GNSS約束的2022年瀘定M6.8地震滑動分布及同震應力變化

余建勝, 趙斌*, 董培育, 劉剛, 劉成利, 徐銳, 陳正松,黃功文, 房立華, 熊維, 王明明, 林牧, 聶兆生, 喬學軍

1 中國地震局地震研究所, 武漢 430071

2 中國地震局地震大地測量重點實驗室, 武漢 430071

3 中國地質大學(武漢)地球物理與空間信息學院, 武漢 430074

4 四川省地震局, 成都 610041

5 自然資源部大地測量數據處理中心, 西安 710054

6 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081

0 引言

據中國地震臺網中心正式測定(https：∥news.ceic.ac.cn),北京時間2022年9月5日12時52分,我國四川省甘孜藏族自治州瀘定縣發生M6.8強震,震中位于瀘定縣磨西鎮海螺溝冰川森林公園內(北緯29.59°,東經102.08°),震源深度16 km.震中5 km范圍內平均海拔2700 m,震中距瀘定縣城約39 km,距甘孜州、康定市、石棉縣約50 km,距漢源縣60 km,距滎經縣78 km.應急管理部公布的四川瀘定地震烈度分布顯示本次地震最高烈度達到Ⅸ度,等震線長軸呈NW走向,其中長軸195 km,短軸112 km,瀘定縣磨西鎮、得妥鎮、燕子溝鎮、德威鎮以及石棉縣王崗坪彝族藏族鄉、草科藏族鄉、新民藏族彝族鄉等遭受嚴重破壞(https∥www.mem.gov.cn/xw/yjglbgzdt/202209/t20220911_422190.shtml).本次地震造成了嚴重的基礎設施破壞和人員傷亡,地震導致主干線省道S217瀘定至石棉段多處中斷,造成11萬余人受災,5萬余間房屋損壞,其中道路、通信、電力、水利等基礎設施不同程度受損,并誘發多處滑坡、崩塌、堰塞湖、地裂縫等次生災害(Qu et al., 2023; Huang et al., 2023).

震區大范圍崩塌、滑坡和震中周邊未來地震危險性受到社會各界的廣泛關注(張佳佳等,2023;Qu et al., 2023).國內外眾多科研機構利用全球遠場地震波和四川省周邊區域地震臺網觀測資料快速確定了震中位置和主震震源機制解(表1),震后早期精定位余震主要沿鮮水河斷裂南東段呈NW-SE向分布.綜合發震位置、精定位余震以及周邊活動斷裂分布等資料,認為此次瀘定地震發生在川滇菱形塊體內部,震中位于川滇塊體東邊界鮮水河斷裂帶南東段磨西斷裂附近,為主震-余震型地震(圖1),震源機制解顯示為左旋走滑破裂(徐泰然等,2022;張喆等,2023).

表1 2022年瀘定地震震源機制解Table 1 Focal mechanism solutions of the 2022 Luding earthquake

鮮水河斷裂帶位于青藏高原東南緣,北西起始于四川甘孜,向南東經爐霍、道孚、乾寧、康定、瀘定磨西至石棉,全長約350 km,是一條近NW走向的弧形左旋走滑斷裂,該斷裂存在顯著的分段活動特征,不同分段活動速率、運動性質具有一定的差異,是我國地殼運動變形最強烈的斷裂帶之一(Allen et al., 1991;Wen et al., 2008;Zhang, 2013;李大虎等,2015;Wu et al., 2019).鮮水河斷裂東南末端位于川滇塊體受四川盆地阻擋而向東南偏轉的部位,與其北部的甘孜—玉樹斷裂、南部的安寧河斷裂、大涼山斷裂、小江斷裂,共同構成了川滇活動塊體的北東邊界(聞學澤等,2011;陳桂華等,2011;徐晶等,2013).研究表明,鮮水河斷裂東南段晚第四紀以來平均滑動速率為6.0～9.9 mm·a-1(Chen et al., 2016).現今GNSS研究結果顯示鮮水河斷裂帶由北向南地表水平滑動速率呈逐漸減小趨勢,且跨鮮水河斷裂的速度梯度在震中東西兩側有明顯的差異,表現為鮮水河—安寧河斷裂系的左旋運動(Wang and Shen, 2020;Wang et al., 2021).鮮水河斷裂磨西段以北是多分支的乾寧—康定段,南側是與安寧河斷裂、大涼山斷裂、大渡河斷裂相連接的田灣—石棉段,西側是第四紀以來強烈隆升的大雪山主峰貢嘎山(譚錫斌等,2010),萬年隆升速率達到6.1 mm·a-1(Chen et al., 2016).鮮水河斷裂歷史上具有較高的地震活動性,曾發生多次強震(聞學澤等,2011;Bai et al., 2018),平均每40年發生一次7級以上地震,歷史地震導致的地表破裂帶幾乎覆蓋整個斷裂區(Wen et al., 2008).自1900年以來,距本次震中200 km范圍內,共發生6級以上地震19次(Wen et al., 2008; Jiang et al., 2015; Cheng et al., 2021),其中6.0～6.9級地震15次,7.0～7.9級地震4次(圖1),震級最大的為1955年4月14日康定7.5級地震(震中距～53 km),時間最近的為2022年6月1日蘆山6.1級地震(震中距～120 km),距離最近的為1975年1月15日九龍6.2級地震(震中距～32 km).

