中国科学 D辑:地球科学 2009年 第39卷 第5期: 537 ~ 545 www.scichina.com earth.scichina.com
《中国科学》杂志社
SCIENCE IN CHINA PRESS
2008年5月12日Mw7.9汶川地震导致的周边断层应力变化
单斌
①②*
, 熊熊, 郑勇, 刁法启
①①①②
① 中国科学院测量与地球物理研究所动力大地测量学重点实验室, 武汉 430077; ② 中国科学院研究生院, 北京 100049 * E-mail: binshan@asch.whigg.ac.cn
收稿日期: 2008-09-17; 接受日期: 2008-12-23
中国科学院知识创新工程重点方向项目(编号: KZCX3-SW-153)和国家自然科学基金(批准号: 40574011, 40474028)资助
摘要 2008年5月12日, 四川龙门山断裂发生Mw7.9强烈地震, 导致重大的人员伤亡和经济损失. 据预测, 汶川地震余震将持续至少1年, 并且不排除发生强余震可能. 因此, 判断余震可能发生区域, 圈定震区周边未来可能发生地震活动的范围, 对灾区人员安置、灾后恢复重建以及加强震灾及次生灾害防御具有重要的参考价值. 同时, 汶川地震及邻区地震活动性为将来研究板内逆冲型地震的同震应力变化, 并检验地震的应力触发作用提供了一个非常难得的机会. 根据地震的静态触发原理, 利用弹性位错理论和分层地壳模型计算了汶川地震引起的周边断层同震应力变化, 分析了汶川地震对龙门山及周边各主要活动断层地震活动性的作用和影响. 结果表明, 汶川地震增加了鲜水河断裂(道孚-康定段)、东昆仑断裂(玛曲-南坪段)、青川断裂、岷江断裂南端以及彭县-灌县断裂、江油-广元断裂、江油-灌县断裂上库仑应力的积累, 将提升这些断层上地震发生的概率. 由于这些地区人口密集, 应加强这些地区的地震监测和灾害预警. 青川断裂上记录到的余震表明主震已经触发了该断层的地震活动, 余震有向该区迁移的趋势, 应密切关注地震向北迁移的态势. 彭县-灌县断裂、北川-映秀断裂南段目前发生的余震很少, 所积累的构造应力未充分释放, 同震库仑应力的加载有可能在今后触发该区较强余震, 应对该区实施重点监测. 汶川地震有效降低了抚边河断裂、虎牙断裂、哈南-青山湾断裂、龙泉山断裂以及迭部-白龙江断裂上库仑应力的积累, 这些区域的地震发生概率将因库仑应力减小而降低. 汉中一带、西秦岭北缘断裂上库仑应力变化微小, 汶川地震的静态触发效应不足波及此处.
关键词
汶川地震 龙门山断裂库仑应力 地震触发
2008年5月12日, 四川龙门山断裂中段汶川发生Mw7.9级强震[1], 造成了巨大的人员伤亡和财产损失. 据国家汶川地震专家委员会预测, 汶川地震余震将持续至少1年, 并且, 不排除发生6级以上强余震可能. 因此, 判断余震可能发生区域, 圈定震区周边
未来可能发生地震活动的范围, 对灾区人员安置、灾后恢复重建, 以及加强震灾及次生灾害防御具有重要的参考价值.
从物理上考虑, 地震发生释放了聚集的应力, 但应力并不会凭空消失, 而是通过传输, 转移至其他地
引用格式: Shan B, Xiong X, Zheng Y, et al. Stress changes on major faults caused by Mw7.9 Wenchuan earthquake, May 12, 2008. Sci China Ser D-Earth Sci, 2009, 52(5): 593—601, doi: 10.1007/s11430-009-0060-9
单斌等: 2008年5月12日Mw7.9汶川地震导致的周边断层应力变化
区, 导致应力聚集, 并进而诱发后续地震. 这即为地震的应力触发理论[2]. 根据应力触发理论, 库仑应力的增强相当于断层额外负荷的加载, 促进地震的发生; 反之, 应力影区的库仑应力减弱相当于断层负荷部分卸载, 其发生地震的可能性降低.
