新疆地區區域應力場特征及強震間庫侖應力變化探討

劉方斌,古麗孜娜提·依德熱斯,曲均浩

(1. 蘭州大學資源環境學院, 甘肅 蘭州 730000; 2. 山東省地震局, 山東 濟南 250102;3. 新疆維吾爾自治區地震局喀什地震監測中心站, 新疆 喀什 844000)

0 引言

新疆地區位于我國的西北邊陲,亞歐大陸的腹地,由于受到印度板塊向北擠壓俯沖的構造作用,導致區內地質構造極其復雜,活斷層十分發育。正是這種特殊的構造環境,新疆成為我國乃至全世界地震最為強烈的區域之一[1](圖1)。前人研究表明,不同地區的構造變形特征和應力狀態明顯不同,地震活動水平同樣也存在著較大的差異[2]。根據新疆特有的地質構造和強震活動特征,將新疆地震區劃分為兩個地震亞區(天山地震亞區和阿爾泰—貝加爾地震亞區,圖1),同時又將地震亞區細分為阿爾泰構造區、北天山構造區、中天山構造區、東天山構造區、南天山東段、柯坪塊體、喀什—烏恰交匯區及西昆侖構造區等[3-4]。

(震源機制解資料選自1900—2019年828個MS≥3.0地震)圖1 研究區震源機制解及活動構造分布圖Fig.1 Distribution of focal mechanism solutions and active tectonics

強震的孕育和發生不僅僅是一次簡單的破裂過程,而是在一定的構造應力場條件下斷層之間相對運動的結果[5]。然而,對于區域應力場的研究方法有很多,如地貌學及測量學方法、淺部(原位)地應力測量方法、地質構造方法和地球物理學方法[6]等。震源機制解作為地球物理方法中最常用的手段,不僅含有斷層運動方式及震源破裂過程的信息,而且還能夠反映地震前后震源區應力變化狀態,為區域應力場研究提供重要理論依據[7]。盡管單次地震的震源機制解并不能代表整個區域應力場,但大量地震震源機制解組成的集合可以在一定條件下可以反映出區域構造應力場狀態[8]。

前人就新疆及周邊地區的應力場特征已經進行了廣泛研究。如王盛澤等[9]、高國英等[10]根據不同時段的震源機制解對新疆及周邊地區進行現代構造應力場研究,反映出不同時期新疆區域應力場的變化存在較大的差異性。高國英等[11]利用伽師及周邊地區58次中強地震震源機制解以及系統聚類和應力場反演計算結果,對該區區域應力場進行了系統分析,得出伽師地區最大主壓應力近SN向展布。李金等[7]基于震源機制解對天山地震帶的區域構造應力場進行了討論,認為天山地震帶主應力軸以SN向為主,局部地區呈現NNE、NNW向趨勢。然而,上述研究僅限于新疆部分區域或者對于整個新疆地區的構造應力場研究的時間段較短,同時所使用的震源機制解的個數相對較少,缺乏對于長時間段的區域應力場系統的研究。另外,地殼應力狀態的變化與地震活動性存在顯著關系[13],在研究區域構造應力場的同時,有必要對不同區域內強震活動(觸發)關系進行分析,這對研究地震中長期預測和應力變化具有極其重要意義,同時也為未來區域地震危險性分析提供了理論依據。

鑒于此,本文收集并整理了新疆地區自1900年以來的828個MS≥3.0震源機制解(考慮地震資料的完整性,對于1970年以前的地震僅統計MS≥5.0地震)。首先對研究區進行了區域應力場的反演,分析了不同區域的震源性質和應力場的變化狀態,最后采用Okada[14]彈性半空間模型,對研究區不同分區的21個MS≥6.6地震進行地震活動性(觸發)研究,進而探討區域應力場特征與強震遷移引起的庫侖應力變化的關系。

