構(gòu)造轉(zhuǎn)換區(qū)強震間相互作用機制的數(shù)值模擬研究:以2008—2020年4次MS>6.0于田地震為例

劉雷, 李玉江, 季靈運

1 中國地震局第二監(jiān)測中心, 西安 710054 2 應急管理部國家自然災害防治研究院, 北京 100085

0 引言

作為青藏高原北緣的一條以左旋走滑為主的大型塊體邊界斷裂,阿爾金斷裂帶在中晚侏羅紀-早白堊紀和早第三紀曾發(fā)生過強烈的構(gòu)造活動,并在第四紀至今仍具有較強的構(gòu)造活動(Tapponnier and Molnar, 1977; Tapponnier et al., 2001; 李海兵等, 2006, 2015).該斷裂帶西南段位于塔里木塊體、西昆侖塊體、巴顏喀拉塊體和羌塘塊體之間(Li et al., 2021),是青藏高原與北部塔里木盆地之間重要的分界構(gòu)造帶,由一組斜接的分叉斷裂和“帚”狀斷裂組合,從東到西逐漸散開(徐錫偉等, 2011; 宋春燕等, 2015).與喀喇昆侖斷裂、東昆侖斷裂共同組成青藏高原北部阿爾金斷裂帶西南段地質(zhì)環(huán)境復雜的構(gòu)造轉(zhuǎn)換區(qū).在這種復雜的構(gòu)造系統(tǒng)內(nèi),受印度板塊北東向持續(xù)碰撞的動力學作用影響,區(qū)域內(nèi)強震活動主要以正斷型和走滑型為主.GPS速度場觀測結(jié)果表明,相對于穩(wěn)定的歐亞板塊,在阿爾金斷裂西南段的西側(cè),地殼運動主要以NNW向為主,而東側(cè)的地殼運動則主要是以NNE向為主(圖1),整個區(qū)域表現(xiàn)為走滑和拉張運動共存的變形特征(Yu et al., 2021).地震活動性結(jié)果顯示,自2008年于田MS7.3以來,該區(qū)域陸續(xù)發(fā)生4次MS>6.0強震,包括以正斷活動為主的2008年3月21日于田MS7.3地震、2012年8月12日于田MS6.2地震和2020年6月26日于田MS6.4地震,以及以左旋走滑運動為主的2014年2月12日于田MS7.3地震(徐錫偉等, 2011; 李海兵等, 2015; 唐明帥等, 2016; 羅鈞等, 2021).那么,在短短十年多的時間內(nèi)同一構(gòu)造區(qū)接連發(fā)生的4次強震是否存在力學上的關聯(lián)性,以及這些強震的發(fā)生又會對構(gòu)造區(qū)內(nèi)相鄰斷層產(chǎn)生什么樣的影響?這些科學問題對于認識復雜構(gòu)造轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)強震間相互作用機制以及開展斷裂帶強震危險性分析具有重要意義.

圖1 阿爾金斷裂西南段及其鄰區(qū)活動構(gòu)造圖

庫侖應力變化作為研究斷層應力狀態(tài)及區(qū)域地震危險性的重要手段,被廣泛用來探討強震間相互作用以及斷裂帶強震危險性分析(Stein et al., 1992, 1997; Deng and Sykes, 1997; 沈正康等, 2003; Zhu and Wen, 2010; He and Peltzer, 2010; Shan et al., 2013; Li et al., 2020;Wang et al., 2022).對于于田強震間可能存在的相互作用以及強震發(fā)生對周圍斷層的影響,前人利用彈性位錯理論、數(shù)值模擬方法開展了系列研究.結(jié)果表明,2008年于田地震造成2014年于田地震震源區(qū)庫侖應力增加超過0.01 MPa,具有觸發(fā)作用(Bie and Ryder, 2014; Li et al., 2015; 王輝等, 2016; 趙立波等, 2016; Wang et al., 2017),且前3次強震的發(fā)生造成2020年于田地震震源區(qū)庫侖應力的明顯增加(He et al., 2020; Jia et al., 2021; Yu et al., 2021).上述結(jié)果為認識2008—2020年4次于田地震之間的相互作用以及斷裂帶應力演化提供重要參考,但受基礎資料的限制,地震同震滑動模型中的參數(shù)多利用經(jīng)驗公式確定,且較少考慮中-下地殼黏彈性松弛效應的影響,造成庫侖應力變化存在很大不確定,影響對強震間相互作用機制的認識(徐杜遠等, 2020).