应力的触发理论一方面在一定程度上揭示了余震的分布发展规律[3,4]. 比如, 研究表明, 85%的余震发生在震后应力增强区[5,6]. 另一方面, 应力的触发理论改变了人们认为大地震的发生是随机的、独立的、互不相干的传统观点[7]. 对美国加州圣安德列斯断层系历史地震和余震记录的分析表明, 在100 km的范围内, 7.3级地震后发生其他大地震的概率为67%, 是平常的两万倍[2]. 1992年的兰德斯地震(Mw7.3)触发了三个半小时后的大熊地震(Mw6.3)[3]. 土耳其北安纳托利亚断层1939~1992年10次M≥6.7 地震之间均存在着应力对地震的触发效应[8].
目前, 地震的应力触发理论在地震活动性和地震迁移等问题上得到了广泛的应用, 取得了积极的实际效应. 1999年8月, 一场7.4级的地震袭击Izmit市, 造成25000人死亡和65亿美元的经济损失. Barka[9]随后计算了Izmit地震导致的应力变化, 结果表明在Izmit以东100 km的杜赛市受地震应力影响, 发生大地震的概率急剧升高. 杜赛市政当局根据9月Barka[9]的建议, 关闭了在Izmit地震中遭到轻微损害的校舍建筑. 11月, 杜赛市发生M 7.1级地震, 这些关闭的学校建筑很多在地震中被夷为平地[2], 很多学生因此躲避了此次地震带来的灾难.
龙门山断裂带是南北构造带中部一个重要的构造单元, 构成了青藏高原东缘挤压推覆构造边界
[10]
.
受青藏高原块体东向运动以及四川盆地阻挡等因素作用, 构造运动十分复杂、活跃, 形成了多条活动断裂, 如东昆仑断裂、鲜水河断裂等. 活跃的断层活动使该区成为中国大陆著名的地震活动区, 历史上曾发生过多次强烈的破坏性地震[11~14]. 目前, 汶川地震的抗震救灾工作进入到灾民安置和灾后重建阶段, 很多项目涉及重建选址问题. 汶川地震余震将持续至少一年, 并且不排除强震发生的可能. 此外, 周边地区受汶川地震影响也具有发生地震的潜在威胁. 因此, 圈定今后可能发生地震的地域, 对灾后重建、防震减灾具有重要的指导意义.
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另一方面, 汶川地震是大陆内部罕见的逆冲型大地震, 具有能量积累慢、复发周期长的特点[15]. 目前, 对大陆内部走滑地震及同震应力触发研究比较成熟[5,6,8], 而逆冲型地震研究非常匮乏. 一般而言, 走滑型地震产生的应力场变化随深度变化不大, 而逆冲型地震则复杂得多. 汶川地震释放能量大, 影响范围广, 周边地区构造活跃、地震频繁, 活动断层分布广而且类型复杂. 因此, 汶川地震及邻区地震活动性为我们研究板内逆冲型地震的同震应力变化, 并检验地震的应力触发作用提供了一个非常难得的机会.
根据均匀弹性半空间地壳模型的解析解[16], Par-sons等[17]计算了汶川地震对龙门山周边活动断层的影响. 在此基础上, 我们采用分层地壳模型的数值方法[18,19], 考虑地壳自重及该区地壳结构性质, 使模型更加接近真实情况. 此外, 我们还计算和比较两种不同破裂模型产生的同震应力变化, 并讨论参数选取对同震应力变化的影响.
本文的目的在于进一步明确汶川地震导致的周边地区应力增强区, 为圈定未来可能发生地震的区域和将来深入研究地震的应力触发理论提供参考依据.
1 原理和模型
1.1 震后库仑应力变化的计算
当断层上的剪应力积累到足以克服与正应力和摩擦系数有关的静摩擦力时, 锁闭的断层发生滑动就将诱发地震, 这个地震发生过程可以用库仑破裂准则来描述[20,21]. 虽然地壳中构造应力的绝对值难以测量, 但是, 地震引起的应力变化却可通过弹性位错理论很好地估算.