地震發生后,國內學者利用近遠場地震波、InSAR和GNSS連續觀測資料反演了本次地震的破裂分布.張喆等(2023)采用全球與區域寬頻帶P波數據,利用雙差定位、有限斷層波形反演等方法,分析了震源基本特征和余震分布叢集性.Yang等(2022)基于寬頻帶地震波形數據,采用波形擬合的方法確定主震和M≥3.0余震的震源機制解,并反演了主震破裂過程.An等(2023)處理了陸態網絡連續站1 s高頻和30 s采樣率的觀測數據,但僅SCSM有明顯的高頻波形以及20 mm的永久同震位移.單新建等(2023)利用200 km范圍內的GNSS連續站、震中50 km范圍內的近場強震動以及InSAR數據獲取了高精度的同震形變場,分析了瀘定地震的發震機制、震前閉鎖分布并評估了周邊強震危險性;而Li等(2022)在單新建等(2023)的基礎上構建了兩種不同破裂模型,比較了兩種同震滑動分布的差異.本次震中位于四川最高峰貢嘎山(海拔7556 m)西側的海螺溝冰川附近,震區山高谷深、地形起伏大,正值夏季植被茂盛,且地震導致震區大量山體滑坡和冰崩等,InSAR干涉結果不理想.目前已公布有ALOS-2和Sentinel-1數據處理結果,顯示發震斷層近場區域InSAR失相干比較嚴重,信噪低,不能直接獲取發震斷層跡線(Li et al., 2022;韓炳權等,2023),上述研究僅使用部分InSAR數據來約束同震滑動分布,缺少近場觀測數據的約束,擬合殘差相對較大.因此,本文瀘定地震GNSS近場觀測顯的更加彌足珍貴,不僅可以彌補InSAR在近場失相干區域的觀測不足,還能更好的約束發震斷層和同震破裂特征(Wang et al., 2011).

目前關于瀘定地震的上述研究中,在數據源類別、破裂模型構建、滑動反演結果等方面均存在一定差異性.更多關于主震的精細同震形變場分布特征、地表是否有滑動破裂以及對周邊斷層的庫侖應力影響等等,需要進行更全面的認識和深入的綜合探討分析.為了能更好的認識本次地震形變分布特征、發震機理以及應力遷移狀態,本文依托項目團隊前期在震區布設的GNSS加密站點,同時搜集了近場其它測站資料,獲取了本次地震的近場同震位移場;根據周邊地質斷裂活動構造、震源機制、余震精定位結果和形變場空間分布特征等為約束,構建發震斷層初始幾何模型,并采用約束最小二乘算法反演斷層滑動分布;分析了同震應力變化與余震分布的關系;并對已發表的發震斷層參數、破裂模型之間的異同進行討論分析;最后基于同震滑動破裂計算斷層面在不同深度處的庫侖應力變化,探討區域地震危險性．為進一步研究本次瀘定地震同震形變、滑動破裂特征以及鮮水河斷裂南段地震孕育機理和未來地震危險性評估提供重要約束.

圖1 2022年瀘定M6.8地震區域構造背景及歷史地震分布紅色五角星為2022年瀘定地震震中;淡紅色箭頭為相對歐亞板塊的震前速度場;震源球表示自1976年以來GCMT記錄到的歷史強震(https：∥www.globalcmt.org/),灰色圓圈為1976年以前發生的MS>6級以上歷史地震;紫色線條為主要活動斷裂,綠色圓點給出了余震序列精定位結果.(a) 瀘定震中周邊地形、活動斷層、歷史地震及震前GNSS水平向速度場;(b) 震中位置及余震序列分布;(c) 青藏高原塊體劃分.