為解決上述問題,本文收集最新的地質(zhì)、地球物理及同震滑動模型資料,選取青藏高原西北區(qū)域和塔里木盆地作為研究區(qū)域,構(gòu)建更為符合實際的三維黏彈性有限元模型,以前人基于InSAR和地震波形資料反演的同震滑動模型為約束,顧及同震位錯與震后黏彈性松弛效應的影響,研究2008—2020年4次于田MS6.0以上地震之間的相互作用,以及地震發(fā)生引起的周邊主要活動斷裂上的庫侖應力變化,為開展區(qū)域地震危險性分析、尤其是潛在震源位置的判定提供力學參考.

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 計算方法

庫侖應力變化ΔCFS采用如下公式計算(King et al., 1994):

ΔCFS=Δτ+μ′Δσn,

(1)

其中,Δτ為斷層面上剪應力變化,與斷層滑動方向一致時為正;Δσn為斷層面上正應力變化,張性為正.μ′為斷層面上的有效摩擦系數(shù).有效摩擦系數(shù)參考前人研究中的取值0.4(Freed, 2005).同時,在計算不同斷裂帶上的庫侖破裂應力時,需要將應力張量投影到對應的斷層面上,具體轉(zhuǎn)換方法見陳連旺等(2008).

1.2 強震同震滑動模型

本文采用的同震滑動模型主要是非均勻位錯模型,2008年于田地震采用Bie和Ryder(2014)基于InSAR資料和有限斷層模型反演的結(jié)果,該模型是在Furuya和Yasuda(2011)斷層幾何的基礎上,同時結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造、野外調(diào)查等研究成果(Xu et al., 2013),重建的更精細的同震滑動模型(斷層破裂長度約60 km,最大位移量約5.6 m)(圖2a);2014年于田地震采用周云等(2015)基于地震波形數(shù)據(jù)和有限斷層模型反演的結(jié)果,該模型依據(jù)點源模型確定的斷層深度、走向和傾角確定斷層面,利用地震遠場P波垂向和SH波切向波形記錄,反演得到斷層滑動模型(斷層破裂長度約85 km,最大位移量約2.1 m)(圖2b);2020年于田地震采用He等(2020)基于InSAR資料和有限斷層模型反演的結(jié)果,該模型采用彈性半空間位錯理論和貝葉斯算法確定發(fā)震斷層幾何參數(shù),基于非均勻位錯模型反演得到同震滑動模型(斷層破裂長度約24 km,最大位移量約0.85 m)(圖2c).2012年于田地震由于震級較小,附近缺少地震臺站,并且沒有InSAR觀測資料,目前沒有相關的同震滑動研究結(jié)果,所以2012年于田地震的同震滑動模型參考經(jīng)驗公式估算(鄧起東等, 1992; Wells and Coppersmith, 1994),斷層破裂長度約16 km,位移量為0.49 m.對比上述非均勻位錯模型與前人所使用的均勻位錯模型,可以發(fā)現(xiàn)兩者存在一定的差異,且已有的研究認為,非均勻位錯模型得到的庫侖應力變化結(jié)果可以更好地解釋后續(xù)余震活動的空間分布(王輝等, 2016; He et al., 2020; Yu et al., 2021).

圖2 同震滑動分布模型

2 三維黏彈性有限元模型

2.1 模型構(gòu)建和邊界條件

根據(jù)于田地震和青藏高原西北區(qū)域活動斷裂模型結(jié)構(gòu)包含上地殼(20 km)、中-下地殼(30 km)、上地幔(30 km) (Ryder et al., 2007; 孫玉軍等, 2013).模型中假定各斷層孕震層深度為20 km(張國民等, 2002),斷層幾何結(jié)構(gòu)設置為具有固定傾角的傾斜斷層和直立斷層.模型共劃分出353650個單元和63589個節(jié)點(圖3a).

