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  大地测量与地球动力学  2018, Vol. 38 Issue (4): 338-343  DOI: 10.14075/j.jgg.2018.04.002

引用本文  

熊维, 喻成, 陈威, 等. 2010年玉树地震库仑应力变化对2016年杂多地震的影响及区域危险性评估[J]. 大地测量与地球动力学, 2018, 38(4): 338-343.
XIONG Wei, YU Cheng, CHEN Wei, et al. Coulomb Stress Influence of 2010 Yushu Earthquake on 2016 Zaduo Earthquake: Earthquake and Seismic Hazard Assessment on Surrounding Area[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2018, 38(4): 338-343.

项目来源

国家自然科学基金(41604079, 41274027, 41504011, 41574017, 41541029);中国地震局地震研究所所长基金(IS201456148, IS201506220)。

Foundation support

National Natural Science Foundation of China, No. 41604079, 41274027, 41504011, 41574017, 41541029; Director Fund of Institute of Seismology, CEA, No. IS201456148, IS201506220.

通讯作者

聂兆生,副研究员,主要从事地球动力学研究,E-mail: niezhaosheng@126.com

第一作者简介

熊维,助理研究员,博士生,主要从事大地测量与地球动力学研究,E-mail: xiongwei_19881229@163.com

About the first author

XIONG Wei, research assistant, PhD candidate, majors in geodesy and geodynamics, E-mail:xiongwei_19881229@163.com.

文章历史

收稿日期:2017-02-25
2010年玉树地震库仑应力变化对2016年杂多地震的影响及区域危险性评估
熊维1     喻成2     陈威1     聂兆生1     谭凯1     
1. 中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室),武汉市洪山侧路40号,430071;
2. 武汉市测绘研究院,武汉市万松园路209号,430022
摘要:在以往研究的基础上,利用弹性位错理论和岩石圈分层粘弹性模型,进一步分析2010年玉树地震同震及震后应力变化对2016年杂多地震的影响,讨论玉树地震和杂多地震对研究区主要活动断裂的应力影响及未来地震危险性。结果表明,玉树地震同震库仑应力使杂多地震震中位置应力升高1.476 kPa。2010年玉树地震至2016年杂多地震的6 a内,震后粘弹性松弛作用使研究区域库仑应力增强区域应力持续集中,并使应力影区进一步释放应力,杂多地震位于玉树地震导致的库仑应力增强区域。2016年杂多地震发生时,其震中位置应力升高3.902 kPa。采用多组不同模型参数的研究结果均显示,玉树地震对杂多地震孕育起促进作用。2016年杂多地震同震破裂仅影响震中周边小范围区域的应力状态,在杂多断裂带西北端出现应力高值区域。2010年玉树地震同震及震后作用使甘孜-玉树断裂的叶诺卡-结隆段、巴塘乡-洛须段、当江段、巴塘乡断裂中段及五道梁-曲麻莱断裂称多段应力明显升高。甘孜-玉树断裂西北段的叶诺卡-结隆段、巴塘乡-相古段地震空区的地震危险性较高。
关键词甘孜-玉树断裂玉树地震库仑应力粘弹性松弛地震危险性

青藏高原物质向东挤出形成一系列大型走滑断裂带,其中甘孜-玉树断裂全长约570 km,整体为N120°~125°E走向,是青藏高原东缘左旋走滑最为强烈的断裂带之一(图 1),与鲜水河断裂共同构成巴颜喀拉块体南边界[1-2]。甘孜-玉树断裂历史地震频发,并在1738年以来进入相对活跃期,至少4次M≥7.0地震使断裂带大部分区域发生破裂。2010-04-14青海省玉树县发生MW6.8地震,地震造成2 698人死亡、270人失踪和1万余人受伤,大量房屋倒塌,是青海省地震史上死亡人数最多、经济损失最大的一次地震事件[1]

图 1 甘孜-玉树断裂及周边区域构造背景 Fig. 1 Sketch map of tectonics on Ganzi-Yushu fault and its surrounding regions 黑色粗线代表主要活动断裂,红色震源球代表 2010年玉树地震和2016年杂多地震震中和震源机制,蓝色震源球代表历史地震