圖2 2022年瀘定地震GNSS水平向同震位移場棕色實線表示震中周邊主要活動斷裂.紅色和黑色虛線圓圈分別表示震中距25 km和50 km.藍色箭頭表示本次地震的同震形變位移.

1 GNSS觀測資料與數據處理

瀘定地震發生后,中國地震局組織相關單位開展地震應急科考,中國地震局地震研究所(簡稱：“武漢地震所”)于震后第二天派出野外測量與科學考察工作組趕赴震區開展GNSS應急流動觀測.流動觀測站點主要包含武漢地震所和中國地質大學(武漢)等單位在震中附近加密建立的流動GNSS站點,以及陸態網絡區域站、原國家測繪局B級控制點等(圖2).為深入研究鮮水河斷裂帶石棉段斷層閉鎖特性,武漢地震所于2020年在石棉縣城附近觀測了兩條近東西向的剖面,分別為沿草科鄉—挖角鄉一帶以及震中以南40 km處經過石棉縣城—蟹螺鄉—洪壩鄉,共計23個測站.瀘定地震發生前一個月,剛完成這兩條剖面的GNSS流動觀測.地震發生后,我們復測了石棉—洪壩剖面的所有測站點位,因山區塌方損壞比較嚴重,導致更靠近震中的草科鄉及其周邊道路不通,故本次科考觀測未對更靠近震中的另一條剖面進行全點位觀測,僅復測了離主干道較近、能安全到達的2個測站(SM15和SMB7).本次科考在十天時間內共計觀測25個GNSS流動站點觀測數據,有效觀測時長24～36 h不等.

采用GAMIT/GLOBK 10.71軟件 (Herring et al., 2015) 對震前、震后GNSS流動站資料以及震中周邊陸態網絡和四川省地震局CORS站觀測數據進行統一策略下的數據解算.數據處理策略主要分兩步：首先是用GAMIT獲取包括測站坐標、衛星軌道和天頂對流層延遲在內的測站單日松弛解;然后用GLOBK將解算得到的區域松弛解與解算的全球IGS測站單日松弛解合并,并在全球范圍內選取穩定的IGS參考站,利用GLOBK通過七參數相似變換得到ITRF2014框架下的測站單日坐標解(Altamimi et al., 2016).詳細的數據處理策略請參考Wang等(2022)和王迪晉等(2022).

本文采用基于馬爾可夫蒙特卡洛方法采樣的貝葉斯后驗概率密度統計方法估計同震位移及其相關誤差(王迪晉等,2022).該方法充分考慮震間速率估計的不確定性,特別適用于對流動觀測數據的處理,目前已被廣泛應用于震間斷層運動、同震破裂滑動分布、震后形變估計等研究中(Sun et al., 2013; Ingleby et al., 2020).公式(1)為通用的GNSS坐標時間序列表達式(Yu et al., 2019),在同震變形估計時,我們忽略震后變形項.對于流動觀測數據,不考慮周年和半周年項,待估參數只有初始形變值、長期線性速度和同震形變位移.

f(t)=C1+C2t+C3sin(2πt+θ)+C4sin(4πt+φ)

+ε,

(1)

其中f(t)表示GNSS測站在歷元t時刻的坐標分量,C1為初始坐標值,C2是長期線性速度,C3和θ、C4和φ分別表示年周期和半年周期項的幅度和相位,Di表示因地震同震、設備變化或其他偏移信號在時間ti時刻引起的偏移量,Ei是震后松弛的振幅,H為階躍函數,觀測誤差ε.

本次復測的流動GNSS站點中,測站W391震前僅有2007年一期觀測資料,在估計該測站的同震形變時,我們分別采用2008年汶川地震(Wang et al., 2011)和2013年蘆山地震(Huang et al., 2019)的同震模型正演了這兩次地震對該測站的理論同震位移,并予以改正.考慮到汶川地震震后效應對該站影響不足1 cm(Wang et al., 2021),故忽略汶川震后變形并不影響其對瀘定地震同震形變的估計.同時考慮長期構造速率、汶川和蘆山地震同震位移的不確定性,該站的水平向同震位移誤差最大,約1.5 cm(表2).