圖3 阿爾金斷裂西南段及其鄰區(qū)三維有限元模型(a)及邊界條件(b)

空間展布特征,選取研究區(qū)范圍為79°E—84°E,34°N—37°N,建立三維有限元模型.模型中包含的斷裂有:柯崗斷裂、康西瓦斷裂、阿爾金斷裂、阿什庫勒斷裂、北硝爾庫勒斷裂、南硝爾庫勒斷裂、玉龍—喀什斷裂、貢嘎措斷裂、阿爾金分支斷裂(ATF-1)、郭扎措斷裂、龍木措斷裂、泉水溝斷裂和天神達坂斷裂(萬永革等, 2010; Xu et al., 2013; Bie and Ryder, 2014; 李海兵等, 2015; 徐錫偉等, 2017),模型中所有斷層均設置為接觸摩擦單元,各斷裂帶的具體幾何參數(shù)見表1.

表1 阿爾金斷裂西南段及其鄰區(qū)主要斷裂帶幾何參數(shù)

有限元模型使用中國大陸1991—2016年的GNSS速度場作為邊界約束條件(Wang and Shen, 2020),利用最小二乘配置方法將離散的GNSS速度場插值到模型邊界上(Wu et al., 2017) (圖3b).由于地殼運動速度在垂向的差異尚未明確定論,作為一種近似,本文所施加的邊界條件不隨深度變化,且模型底部水平向自由,法向約束;地表自由.本文的模擬過程主要使用PyLith有限元模擬軟件(Aagaard et al., 2013).

2.2 本構(gòu)關系與介質(zhì)物性

本文采用線性Maxwell流變學模型來模擬巖石圈的黏彈性行為,其本構(gòu)關系為

(2)

其中,εTotal為總應變,εD為黏性應變,εS為彈性應變,σ為應力,η為黏滯系數(shù),E為楊氏模量.

模型介質(zhì)參數(shù)設置時,將上地殼設置為彈性介質(zhì),中-下地殼以及上地幔設置為黏彈性介質(zhì).基于Litho1.0巖石圈速度結(jié)構(gòu)與密度結(jié)構(gòu)的結(jié)果,根據(jù)彈性模量與速度、密度及泊松比之間的關系,確定彈性模量的分布;并采用對單元賦屬性的方式,獲得不同巖石圈層內(nèi)物性參數(shù)的連續(xù)變化.其中,地殼內(nèi)的彈性模量為(0.71～1.26)×1011Pa,上地幔內(nèi)的彈性模量為(1.60～1.85)×1011Pa;泊松比為0.24～0.26.對于模擬同震、震后應力變化的黏滯系數(shù),參考前人的研究結(jié)果(Ryder et al., 2007; 張晁軍等, 2008; 孫玉軍等, 2013),中-下地殼的黏滯系數(shù)取1×1018Pa·s,上地幔的黏滯系數(shù)取1×1020Pa·s.在計算震間長時間尺度的構(gòu)造應力變化時,黏滯系數(shù)的取值參考中國大陸巖石圈等效黏滯系數(shù)的研究成果(石耀霖和曹建玲, 2008).

