GPS資料獲取的靜態庫侖應力變化與余震分布的相關性分析

陳 聰，劉 江

(四川省地震局，四川 成都 610041)

四川地區地震發生頻繁，大地震的發生以后常伴隨著余震并且產生重大地質災害。如能了解地震活動的時空演變及影響因素，則可為地震災害評估提供一些重要的依據。斷層位錯會使周圍區域的應力場狀態發生改變，這種應力的改變就稱作庫侖應力變化(Mitaskaki C,2013)。巖石中應力的空間交互關系及破裂準則可以通過多種模型進行描述，比如Hoek and Brown 準則和Griffith的破裂準則，其中，靜態庫侖應力破裂模型，簡稱CFC，的應用最為廣泛(Scholz C H,1998；King G C P,1994；萬永革，2002)。靜態庫侖應力變化可對應余震分布、強震序列等地震觀測，并為探索地震發生機制和地震預測提供新的線索。近年來，人們廣泛采用靜態庫侖破裂應力變化來討論余震與主震關系以及強震間的應力觸發作用。King等(1994)計算了1992年美國Mw7.3 Landers地震造成的破裂面附近最優方向上的庫侖應力變化，并考察了該地震對周邊斷層造成的應力變化，發現余震分布于庫侖應力增加0.05 MPa的區域，而庫侖應力降低的區域余震活動較少(King G C P,1994)；Stein(1999)計算了1994年加州Mw6.7 Northridge地震的庫侖應力變化，發現庫侖應力變化與地震活動度的增減變化兩者是相似的，其中有65%的地區地震活動度增減與庫侖應力變化升降是吻合的(Stein R S,1999)；Deng通過計算1812～1995年發生在南加利福尼亞的中強地震在后續地震破裂面上產生的庫侖破裂應力變化，發現95%的M>6的地震均發生在庫侖應力變化有助于斷層破裂的地區(Deng J,1997)；沈正康等利用Okada(1992)公式探討了中國青藏高原北部幾次復雜地震中的靜態應力觸發問題，認為1937年M7.5花石峽地震、1963年Ms7.1都蘭地震、1973年Ms7.3瑪尼地震和1997年Ms7.5瑪尼地震均造成了2001年可可西里地震斷層面上庫侖破裂應力的增加，庫侖破裂應力的增加具有較強的促震作用(沈正康，2003)。

2008年汶川地震發生后，許多學者開展了四川地震區域的庫侖應力的諸多研究工作，例如，基于采用地震波資料快速測定的破裂結果，Parsons等(Parsons，2008)利用USGS(美國地調局)的汶川地震破裂模型計算了周邊斷層的靜態庫侖應力分布狀況，給出了龍門山斷裂周圍，特別是四川盆地東部和東北部的幾條斷層區域上的庫侖破裂應力變化，其中雅安區域斷裂的庫侖應力增加可達0.1 MPa(Parsons T，2008)；Toda等采用地質研究方法確定的斷層幾何和運動特性(Toda，2008)，對更大區域進行了類似的研究，計算結果認為鮮水河斷裂南端、東昆侖斷裂和岷江斷裂今后地震危險性增加(Toda S，2008)。

隨著大地測量技術的發展，積累了越來越多的大地測量資料，例如GPS、InSAR和SAR等，這些數據具有了很高的空間覆蓋率，為我們研究大地震引起的近場同震及震后形變提供了良好的約束條件(單斌，2012)。因此，為了提高庫侖應力計算的準確度，本文利用GPS近場觀測數據和最接近真實斷層的GPS模型來反演計算出靜態庫侖應力的變化,定量研究精細模型下的庫侖應力對余震空間分布的預測意義。

1 計算模型及原理

2018年汶川地震發生后，Wang等對震區周邊的大地測量站點進行復測，通過數據解算及公式推演，得到了汶川地震同震位移場(參見圖1)(Wang Qi，2011)，并結合InSAR觀測資料和基于彈性半空間位錯模型，對龍門山斷層幾何形態及斷層滑動模型進行約束和反演，構建了精細地震破裂模型。對于地震破裂模型，利用同震資料約束得到的最優斷層可以分為3大段落，分別為北川斷裂(Beichuan fault,約210*90 km)、北川—青川斷裂(Beichuan-Qichuan fault,約150*42 km)和彭灌斷裂(Pengguan fault,約180*21 km)，模型最佳空間分辨率(每個滑塊的大小)約為4*4 km。本文就是采用該模型完成的。關于本模型的其他說明請參見(Wangqi et al.Nature,2011)。本文中靜態庫侖應力的計算則基于Coulomb3.3軟件，該軟件是由日本地質調查局的遠田晉次(Shinji Toda)、美國地質調查局的Ross Stein和 Volkan Sevilgen、以及美國Woods Hole海洋學研究所的林間(Jian Lin)等研究人員編制的。

圖1 汶川地震-GPS數據計算的滑動位移量(Wangqi et al.Nature,2011)

當一次強震發生時，同震位錯會引起發震斷層及其附近區域的靜態應力變化，即應力轉移．當引起的相鄰斷層(段)上的庫侖應力變化為正值時，該斷層(段)重新發生粘滑錯動的可能性增大，或許會很快觸發另一次地震，這種情況即地震的應力觸發作用；當引起的相鄰斷層上的庫侖應力變化為負值時，該斷層重新發生粘滑錯動的可能性降低．一般稱庫侖應力變化的正值區域為應力觸發區，負值區域為應力影區．引起應力變化的地震和破裂面分別稱為“源地震”和“源斷層”，區域中其他先存的、擬研究的斷層稱為“接受斷層”(King C P，1994；Stein R S，1999)。在此，我們用Okada(1992)給出的適用于各種類型斷層的解析表達式，計算地震產生的靜態庫侖應力變化場(Okada,1992)。運用庫侖定則，斷層面上的庫侖破裂應力變化為:

ΔCFS=Δτs+μ(Δσn+Δp)

(1)

式中，(Δτs為斷層面的剪切應力變化(沿滑動方向為正)，(Δσn為正應力變化(張應力為正)，μ為斷層面的摩擦系數，Δp為孔隙壓力變化?？紫秹毫p少摩擦系數的效應可用μ′=μ(1-B)表示。其中，B為Skempton系數，范圍為0-1(Rice J R,1992)。因此，式(1)變為:

ΔCFS=Δτs+μ′Δσn

(2)

計算中，取地殼的剪切模量取3.3×1010Pa，泊松比取0.25。另外，King等曾發現(2)式中的摩擦系數μ′值對庫侖應力變化ΔCFS的影響并不大，本文沿用μ′=0.4的經驗取值。

2 計算結果及分析

本文所用汶川地震的GPS同震滑動模型是基于震后觀測的第一手資料，在震后1～2個月內完成觀測，因此在本文的研究中，我們忽略了微弱的震后余滑的影響。汶川地震發生后，四川地震臺網觀測臺站記錄了此次地震詳細的余震信息，余震總體走向為北西方向，長約330 km，主要集中分布在龍門山中央斷裂帶附近，這與GPS模型的靜態庫侖應力分布形態均一致。考慮到2013年4月20日在龍門山斷裂帶南端發生的蘆山7.0級地震會對周圍區域的應力狀態產生影響，因此選用的是2008年5月12日～2012年12月31日期間汶川3.0級以上余震，震源深度范圍為0～20 km,共計702次。

(黑色線條包圍的部分應力在0～0.5 MPa)圖2 GPS模型下的汶川地震靜態庫侖應力變化與余震分布圖

計算庫侖應力變化需要定義具體的接收斷層面，通常，以最優破裂面投影得到的庫侖應力變化來分析主震對余震的影響、解釋余震的分布情況、預測未來的后續地震活動；所謂最優破裂面是指計算庫侖應力變化時，某一產狀接收斷層面上計算得到的庫侖應力變化幅值大于同一地點其它任意產狀的接收斷層面得到的應力變化幅值，使用最優斷層面時，需要考慮區域應力場(King G C P,1994;Toda S,2008;繆淼，2013)。在計算中，三種模型設置參數一致，計算深度為10 km。圖2為GPS模型計算得到的靜態庫侖應力分布及其與余震分布的對應關系圖，其中黑色小圓點為余震，黑色線框包圍的部分為庫侖應力值大于0，即應力增強區。從圖上可以看出，GPS模型與JI模型(參見圖3)的分布形態大體一致，呈蝴蝶狀分布；經統計，GPS模型中有90%的余震分布在庫侖應力的正值區域，JI模型有88%的余震分布在正值區域，而經驗公式模型，由于模型本身相對粗糙，僅有52%的余震落入正值區(參見圖4)；另外，在龍門山斷裂震源機制解以走滑為主的北川-青川段，就GPS模型而言，該區域內5級以上的余震均處于應力增強區， 有效觸發了強余震的發生。 2008年汶川Ms8.0級地震發生5年后，龍門山斷裂南西段又發生了蘆山Ms7.0級地震。我們通過GPS模型計算了的汶川地震在龍門斷裂帶南西段(走向226°、傾角21°、滑動角106°)上的庫侖應力變化，結果顯示，蘆山地震的震中位于相應的庫侖應力觸發區內，庫侖應力值大于0.01 MPa，說明汶川地震的發生導致龍門山南段應力水平的增強，從而可能在一定程度上使得2013年蘆山地震提前發生，這也與前人的研究結論一致(繆淼，2013)。

(黑色線條包圍的的部分應力在0～0.5 MPa)圖3 JI模型下的靜態庫侖應力變化與余震分布

(黑色線條包圍的部分應力在0～0.5 MPa)圖4 經驗公式模型下的靜態變化與余震分布

3 結論

與以往靜態庫侖應力的研究相比，我們采用的是具有較強約束作用的GPS近場觀測數據反演的斷層精細滑動模型，通過對該模型得到的汶川地震靜態庫侖應力變化的初步探索以及與其他模型的對比發現,GPS滑動模型計算得到的靜態庫侖應力與余震分布具有較好的對應關系，90%的余震均分布在靜態庫侖應力的正值區域；從空間分布來看，在龍門山斷裂以走滑為主的北東段，主震對余震的發生具有明顯的觸發效果，該區域內所有5級以上的強余震都處于應力增強區。以龍門山南西段的作為接收斷層的計算結果表明龍門山南段區域的應力有所增強的，蘆山地震震中正好位于應力的增強區，在一定程度上可能使得2013年蘆山地震提前發生。GPS滑動模型是一種近場大地測量數據反演的模型，具有很好的空間分辨率，突破了地形的約束，對地震斷層有很好的覆蓋，該模型的計算結果能真實反映斷層的應力分布情況，有助于判斷強震后潛在的強余震危險性，對強余震空間分布具有一定的預測意義。

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