2 同震形變場及特征分析

本次地震引起的地表水平向位移主要集中分布在震中50 km范圍內,同震位移隨震中距離增加而快速衰減,震中距60 km處GNSS測站觀測到的同震位移已衰減至不足1 cm(圖2,表2).近場GNSS觀測到的最大水平向同震形變達23 cm,位于得妥鎮(ZD17),距發震斷層垂直距離僅5 km;水平同震變形大于2 cm的測站有19個.其中,鮮水河斷裂以東：位于漢源、石棉、挖角鄉附近的GNSS測站具有北西向運動的同震位移,新民鄉雙坪村附近測站(SMB7)位移量～8.5 cm,石棉縣城周邊同震位移在2 cm左右;磨西、得妥、瀘定周邊GNSS測站(ZD17、W391、MOXI)具有北東向運動的同震位移,同震形變量超過12 cm.斷裂以西：位于燕子溝東側S434省道附近的GNSS測站(ZD15、H078)有向東南方向大于5 cm的同震形變;震中往南23 km處的草科鄉和平村GNSS測站(SM15)有17.8 cm的西南向同震位移;震中以北36 km處的雪門坎附近GNSS測站(ZD13、ZD14)同震形變僅1.2 cm,再往北在康定周邊GNSS測站同震形變已經不足1 cm.近場GNSS觀測結果清晰地顯示本次地震的左旋走滑運動特征,與區域構造背景(圖1)及表1中不同機構給出的震源機制結果相符合.

表2 2022年瀘定地震GNSS觀測到的水平向同震位移Table 2 Horizontal coseismic displacements observed by GNSS during the 2022 Luding earthquake

3 同震滑動分布反演

野外發震構造初步調查認為,在震中及其以北沿磨西斷裂方向經過的位置沒有發現明顯的同震地表破裂,且在震中以南沿斷裂帶方向地震滑坡比較嚴重,可能存在疑似地表破裂跡象(李傳友等,2022;單新建等,2023),故本次瀘定地震的具體發震斷裂地表位置和長度仍然尚不明確.圖2中近場同震位移場空間分布特征可以為本次地震的發震斷層走向提供重要約束信息,發震斷裂應位于ZD15和H078以東,MOXI和SMB7站以西,這四個近場測站到本次發震斷裂的垂向距離不足2 km,這四個測站的同震位移場分布可以很好的約束斷裂的大致位置和走向.綜合震源機制解、余震精定位結果、地震地質資料和本文同震位移場空間分布特征,能夠大致確定發震斷層初始位置和斷層走向(163°),傾角在65°～88°之間(表1,韓炳權等,2023).

為了能更好地揭示斷層面滑動分布細節特征,將發震斷層初始位置沿走向和傾向進行擴展,選定斷層面長度和寬度分別為75 km和25 km,并將斷層沿走向和傾向進行格網離散化,劃分成若干個1.875 km×1.25 km的子斷層塊.以GNSS水平向同震位移為約束,采用彈性半空間均勻位錯模型(Okada, 1992),基于約束條件下最小二乘方法反演發震斷層面同震滑動分布(Wang et al.,2022),約束滑動角在[-45°, 45°]范圍變化.鑒于平滑因子的選取對反演的滑動分布結果影響較大,本文根據擬合殘差與斷層面滑動分布光滑度之間的折中曲線來確定平滑因子,最佳光滑因子取值0.1(圖3c).反演過程中對斷層傾角進行搜索,根據圖3b確定發震斷層最佳傾角值為71°.圖3a是基于近場GNSS水平向同震形變反演的最優破裂模型.結果顯示破裂分布特征相對單一,呈近似橢圓形;同震滑動主要集中分布在深度2～8 km范圍,最大滑動量達到1.96 m,發生在深度4.6 km處;主滑動破裂位于震中以南得妥鎮至田灣鄉之間,主破裂長度在20～30 km范圍.假設泊松比為0.25,剪切模量為30 GPa,計算得到地震矩釋放能量為9.25×1018N·m,對應矩震級MW6.6,與表1中震源機制解給出的震級一致.棋盤測試結果顯示(附圖1),本文GNSS近場觀測資料可以有效分辨并約束本次瀘定地震的同震滑動分布.