3 計算結(jié)果

3.1 震間構(gòu)造應力累積速率

在現(xiàn)有的邊界約束和介質(zhì)物性參數(shù)取值下,通過將模擬值與GNSS觀測值進行對比分析,可以看出,兩者在方向和大小上擬合較好,殘差基本都小于2 mm·a-1(圖4a).同時在GNSS邊界約束下,獲得了區(qū)域最大主應力的年變化特征(圖4b),可以看出,4次于田地震震源處的應力變化特征與震源機制結(jié)果基本一致,說明4次地震均受到區(qū)域構(gòu)造應力場的控制.其中,2008、2012和2020年3次地震都處在張應力環(huán)境區(qū),最大主應力方向與發(fā)震斷層近似垂直,易發(fā)生正斷型地震;而2014年于田地震發(fā)震斷層為NEE向,斷層受到近NE向壓應力和近NW向張應力作用,易發(fā)生左旋走滑型地震.同時,最大主應力的優(yōu)勢方向為NWW,與前人基于實測應力數(shù)據(jù)得到的最大主張應力方向基本一致(謝富仁等, 2004; Heidbach et al., 2010).同時,本文還計算了4次于田地震震源處的震間構(gòu)造應力年累積速率,分別達到162 Pa·a-1、542 Pa·a-1、794 Pa·a-1和523 Pa·a-1.

圖4 GNSS觀測值與速度場模擬值結(jié)果對比(a)及最大主應力年變化率(b)

3.2 4次于田強震間的同震與震后庫侖應力變化

為探討4次于田地震之間的相互作用,通過加載于田地震的同震位錯量來模擬地震的發(fā)生,給出了2012、2014和2020年3次于田地震震源處受前序強震影響的正應力、剪應力以及庫侖應力變化曲線(摩擦系數(shù)μ=0.4).從圖5a中可以看出,在2012年于田地震前,2008年于田地震造成其震源處的應力釋放,斷層面剪應力和正應力變化都表現(xiàn)為卸載,同震庫侖應力變化為-0.978×104Pa.2014年于田地震前,2008年于田地震造成其震源處應力增加(圖5b),斷層面剪應力和正應力變化都表現(xiàn)為加載,但加載作用較小,同震庫侖應力變化只有0.189×104Pa;而2012年于田地震造成其震源處的應力顯著增加,震源處的剪應力和正應力變化都表現(xiàn)為加載,其中剪應力加載較大,同震庫侖應力變化為2.07×104Pa.2020年于田地震前,2008年于田地震造成其震源處的應力釋放(圖5c),斷層面剪應力和正應力變化都表現(xiàn)為卸載,其中正應力卸載較大,同震庫侖應力變化為-1.74×104Pa;2012年于田地震造成其震源處的應力顯著增加,其中正應力加載較大,庫侖應力變化為2.657×104Pa;2014年于田地震造成其震源處的應力增加,剪應力和正應力變化增加較小,庫侖應力變化為0.564×104Pa.因此,根據(jù)上述4次強震間同震庫侖應力變化的結(jié)果,可以看出,2008年于田地震促進了2014年于田地震的發(fā)生,但延遲了2012年和2020年于田地震的發(fā)生;2012年于田地震對2014年和2020年于田地震都具有觸發(fā)作用;2014年于田地震的發(fā)生對2020年于田地震具有促進作用.

考慮震后黏彈性松弛效應的影響,進一步分析2012、2014和2020年3次地震震源處受前序強震發(fā)生的影響.從圖6a可以看出,2008年于田地震造成2012年于田地震震源處庫侖應力卸載1.89×104Pa,其中同震和震后庫侖應力變化分別為-0.98×104Pa和-0.92×104Pa,說明2008年于田地震的發(fā)生延遲了2012年地震的發(fā)生.在2014年于田地震發(fā)生前震源處累計庫侖應力加載3.63×104Pa,其中2008年于田地震引起的同震和震后庫侖應力變化分別為0.19×104Pa和0.71×104Pa,2012年于田地震引起的同震和震后庫侖應力變化分別為2.01×104Pa和0.66×104Pa,說明2008和2012年于田地震的共同作用對2014年于田地震具有觸發(fā)作用(圖6b).在2020年于田地震前震源處累計庫侖應力加載1.04×104Pa,其中2008年于田地震引起的同震和震后庫侖應力變化分別為-1.74×104Pa和-1.90×104Pa,2012年于田地震引起的同震和震后庫侖應力變化分別為2.66×104Pa和1.31×104Pa,2014年于田地震引起的同震和震后庫侖應力變化分別為0.56×104Pa和0.15×104Pa,說明前3次地震共同作用對2020年于田地震具有觸發(fā)作用(圖6c).另外,考慮到4次于田地震在空間上距離較近,且時間上距離較短,同震庫侖應力變化遠大于震后黏彈性松弛作用造成的庫侖應力變化.