强震之间往往会相互作用和影响,地震同震及震后形变引起的库仑应力变化可定量描述地震间的相互作用[3]:地震可能引起库仑应力增强,导致接收断层应力加载,使其更加接近破裂状态;地震也可能引起库仑应力降低,导致接收断层应力卸载,将推迟地震发生[4]。Toda等[5]认为由于汶川地震库仑应力的影响,东昆仑断裂、鲜水河断裂和岷江断裂在未来10 a内地震发生的概率升高一倍;Shan等[6]基于应力触发理论认为2010年玉树地震同震库仑应力变化使甘孜-玉树断裂部分区域未来地震危险性升高。以上研究主要考虑地震同震库仑应力影响,并未考虑岩石圈粘弹性松弛作用在震后引起的应力变化。

2016-10-17,在青海省杂多县发生MW5.9地震,震源深度9 km,震中距离2010-04-14玉树地震震中162 km。玉树地震同震库仑应力变化和震后16个月的应力分布不能完全反映杂多地震发生时所受到的应力影响。此外,获取研究区甘孜-玉树等主要活动断裂在玉树地震震后6 a的应力变化状态,对该区域未来地震危险性判断具有重要意义。

1 模型与方法 1.1 玉树地震破裂模型

为评估玉树地震破裂对邻区主要活动断裂的同震和震后应力影响,使用已有玉树地震破裂滑动分布模型(刘成利,私人通讯)。该模型综合InSAR、远场地震波和区域台网数据联合反演,共设置340个子断裂,子断裂长宽为3 km×3 km,地表迹线与甘孜-玉树断裂基本一致。模型结果显示,玉树地震滑移机制以左旋走滑为主,最大滑移量1.626 3 m(图 2)。

图 2 玉树地震破裂分布模型 Fig. 2 Coseismic slip model of the 2010 Yushu earthquake
1.2 断层破裂的库仑应力模型

地震发生瞬间,地震同震破裂在震中周边区域引起静态同震应变和应力。由于中下地壳和上地幔由粘弹性物质构成,其接收的同震应变可随时间逐渐弥散至弹性上地壳并引起震后地表位移,产生震后粘弹性松弛应变和应力。同震和震后应力均符合库仑破裂准则,断层面上的库仑应力变化定义为:

$ \Delta {\sigma _f} = \Delta \tau + \mu (\Delta {\sigma _n} + \Delta P) $ (1)

式中,Δτ为断层上的剪切应力变化(沿断层滑动方向为正),Δσn为正应力变化(使断层解锁为正),ΔP为断层面的孔隙压力变化(压缩为正),μ为摩擦系数。库仑应力Δσf为正时促进断层破裂,为负时抑制破裂发生。式(1)引入“有效”摩擦系数μ′,即[7]

$ \Delta {\sigma _f} = \Delta \tau + \mu '\Delta {\sigma _n} $ (2)

由于难以通过实际观测来测定接收断层的有效摩擦系数,其选取主要依据经验。Parsons等[8]认为倾滑断层的有效摩擦系数一般较高,高角度走滑断层可能对应较低的有效摩擦系数。本文计算中有效摩擦系数采用常用值0.4,并讨论不同有效摩擦系数取值对计算结果的影响。

1.3 岩石圈分层结构

震后库仑应力计算需要建立岩石圈粘弹性分层结构模型,参考青藏高原东缘地壳粘弹性研究成果以及羌塘块体地球物理反演资料[2],选取表 1所示参数建立研究区域岩石圈分层结构模型,并采用Maxwell体模拟中下地壳与上地幔粘弹性结构。粘滞系数的不确定性可能对中下地壳及上地幔震后弛豫时间与应力释放速率产生影响并最终影响库仑应力变化计算结果。本文对不同粘滞系数取值对应力计算结果的影响进行讨论。

表 1 岩石圈分层结构模型 Tab. 1 Parameters of the multilayer crustal model
1.4 杂多地震震源机制与破裂模型

中国地震局地球物理研究所根据矩张量反演结果,认为杂多地震为走滑正断型,震源机制解的断层节面为:节面Ⅰ走向58°,倾角65°,滑动角-45°;节面Ⅱ走向171°,倾角50°,滑动角-146°;最佳震源深度为5 km。