1 資料與方法

1.1 資料的選取

本文所使用的震源機制解數據結果均來自于新疆維吾爾自治區地震局,從中選取了新疆地區自1900—2019年828個MS≥3.0震源機制解資料,其中3.0～3.9級地震299個,4.0～4.9級地震289個,5.0～5.9級地震172個,6.0～6.9級地震55個,7.0級以上地震11個。所有數據均采用P波初動、S/P振幅比的HASH方法以及CAP方法獲得[15-17]。另外,根據Zoback[18]對震源機制解的分類標準對新疆地區的震源機制類型進行分類。分類結果顯示,正斷層型76次,正走滑型34次,走滑型326次,逆斷層型232次,逆走滑型54次,不確定型106次。研究區內大部分地震以走滑斷層和逆斷層為主,所有震源機制解按上述分類標準進行區分并投影在圖中(圖1)。

1.2 區域應力場反演

本文采用Hardebeck等[19]提出的區域應力張量阻尼反演方法(DRSSI),利用基于Matlab平臺開發的MSATSI[20]軟件對新疆地區區域應力場進行張量反演。反演過程中適當地加入阻尼系數,可以消除人為帶來的影響,從而實現觀測值與理論值的最佳匹配,最大限度地減少相鄰區域之間的應力差異[19]。因此,選取最優的阻尼系數對于反演區域應力場極為重要。本文采用MSATSI軟件,人為地加入一組假定的阻尼值,得到數據擬合誤差與應力場反演模型長度相關性曲線(圖2)。本文所選擇的最佳阻尼系數為1.1,即為圖中最大拐點處(紅色十字)。倘若小于最佳阻尼系數,模型復雜程度愈高,反演誤差有所改善,但是觀測值和理論值匹配度急劇降低;大于最佳阻尼系數,隨著模型的簡化,反演誤差則會急劇增大。

圖2 數據擬合誤差與模型長度相關性曲線Fig.2 Correlation curve between data fitting error and model length

1.3 庫侖應力變化

按照庫侖破裂假設,當斷層面上剪應力達到抗剪強度時,巖石發生失穩促使它產生破裂。因此,庫侖破裂應力(CFS)可定義為:

CFS=τ+μ(σn+p)-S

(1)

式中:τ為破裂面上的剪應力;μ為內摩擦系數;σn為斷層面上的為正應力(定義張開為正);p為孔隙壓力。假設μ和S為常數,則庫侖應力變化可表示為:

ΔCFS=Δτ+μ(Δσn+Δp)

(2)

其中:Δτ為剪應力變化;Δσn為法向應力變化;Δp為孔隙壓力變化。為了簡化孔隙壓力變化的影響,假定材料介質為均勻的各向同性。孔隙壓力減少摩擦系數的效應可用μ′=μ(1-B)表示,其中B是Skempton系數。由此式(2)可以變為:

ΔCFS=Δτ+μ′Δσn

(3)

本文根據前人[21-22]計算,將內摩擦系數定為0.4。當ΔCFS為正時,該應力變化對斷層有促進滑動的作用;相反,負的應力變化對斷層有阻礙或延遲滑動的作用。

2 結果分析

2.1 區域應力場

本研究將新疆地區以2°×1°的網格進行網格化,選取每個網格節點及其周圍至少10個地震震源機制解,在95%的置信區間內對原始數據進行2 000次Bootstrap重采樣。當地震個數未達到指定格點下限時,則會采用阻尼最小二乘反演從而得到每個網格點的應力張量,然后通過計算應力張量的特征值和特征向量得到每個網格內的應力主軸。最后,采用Lund and Townend[23]方法得到每個網格點內的最大水平主壓應力。

