侖應力圖像及分析

[JP2]對于巴顏喀拉塊體南邊界區域，將研究區限定在（995°～1025°E，29°～335°N）的矩形范圍內。圖3為南邊界強震序列庫侖破裂應力變化圖像。

圖3a是以1973年2月6日爐霍MS76地震為源地震，以1981年1月24日道孚MS69地震破裂段為接受斷層的庫侖應力變化。結果顯示鮮水河斷裂帶北西段的源斷層兩端均存在庫侖破裂應力變化高值區，但北西端應力增長高值區終止于甘孜—玉樹斷裂帶與鮮水河斷裂帶之間的左旋左階拉分區，故未觸發強震。而南東端庫侖破裂應力增加區覆蓋1981年道孚MS69地震的發震斷層位置。

圖3b是前兩次地震共同施加的、以2014年11月22日康定MS63地震破裂段為接受斷層的庫侖應力變化圖像，可以看出康定MS63地震位于庫侖破裂應力的遠場觸發區；圖2f顯示巴顏喀拉塊體東邊界發生的地震也對康定MS63地震具有觸發作用，因此認為巴顏喀拉塊體東、南邊界強震活動導致的庫侖應力變化共同觸發了康定MS63地震。

圖4為1973—2014年巴顏喀拉塊體東—南邊界9次地震共同產生的庫侖應力變化圖。計算結果表明：無論是以東邊界還是以南邊界作為接受斷層，9次地震中有8次均發生在前面地震所加載的庫侖破裂應力為正的近場區，而汶川MS80地震的震中位置和發震斷層則在前4次地震的正應力遠場區，地震的觸發一方面源于龍門山斷裂帶長期閉鎖造成的應力積累，另一方面則源于1973—1976年松平震群4次地震后長達30余年的庫倫應力加載。因此，我們認為地震的發生位置與積累庫侖破裂應力有很強的相關關系。這與萬永革等（2007）的計算結果和觀點相一致。且9次地震發生之后，龍門山斷裂帶南段的汶川地震至蘆山地震破裂段之間的空區，鮮水河斷裂帶南段的道孚地震至康定地震破裂段之間的空區以及鮮水河斷裂、安寧河斷裂帶、龍門山斷裂帶交匯的三岔口地區均在庫侖應力增加區的覆蓋范圍之內，根據本研究前面得到認識和經驗可以推測，上述3個位于庫侖應力增加區內的區域或斷層段存在觸發強震的可能，因此未來一段時間應特別關注這3個區段發生強震的危險性。

33參數敏感性分析

由于庫侖破裂應力變化的計算受各種參數的影響。因此，我們以南邊界鮮水河斷裂帶康定以西段作為接受斷層的庫侖應力變化圖像為例，分析和比較了不同有效摩擦系數、計算深度和泊松比對計算結果的影響，如圖5～7所示。

圖5是確定計算深度為10 km，泊松比025，分別選取有效摩擦系數為02、04、08的計算結果。從圖中可以看出：有效摩擦系數主要改變源斷層破裂面兩側及兩端的庫侖應力變化扇形區的面積和形態，隨著有效摩擦系數的增大，源斷層兩端應力變化的扇形區面積也隨之變大，對遠場作用也開始增強，而源斷層兩側的應力變化區面積變小，對稱性變差，對遠場作用也越弱。

圖6是確定有效摩擦系數為04，泊松比025，分別選取計算深度為5 km、10 km、15 km的計算結果。對比發現：不同深度的庫侖應力變化不大，原因在于走滑型地震導致的庫侖應力變化受深度影響較小，本次研究的地震序列除龍門山斷裂帶的汶川地震和蘆山地震為純逆沖性質外，其余地震均有走滑特性，特別是鮮水河斷裂帶上的3次地震以左旋走滑特性為主。因此結果顯示除汶川地震和蘆山地震的源斷層兩端扇形區面積有小的變化外，其余變化差距非常細微。

[JP2]圖7是確定有效摩擦系數為04，計算深度10 km，選取泊松比為01，025和06計算結果。結果表明：不同泊松比的取值對源斷層兩側及兩端的庫侖應力變化面積有一定影響，對于應力變化區的形態影響不大，泊松比越小，庫侖應力變化區面積越大，應力隨距離衰減的程度也越快。

