2018, Vol. 38
断层相互作用是研究板内地震孕育和发生机理、探索地震预测理论和方法的重要基础之一[1-3]。通过研究地震发生过程中断层间相互作用的特点和规律，能够分析典型地震活动区断层间的相互影响及其引起的地震危险性趋势。对断层间相互作用及其对地震活动性影响的研究[4-8]表明，某一断层上的应力积累和释放过程，不仅受所在地区区域构造应力和岩石自身性能的影响，而且受相邻断层的影响，引起断层间相互作用，进而产生地震触发作用[7-8]。大部分的断层相互作用研究是基于库仑破裂应力变化进行的。库仑破裂应力变化由主震断层位错产生，并持久性地施加于后续断层，进而改变后续断层的稳定性。当库仑应力变化为正值时，会加速该断层上的应力积累，可能使下次地震提前发生；为负值时，断层上的应力积累进程将被延缓[9-10]。地震产生的库仑破裂应力变化与震源断层以及投影断层均有密切关系，两者的改变会直接影响库仑破裂应力变化的结果。本文以库仑破裂准则为基础，选取典型的(左旋、右旋)走滑断层、正断层、逆断层、斜滑断层为模型，通过计算各断层模型产生的库仑破裂应力变化，分析库仑破裂应力变化的空间分布特征，并讨论不同投影断层对结果的影响。在此基础上，探讨断层的相互作用问题。
1 断层模型首先建立左旋走滑断层、右旋走滑断层、正断层、逆断层和斜滑断层模型，计算这几种地震断层模型产生的库仑破裂应力变化，探讨不同模型下库仑破裂应力变化的空间分布特征。表 1为几种地震断层模型的参数，为便于对比，断层走向、几何尺度(长度、宽度)、滑动位错量和埋深均相同，主要差别在于断层倾角和滑动角。
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表 1 5种断层模型及其参数 Tab. 1 Five fault models and their parameters |
库仑破裂应力变化的计算方法见文献[11-15]，视摩擦系数取0.6。
2.1 左旋走滑断层模型产生的库仑破裂应力变化分布特征图 1给出左旋走滑断层(表 1中断层1)为震源断层时产生的库仑破裂应力变化分布，投影断层分别为右旋走滑、正断层、逆断层和斜滑断层。图中两个红点为断层的端点。如图 1(a)，当右旋走滑断层作为投影断层，负的库仑应力变化和正的库仑应力变化基本呈现正负相间分布。图 1(b)为正断层作为投影断层，断层东西两侧有最强的正变化和最强的负变化，整个应力变化区呈中心对称分布于断层两侧。图 1(c)为逆断层作为投影断层，正的应力变化区和负的应力变化区对称分布于断层两侧，正负变化交替呈现。图 1(d)为斜滑断层作为投影断层，断层周围大部分地区为正的应力变化区，而最强的负应力变化区位于断层邻近的西南区域，在偏东南和偏西北方向还存在2个较弱的负变化区域。
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图 1 左旋走滑断层模型产生的库仑破裂应力变化分布 Fig. 1 Distribution of Coulomb failure stress changes in left-lateral strike-slip fault model |
根据上述分析，当左旋走滑断层作为震源断层时，正负应力变化区主要分布于断层两侧，并大体呈中心对称交替分布，只有以斜滑断层为投影断层时，只突显一个最大的负应力变化区。
2.2 右旋走滑断层模型产生的库仑破裂应力变化分布特征图 2给出右旋走滑断层(表 1中断层2)为震源断层时产生的库仑破裂应力变化分布，投影断层分别为左旋走滑、正断层、逆断层和斜滑断层。如图 2(a)，当左旋走滑断层作为投影断层，断层处于库仑破裂应力变化为负的区域，正负库仑破裂应力变化同样呈相间分布。图 2(b)为正断层作为投影断层，整个应力变化区呈中心对称分布于断层两侧。图 2(c)为逆断层作为投影断层，正的应力变化区和负的应力变化区对称分布于断层两侧，正负变化交替呈现。图 2(d)为斜滑断层作为投影断层，整个断层均处于库仑破裂应力变化为负的区域，断层邻近的西南地区表现为最强的正变化。
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图 2 右旋走滑断层模型产生的库仑破裂应力变化分布 Fig. 2 Distribution of Coulomb failure stress changes in right-lateral strike-slip fault model |
根据上述分析，当左旋走滑断层作为震源断层时，正负应力变化区主要分布于断层两侧，并大体呈中心对称交替分布，只有以斜滑断层作为投影断层时，只突显一个最大的正应力变化区。左旋走滑断层和右旋走滑断层分别作为震源断层时，由于两者只是滑动角相差180°，即滑动方向相反，库仑破裂应力变化的整体分布相反。