圖6 前序地震導致的于田強震震源處的同震、震后以及同震+震后庫侖應力變化

基于上述研究,結(jié)合4次于田地震震源處震間構(gòu)造應力年累積速率結(jié)果,可以看出,2008年地震造成2012年地震延遲發(fā)生35 a,2008和2012年2次地震、2008、2012和2014年3次地震分別造成2014年和2020年地震提前發(fā)生了45 a和20 a.

3.3 4次于田地震引起的周圍主要斷裂庫侖應力變化

根據(jù)4次地震引起周邊斷裂帶上的同震庫侖應力變化結(jié)果(圖7),可以看出,2008年于田MS7.3地震引起了阿什庫勒斷裂、郭扎措斷裂西段和康西瓦斷裂中東段庫侖應力加載變化顯著增加;2012年于田MS6.2地震由于震級較小,主要造成了發(fā)震斷裂北東側(cè)、南西側(cè)斷裂的庫侖應力加載;2014年于田MS7.3地震的引起了阿爾金斷裂、阿爾金分支斷裂(ATF-1)、柯崗斷裂東段、貢嘎措斷裂北段和郭扎措斷裂東段庫侖應力變化顯著增加;2020年于田MS6.4地震發(fā)生對周邊斷裂的庫侖應力較弱,造成了郭扎措斷裂中東段、南硝爾庫勒斷裂和阿爾金分支斷裂(ATF-1)北段庫侖應力增加.

圖7 4次于田地震引起的周圍主要斷裂同震庫侖應力變化

在此基礎上,進一步分析由于中-下地殼和上地幔震后黏彈性松弛效應所引起的周邊斷裂的庫侖應力變化(圖8).可以看出,震后黏彈性松弛效應引起的周邊斷裂帶庫侖應力變化的空間分布模式與同震庫侖應力變化結(jié)果模式基本一致.其中2008年于田地震由于震后時間較長,震后黏彈松弛效應造成周邊斷裂庫侖應力加/卸載效應明顯增強,而2012年和2014年于田地震震后黏彈松弛效應造成周邊斷裂庫侖應力加/卸載效應較強.2020年于田地震由于計算的震后時間太短,震后庫侖應力變化只在發(fā)震段附近斷裂上有一定的影響,而在較遠的斷裂上庫侖應力并沒有明顯增強.所以震后黏彈松弛效應的影響會隨著時間增加產(chǎn)生明顯的應力變化,進而影響周邊斷層的庫侖應力變化,黏彈松弛效應在應力演化過程中具有重要的作用.

圖8 4次于田地震引起的周圍主要斷裂震后庫侖應力變化結(jié)果(截止到2025年)

綜合同震位錯與震后黏彈性松弛效應的共同影響(圖9),可以看出4次于田地震共同作用除引起發(fā)震段兩端未破裂區(qū)域的庫侖應力顯著增加外(>1.0×106Pa),同時也引起了阿爾金斷裂、貢嘎措斷裂南段、阿什庫勒斷裂西段、郭扎措斷裂西段的庫侖應力明顯增加,庫侖應力分別增加了0.39×106Pa、0.35×106Pa、0.14×106Pa和0.11×106Pa,在康西瓦斷裂中東段、阿爾金分支斷裂(ATF-1)中南段、柯崗斷裂東段和龍木措斷裂西段庫侖應力增加比較明顯,庫侖應力分別增加了0.069×106Pa、0.054×106Pa、0.029×106Pa和0.011×106Pa,以上斷裂庫侖應力變化均超過了傳統(tǒng)上所認識的地震觸發(fā)的閾值1.0×104Pa(King et al., 1994).相反,在柯崗斷裂中段、康西瓦斷裂東段和西段、北硝爾庫勒斷裂、南硝爾庫勒斷裂、阿爾金分支斷裂(ATF-1)南段、貢嘎措斷裂中-北段、泉水溝斷裂、天神達坂斷裂、郭扎措斷裂東段和龍木措斷裂中-東段存在不同程度的庫侖應力減小,其中在貢嘎措斷裂中段庫侖應力減小了1.5×106Pa.