4結論與討論

巴顏喀拉塊體是我國現今地震活動最強烈的地區之一，本文利用靜態庫侖應力變化的理論及方法，計算和分析了1973年以來巴顏喀拉塊體東-南邊界MS≥63地震序列引起的同震庫侖應力變化與強震觸發過程。結果顯示：巴顏喀拉塊體東邊界的虎牙斷裂帶1973―1976年發生的4次強震存在著顯著的應力觸發關系，即1973年8月11日的黃龍MS65地震對1976年松潘震群的發震斷層施加了正的庫侖應力，促使虎牙斷裂帶中-南段斷層達到失穩狀態，從而相繼觸發了1976年8月16日、8月22日和8月23日的MS72，MS67和MS72地震，同時改變了龍門山中南段及周圍區域的應力狀態，又相繼觸發了汶川MS80地震和蘆山MS70地震；南邊界的鮮水河斷裂帶1973年以來發生的3次強震同樣存在應力觸發關系，其中2014年康定MS63地震是巴顏喀拉塊體東、南邊界強震活動導致的庫侖應力變化共同觸發的結果；由此，本文從應力觸發的角度解釋了強震沿巴顏喀拉塊體邊界斷裂帶由北向南、由西向東有序發生的現象。

1973—2014年發生在巴顏喀拉塊體東-南邊界的9次地震共同產生的庫侖應力變化圖像顯示，無論是以東邊界還是以南邊界作為接受斷層，龍門山斷裂帶南段的汶川地震至蘆山地震破裂段之間的空區，鮮水河斷裂帶南段的道孚地震至康定地震破裂段之間的空區以及鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、龍門山斷裂帶交匯的三岔口地區均在庫侖應力增加區的覆蓋范圍之內，未來一段時間應特別關注這3個區段發生強震的危險性。

從本文敘述的事實還可以推斷，巴顏喀拉塊體東-南邊界強震序列釋放的能量來自巴顏喀拉塊體整體朝S-SE方向運動，在強震相對平靜時段在塊體東、南邊界積蓄的大量應變能；一次強震發生之后將導致相鄰斷層庫侖應力明顯增強，有可能觸發下一次強震，形成強震活躍時段。強震引起的庫侖應力增強是一個觸發因素，它是否會觸發地震、以及發震時間和震級大小，也取決于斷層的構造應力積累情況。[HJ2mm]

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[STHZ][WT4HZ][JZ]Coulomb Stress Triggering Process of Major Earthquake Sequence in the[JZ]Eastern and Southern Boundaries of the Bayan Har Block

[WT5B1][STBZ][JZ]QU Yong，ZHU Hang

[WT5"B1X][JZ]（Earthquake Administration of Sichuan Province，Chengdu 610041，Sichuan，China）

[WT5HZ][JZ]Abstract[WTB1]

In this paper，we calculate and map the patterns of Coulomb static stress changes induced by a major earthquake sequence of 9 MS≥63 events in the eastern and southern boundary fault zones of the Bayan Har block from 1973 to 2014，and analyze the effects of stress triggering induced by the preceding events to the following events The results show that，firstly，there is a significant stress triggering relationship in the 4 major earthquakes occurred on Huya fault zone in the eastern boundary of the Bayan Har block from 1973 to 1976，besides，it changed the stress state of the middle-south segment of Longmenshan fault zone as well as surrounding areas，and triggered Wenchuan MS80 earthquake and Lushan MS70 earthquake one after another；Secondly，there is also coulomb stress triggering relationship existed in the 3 major earthquakes occurred on Xianshuihe fault zone in the southern boundary of Bayan Har block since 1973，and 2014 Kangding MS63 earthquake is a common triggering result of coulomb stress change induced by strong earthquake activities in both Bayan Har blocks eastern and southern boundaries；Thirdly，the patterns of coulomb stress change caused by the 9 earthquake in the sequence show that，the seismic gap between Wenchuan earthquake and Lushan earthquake in south segment of Longmenshan fault zone，the seismic gap between Daofu earthquake and Kangding earthquake in Xianshuihe fault zone，and the junction region of Xianshuihe-Anninghe-Longmenshan fault zones are all in the increased zone of Coulomb stress changes，thus their future earthquake risks are worth concern

[WTHZ]Keywords：[WTB1]Bayan Har block；coulomb stress change；static stress triggering；major earthquake sequence