圖3為反演得到的新疆地區區域應力場最大水平應力方向結果,其中紅色表示正斷層作用體系,綠色表示走滑斷層體系,藍色表示逆斷層作用體系。從應力場反演結果可以看出,新疆地區區域構造應力場主要以近SN向的擠壓為主,伴有局部地區的拉張和剪切作用,與前人得出的結果基本一致[7,9-11,24]。壓應力主要集中在天山地區(包括南天山東段、柯坪塊體以及喀什—烏恰交匯區),其中南天山東段的區域應力場擠壓軸方向自西向東呈現出SN-NNE向漸變的過程,而柯坪塊體往西至喀什—烏恰交匯區則呈現出自SN-NNW向過渡,且發現在兩個地震區交匯處呈現出拉張剪切的構造轉換狀態。盡管區域主壓應力軸方向自SN向兩側輕微的旋轉,但是整體上還是受到印度板塊向北擠壓碰撞歐亞板塊的作用。在這種擠壓構造背景下,整個天山地區自西向東的主壓應力自NNW向逐漸偏向NNE,呈現出一種扇形擴展的主壓應力狀態,而這種主壓應力分布狀態與該區域的構造走向吻合。另外,先前研究認為[25],天山地區的構造活動由內部向南北兩側擴展,兩側的新生代凹陷逐漸褶皺成山,使得整個天山的構造活動呈現出一種扇形的向南和向北的雙向逆沖縮短的構造現象,而這些新生代褶皺和斷裂是控制天山地區地震孕育和發生的主要構造。這種結果正好與本文的研究結果一致(圖1和圖3)。

(紅色表示正斷層作用體系,綠色表示走滑斷層體系,藍色表示逆斷層作用體系A:南天山東段;B:柯坪塊體;C:喀什—烏恰交匯區;D:西昆侖構造區)圖3 新疆地區應力場反演結果Fig.3 Inversion results of stress field in Xinjiang area

2.2 強震遷移的庫侖應力變化調整

選取了區內自1933年至今為止21次MS≥6.6的歷史地震作為研究對象,并根據區域應力場特征(圖3)以及區內強震空間分布特征(圖4),將研究內的所有6.6級以上地震分為三個區域,主要包括北部天山地區、西部喀什—烏恰地區以及南部的昆侖—阿爾金地區。計算過程中利用各家權威機構給出的震源機制解及深度,結合地質資料,選取其中一節面解與發震斷層進行匹配(如走向一致)作為最佳斷層面解進行庫侖應力變化的計算,考慮到部分地震年代久遠或者未造成地表破壞,具體的發震斷層破裂尺度未有觀測數據,因此我們根據選取的地震參數采用Wells等[26]提出的經驗公式給出指定的地震斷層長度和寬度(表1)。

表1 地震斷層位錯參數

圖4 研究區強震震中分布圖Fig.4 Distribution of epicenters in the study area

(1) 天山地區

據統計,天山地區自1933年以來MS≥6.6以上的地震一共發生過5次,分別為1944年烏蘇MS7.2、1949年輪臺MS7.2、1965年烏魯木齊MS6.6、2012年新源—和靜MS6.6以及2017年精河MS6.6地震。其中,根據精定位以及震源機制反演結果,最近的精河MS6.6地震主要發生在庫松木契克山前斷裂上[27-28]。而在離震中約200 km的新源、和靜交界處同樣發生過一次強度相同的地震[29-30],那精河MS6.6地震是否與該次地震以及該區域發生的地震有關系呢？為了解決該疑問,對此進行強震間的庫侖應力變化計算,從而判斷區內各地震之間的關系。