圖9 4次于田地震共同引起的周邊主要活動斷裂的庫侖應力變化

4 討論

4.1 庫侖應力的穩(wěn)定性分析

在庫侖應力計算中,不同的同震滑動模型會對計算結(jié)果有較大影響,尤其是對近場庫侖應力變化(Zhan et al., 2011; Wang et al., 2014).為此,我們進一步探討模型選取對庫侖應力計算結(jié)果的影響,從圖5中可以看出,基于Bie和Ryder (2014)2008年于田地震的同震非均勻滑動模型計算的后續(xù)3次地震震源處庫侖應力變化結(jié)果(-0.978×104Pa、0.189×104Pa和-1.74×104Pa)與基于Elliott等(2010)的同震模型給出的結(jié)果相反(0.1×104Pa、-0.75×104Pa和0.3×104Pa)(Jia et al., 2021),而與徐錫偉等(2011)的破裂模型得到的2008年于田地震造成2014年于田地震庫侖應力增加的結(jié)論一致(Li et al., 2015).另外,我們認為前3次于田地震對2020年于田地震具有觸發(fā)作用,與He等(2020)和Jia等(2021)的結(jié)論一致,而與Yu等(2021)和Chen等(2022)認為的觸發(fā)作用不顯著的結(jié)論不一致,這種差異可能是由不同的同震滑動模型造成,同震滑動模型的選取對探討強震間的相互作用尤為關鍵.

同時,本文也計算了不同接收斷層參數(shù)下的庫侖應力變化(表2),可以看出,2008年于田地震的同震滑動模型產(chǎn)生的庫侖應力對2012、2014和2020年3次于田地震對應的不同的接收斷層參數(shù)分別表現(xiàn)為卸載、加載和卸載作用,庫侖應力變化分別為(-0.78～-2.16)×104Pa、(0.19～0.32)×104Pa和(-1.19～-1.97)×104Pa;2012年于田地震的同震滑動模型產(chǎn)生的庫侖應力對2014和2020年兩次于田地震對應的不同的接收斷層參數(shù)均表現(xiàn)為加載,庫侖應力變化分別為(0.36～16.68)×104Pa和(1.51～2.66)×104Pa;2014年于田地震的同震滑動模型產(chǎn)生的庫侖應力對2020年于田地震對應的不同的接收斷層參數(shù)均表現(xiàn)為加載,庫侖應力變化為(0.24～1.71)×104Pa.庫侖應力加/卸載結(jié)果與前人的研究結(jié)果基本一致(Bie and Ryder, 2014; Li et al., 2015; He et al., 2020; Chen et al., 2022),表明強震間加卸載效應的結(jié)果是穩(wěn)定的.

表2 不同接收斷層參數(shù)的庫侖應力變化

根據(jù)公式(1),斷層有效摩擦系數(shù)的取值同樣影響庫侖應力變化的大小(King et al., 1994),為分析有效摩擦系數(shù)選取對計算結(jié)果的可能影響,我們分別計算2012、2014和2020年3次于田地震發(fā)生前,當有效摩擦系數(shù)分別為0.2、0.4、0.6和0.8時,先前所有地震共同引起的該次地震震源處的同震以及同震和震后的庫侖應力變化(圖10).可以看出,在不同摩擦系數(shù)下,2008年于田地震在2012年于田地震震源處均產(chǎn)生卸載效應,且考慮震后黏彈松弛效應影響后卸載效應更加明顯;2014年于田地震受2008和2012年兩次地震的共同影響,同震庫侖應力在不同摩擦系數(shù)下均表現(xiàn)為加載效應,且考慮震后黏彈性松弛效應后,同震和震后庫侖應力加載效應更強,并且兩種情況下庫侖應力變化都高于地震觸發(fā)的閾值1.0×104Pa,存在明顯的觸發(fā)作用;2020年于田地震受前3次地震的影響,同震庫侖應力、同震和震后庫侖應力在不同摩擦系數(shù)下均表現(xiàn)為加載效應.有效摩擦系數(shù)的取值會在一定程度上改變庫侖應力的大小,但不會影響計算結(jié)果的極性.