杂多地震走滑正断型的机制与附近左旋兼逆冲的杂多断裂带并不一致,该地震有可能由杂多断裂带附近的次生隐伏正断层所孕育,因此通过杂多地震附近断层资料很难确定其发震节面。通过InSAR数据获取杂多地震地表形变场,认为该地震走向为60°,与节面Ⅰ接近。因此,本文认为节面Ⅰ更可能对应本次地震发震节面。

由于杂多地震震级较小,本文采用简单的单断层矩形位错模型模拟杂多地震同震破裂分布,破裂参数(破裂长度、破裂宽度、滑动量)均由经验公式获得[9]

2 计算结果与分析 2.1 玉树地震同震应力变化与余震分布

基于研究区岩石圈分层结构模型和玉树地震同震破裂模型,选取玉树地震震源机制作为接收断层参数,利用PSGRN/PSCMP程序[10]计算同震库仑应力变化(图 3)。可见玉树地震周边区域库仑应力场呈典型扇区分布,包含4个应力增强区域。在未考虑区域构造应力场时,大约一半的余震位于库仑应力增强的区域,见图 3(a)

图 3 2010年玉树地震同震库仑应力变化及余震分布 Fig. 3 Distribution of coseismic Coulomb stress change caused by the 2010 Yushu earthquake and aftershock 有效摩擦系数0.4,计算深度10 km,黑色圆点代表余震分布(2010-04-14~2010-06-17),灰色闭合曲线为0.01 MPa应力变化等值线

考虑区域构造应力场时,地壳中的绝对应力状态由背景构造应力场和地震导致的应力场两部分组成。基于地壳中的绝对应力状态,根据库仑破裂准则计算出地震发生后周边区域的最优破裂方向,并以此计算该最优破裂方向上的库仑应力变化[2]。研究证明,考虑区域构造应力场的情况下,位于库仑应力增强区域内的余震数量将显著提升[11]图 3(b)展示了顾及构造应力场时玉树地震同震库仑应力分布,可见构造应力场的影响主要集中在近场区域,破裂面附近的应力影区大部分转化为应力增强区域,大部分余震位于库仑应力增强的地区。

2.2 玉树地震对杂多地震的同震、震后应力影响

图 3知,以玉树地震震源机制为接收断层参数计算库仑应力场时,不论是否考虑背景构造应力场,杂多地震均位于玉树地震同震库仑应力影区内。杂多地震震源机制为走滑正断,与几乎完全左旋走滑的玉树地震震源机制并不相同,而接收断层机制的差异可能导致库仑应力计算结果大相径庭,以杂多地震震源机制作为接收断层参数,进一步研究玉树地震对杂多地震的同震及震后粘弹性应力影响(图 4)。

图 4 2010年玉树地震同震及震后库仑应力变化对杂多地震的影响 Fig. 4 Coseismic and post-seismic Coulomb stress influence to 2016 Zaduo earthquake caused by the 2010 Yushu earthquake 有效摩擦系数0.4,计算深度5 km,灰色闭合曲线为0.01 MPa应力变化等值线

根据中国地震局地球物理研究所提供的杂多地震最优震源深度,选取5 km作为库仑应力计算的深度截面。图 4(a)给出玉树地震导致的同震库仑应力场分布,可见仍呈扇区分布,但由于接收断层机制改变,与图 3(a)中库仑应力场分布并不相同,应力增强扇区位置发生逆时针旋转。选取杂多地震震源机制作为接收断层参数时,杂多地震震中位于库仑应力增强区域,玉树地震同震破裂使杂多地震震中位置应力升高1.476 kPa。

在2010年玉树地震至2016年杂多地震发生的6 a内,震后粘弹性松弛作用使库仑应力增强区域应力持续集中,并使应力影区进一步释放应力,但震后库仑应力场的空间扇区分布几乎没有变化,杂多地震始终位于玉树地震导致的库仑应力增强区域。这与Freed等[12]给出的走滑型地震震后应力场空间分布变化较小结论相符。截至2016-10-17,杂多地震震中位置应力变化为3.902 kPa。

