川滇塊體東邊界斷裂帶應力演化特征及地震危險性數值

李彥欣 董培育 趙 斌

1 中國地震局地震研究所,武漢市洪山側路40號,430071

2 中國地震局地震大地測量重點實驗室,武漢市洪山側路40號,430071

川滇塊體東邊界主要由鮮水河斷裂帶、安寧河-則木河斷裂帶、大涼山斷裂帶等多條斷裂帶組成,是我國大陸內部構造活動性最強的大型左旋走滑斷裂帶系。1725年以來,該地區先后發生6級以上強震17次,其中7級以上破壞性強震8次[1]。與鮮水河斷裂帶交叉相鄰的龍門山斷裂帶是一條巨型逆沖推覆構造帶,在2008年和2013年相繼發生MS8.0汶川地震和MS7.0蘆山地震。這2條大型斷裂帶系構成一個“Y”字形,將青藏高原東南緣地區分割為川滇塊體、巴顏喀拉塊體和華南塊體3大活動塊體[2],如圖1所示。

LMSF:龍門山斷裂帶;XSHF:鮮水河斷裂帶;LTF:理塘斷裂帶;ANHF:安寧河斷裂帶;ZMHF:則木河斷裂帶;DLSF:大涼山斷裂帶;LJ-XJHF:麗江-小金河斷裂帶;YLXF:玉龍希斷裂帶;藍色震源球表示1893年以來發生在該區域的MS>6.5強震;紅色震源球表示2022-09-05瀘定MS6.8地震;黑線表示主要斷裂;紅色虛線橢圓區域表示安寧河-則木河斷裂帶上地震空區

2022-09-05研究區再次發生MS6.8地震,震中位于四川省瀘定縣(29.59°N,102.08°E),發震斷層為鮮水河斷裂帶南段(磨西段)。此次地震為一次典型的左旋走滑型地震,走向、傾角和滑動角分別約為254°、73°和178°,破裂面總長度達40 km,最大滑動量約為1.83 m[3-4]。該地震破裂區內的前次地震發生于1786年,距今已超過200 a[1]。定量計算川滇塊體東邊界主要斷裂帶應力積累特征,尤其是瀘定地震破裂區的應力特征,不僅有助于理解該區域地震孕育和發生的機理,同時可以為分析區域未來地震危險性提供定量參考依據。

應力場的演化主要受控于震間長期構造活動的加載和地震引起的同震及震后粘彈性松弛效應的擾動。對震間長期構造應力場積累過程的認識目前主要依賴于大地測量觀測數據,通過解算斷層滑動速率及閉鎖程度等信息間接估算應力積累速率[5]。也可基于區域實際地質構造特征建立數值計算模型,在合理的邊界條件約束下,直接進行定量模擬計算,獲取研究區域各斷層上應力積累速率值[6]。對于地震引起的同震和震后庫侖應力變化,從物理上考慮,震源區斷層破裂會對周邊區域產生不同程度的應力加載或者卸載效應,從而導致后續地震提前或者延遲發生,即庫侖破裂應力變化理論[7]。綜合考慮震間長期構造應力積累和歷史地震應力擾動效應,能夠更全面地定量描述不同區域應力積累速率特征或斷層各區段應力積累特征,從而進一步解釋地震的孕育和發生[8-9]。

本文建立三維粘彈性有限元數值計算模型,以區域長期平均 GNSS速度場為約束,采用Pylith開源軟件包進行計算。根據各斷裂帶不同的幾何特征,模擬其震間長期平均構造應力積累速率,同時考慮周邊歷史強震對其造成的同震和震后庫侖應力變化,定量描述構造應力場的演化過程,探究此次瀘定地震的發震成因,并綜合分析區域構造環境特征及未來強震危險性。

1 三維有限元數值計算模型

1.1 模型構建

結合研究區域活動斷裂的空間分布和瀘定地震的震中位置,確定研究區域范圍為98°～106°E、26°～33°N,主要包含川滇塊體、巴顏喀拉塊體和華南塊體3個活動塊體。據此,建立區域三維粘彈性有限元模型(圖2),縱向上分為4層,分別為上地殼、中地殼、下地殼和上地幔,其中斷層深度約為20 km,均切穿上地殼。模型剖分為四面體單元,在斷裂帶附近單元尺寸約為3 km,在其他區域約為20～30 km,共劃分413 401個單元。根據地震地質調查結果和前人研究成果,給出各斷裂帶的幾何特征[10],如表1所示。