圖3 (a) 基于GNSS同震位移反演得到的最優滑動模型; (b) 斷層傾角與擬合誤差之間的關系; (c) GNSS擬合殘差與滑動分布光滑度之間的關系

根據反演得到的最佳滑動分布模型,計算GNSS測站水平向同震位移模擬值,并與觀測值進行對比(圖4).觀測值與模擬值在近場GNSS測站中擬合一致性較高,平均擬合殘差3.2 mm,最近的ZD15、H078、MOXI和ZD17殘差不超過5 mm.在沒有明顯地表破裂、InSAR失相干嚴重的川西高山高海拔地區,近場分布的GNSS同震形變對確定發震斷層走向和位置極其重要,同時能夠對斷層滑動破裂提供更加有效的約束.

圖4 GNSS同震位移觀測值與模擬值對比大寫英文字母表示地理位置.其中,GGXS,貢嘎雪山;HLG,海螺溝;MZG,磨子溝;YZG,燕子溝鎮;MX,磨西鎮;DT,得妥鎮;CKX,草科鄉;TW,田灣鄉;XM,新民鄉;AS,安順場鎮;WJX,挖角鄉;HB,洪壩鄉.

4 靜態庫侖應力及余震分布

為分析靜態庫侖應力對余震分布的觸發作用,我們采用上述最優同震滑動模型,分別計算了沿發震斷層(DD′)和垂直于發震斷層的(EE′)剖面上產生的靜態庫侖應力變化(以下均簡稱為ΔCFS;圖5).有效摩擦系數取常用值0.4(Toda et al., 2012).對于剖面DD′我們采用同主震震源機制解一致的接收斷層參數計算ΔCFS,剖面EE′的接收斷層參考歷史地震及余震的震源機制解.馮靜等(2018)對2016年發生在瀘定周邊的ML≥2.0地震序列進行了重定位分析和震源機制解研究,顯示該區域構造活動以走滑錯動為主.而在2022年10月22日(震后第54天),西北方向震中距約5 km處(29.61°N,102.03°E),發生了一次M5.0最大余震,震源機制解顯示為拉張性質,如圖5a黑色震源球所示.因此,我們推測剖面EE′可能具有拉張兼具右旋走滑的性質,因此我們選擇該剖面的接收斷層參數為走向247°,傾角80°,滑動角174°.圖5b顯示同震滑動破裂的南北兩側,同震庫侖應力顯著增加,超過地震觸發理論閾值0.1 bar(0.01 MPa).圖5c顯示在剖面西段ΔCFS增量高達1 MPa,也遠超地震觸發閾值.計算結果顯示靜態庫倫應力增強區域與精定位余震分布一致性較好,表明余震主體上是由本次地震同震應力加載觸發導致的(圖5b,5c).

圖5 (a) 2022年瀘定地震重定位余震序列; (b) 發震斷層面庫侖應力變化與余震分布; (c) 垂直于發震斷層的庫侖應力變化與余震分布

余震精定位結果顯示余震大致沿磨西斷裂呈北北西向條帶狀分布,長約60 km,深度集中分布在3～14 km,向東南側最遠可到達石棉縣城周邊,往北側最遠到達燕子溝以北20 km,遠大于同震破裂滑動區域.主震以北靜態庫侖應力增加區域存在一個明顯的余震空區(圖5a).這個余震空區可能表明該段存在同震應力降,但從我們的同震破裂模型看,該段的同震破裂很小,而且集中在深部(圖3a).根據余震的展布,我們不排除該段存在因發震斷層走向的變化而造成破裂模型的不準確.為此,我們以磨西為界,以北的斷層走向調整為148°,與余震分布保持一致,以南的斷層走向不變,仍保持163°.基于該分段模型的反演結果顯示,地震空區仍沒有明顯的同震滑移,并且擬合誤差達8.6 mm(見附圖2).結合地震波反演結果(張喆等,2023),我們推測該余震空區并不是本次地震引起的應力降造成的,可能仍處于歷史地震造成的應力影區,由于瀘定地震自身引起的庫侖應力增加不足以改變當前應力狀態并觸發余震.