計算過程中,將1944年烏蘇MS7.2地震的發震斷層為源斷層,以后續地震的發震斷層為接收斷層進行庫侖應力變化計算。圖5(a)為1944年烏蘇MS7.2產生的庫侖應力在1949年輪臺MS7.2地震斷層面上的投影,結果顯示輪臺地震位于應力影區,震中位置的庫侖應力變化-0.013 bar,也就是說烏蘇地震對輪臺地震起到了抑制作用,推遲了輪臺地震的發生。圖5(b)為1944年烏蘇MS7.2、1949年輪臺MS7.2地震產生的累積靜態庫侖應力在1965年烏魯木齊MS6.6地震斷層面上的投影。結果顯示,1965年烏魯木齊MS6.6震中的庫侖應力變化值為-0.001 bar,幾乎為0,意味著前兩次地震對后續的地震沒有影響,這可能是由于接收斷層與源斷層性質及空間位置關系決定的。圖5(c)是自1944年以來3次MS≥6.6地震對新源—和靜MS6.6地震的應力擾動結果,結果顯示,新源—和靜地震震中恰好位于應力卸載區,其庫侖應力變化值為-0.055 bar。結合圖5(b)可以發現,新源—和靜地震的發生主要是由于受先前1944年烏蘇MS7.2地震的影響致使該地震推遲發生。圖5(d)是前4次強震對后續精河MS6.6地震的庫侖應力變化計算,結果顯示精河MS6.6地震的庫侖應力變化值為-0.003 bar,這意味著先前地震對該次地震的發生稍微起到延緩或者沒有作用。

紅色五角星為源地震,黃色五角星為后續地震圖5 天山地區強震間的庫侖應力變化分布圖Fig.5 Coulomb stress change among strong earthquakes inTianshan area

(2) 喀什—烏恰地區

喀什—烏恰交匯區地處印度板塊向北楔入的凸起與歐亞板塊碰撞的結合部位(圖1、3、4),該區新構造運動十分強烈,是中國大陸強震活動地區之一,也是小地震密集活動的主要場所[31]。區內歷史地震活動強度大、頻率高,有記載以來曾發生過12次MS≥6.6地震,其中僅烏恰地區就發生過5次(表1)。先前研究表明,該地區7級地震的平均復發周期約為13年,存在11年和20年左右兩個準周期;6級地震的平均復發周期約為6年,最長時間間隔為10年[32]。因此,研究該區強震遷移規律具有極其重要的作用。

1955年4月15日,烏恰地區一小時之內連續發生兩次MS7.0級大地震,屬于典型的雙震型強震。地震有感范圍東南抵和田地區,北到前蘇聯的塔什干和伏龍芝,南至塔什庫爾干南。2次強震的震中距離極近,那它們是否存在一定的應力觸發關系？圖6(a)給出了烏恰7.0級地震庫侖應力變化對后續地震的影響,結果顯示后續地震震中位于前震應力影區,其庫侖應力值為-6.122 bar,由此推斷前震可能對后續地震的發生具有一定的減緩作用,該結果與滇西南地區的龍陵雙震組合類似[33]。

圖6(b)是1955年烏恰雙震對巴楚MS6.7地震的庫侖應力變化的影響,圖中發現巴楚地震震中位于庫侖應力增加區,其值為0.003 bar,但遠遠小于通常被認為能夠有效促進后續大地震發生的閾值0.1 bar[34],則認為該后續地震的發生并沒有受到烏恰雙震產生的靜態庫侖應力的任何作用。類似的,圖6(c)展示的是1961年巴楚MS6.7前三次強震對巴楚MS6.8地震的庫侖應力變化投影,震中位置庫侖應力增加量達到0.007 bar,意味著先前地震對該次地震的促進作用極小或者沒有任何作用。圖6(d)～(f)展示出先前地震分別對后續的1974年烏茲別里山口地震、1983年及1985年的烏恰地震所產生的庫侖應力變化值,均在閾值之上,尤其1983年烏恰地震的震中庫侖應力變化值增加到0.5 bar,表明了先前地震對后續地震的發生有著顯著的促進作用。然而在此之后,我們發現先前地震所累積的靜態庫侖應力均對后續地震有著延緩作用,后續所有地震震中均位于應力影區,從而可能在時間上緩解了喀什—烏恰地區地震活動性[圖6(g)～(k)]。

