華北地區(qū)應(yīng)力累積變化及其對現(xiàn)今地震活動的指示

苑偉娜 石富強(qiáng) 吳 靜

1 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安市雁塔路126號，710054 2 陜西省地震局，西安市水文巷4號，710068

庫侖應(yīng)力作為預(yù)測強(qiáng)震地點(diǎn)的一種方法，在國內(nèi)外有大量研究，1999年伊茲米特7.4級地震就是一個著名實(shí)例[1-2]。石富強(qiáng)等[3]基于庫侖應(yīng)力演化認(rèn)為，華北地區(qū)歷史強(qiáng)震的時空遷移及其在時間上表現(xiàn)出的韻律特征受控于前序地震的庫侖應(yīng)力加載。有學(xué)者結(jié)合華北地區(qū)主要活動斷裂的庫侖應(yīng)力累積水平[4]和歷史強(qiáng)震活動規(guī)律[5]認(rèn)為，華北地區(qū)未來依然存在發(fā)生強(qiáng)震的可能[5-6]。1980年以來，從記錄完整[7]的ML4.0及以上地震活動情況來看(圖1)，華北地區(qū)現(xiàn)今中等地震活動依然活躍，空間上主要分布于張渤地震帶、山西地震帶、郯廬斷裂帶及附近區(qū)域。為進(jìn)一步認(rèn)識華北地區(qū)地震孕育、發(fā)生的規(guī)律，本文基于庫侖應(yīng)力理論討論這些中等地震的空間分布及其可能的動力來源。

圖1 華北地區(qū)構(gòu)造環(huán)境及現(xiàn)今地震活動 (1980～2020年)Fig.1 Tectonic environments and the current seismic activities (from 1980 to 2020)

1 庫侖應(yīng)力理論及計算模型

庫侖破裂應(yīng)力由正應(yīng)力變化Δσn和剪應(yīng)力變化Δτ兩個部分線性疊加組成[8]：

Δσf=Δτ+μ′Δσn

(1)

式中，μ′為斷層面有效摩擦系數(shù)，與斷層介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)、流體滲入等相關(guān)，也有學(xué)者認(rèn)為其與斷層類型[9]和滑動速率[10]相關(guān)。本文參考華北地區(qū)的斷層類型和前人研究工作[3-4, 11]，取μ′=0.4。計算程序采用PSGRN/PSCMP[12]。

1.1 介質(zhì)模型

巖石圈介質(zhì)流變性質(zhì)對區(qū)域地殼形變和斷層應(yīng)力狀態(tài)有顯著的影響[3, 13]。考慮到Burgers在表征巖石圈瞬態(tài)變形和長期穩(wěn)態(tài)變形方面的優(yōu)勢[14]，選取華北地區(qū)Burgers體流變模型[3](表1)。

表1 華北地區(qū)巖石圈介質(zhì)模型參數(shù)

1.2 歷史地震位錯模型

強(qiáng)震位錯模型是計算庫侖應(yīng)力的重要參數(shù)，對計算結(jié)果有顯著的影響[15]。但由于華北地區(qū)歷史強(qiáng)震發(fā)生時間距今大多在百年甚至千年尺度，缺乏定量的位錯模型。石富強(qiáng)等[3]調(diào)研了華北地區(qū)歷史強(qiáng)震地表破裂的最新地震地質(zhì)和大地測量研究成果，利用中國大陸強(qiáng)震破裂尺度分區(qū)統(tǒng)計關(guān)系對華北地區(qū)其他歷史強(qiáng)震位錯模型進(jìn)行更新，其結(jié)果可以更好地解釋華北地區(qū)歷史強(qiáng)震的動力學(xué)過程。因此，為保證結(jié)果的可靠性，本文采用更新后的華北地區(qū)歷史地震位錯模型(表2)。

表2 華北地區(qū)歷史地震同震位錯模型

1.3 接收斷層模型

確定庫侖應(yīng)力計算中的接收斷層幾何信息通常有3種方法：1)基于地震地質(zhì)考察給出的斷層參數(shù)[16]；2)基于中小地震震源機(jī)制反演的區(qū)域應(yīng)力場網(wǎng)格點(diǎn)節(jié)面解，將計算的應(yīng)力張量分別向2個節(jié)面投影，從地震發(fā)生最危險的角度考慮，取其中較大的一個作為該網(wǎng)格點(diǎn)庫侖應(yīng)力變化[17-18]；3)基于震源區(qū)應(yīng)力場確定的巖石庫侖破裂最優(yōu)破裂面[8]，一般用來研究余震活動分布。