表1 主要活動斷裂的幾何參數

圖2 三維有限元模型

1.2 本構關系與介質參數

三維有限元數值計算模型中,上地殼設置為彈性材料。采用USTClith2.0模型給出的上地殼S波、P波速度及密度數據[11],為充分考慮其橫向不均勻性,將其插值到模型上地殼不同網格中,計算彈性模量和泊松比等參數。彈性模量的變化范圍為(7.5～9.8)×1010Pa,泊松比為0.20～0.29,其中華南塊體內彈性模量最高。模型中下地殼及上地幔設置為粘彈性介質,采用線性Maxwell流變學模型來模擬巖石圈短期內的彈性效應和長期的粘滯性效應。參考前人研究成果,給出各塊體不同圈層的介質參數信息(表2)。

表2 模型中介質參數

1.3 邊界條件

使用Wang等[12]給出的中國大陸約30 a的平均GNSS速度場結果,將其插值到模型邊界上,假設速度不隨深度變化,作為模型邊界條件(圖3),設置模型表面自由、底部切向自由但垂向約束。已有研究證明,川滇地區軟弱的中下地殼運動速度快于脆性上地殼[13],如果假定上地殼與中下地殼的運動速度無差異,則模擬速度值與觀測值吻合度較低。為解決此問題,在二維平面模型中通常采用等效拖曳力的方法[14];三維模型中可以在下地殼側邊界上增大速度邊界值[6]。參考前人做法,本文在川滇塊體下地殼側邊界施加一個速度增量,通過試錯法確定該增量為4 mm/a。

圖3 模型邊界條件設置

1.4 歷史地震信息

本文主要選擇MS>6.5的歷史地震進行計算,但考慮到2014年鮮水河斷裂帶中段康定地區發生MS6.3地震,其震源區緊鄰瀘定地震震源區,可能對瀘定地區產生一定影響,因此計算中包含該次地震。2008年汶川地震、2013年蘆山地震和2022年瀘定地震都有豐富的觀測數據支撐,前人已通過各種反演方法給出這些地震的滑動模型[4,15-17]。而對于早期的地震,由于缺乏數據資料,多采用經驗公式[18]估算其破裂信息(長度、寬度和滑動量)。具體歷史地震信息如表3所示。

表3 參與計算的地震

2 計算結果

計算GNSS速度場約束下區域形變特征、各主要斷層的震間應力積累速率和過去130 a研究區域9次歷史強震同震和震后粘彈性松弛效應產生的應力變化,以定量描述研究區域主要斷裂帶的應力演化過程。

2.1 震間構造應力積累速率

將GNSS速度場邊界條件加載下的模型運行至平衡狀態,對比地表GNSS觀測值與模擬值。設未經改正的速度邊界條件的計算模型為M0,增加下地殼速度邊界條件的模型為M1,二者的模擬值與觀測值之間的RMS如表4所示(單位mm/a)。可以看出,M1模型精度優于M0模型。圖4(a)顯示,模擬速度值在方向和大小上與觀測值擬合較好,殘差基本小于2 mm/a,個別點位殘差達到4～5 mm/a(圖4(b)),主要集中在鮮水河斷裂帶和玉龍希斷裂帶圍限區域,該區域是上下地殼速度差異最大的集中區,也是前人研究中加載拖曳力最大的區域[14]。本文通過試錯法在該區域西側的下地殼區域加大邊界條件,結果得到有效改善,基本反映了現今構造變形特征,驗證了模型的合理性。

表4 RMS結果對比

在M1模型的基礎上計算構造加載作用下各斷裂帶的庫侖應力積累速率。由于上地殼介質和邊界條件的縱向均一性,計算結果在上地殼范圍內是均勻分布的,故僅給出10 km深度處的數值,如圖5所示。可以看出,鮮水河斷裂帶、理塘斷裂帶和大涼山斷裂帶南段的應力積累速率較高,達到1.0～1.5 kPa/a;安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶和大涼山斷裂帶北段次之,約為0.5～1.0 kPa/a;龍門山斷裂帶、玉龍希斷裂帶和麗江-小金河斷裂帶震間應力積累速率低于0.5 kPa/a。

圖5 主要斷層庫侖應力年積累速率

2.2 瀘定地震同震庫侖應力變化

基于2022年瀘定地震同震破裂模型[4],計算其產生的同震應力變化張量,并投影到各斷層上(幾何參數見表1),得到此次地震產生的同震ΔCFS(圖6)。結果顯示,ΔCFS增加區域主要集中在震源破裂區四周,最大值可達 MPa量級。麗江-小金河斷裂帶、安寧河斷裂帶以及大涼山斷裂帶北段都有0.01～0.1 MPa量級的加載效應,超過應力觸發效應的閾值(0.01 MPa),可能會增加這些地區的地震風險。此外,與鮮水河斷裂帶相交的龍門山斷裂帶西南段靠近破裂地區的ΔCFS有所減小,約為-0.5 MPa。