利用弹性位错理论, 我们就可计算出静态地震滑移所引起的邻近断层上正应力和剪应力变化[16], 而根据库仑破裂定律
∆σ f=∆τs−µ(∆σn−∆P), (1)
我们可计算出所研究断层面上库仑应力变化的大小. 式中∆σf为计算断层面上库仑应力变化, ∆τs是断层面上剪应力的变化, µ为摩擦系数, ∆σn是计算断层面上正应力变化, ∆P是岩层的孔隙压力变化. 岩石中的孔隙水压将改变其有效正应力, 而又由于岩石应力的
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变化要比其孔隙水压的变化快的多, 因此可用等效摩擦系数µ′代替孔隙水压对有效正应力的影响,
周边各主要断层上库仑应力的变化, 计算结果如图1所示.
由于汶川地震以逆冲运动为主兼有右旋走滑分量, 考虑到逆冲型地震导致的库仑应力变化受深度的影响很大(如图2), 而触发作用一般取决于所研究断层面上最大库仑应力的增量[31]. 因此, 本文计算了2.5~20 km深度范围库仑应力分布, 并用其中峰值来表示断层应力状态的改变(采样间隔为2.5 km). 此外, 根据同震应力变化场求解断层面上库仑应力变化大小时, 需要知道计算断层面的相关参数, 如断层的走向、倾角和滑动角[3]. 本文主要参考历史地震资料[11~14]及新构造的研究结果[32,33]. 计算断层面的相关参数以及所参考的资料如表2所示. 在第3部分, 我们进行参数的敏感性试验, 以检验计算断层面上参数的选取和地壳分层模型不确定性对计算结果的影响, 保证结果的可靠性.
µ ′=µ(1−Bk)b, (2)
其中Bk为Skempton系数, 范围在0~1之间. 由于摩擦系数是无法直接观测的物理量, 因此, 多数研究通常根据经验幅值. Parsons等
[22]
认为, 积累较大滑移量
的断层等效摩擦系数较小(0.2~0.4), 而积累较小滑移量的断层等效摩擦系数则比较大(0.6~0.8). 本文根据大地测量和构造学的研究成果
[12~14,23]
, 针对不同断
层每年所积累滑移量的快慢, 给出相应的等效摩擦系数, 以期获得较为可靠的结果.
根据公式(1)和(2), 库仑破裂准则可以表示为
∆σf=∆τs−µ′(∆σn). (3)
1.2 计算模型
地震发生后, 根据全球地震台网宽频地震仪记录到的波形数据, Ji和Hayes[24]利用有限断层反演方法[25,26], Nishimura和Yagi[27]利用贝叶斯信息准则[28], 分别给出了汶川地震的不同断层破裂模型. 根据反演结果, 破裂位于龙门山断裂, 起始于汶川, 向北东向发展, 全长约300 km, 走向为南西-北东向, 倾角33°. 南段以逆冲为主兼有右旋走滑分量, 北段以右旋走滑为主兼有逆冲分量. 两种模型的区别在于, 与Ji和Hayes[24]给出的断层破裂模型相比, Nishimura和Yagi
[27]
2 计算结果及分析
首先, 计算的大多数断层面上库仑应力变化情况与Parsons等[17]的结果相近(图1), 除去岷江断裂和虎牙断裂南段以及青川断裂外. 差异主要来源于接受断层参数的选取, Parsons等[17]认为这3条断层都以逆冲运动为主, 新构造结果[32,33]则认为岷江断裂和虎牙断裂南段除逆冲运动外还具有一定的左旋分量, 而青川断裂上发生的余震震源机制以右旋走滑为主. 5月21日至今频繁发生在青川断裂上的余震[36], 与本文的计算结果更为吻合. 其次, 除哈南-青山湾断裂外, 两种不同破裂模型下的计算结果差别不大(图1), 图1(b)中东昆仑断裂上库仑应力增量与图1(a)相比较小, 而青川断裂库仑应力增量明显增强. 综合两种模型给出的结果, 我们分几种情况进行分析.
的结果中断层面最大滑移更接近地表.
[29]
Wang提出了利用正交归一法计算地震应力场
Green函数的方法, 并在此基础上建立了粘弹松弛分层模型下的地震同震及震后形变的模型, 并发展了相应的数值方法
[18,19]
. 运用PSGRN/PSCMP软件
[30]
,
根据同震破裂模型参数如表1所示.