5 討論

5.1 與已有研究結果的比較

目前已發表有一些瀘定地震發震斷層和滑動破裂模型(韓炳權等,2023;Li et al., 2022; 徐泰然等,2022;張喆等,2023), 通過對比分析發現,這些模型在數據源、滑動分布特征以及最大滑動量方面均存在一定差異性.韓炳權等(2023)和Li等(2022)處理了Sentinel-1升、降軌和ALOS-2降軌數據,但在滑動反演過程中,前者認為ALOS-2遠場噪聲較大,僅使用Sentinel-1數據;后者以Sentinel-1升軌影像干涉效果不佳,剔除了升軌數據.ALOS-2數據在近場的相干性雖然優于Sentinel-1,但空間分辨率相對較低,近場形變噪聲較大.單新建等(2023)選取震中200 km范圍內的71個GNSS連續站,但震中距100 km以內測站僅11個,遠場測站形變量級不足厘米量級,近場測站數量較少且分布比較稀疏,震中距50 km范圍內連續站僅2個.最近的強震動儀器觀測到的永久位移12 cm.而本文震中距16 km內GNSS測站有5個,震中距最近的僅7 km,觀測到的同震形變位移量可達23 cm;南側剖線的GNSS測站距震中位置相對較遠但同震位移整體偏大,可能表明同震破裂主要集中在震中東南方向,這與早期精定位余震分布和滑動反演結果一致.對比單新建等(2023)震中距～50 km處的GNSS連續站同震位移,震中以南LS23同震形變位移～20 cm,要遠大于震中以北LS10同震形變位移～10 cm,表明本文流動站觀測結果是可靠的.以韓炳權等(2023)中的滑動破裂模型正演本文GNSS測站同震位移模擬值,并與本文滑動模型正演結果進行比較(附圖3),可以看出僅用InSAR約束的滑動模型存在一定偏差,其GNSS模擬值在近場具有較大不確定性.近場觀測數據相比于遠場觀測對于地震機制的研究有著更高的科學價值,本文加密觀測的GNSS數據不僅可以提高對斷層近場行變特征的認識,還能更好的約束發震斷層幾何參數和同震滑動分布.

李傳友等(2022)根據野外地質考察,認為瀘定地震以SE向單側破裂為主,在震中以北和愛國村以南磨西斷裂通過的位置沒有發育地表破裂,在震中以南沿磨西鎮二臺子到到王崗坪鄉愛國村一帶可能發育有15.5 km長度、15～40 cm的同震地表位移;Li等(2022)基于GNSS、InSAR和強震動波形反演得到的滑動模型顯示在二臺子以北沿磨西斷裂有0.3 m的地表破裂,在二臺子以南至團結村以北有0.7～1.0 m的淺層地表滑動;徐泰然等(2022)基于地震波形數據得出本次地震是一次高傾角、直立的走滑事件,同震地表破裂長度約20 km;本文最優滑動模型顯示至少存在10 km長度的0.5～1 m的地表破裂,我們的結果傾向于本次瀘定地震破裂到地表,但具體的地表破裂長度和滑移量仍存在不確定性.根據震源機制解(表1)和已發表結果可以得出,本次地震走向差異性較小,由地震波獲取的震源機制解顯示震中傾角較陡,斷層面接近直立.在最大滑移尺度上各研究結果也不盡相同,本文基于近場GNSS觀測得到的最大滑動量～1.96 m,Li等(2022)和Yang等(2022)分別基于全球遠場地震波和近場地震波數據得到的最大滑移為1 m和0.8 m,張喆等(2023)采用全球與區域寬頻帶P波數據進行有限斷層反演顯示最大滑動量1.4 m,Li等(2022)利用GNSS、InSAR和近場強震動約束破裂模型獲得最大滑動1.8 m,韓炳權等(2023)利用InSAR數據得到最大滑移～2.23 m,是目前已知結果中最大的,可能與其滑動破裂模型沒有破裂到地表有關,也可能與其選取的InSAR數據有關.上述通過地震波方法反演得到的最大滑移普遍比基于大地測量資料反演得到的結果要小,可能表明近場大地測量資料比地震波資料對滑動破裂更敏感,能更好的約束同震滑動模型.

5.2 同震庫侖應力對周邊斷層影響

以圖3a所示同震滑動破裂模型為應力擾動源,采用邊界元軟件Poly3D(Thomas, 1993)計算本次地震對周邊斷層的應力擾動變化.本文計算的斷層主要包括龍門山斷裂帶,鮮水河斷裂帶北段,南部安寧河斷裂、大涼山斷裂,以及西側的玉龍希斷裂.龍門山斷裂帶是本次計算中的唯一一條逆沖斷裂帶(傾角取值30°),玉龍希斷裂為右旋兼具逆沖型,其他斷層均為近似垂直的左旋走滑斷裂.根據斷層地表跡象及傾角建立斷層模型,并按1 km×1 km剖分網格.