(3) 昆侖—阿爾金地區

昆侖—阿爾金地區的強震主要集中在若羌和于田地區,其發震構造位于阿爾金斷裂帶的不同位置[35-39]。盡管前人已經對2008年及2014年兩次于田地震分別從靜態和動態方面進行了大量的庫侖應力變化的研究[36-42],并得到了成熟的結論。但是對若羌地震以及若羌地震與于田地震之間的庫侖應力觸發關系研究目前處于空白。因此,研究彼此之間庫侖應力變化關系,對于阿爾金斷裂不同區段的應力調整有著極其重要的作用。

圖7為昆侖—阿爾金地區強震間的庫侖應力變化分布圖。圖中可見1933年若羌地震在1993年若羌地震破裂面上產生的庫侖應力變化值為0[圖7(a)],這就意味著兩個若羌地震的發生可能不存在必然的聯系。同樣,由于出現以兩次若羌地震的發震構造(源斷層)與2008于田地震的發震構造(目標斷層)的空間位置相對較遠,由此判斷若羌地震對于田地震的發生幾乎沒有影響[圖7(b)]。繼2008年于田地震發生6年后,在其震中位置沿著斷裂走向自SW向NE遷移[圖7(c)]。圖7(c)為三次地震[據圖7(b)可知,作用的僅為2008年于田地震]在2014年新疆于田地震斷層面上產生的應力變化。結果顯示應力加載區主要位于NE-NW向和SW向,而應力影區則垂直于應力加載區的方向。2014年的于田地震震中位置位于應力加載區,其同震庫侖應力大約增加0.024 bar,與先前的研究結果一致[42]。因此,可以明確2008年新疆于田地震對2014年于田地震的應力加載及觸發作用。

2.3 區內強震遷移對周邊斷層的影響

一次大地震的發生必然會改變周圍斷裂或鄰近區域的應力狀態,從而誘發后續地震[5]。因此本文以上述不同地區發生的MS≥6.6強震(圖8紅色圓圈)的發震斷層為輸入源(表1),以震中附近區域的主要斷層為接收斷層進行庫侖應力變化計算,計算過程中對于接收斷層參數的選取(走向、傾角、滑動角),采用鄧起東等[43]對中國大陸主要活動斷裂特征的研究成果。研究區內強震在這些活動斷層20 km(據表1所知,震源深度基本在20 km左右)深度上所產生的庫侖應力變化,具體參數列于表2。

紅色五角星為源地震,黃色五角星為后續地震圖6 喀什—烏恰地區強震間的庫侖應力變化分布圖Fig.6 Coulomb stress change among strong earthquakes in Kashi-Wuqia area

紅色五角星為源地震,黃色五角星為后續地震圖7 昆侖—阿爾金地區強震間的庫侖應力變化分布圖Fig.7 Coulomb stress change among strong earthquakes in Kunlun-Altun area

圖8 研究區內主要活動斷層庫侖應力變化Fig.8 Coulomb stress variation of main active faults in the study area

圖8給出了三個區域的強震在周邊主要活動斷裂上產生的應力擾動情況。在喀什—烏恰交匯地區[圖8(a)],地震發生造成木吉斷裂西段、卡茲克阿爾特斷裂西段以及和田斷裂西段東側等不同程度的加載效應,地震危險性有所增強。其中木吉斷裂西段庫侖應力增加最為明顯,最大值達到13.97 bar;其次為和田斷裂西段,應力最大增加量為7.1 bar;卡茲克阿爾特斷裂西段的應力增加量最大也達到了6.6 bar。相反,卡茲克阿爾特斷裂東段發生了較強的應力卸載,最大卸載量達到了-11.36 bar,這就意味著卡茲克阿爾特斷裂東段的地震危險性較斷裂其他部分要小(表2)。

圖8(b)為天山地區強震引起周圍斷層的同震庫侖應力變化結果。我們發現天山地區的強震所產生的應力擾動比喀什—烏恰地區的地震對周邊斷層影響較小,整條斷裂的庫侖應力變化的平均值均小于觸發閾值(表2),說明附近斷裂的地震危險性有所減弱。然而影響最大的是博羅科努斷裂西側中段地區庫侖應力變化增加值最大,達到了11.9 bar,遠遠超過其他斷裂以及同斷裂其他部位。