由于華北地區(qū)沉積層覆蓋非常厚，從中國地震局地質(zhì)研究所建立的全國最新斷層數(shù)據(jù)庫[19]展示的結(jié)果看，華北地區(qū)依然存在大量性質(zhì)未知的隱伏斷層，一些探明的活動斷層還缺乏定量的幾何參數(shù)和運(yùn)動學(xué)參數(shù)。因此，考慮到本文主要討論的是華北地區(qū)5級左右中等地震活動及其與庫侖應(yīng)力的關(guān)系，故采用第2種方法計算庫侖應(yīng)力。

在張誠等[20]給出的中小地震震源機(jī)制基礎(chǔ)上，本文補(bǔ)充了2008～2019年華北地區(qū)2 859個2.5≤M≤4.9地震震源機(jī)制解，利用震源機(jī)制解反演方法[21]給出華北地區(qū)0.1°×0.1°網(wǎng)格點(diǎn)節(jié)面解(圖2)。為了獲得較平滑的應(yīng)力場，反演過程中選取網(wǎng)格點(diǎn)周圍1°×1°區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，并保證反演采用的震源機(jī)制解個數(shù)大于4且不超過10。對于震源機(jī)制解個數(shù)小于4的區(qū)域，由于不能直接使用震源機(jī)制反演其應(yīng)力張量，采用最小二乘配置方法插值給出。然后采用上文提到的接收斷層確定的第2種方法，將歷史地震產(chǎn)生的應(yīng)力張量向空間0.1°×0.1°網(wǎng)格節(jié)面投影，給出歷史地震對華北地區(qū)庫侖應(yīng)力影響的空間分布。

圖2 基于中小地震震源機(jī)制給出的華北地區(qū) 網(wǎng)格節(jié)面解Fig.2 The grided mechanism solutions of north China based on focal mechanism of minor earthquakes

2 庫侖應(yīng)力計算結(jié)果

在上述基礎(chǔ)上，計算給出歷史地震對華北地區(qū)的庫侖應(yīng)力累積與加卸載(圖3)。結(jié)果顯示，膠東半島-郯廬斷裂帶萊州灣段和山西地震帶南段運(yùn)城盆地、中段太原盆地庫侖應(yīng)力增強(qiáng)顯著(大于1.0 bar)；華北平原安陽附近、遼東半島、鄂爾多斯東北緣-張渤地震帶、長治斷裂以及黃莊-高麗營斷裂庫侖應(yīng)力增強(qiáng)較為顯著(0.1～1.0 bar)；華北平原天津-河間地區(qū)受三河-平谷地震和郯城地震影響，當(dāng)前庫侖應(yīng)力水平低(小于-1.0 bar)。對比1980年華北地區(qū)ML4.0以上地震活動空間分布情況(圖4)可以看出，88.5%的ML4.0地震、85%的ML5.0地震以及60%的ML6.0地震位于歷史強(qiáng)震的庫侖應(yīng)力加載區(qū)域，庫侖應(yīng)力加載最大可達(dá)175 bar(圖4(c))。從庫侖應(yīng)力加載幅度(圖4(c))看，79.9%的ML4.0地震震中累積庫侖應(yīng)力達(dá)到通常的觸發(fā)閾值0.1 bar，表明華北地區(qū)中等地震活動及其空間分布受控于歷史強(qiáng)震的應(yīng)力加載。

圖3 歷史強(qiáng)震對華北地區(qū)的庫侖應(yīng)力作用的空間分布Fig.3 Spatial distribution of Coulomb stress induced by historical strong earthquakes in north China

圖4 1980年以來華北地區(qū)ML4.0以上地震活動Fig.4 The ML≥4.0 earthquakes activities in north China since 1980