[24,27]
, 我们计算了汶川地震所导
致的应力场变化. 分层地壳模型参数取自Crust2.0,
由于地震主要发生于断层上, 因此, 我们根据地震破裂引起的应力变化场, 计算了龙门山断裂系及
2.1 库仑应力增强的断裂
鲜水河断裂(道孚-康定段)、龙日坝断裂、东昆仑
表1 分层地壳模型
序号 厚度/km P波波速/km·s−1 S波波速/km·s−1 密度/kg·m−3
1 1.5 2.5 1.2 2100 2 6.5 4.5 2.6 2500 3 9 6.2 3.6 2800 4 12 6.4 3.6 2850 5 12 6.8 3.8 2950
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图1 汶川地震引起的周边主要断层的应力变化
Ji和Hayes
[24]
(a)以及Nishimura和Yagi[27](b)提供的地震震源破裂模型. 红色五角星和灰色圆点表示主震
及5月17日之前Ms3.0以上余震
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图2 岷江断裂库仑应力变化受不同断层参数的影响
表2 所研究的相应主要断层及断层参数a)
断层名称 走向/(°) 倾角/(°) 滑动角/(°) 滑动速率/mm·a−1 有效摩擦系数 参考文献
142~159.5 90 0~45 15±5 0.1~0.4 [14] 鲜水河
160~205 >70 135 6.7±2.3 0.4~0.6 [22, 32, 33] 玉龙希
145 80 10 1.3±0.1 0.6~0.8 [34] 抚边河
180 45~56 45 <1 0.6~0.8 [12, 32, 33] 岷江
150 75 45 1.4 0.6~0.8 [32, 33] 虎牙
100~145 89 0 6~16 0.1 [35] 东昆仑
69 70 0.1~0.8 [32, 33] 哈南-青山湾 −45 − 290 68~85 45 0.1~0.8 [32, 33] 迭部-白龙江 − 205~229 60 135 5.1±1.2 0.4~0.6 [22, 32, 33] 龙日坝
295 60~80 90 0.1~0.8 [32, 33] 阿坝 − 70 75 0.6~0.8 [32, 33] 青川 −170 − 265 65 0.6~0.8 [32, 33] 略阳-勉县 −135 −
65 65 45 0.95 0.6~0.8 [32, 33] 礼县-罗家堡
0 50~70 90 − 0.6~0.8 [32, 33] 礼县-江口
110 67~70 0 1~2 0.6~0.8 [32] 西秦岭北缘
200~207 44 94 <1 0.6~0.8 [15], * 彭县-灌县
205 33 142 0.07~0.5 0.6~0.8 [15], * 北川-映秀
220 23 100 0.6 0.8 [15], * 江油-灌县
225 50 104 <1 0.8 [15], * 江油-广元
30 50 90 − 0.6~0.8 [32, 33] 龙泉山
a) * 表示的所研究断层的断层参数参考了汶川地震较大余震反映的震源机制; −表示没有可靠的滑移速率用于确定该断层的有效摩擦系数; 断层位置见图1
断裂(玛曲-南坪段)、青川断裂、岷江断裂南端以及彭县-灌县断裂、北川-映秀断裂南端受汶川地震影响, 断层面上库仑应力增强, 有助于断层发生破裂. 江油- 广元断裂和江油灌县断裂由于距离断层模型主破裂带很近, 而本文使用的断层破裂模型经过简化, 忽略了破裂过程中复杂因素的影响, 在计算的断层面上库仑应力变化时具有较大的不确定性. 此外, 根据野外观测的结果, 江油灌县断裂在主震时已经产生错动[37], 因此, 文中不对江油-广元断裂江油灌县断裂进行单独讨论.
鲜水河断裂(道孚-康定段)大部分库仑应力增量
在0.01 MPa以上, 部分达到0.015 MPa. 历史上该段断裂有2次M > 7级(1893和1955年)历史地震记载[14]. 以1893年破裂段为例, 该破裂段长65 km, 考虑鲜水河断裂滑移速率为10~20 mm·a−1[14], 至今115年的积累了大约1.2~2.3 m的位错量, 如果假设断层面的宽度为15 km, 则相当于一次Mw7.0级的地震.