圖10 不同有效摩擦系數(shù)下前序地震導致的于田強震震源處庫侖應力變化

4.2 同一構(gòu)造區(qū)內(nèi)不同類型斷層間的相互作用關系

阿爾金斷裂西南段屬于走滑型斷層與正斷型斷層交匯的復雜構(gòu)造區(qū),研究區(qū)域內(nèi)強震間應力傳遞可以為認識不同類型斷層間相互作用機制提供參考,同時也為開展區(qū)域的強震危險性分析提供重要依據(jù).從2008年于田地震造成的2014年于田地震斷層面上同震正應力、剪應力與庫侖應力變化的結(jié)果來看(圖11a—c),在阿爾金斷裂西南段擠壓區(qū)內(nèi),以走滑性質(zhì)為主的斷層上庫侖應力變化都為正值,表現(xiàn)為加載效應,其中主要以剪應力增加為主,正應力增加相對較小,說明2008年于田地震會促進阿爾金斷裂西南段區(qū)域內(nèi)左旋走滑型地震的發(fā)生.而從2008年于田地震對2020年于田地震的同震正應力、剪應力與庫侖應力變化的結(jié)果來看(圖11d—f),在阿爾金斷裂西南段尾端張性區(qū)內(nèi),北北東和近南北向的正斷層庫侖應力變化均為負值,表現(xiàn)為卸載效應,其中以正應力減少為主,剪應力減少較小,說明2008年于田地震會延遲阿爾金斷裂西南段尾端張性區(qū)內(nèi)正斷型地震的發(fā)生.綜上分析認為,如果2008年于田地震所在的張性區(qū)內(nèi)斷裂再次發(fā)生強震,將會增加阿爾金斷裂西南段走滑斷層的地震危險性,同時,也會降低斷裂東側(cè)張性區(qū)內(nèi)正斷型斷層的地震危險性.

圖11 2008年于田地震引起的周邊區(qū)域同震庫侖應力變化

同震應力變化可以幫助我們很好的認識不同類型斷裂間的相互作用,而同震變形同樣有助于理解強震的同震形變場特征(Shen et al., 1996; Banerjee et al., 2005; Gan et al., 2007; Rhie et al., 2007).根據(jù)2008年MS7.3于田地震同震位移場的變化特征(圖12),可以看出同震位移場的高值區(qū)僅分布在一個很小的范圍,向遠處位移迅速減小,這種位移場圖像與正斷層上地震產(chǎn)生的位移場類似(馮萬鵬等, 2010; 張國宏等, 2011).通過分析同震位移場的方向,發(fā)現(xiàn)在阿爾金斷裂西南段區(qū)域位移場方向為北東向,并且沿北東方向逐漸減小,而周邊走滑斷裂走向也以北東向和北東東向為主,在附加的北東向壓應力作用下,有利于斷層發(fā)生左旋走滑運動(李玉江等, 2022),與同震庫侖應力增加所反映的特征一致(圖11c).而在伸展構(gòu)造區(qū)內(nèi)的位移場方向為近東西向,并且向東逐漸減小,而伸展構(gòu)造區(qū)的斷層走向基本為北北東,受到近東-西方向上的擠壓作用,不利于發(fā)生正斷性質(zhì)的運動,與同震庫侖應力減小所反映的特征一致(圖11f).結(jié)合同震庫侖應力變化和同震位移場結(jié)果來看,阿爾金斷裂西南段尾端張性區(qū)內(nèi)發(fā)生的強震,會促進阿爾金斷裂西南段區(qū)域內(nèi)北東向的左旋走滑型斷層上強震的提前發(fā)生,同時也會延遲尾端張性區(qū)內(nèi)近南北向的正斷層上強震的發(fā)生.