假設有效摩擦系數為0.4,通過計算得到各目標接收斷層的靜態庫侖應力變化(圖6).結果顯示在鮮水河斷裂帶上ΔCFS增強區域主要分布在震源破裂區四周,最大值為MPa量級, ΔCFS負值區域與主要破裂區域重合,揭示破裂區的應力得到了充分釋放.通常在走滑型地震的破裂區兩端會產生應力加載效應,此次地震破裂區南端相鄰為安寧河和大涼山斷裂,在這兩條斷裂的北部ΔCFS增加數bar量級,均超過觸發閾值(0.1 bar).同時,玉龍希斷裂北部也有數bar量級的應力加載效應.ΔCFS增強區域可能預示未來地震危險性程度較高,是未來地震危險性重點關注區域之一.此外,在龍門山斷裂帶西南端與鮮水河斷裂帶交界區域,ΔCFS為負值,表明該地區應力得到釋放,延緩了地震的發生.

研究表明,鮮水河斷裂東南末端存在明顯的閉鎖狀態(Wen et al., 2008;趙靜等,2015),同時,受2008和2013年龍門山斷裂帶上汶川和蘆山兩次地震的影響,鮮水河斷裂附近庫侖應力明顯增加,可能會加速鮮水河斷裂帶東南方向康定—石棉段的地震發生(易桂喜等,2013;Jiang et al., 2015;Li et al., 2021).基于以上述分析,認為本次瀘定地震確實發生在鮮水河斷裂東南段閉鎖區.假設本次地震破裂的核心區域面積為100～140 km2,斷層長期滑動速率取10 mm·a-1,那么自1786年以來,該破裂區域積累地震矩能量約為(7.5～10)×1018N·m,與本次地震釋放的能量基本相當.本次瀘定地震盡管充分釋放了磨西—石棉田灣段積累的應變能,但未來在石棉—冕寧段可能積累更大應變能,以及本次瀘定地震對安寧河斷裂北段有應力加載作用,安寧河斷裂北段誘發大地震的可能性也值得密切關注.

圖6 2022年瀘定地震引起的周邊斷層庫侖應力變化

6 結論

本文首先采用震前、震后近場GNSS觀測資料,獲取了本次瀘定地震水平向同震位移場,然后基于約束最小二乘算法反演斷層滑動破裂分布模型,并根據最優破裂模型計算了本次地震對周邊鄰近斷層的庫侖應力影響.主要結論如下：

(1) 近場同震形變場空間分布結果表明,瀘定地震是一次左旋走滑型地震,同震形變場呈四象限分布,可觀測到的最大同震位移量達23 cm;同震位移主要分布在震中50 km范圍內的近場區域,在磨西鎮、得妥鎮、草科鄉等區域同震位移量可達10 cm.

(2) 同震位移場的空間分布特征為判定發震斷裂的具體位置提供了重要的約束條件,綜合震源機制解、余震精定位結果和同震位移場分布特征,能大致確定發震斷層初始位置和發震斷層幾何參數信息.

(3) 同震滑動分布結果表明,滑動分布特征與余震精定位結果具有很好的互補性,反演結果顯示至少存在10 km長度的0.5～1.0 m之間的地表破裂,主破裂位于斷層面2～8 km,最大滑動量達到1.96 m,所處深度4.6 km,釋放地震矩能量9.25×1018N·m,對應矩震級MW6.6.

(4) 同震庫侖應力顯示瀘定地震對周邊斷層有應力加載作用,導致發震斷層南端鄰近的安寧河、大涼山斷裂以及鮮水河斷裂康定—磨西段未來地震風險性增加,需要加強監測.

致謝感謝GNSS野外科考工作隊員趙昕宇、黃子軒等參與GNSS加密觀測的各位同仁的辛苦付出.感謝韓炳權博士提供的同震破裂模型.感謝責任編輯和三位匿名評審專家對提升本文內容提出的建設性修改意見.

附圖1 棋盤測試

附圖2 分段斷層模型反演的同震滑動分布

附圖3 GNSS觀測值與不同滑動模型模擬值對比其中,藍色：觀測值;紅色：本文模擬值;綠色：韓炳權等(2023)模擬值.