东昆仑断裂是青藏高原造山带一条主要的活动断裂. 20世纪以来, 东昆仑断裂上发生过多次强震, 如1997年玛尼地震(Mw7.6), 2001年昆仑山西口地震(Mw7.8)等. 而玛曲-南坪段尚没有历史地震记录[13], 很可能积累着较强的应力, 大地震发生的可能性较
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大. 汶川地震造成该段应力增加, 将有利于地震的触发, 值得密切关注.
青川断裂靠近主破裂带北端库仑应力增量为0.03~0.06 MPa. 汶川地震的余震精定位结果显示[36], 5月25日至5月27日间, 在该区域上发生了三次Ms5.0级以上余震, 其中包括汶川地震之后的最大Ms6.4级余震. 表明主震已经触发了该断层的地震活动, 应密切关注地震向北迁移的态势. 汉中附近库仑应力增量为0.003~0.004 MPa, 小于导致地震触发的库仑应力阈值, 因此, 汶川地震余震的北向可能止于汉中.
岷江断裂南端1933年8月25日发生过M7.5级的迭溪地震, 并造成了两万人死亡[12]. 而汶川地震在该断层上产生的0.05~0.1 MPa库仑应力增量, 相当于上百年的应力积累. 因此, 我们推断该区可能是地震易触发区, 需加以重视.
主破裂面西南端的彭县-灌县断裂、北川-映秀断裂最大库仑应力增量为0.005~0.015 MPa. 汶川地震平均位错约为5 m[21], 根据发震断裂的滑动速率和构造成因估算龙门山断裂8级以上地震的重复周期超过2000年, 在历史上也没有记录到发生在龙门山断裂上的强震[15,38]. 由于上述原因, 过去往往忽略龙门山断裂潜在的地震风险, 但汶川地震的发生表明龙门山断裂系积累的构造应力已足以导致断层破裂, 而目前在破裂带南端(彭县-灌县断裂、北川-映秀断裂南段)尚无余震记录. 考虑同震库仑应力加载的作用, 我们认为这些区域在今后存在发生强余震的可能.
2.2 库仑应力减小的断裂
在地震引起的应力影区, 应力减弱会有效减小断层上的应力负荷, 降低地震发生概率. 同样地, 汶川地震引起的同震库仑应力变化导致一些断层上积累弹性应力的释放, 进而降低该断层上地震发生的几率[39]. 数值结果显示, 汶川地震有效减小了抚边河断裂、虎牙断裂以及迭部-白龙江断裂上库仑应力的积累, 降低了这些断层上发生地震的概率.
2.3 库仑应力变化不明显的断裂
有些断层上最大库仑应力变化在±0.01 MPa之间, 小于应力触发阀值
[39]
, 如鲜水河断裂南段、玉龙希断
裂、龙泉山断裂、阿坝断裂、略阳-勉县-洋县断裂、西秦岭北缘断裂、礼县-罗家堡断裂和礼县-江口断裂等.
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位于成都市东侧的龙泉山断裂, 在靠近成都的 北段库仑应力下降约0.002 MPa; 南段上升, 小于
0.005 MPa.
西秦岭北缘断裂受主震影响, 东端库仑应力略微上升, 但在10−4 MPa量级, 甚至小于潮汐的影响[40], 主震静态应力触发的可能性并不大.
3 不确定性分析
计算结果的不确定主要源于分层地壳模型的参数选取以及周边各主要活动断层物理参数的确定.
本文所研究的龙门山周边各主要活动断层物理参数的选取主要参考历史地震资料[11~14]和构造学研究结果[32,33]. 其中大部分断层, 如鲜水河断裂、东昆仑断裂、青川断裂等, 在可能的参数范围内, 各段库仑应力增强区和影区空间分布变化不大. 但对少数断层, 如岷江断裂, 断层参数的不确定程度较高, 对计算结果影响也较大. Kirby等[12]确定的岷江断裂倾
角在45°~65°之间, 滑动角为45°~135°. 考虑到岷江断裂滑移速率小于1 mm·a−1[12], 因此取等效摩擦系数取值范围为0.6~0.8[22], 我们计算了上述参数范围内岷江断裂上库仑应力的变化分布(图2).