表2 研究區內主要活動斷裂參數及庫侖應力變化Table 2 Parameters of main active faults and Coulomb stress changes in the study area

因為昆侖—阿爾金地區所記錄到的強震個數相對較少,本文僅選取康西瓦斷裂和阿爾金斷裂進行庫侖應力變化研究。圖8(c)所示,由于受到2008年和2014年兩次于田MS7.3地震的影響,使得康西瓦斷裂東段西側的庫侖破裂應力擾動值變化很大,最大值為5.42 bar,處于應力集中區,未來地震危險性增強。相反,在該段的東側則表現出強烈的應力卸載作用,最大卸載量達到了7.24 bar。另外,由于距離、地震震源性質以及釋放能量多少的影響,地震的發生對康西瓦斷裂西段、中斷以及阿爾金斷裂的影響相對較小(表2)。

綜上,區域內的博羅科努斷裂西側中段、卡茲克阿爾特斷裂西段、木吉斷裂西段以及和田斷裂西段地震危險性有所增加,需要密切關注其周邊的地震活動。

3 結語

本文首先利用新疆地區自1900年以來的828個MS≥3.0震源機制解,采用區域應力張量阻尼反演方法計算了新疆地區每個網格的最佳擬合構造應力場,并利用主應力計算方法得出最大水平主應力的方向,分析了不同區域的震源性質和應力場的變化狀態。然后根據不同區域應力場變化特征細分成了三個局部區域,基于Okada彈性半空間模型,對不同分區的21個MS≥6.6地震進行庫侖應力變化研究。最后通過計算周圍斷層的加卸載情況,進而為該區未來的地震危險性判定提供依據。結論如下:

(1) 從應力場反演結果可以看出,新疆地區區域應力狀態以逆斷層和走滑斷層為主,最大水平主壓應力優勢方位為近SN向,伴有局部地區的拉張和剪切作用。這一方位與印度板塊擠壓碰撞歐亞板塊的方向基本一致。

(2) 根據區域應力場特征及區內強震空間分布特征,將區域應力場劃分為天山地區、喀什—烏恰地區以及昆侖—阿爾金地區,并計算區內強震間的庫侖應力變化。得出前震對后續地震是觸發提前還是抑制延遲取決于源斷層與目標斷層的位置及斷層活動性質,其中斷層距較小的地震之間相互觸發的影響相對較大,強震對后續地震觸發或延遲作用明顯。其中,天山地區強震對后續地震的發生影響微乎其微,個別地震存在延緩發生的現象;喀什—烏恰交匯區是強震多發區,且震中位置分布較密集,地震之間觸發或延遲作用明顯;昆侖—阿爾金地區除2008年于田地震對2014年于田地震的發生有一定的觸發作用外,其他地震之間的影響作用不大。

(3) 區內強震的發生造成周邊斷層,如博羅科努斷裂西側中段、卡茲克阿爾特斷裂西段、木吉斷裂西段以及和田斷裂西段不同程度的庫侖應力增加,存在一定的應力加載效應,繼而地震危險性增強,需密切關注其周邊的地震活動特征,跟蹤其主要斷層段庫侖應力變化隨時間的積累,有助于對周邊強震形勢的研判。

本文對地震產生的庫侖應力變化采用了地球地下介質半無限空間內均勻各向同性的完全彈性體簡化模型,而由于本研究時間尺度較大,地殼在長期運動過程中,綜合考慮震后余滑、孔隙效應和黏性松弛等橫向差異均可能對研究區的應力變化產生影響。因此在以后的研究中應盡可能采用更為準確的物理參數,充分考慮個別因素對庫侖應力變化的影響,并綜合分析研究區域的應力演化過程。

致謝:本文所使用數據來源于新疆維吾爾自治區地震局預報中心,在此表示感謝！