摩擦系数的改变会影响正应力变化在库仑应力变化计算中的权重[3]。选取3组不同的有效摩擦系数计算杂多地震同震库仑应力变化(图 5),可见杂多地震受到的同震及震后库仑应力变化随有效摩擦系数取值的增加而升高,但有效摩擦系数的取值并未改变杂多地震震中位置库仑应力演化特征。

图 5 玉树地震对杂多地震的库仑应力影响及其随时间的变化 Fig. 5 Time series of Coulomb stress change on the epicenter of 2016 Zaduo earthquake

中下地壳粘滞系数差异对库仑应力变化计算结果的影响远大于上地幔[2, 13],依据3组不同的中下地壳粘滞系数取值(表 1)建立岩石圈粘弹性分层模型,粘滞系数取值对玉树震后库仑应力变化结果的影响见图 5。结果表明,中下地壳粘滞系数取值越大,粘弹性应力释放速率越低,杂多地震发生时受到的应力影响越小,但粘滞系数的不确定性对库仑应力变化随时间演化趋势的影响较小。

多组参数的计算结果显示,2016年杂多地震发生时,其震中位置库仑应力变化量均为正值(超过3 kPa),说明玉树地震同震及震后应力对杂多地震的发生存在一定的促进作用,且震后粘弹性松弛作用导致的应力变化与同震破裂导致的应力变化量级相当。震后库仑应力变化在地震应力触发研究中不可忽视。

2.3 玉树地震和杂多地震对周边活动断裂的应力影响

根据中国活动断裂数据库和历史地震资料获取研究区活动断裂的构造运动参数,建立接收断层模型,用PSGRN/PSCMP程序计算玉树地震和杂多地震截至2016-10-17对周边活动断裂的应力影响(图 6),其中包含玉树地震同震及震后6 a和杂多地震同震库仑应力变化。结果表明,由于震级较小,2016年杂多地震仅影响震中周边小范围区域的应力状态,使杂多断裂带西北端出现应力高值区域。玉树地震同震及震后作用使甘孜-玉树断裂的叶诺卡-结隆段、巴塘乡-洛须段、当江段、巴塘乡断裂中段及五道梁-曲麻莱断裂称多段的应力明显升高(超过0.01 MPa)。

图 6 玉树地震和杂多地震对周边活动断裂的应力影响 Fig. 6 Coulomb stress change on surrounding faults caused by Yushu earthquake and Zaduo earthquake

陈立春等[14]认为当江-玉树段(包含叶诺卡-结隆段)孕育1738年玉树西北地震,2010年玉树地震在1738年地震的原地复发;更多研究[1, 15]认为1738年地震是甘孜-玉树断裂当江段和甘达村段的组合破裂,并未使叶诺卡-结隆段和玉树段发生破裂,2010年玉树地震填补了甘孜-玉树断裂玉树段的地震空区。2010年玉树地震在甘达村段未发生地表破裂,滑动分布模型也显示甘达村段同震滑动量很小,后者观点得以支持。据此推断,甘孜-玉树断裂当江段于1738年发生破裂,而目前未有大地震发生记录的甘孜-玉树断裂叶诺卡-结隆段是玉树西北区域典型的地震空区。叶诺卡-结隆段应力积累速率为2 920 Pa/a[6],玉树地震在该区域导致的同震及震后库仑应力变化峰值为0.053 MPa,相当于该区域18 a的应力积累。

甘孜-玉树断裂巴塘乡-洛须段在1321年(±10 a)MW7.4~7.6地震中发生整体破裂,1896年洛须MW7.2地震使甘孜断裂带的相古-洛须段再次破裂。相古镇以西的巴塘乡-相古段在1321年(±10 a)后未发生强震活动,强震离逝时间已超过680 a。该区域断层滑动速率为11.3±1.8 mm/a,相当于450 0 Pa/a的应力积累速率[6]。玉树地震引起的该区域应力升高峰值为0.302 MPa,大概相当于巴塘乡-相古段67 a的应力积累量。

玉树地震同震及震后应力使巴塘乡断裂中段应力升高。该区域曾发生巴塘乡MW7.1~7.2地震和龙亚达MW7地震,但年代未明[1]。巴塘乡断裂带作为甘孜-玉树断裂带的分支断裂,其应力积累速率及未来地震危险性应低于主干断裂带。五道梁-曲麻莱断裂全新世以来构造运动活跃,已发生两次M6.5地震[13],该断裂称多段应力变化峰值为0.025 MPa,大概相当于该区域8 a的应力积累量[6]