由图2可见, 计算断层面滑动角的选取对库仑应力变化影响最大. 当滑动角由45°逐渐增加到135°, 库仑应力增强的区域逐渐增大. 其中, 滑动角为135°时库仑应力增长在0.01 MPa以上的区域包括了北纬31.8°~33°. 此外, 断层面倾角的改变对计算结果也有直接影响, 倾角为65°时断层南端为库仑应力增强区, 而45°时则为影区. 因此, 要获得可靠的结果, 就必须结合更多的资料来缩小断层参数不确定范围, 减小断层面参数不确定性对结果的影响.
研究涉及的断层位于四川盆地、川滇和青藏高原等构造块体, 不同块体间地壳参数存在较大差异, 而PSGRN/PSCMP软件[30]只能给出水平各向同性分层模型的半解析解. 因此, 我们比较了不同地壳模型对库仑应力变化的影响. 根据Crust2.0提供的四川盆地和川滇块体地壳模型参数, 我们建立了两种不同的分层地壳模型, 并计算相应的Green函数. 以鲜水河断裂为例, 两种地壳模型的计算结果平均变化量在5%左右, 即对于0.01 MPa的库仑应力变化, 不同地壳模型的结果差别只有0.0005 MPa, 这一差异对于鲜水河断裂各段库仑应力的空间分布影响甚微. 此
外, 地壳模型差异对计算结果的影响较所计算断层面上参数不确定性产生的影响要小得多. 因此本文采用各向同性分层模型的计算结果是可以接受的. 当然, 采用各向异性的分层地壳模型和数值手段进行模拟, 精确确定库仑应力变化是今后一项值得深入研究的课题.
4 结论与讨论
根据地震静态触发原理, 本文利用弹性位错理论和分层地壳模型计算了汶川地震引起的同震应力场变化, 并研究Mw7.9级地震对龙门山及周边各主要活动断层的影响, 得到的主要结论有:
(1) 汶川地震增加了鲜水河断裂(道孚-康定段)、东昆仑断裂(玛曲-南坪段)、青川断裂、岷江断裂南端以及彭县-灌县断裂、江油-广元断裂上库仑应力的积累, 将提升这些断层上地震发生的概率. 由于这些地区人口密集, 因此, 应加强这些地区的地震监测和灾害预警.
(2) 青川断裂靠近主破裂带北端库仑应力增量为0.03~0.06 MPa, 该区域已发生三次Ms5.0级以上余震, 其中包括汶川地震之后的最大Ms6.4级余震, 这表明主震已经触发了该断层的地震活动, 余震有向该区迁移的趋势, 应密切关注地震向北迁移的态势. 该区北东东方向的略阳-勉县断裂上库仑应力增量较小(±0.01 MPa), 我们认为, 余震的北向迁移应止于汉中一带. 此外, 西秦岭北缘断裂上库仑应力变化约为10−4 MPa量级, 因此, 汶川地震的静态触发效应不足波及此处.
(3) 主破裂面西南端的彭县-灌县断裂和北川-映秀断裂最大库仑应力增量为0.005~0.015 MPa, 对地震具有触发效应. 由于该区目前发生的余震很少, 所积累的构造应力未充分释放, 同震库仑应力的加载有可能在今后触发该区较强余震, 应对该区实施重点监测.
(4) 汶川地震有效降低了抚边河断裂、虎牙断裂以及迭部-白龙江断裂上库仑应力的积累. 而成都市东侧的龙泉山断裂库仑应力减小0.002 MPa. 这些区域的地震发生概率将因库仑应力减小而降低.