圖12 2008年于田地震的同震位移場

4.3 地震危險性分析

地震的發(fā)生不僅受周圍強震的影響,同時也與區(qū)域構(gòu)造應力場密切相關,而關于初始應力場,目前還難以準確獲得.因此,庫侖應力變化被廣泛用來開展強震危險性分析和潛在危險性地點的判定(Tabrez et al., 2008; Shao et al., 2016; Xiong et al., 2017; Li et al., 2020).結(jié)合本文計算的4次于田地震同震位錯和震后黏滯松弛效應共同引起的周邊主要活動斷裂的庫侖應力變化,在阿爾金斷裂、貢嘎措斷裂南段、阿什庫勒斷裂西段、郭扎措斷裂西段的庫侖應力明顯增加,最大值均超過了1.0×105Pa.另外,結(jié)合4次于田地震余震分布結(jié)果(房立華等, 2015; 羅鈞等, 2021; Jia et al., 2021),可以看出4次于田地震發(fā)震段兩端庫侖應力明顯增加的區(qū)域與余震分布具有很好的對應關系,并且在康西瓦斷裂中東段、貢嘎措斷裂南段、阿什庫勒斷裂西段和阿爾金分支斷裂(ATF-1)中南段上余震分布較多,而在其他庫侖應力增加的斷裂上余震則分布較少,余震的發(fā)生降低了這些斷裂的應力水平(Lin and Stein, 2004).Wang等(2011)對阿爾金斷裂地震矩積累-釋放過程的研究結(jié)果認為,斷裂上積累的地震矩足以支撐M7以上地震的發(fā)生.同樣,李海兵等(2015)認為郭扎錯斷裂目前可能處于相對較高的應力集中狀態(tài).本文計算的結(jié)果也顯示,阿爾金斷裂和郭扎措斷裂西段的庫侖應力增加量遠超過傳統(tǒng)認識上地震觸發(fā)的閾值.綜合上述分析,我們認為阿爾金斷裂和郭扎措斷裂西段未來發(fā)生強震的可能性很高,需要重點關注.

5 結(jié)論

本文構(gòu)建阿爾金斷裂西南段及其鄰區(qū)三維黏彈性有限元模型,研究2008—2020年4次于田MS>6.0地震之間的相互作用,以及地震發(fā)生所引起的周邊主要活動斷裂上的庫侖應力變化.研究結(jié)果表明:

(1) 考慮同震和震后黏彈性松弛效應的共同作用,2008年于田地震造成2012年于田地震震源區(qū)庫侖應力減小1.89×104Pa,延遲了2012年于田地震的發(fā)生;2014年于田地震受前2次于田地震影響,震源區(qū)庫侖應力增加了3.63×104Pa,表明2008年和2012年2次于田地震共同觸發(fā)了2014年于田地震的發(fā)生;受前3次地震的影響,2020年于田地震發(fā)生前震源區(qū)應力增加了1.04×104Pa,說明前3次地震的發(fā)生對2020年于田地震同樣具有觸發(fā)作用.

(2) 2008年于田地震同震庫侖應力變化和同震位移場分布的結(jié)果表明,阿爾金斷裂西南段尾端張性區(qū)內(nèi)發(fā)生的強震,會促進阿爾金斷裂西南段區(qū)域內(nèi)北東向的斷層上左旋走滑型強震的提前發(fā)生,同時也會延遲尾端張性區(qū)內(nèi)近南北向的斷層上正斷型強震的發(fā)生,該結(jié)果為認識同一構(gòu)造區(qū)內(nèi)復雜斷層間的相互作用機制提供重要參考.

(3) 綜合分析認為,阿爾金斷裂和郭扎措斷裂西段應力顯著增加(>1.0×105Pa),未來發(fā)生強震的可能性很高,需要重點關注,而龍木措斷裂西段庫侖應力增加也超過傳統(tǒng)認識上地震觸發(fā)的閾值,地震危險性也需要進一步關注.

致謝感謝何平教授、周云博士提供的同震滑動模型結(jié)果,部分圖件使用GMT軟件繪制(Wessel et al., 2013),在此一并表示感謝.