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，除2003年洪洞ML5.0地震外，發(fā)生在庫侖應(yīng)力卸載區(qū)域的15%的ML5.0地震和40%的ML6.0地震均為大同震群序列地震(圖5)，最大卸載幅度約0.03 bar。回溯華北地區(qū)現(xiàn)今中等地震活動，1988-07-23在大同震群東北方向約40 km的河北陽原曾發(fā)生一次ML5.0地震，震源機(jī)制解計算結(jié)果顯示，該地震和1989年大同震群首個地震震源機(jī)制解[22]基本一致，根據(jù)華北地區(qū)地震破裂尺度和震級[23]統(tǒng)計關(guān)系，以及破裂尺度與平均位錯[24]統(tǒng)計關(guān)系，近似選取陽原ML5.0地震破裂長度和寬度5 km，同震位錯0.2～0.5 m，計算得到陽原ML5.0對大同震群的同震庫侖應(yīng)力加載達(dá)0.05～0.13 bar，表明陽原ML5.0地震對大同震群有一定的觸發(fā)作用。大同震群發(fā)生后，震群內(nèi)先后發(fā)生了2次ML6.0地震和5次ML5.0地震，基于庫侖應(yīng)力和精定位研究[25]表明，1989年大同震群首個地震對后續(xù)地震觸發(fā)作用顯著，最大應(yīng)力加載達(dá)2 bar，遠(yuǎn)大于觸發(fā)閾值0.1 bar。

圖5 歷史強(qiáng)震對華北地區(qū)1980年以來ML5.0 以上地震的庫侖應(yīng)力加載Fig.5 The cumulated Coulomb stress on the epicenters of the ML≥5.0 earthquakes since 1980 that induced by the historical strong earthquakes

3 結(jié) 語

本文基于歷史強(qiáng)震位錯模型和巖石圈流變結(jié)構(gòu)討論了華北地區(qū)歷史強(qiáng)震與現(xiàn)今地震活動的關(guān)系。從分析結(jié)果看，華北地區(qū)1980年以來記錄完整的ML4.0以上地震絕大多數(shù)發(fā)生在歷史地震庫侖應(yīng)力加載區(qū)域。Liu等[26]指出，相較于板間地震，華北地區(qū)這樣構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域的板內(nèi)地震的發(fā)震機(jī)制受控于區(qū)域多條斷層的耦合作用，使得板內(nèi)地震在時間和空間上的特征規(guī)律性極差。本文基于歷史地震的庫侖應(yīng)力加載變化恰好與華北地區(qū)當(dāng)前的中小地震復(fù)雜的空間分布一致，可能正是區(qū)域復(fù)雜斷層系統(tǒng)的相互作用結(jié)果所致。

馬宗晉[27]認(rèn)為華北地區(qū)的地震活動與區(qū)域的多點(diǎn)應(yīng)力集中有關(guān)。一方面，地殼應(yīng)力場中往往有多個應(yīng)力集中點(diǎn)不均勻發(fā)育, 隨著區(qū)域應(yīng)力場的增強(qiáng), 其中的一些特殊部位逐漸演變成應(yīng)力高度集中的地區(qū), 并最終失穩(wěn)滑動, 產(chǎn)生大破裂, 從而發(fā)生大地震。另一方面，一些應(yīng)力集中點(diǎn)本身不具備積累巨大應(yīng)變能的條件, 當(dāng)區(qū)域應(yīng)力增強(qiáng)時, 那里往往發(fā)生小規(guī)模斷裂閉鎖段的串通或快速錯斷, 從而發(fā)生一系列中小地震[28]。本文所研究的歷史強(qiáng)震對華北地區(qū)的庫侖應(yīng)力加載區(qū)域，從機(jī)理上也是強(qiáng)震加載引起的應(yīng)力集中區(qū)域，其內(nèi)部發(fā)生的中小地震也應(yīng)該是區(qū)域小規(guī)模斷裂的失穩(wěn)破壞。但從應(yīng)力加載的角度考慮華北地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造系統(tǒng)可能的相互作用[26]，本文認(rèn)為，歷史地震引起的區(qū)域庫侖應(yīng)力變化依然具有一定的構(gòu)造意義。

據(jù)此，本文得到如下結(jié)論：1)華北地區(qū)當(dāng)前中等地震活動與歷史強(qiáng)震對其庫侖應(yīng)力加載密切相關(guān)，其孕震過程應(yīng)該與華北地區(qū)復(fù)雜斷層系統(tǒng)的相關(guān)作用以及歷史地震引起的應(yīng)力集中區(qū)小規(guī)模斷裂失穩(wěn)有關(guān)；2)華北地區(qū)當(dāng)前中等地震活動主體區(qū)域受控于歷史強(qiáng)震的庫侖應(yīng)力加載。

致謝：感謝甘肅省地震局張輝副研究員提供華北地區(qū)應(yīng)力場反演結(jié)果。