需要指出的是, 地震破裂过程的复杂性对应力计算的影响很大, 尤其是在距离断层面比较近的区
中国科学 D辑: 地球科学 2009年 第39卷 第5期
域. 本文所采用的断层破裂模型源于Ji和Hayes[24]和Nishimura和Yagi[27]利用远场地震波数据反演的结果, 两种破裂模型虽然都是利用远震波形数据, 但根据不同反演方法, 所得的不同结果具有较强代表性. 比如, Ji和Hayes[24]的结果, 破裂的最大滑移量在10 km深度左右, 而Nishimura和Yagi[27]给出破裂模型的最大滑移集中在地表附近. 王为民等[41]在远场地震波形记录的基础上, 参考了地震断层的地质信息和近场同震位移给出了双“铲状”的地震破裂模型. 与Ji和Hayes[24]、Nishimura和Yagi[27]的模型有所差异: 首先, 模型依据龙门山地区的地质构造特点[10], 断层面元的倾角随深度逐渐变小; 其次, 根据野外地表出露的破裂面情况[37], 龙门山中央主断层破裂面呈折线分布; 最后, 按照地表考察结果[37], 增加龙门山前山断裂长84 km的破裂面. 利用王为民等[41]的破裂模型, 我们计算了龙门山周边断层上库仑应力的变化, 并与其他两种模型进行比较. 结果显示, 大部分断层上的同震库仑应力变化在三种模型下的结果一致. 而东昆仑断裂若尔盖-南坪段、迭部-白龙江断裂和哈南-青山湾断裂在不同模型下的计算结果差别比较明显, 这主要是由于几种模型给出的破裂面北端的位错分布在最大位错量大小、最大位错分布以及走向角上都存在较大差异. 现有反演结果初始模型的建立都是经过高度简化的, 虽然王为民等[41]的模型在反演过程中加入了野外考察结果作为约束, 但大地震的破裂过程实际上是非常复杂的, 有些地表出露的破裂很难判定是在主震时产生的破裂还是由余震所导致. 将来基于更多实地观测、近场地震波和大地测量数据反演的断层破裂模型将使本文结果更趋可靠.
断层的有效摩擦系数存在着较大的不确定性, 我们选取不同的参数值(表2)以检验结果的稳定性. 目前, 有效摩擦系数的选取主要是根据经验值[22], 而最近的数值模拟结果[35]表明, 积累较大滑移的断层, 如东昆仑断裂等, 对应的有效摩擦系数较小(~0.08~0.1). 根据断层积累的滑移速率, 我们计算了有效摩擦系数在可能范围内(表2)断层面上库仑应力的变化情况. 鲜水河断裂滑移速率为(15±5) mm·a−1, 因此, 我们取有效摩擦系数为0.1和0.4, 分别计算了该断层上库仑应力的变化. 不同摩擦系数下, 道孚-康定段均为库仑应力增强区, 有效摩擦系数为0.1时,
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单斌等: 2008年5月12日Mw7.9汶川地震导致的周边断层应力变化
最大增量为0.01 MPa, 有效摩擦系数取0.4时, 最大增量为0.013 MPa, 这主要是由于该地区正应力变化为负值(有助于断层发生破裂), 增大有效摩擦系数即增大了正应力变化在库仑应力变化计算中所占的比重, 同样的情况还包括龙日坝断裂. 而主震引起的青川断裂、彭县-灌县断裂和北川-映秀断裂南端上正应力变化为正(抑制断层产生破裂), 但由于在距离主破裂面比较近的区域, 这些断层上剪应力变化比正应力变化要大得多, 因此断层面上的库仑应力变化并不大.
此外, 尽管本文给出了汶川地震导致的周边断
层上库仑应力变化图像, 并基于此探讨了地震触发的可能性, 但地震是否发生、震级大小还取决于断层所积累的构造应力状态和大小. 本文工作的意义在于基于地震的静态触发理论, 给出了汶川地震作用下各断层地震发生概率的变化.
从地震触发角度而言, 本文是从静态弹性应力触发的角度出发, 计算了汶川地震对周边主要活动断层地震活动性的影响. 其他效应, 如粘弹性应力触发、动态应力触发[40]等的综合考虑和研究将使本文结果更加全面.
致谢 在本文完成过程中, 美国Woods Hole海洋研究所的林间博士、德国地学研究中心的汪荣江博士和中
国科学技术大学的倪四道教授参与了讨论并给予了有益的建议, 审稿人提出建设性的修改意见, 特此感谢.
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