圖6 瀘定地震引起的周邊各斷裂帶庫侖應力變化

2.3 歷史大地震發展演化過程

2.3.1 歷史地震引起的庫侖應力變化

斷層上庫侖應力演化的另一個重要因素是歷史地震破裂產生的同震和震后應力擾動效應。計算過去130 a鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶發生的9次大地震導致的各斷層累積ΔCFS,如圖7所示。結果顯示,鮮水河斷裂帶上1893年乾寧、1904年道孚、1923年仁達、1973年爐霍以及1981年道孚地震皆導致破裂區兩端產生MPa量級的ΔCFS增量。其中,1955年康定地震在龍門山斷裂帶南部產生了顯著的應力卸載效應,最大可達到-0.8 MPa(圖7(d))。此后,鮮水河斷裂帶上1973年和1981年2次強震持續卸載了龍門山斷裂帶南端的庫侖應力(圖7(e)、7(f))。2008年汶川地震導致破裂區南北端ΔCFS加載約0.03～0.07 MPa,在龍門山斷裂帶南部,即2013年蘆山地震附近也存在應力加載效應(圖7(g)),表明其對蘆山地震的觸發作用。在2022年瀘定地震發生前,9次歷史地震在破裂區產生的總ΔCFS約為0.07 MPa(圖7(j))。安寧河-則木河斷裂帶、理塘斷裂帶、麗江-小金河斷裂帶、玉龍希斷裂帶南段、大涼山斷裂帶等ΔCFS變化不大(圖7(j)),表明其受9次歷史地震的影響相對較小。

(a)～(i)為自1893年以來9次大地震依次破裂造成的累積ΔCFS;(j)為2022年瀘定地震前各斷層上ΔCFS;黑色線條為模擬地震的破裂位置

2.3.2 斷層上總庫侖應力演化

將震間構造加載與歷史地震產生的應力變化相結合,得到川滇塊體東邊界區域主要斷裂帶的總ΔCFS演化結果(圖8)。與單獨考慮歷史地震產生的應力擾動效應相比(圖7(f)),2008年汶川地震震源區位于歷史地震產生的應力影區,而考慮構造應力加載效應,震源區的應力積累狀態在地震前是正值(圖8(f))。在鮮水河斷裂等應力積累較高的地區,震間構造應力積累有很大的貢獻。從圖8(b)～8(e)中可以看出,與強震的影響相比,1923年M7.3仁達、1955年M7.5康定、1973年M7.6爐霍地震的破裂段庫侖應力有顯著增長,這3次強震的破裂中心的庫侖應力增加主要依賴于構造加載作用。但前序強震造成破裂段兩側庫侖應力增加,從而導致的觸發效應也十分顯著,比如1904年M7.0道孚地震和1981年M6.9道孚地震皆發生在前序破裂導致的庫侖應力增長區域。此外,在圖7(j)中,安寧河-則木河斷裂帶、麗江-小金河斷裂帶北段、理塘斷裂帶以及大涼山斷裂帶應力變化不明顯,但它們在圖8(j)中表現出較高的應力積累量,分別約為0.04～0.08 MPa、0.05 MPa、0.12～0.19 MPa、0.10～0.15 MPa,說明這些區域的應力積累主要受構造應力加載作用。其中,鮮水河斷裂帶、理塘斷裂帶北段、大涼山斷裂帶南段在百年時間尺度內應力積累尤為顯著(>0.1 MPa),可能有較大的地震活動潛力。

(a)～(i)為自1893年以來9次大地震依次破裂產生的總ΔCFS;(j)為2022年瀘定地震前各斷層上總ΔCFS

3 討 論

3.1 瀘定地震的發震成因

基于以上結果,進一步討論前述9次歷史地震和構造應力加載作用與2022年瀘定地震之間的關系。震間構造應力積累速率的計算結果表明,瀘定地震震源區庫侖應力加載速率約為0.75 kPa/a(圖5),該結果與Luo等[8]的計算結果(0.77～0.91 kPa/a)相近。基于本文計算結果,進一步計算百年時間范圍內的構造應力積累量為0.097 MPa。歷史地震記錄顯示,該地區上次強震發生于1786年,距離2022年瀘定地震已有236 a,假設震間構造應力積累速率保持穩定,在瀘定地震復發周期內應力積累量約為0.177 MPa。前序9次強震累積產生庫侖應力增加量約為0.07 MPa(圖7(j)和圖9),其中1955年康定地震與破裂區距離較近,對其造成約0.047 MPa的庫侖應力加載效應。歷史地震在瀘定地區產生的應力擾動量達到了理論地震觸發閾值(0.01 MPa),說明附近歷史地震對此次瀘定地震起到了促進作用。基于本文計算結果認為,此次瀘定地震的發生主要受構造應力加載作用驅動,但周圍歷史強震也對其有不可忽視的影響。