3 结语

基于2010年玉树地震同震破裂模型和岩石圈分层结构模型,研究玉树地震同震及震后应力变化对杂多地震的影响,以及玉树地震和杂多地震对研究区主要活动断裂的应力影响,并分析主要应力升高区域的未来地震危险性。结论如下:

1) 2010年玉树地震同震库仑应力使2016年杂多地震震中位置应力升高1.476 kPa。在2010年玉树地震至2016年杂多地震发生的6 a内,震后粘弹性松弛作用使研究区域库仑应力增强区域应力持续集中,并使应力影区进一步释放应力,但震后库仑应力场的空间扇区分布几乎没有变化,杂多地震始终位于玉树地震导致的库仑应力增强区域。2016年杂多地震发生时,其震中位置应力升高3.902 kPa。采用多组不同模型参数的研究结果均显示,玉树地震的发生对杂多地震的孕育存在促进作用。

2) 2016年杂多地震仅影响震中周边小范围区域的应力状态,使杂多断裂带西北端出现应力高值区域。2010年玉树地震的同震及震后作用使甘孜-玉树断裂的叶诺卡-结隆段、巴塘乡-洛须段、当江段、巴塘乡断裂中段及五道梁-曲麻莱断裂称多段应力升高,超过0.01 MPa的应力触发阈值,其中叶诺卡-结隆段、巴塘乡-相古段大震离逝时间均超过600 a,且邻近断裂段已发生破裂,是甘孜-玉树断裂上典型的地震空区。甘孜-玉树断裂最新一轮的分段破裂过程呈现自东南至西北的“低频迁移”现象,该断裂带未来大震活动可能继续向西北迁移。如果频率不变,50~100 a会重现。甘孜-玉树断裂西北段的叶诺卡-结隆段、巴塘乡-相古段地震空区可能存在相对较高的地震危险性。叶诺卡-结隆段长度约为80 km,巴塘乡-相古段长约40 km,如果发生完全破裂,两处空区分别可能发生MW7.3和MW7.0地震。

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Coulomb Stress Influence of 2010 Yushu Earthquake on 2016 Zaduo Earthquake: Earthquake and Seismic Hazard Assessment on Surrounding Area
XIONG Wei1     YU Cheng2     CHEN Wei1     NIE Zhaosheng1     TAN Kai1     
1. Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China;
2. Wuhan Geomatic Institute, 209 Wansongyuan Road, Wuhan 430022, China
Abstract: Based on elastic dislocation theory and lithosphere layered viscoelastic model, we analyze the influence of the co-seismic and post-seismic stress of the Yushu earthquake on the Zaduo earthquake. Additionally, we discuss the stress influence of Yushu and Zaduo earthquakes on the major active faults about seismic risk in the study area. The result shows that the co-seismic stress increased 1.476 kPa on the epicenter of the 2016 Zaduo earthquake. During the 6 years between the two earthquakes, post-seismic Coulomb stress enhanced regional stress in the area, and released stress in the stress shadow; the epicenter of the Zaduo earthquake is always located in the area of enhanced stress. When the Zaduo earthquake occurred, the Coulomb stress increased 3.902 kPa on the epicenter of the Zaduo earthquake. The results of different models show that the occurrence of Yushu earthquake promoted the occurrence of Zaduo earthquake. The co-seismic rupture of Zaduo earthquake only affected the stress state of a small area around the epicenter, which made a high stress area in the northwest of Zaduo fault zone. The co-seismic and post-seismic effect of Yushu earthquake significantly enhanced the stress state of the Yenuoka-Jielong segment, Batang-Luoxu segment, Dangjiang segment, the middle segments of Batangxiang and Wudaoliang-Qumalai faults. The northwest seismic gaps of Ganzi-Yushu fault, including the Yenuoka-Jielong and Batang-Xianggu segments, retain arelatively high seismic hazard.
Key words: Ganzi-Yushu fault; Yushu earthquake; Coulomb stress; viscoelastic relaxation; seismic hazard