圖9 瀘定地震震源區庫侖應力變化

3.2 區域未來地震危險性

鮮水河斷裂帶上地震活躍,而安寧河-則木河斷裂帶相對平靜,其中安寧河段M≥7歷史地震的離逝時間已有487 a,則木河段為170 a[1]。前人根據地震活動圖像、小震精定位信息及其他形變測量數據等綜合分析認為,安寧河-則木河斷裂帶存在2個典型的地震空區(圖1中紅色虛線橢圓圍限區域),位于27.5°～28.9°N(冕寧-西昌段),長度約為140 km,估計潛在地震震級為7.4級[1]。汶川地震后,GNSS觀測數據揭示安寧河-則木河斷裂帶和大涼山斷裂帶中南段完全閉鎖,在安寧河-則木河地震空區段存在MW6.8～7.5的強震風險[19-20]。基于本文計算的構造應力增長速率(約0.5～0.7 kPa/a),在空區1(安寧河斷裂)487 a構造應力積累量約為300 kPa,空區2(則木河斷裂)170 a構造應力積累量約為87 kPa。歷史地震在這2個空區產生的應力積累量較小,約為數個kPa。在地震復發周期內的總應力積累量分別為310 kPa和83 kPa。未來應進一步關注該區域發生地震的可能性,尤其在安寧河斷裂空區段可能具有較大的地震危險性。

盡管大涼山斷裂帶受歷史地震應力擾動效應不明顯,且其受到2008年汶川地震和2013年蘆山地震的微弱卸載效應(圖7),然而據本文計算,大涼山南北段震間平均構造應力增長速率分別約為0.6 kPa/a和1.0 kPa/a,其中南段最近一次歷史強震離逝時間已有千年[21],構造應力積累量約為1.0 MPa。汶川地震后的GNSS觀測數據反演結果表明,該段完全閉鎖,有MW7.5強震風險[20],其較高的構造應力積累速率表明該斷裂帶的地震危險性值得關注。

4 結 語

綜合考慮地質、地球物理等基礎資料,建立川滇塊體東邊界三維粘彈性有限元模型,以GNSS速度場為模型約束邊界條件,計算不同斷裂帶構造應力積累速率,并同時考慮周邊1893年以來9次歷史強震造成的同震和震后庫侖應力變化,綜合分析研究區域各主要斷裂帶應力演化特征。結果表明:

1)鮮水河斷裂帶、理塘斷裂帶和大涼山斷裂帶南段的應力積累速率較高,可達到1.0～1.5 kPa/a;安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶和大涼山斷裂帶北段應力積累速率次之,約為0.5～1.0 kPa/a;龍門山斷裂帶、玉龍希斷裂帶和麗江-小金河斷裂帶震間庫侖應力積累速率低于0.5 kPa/a。

2)瀘定地震除造成鮮水河斷裂帶震源破裂區附近庫侖應力顯著增加外,同時造成麗江-小金河斷裂帶以及大涼山斷裂帶北端0.01～0.1 MPa量級的應力加載效應;與鮮水河斷裂帶交界處的龍門山斷裂帶西南段庫侖應力減小約0.5 MPa。瀘定地震震源區在地震復發周期內積累的構造應力加載約為0.177 MPa,9次歷史地震產生的應力擾動效應約為0.07 MPa。據此認為,瀘定地震的發生主要受控于構造應力的加載驅動,同時也受到周邊歷史強震的觸發效應影響。

3)青藏高原東南緣主要斷裂帶的總庫侖應力演化結果表明,鮮水河斷裂帶應力積累速率高,震間應力積累效應顯著,但其中一些強震破裂區的庫侖應力變化也很大程度上受同震或震后的影響。安寧河-則木河斷裂帶、麗江-小金河斷裂帶北段、理塘斷裂帶、大涼山斷裂帶以及玉龍希斷裂帶南段主要受構造應力加載作用,其中安寧河斷裂帶地震空區在前次地震離逝時間(約487 a)內的總應力積累量約為0.3 MPa,大涼山斷裂帶南段和理塘斷裂帶歷史地震離逝時間均為千年左右,總應力積累量分別約為1.0 MPa和1.0～1.5 MPa,可能有較大的地震危險性。