2.3 正断层模型产生的库仑破裂应力变化分布特征图 3给出正断层作为震源断层时库仑破裂应力变化的分布，投影断层分别为左旋走滑、右旋走滑、逆断层和斜滑断层。图 3(a)为左旋走滑断层作为投影断层时库仑破裂应力变化的分布，整个断层均处于正的变化区，但南北两端存在较弱的负变化，在断层邻近的东西两侧存在最强的负变化区。图 3(b)中，投影断层为右旋走滑，应力变化分布形态与左旋走滑成轴对称。图 3(c)为逆断层作为投影断层时库仑破裂应力变化的分布，断层处于最强正应力变化区，正东与正西方向的邻近区域表现为最强负变化。图 3(d)为斜滑断层为投影断层时库仑破裂应力变化的分布，断层处于正的变化区域，强度最高，东西两侧的邻近区域有最强的负变化。
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图 3 正断层模型产生的库仑破裂应力变化分布 Fig. 3 Distribution of Coulomb failure stress changes in normal fault model |
根据上述分析，当正断层模型作震源断层时，库仑应力变化在断层两侧正负均有分布，断层大部分处于最强正应力变化区域，断层两侧邻近区域均有最强的负应力变化分布，离断层越远强度越小，越近强度越大。
2.4 逆断层模型产生的库仑破裂应力变化分布特征图 4为逆断层模型作为震源断层时库仑破裂应力变化分布，投影断层分别为左旋走滑、右旋走滑、正断层和斜滑断层。图 4(a)给出左旋走滑断层模型为投影断层时库仑破裂应力变化分布，整个断层处于负的库仑应力变化区，最强正、负应力变化区分布于断层东西、南北两侧。图 4(b)中投影断层为右旋走滑断层，与左旋走滑类似，两者大致以20.5°N为轴呈轴对称分布。图 4(c)的投影断层为正断层，整个断层处于负的库仑应力变化区，东西两侧以及南北两侧变化分别表现为最强正变化与最强负变化。图 4(d)为投影断层为斜滑断层时库仑破裂应力变化分布，断层东西及偏西南方向表现为最强正变化，南端邻近区域有最强负变化，东侧邻近方向呈现较强的负变化。
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图 4 逆断层模型产生的库仑破裂应力变化分布 Fig. 4 Distribution of Coulomb failure stress changes in reverse fault model |
综上，当逆断层模型作为震源断层时，东西两侧均存在最强的正变化区，断层处于最强负变化区，距离断层越远强度越小，只有以斜滑断层作为投影断层时以偏西南方向为最强正应力分布。
2.5 斜滑断层模型产生的库仑破裂应力变化分布特征图 5为斜滑断层模型作为震源断层时产生的库仑破裂应力变化分布，投影断层分别为左旋走滑、右旋走滑、正断层和逆断层。图 5(a)为投影断层为左旋走滑时库仑破裂应力变化分布，正负变化区呈蝴蝶状对称分布于断层四周。图 5(b)中投影断层为右旋走滑，整个断层处于负变化区，西北与东南方向存在最强正应力变化区，南北两侧区域变化为负。图 5(c)为正断层作为投影断层时库仑破裂应力变化分布，在断层东西向变化为正，强度最大，南北方向变化均为负。图 5(d)为逆断层作为投影断层时库仑破裂应力变化分布，东西两侧西北向邻近区域变化表现为最强正变化，南北两端存在小部分最强负变化区。
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图 5 斜滑断层模型产生的库仑破裂应力变化分布 Fig. 5 Distribution of Coulomb failure stress changes in oblique slip fault model |
综上，当斜滑断层作为震源断层时，断层两侧均有最强正应力变化区，南北两侧邻近区域存在最强负变化区。整体上看，库仑破裂应力变化呈正负相间分布。
3 讨论 3.1 同一震源断层在不同投影断层面上产生的库仑破裂应力变化分布特征由图 1~5，若震源断层为左旋和右旋走滑断层，分别采用右旋(左旋)、正断层、逆断层作为投影断层，库仑破裂应力的分布均有正负相间的趋势，且正负区域基本对半分布，并呈现一定的左右旋特征；只有斜滑断层作为投影断层时，仅呈现两个最明显的正负区，而其他区域则很小。
若震源断层为正断层和逆断层，分别采用左旋走滑、右旋走滑断层、逆(正)断层、斜滑断层为投影断层，最强的应力变化区均分布于断层走向的南北两端以及东西两侧；由于震源断层的正、逆断层特性，呈现应力正负变化的区域刚好相反。
若震源断层为斜滑断层，投影断层分别为左旋走滑、右旋走滑、正断层、逆断层，其东西、南北两侧分别有较强的正变化与负变化区域。
3.2 不同震源断层产生的库仑破裂应力变化分布特征由图 1~5，当震源断层为左旋走滑、右旋走滑断层时，应力空间分布的总体特征基本为正负相间，并呈中心对称分布。当震源断层为正断层和逆断层时，其应力变化的分布基本呈轴对称，但会由于投影断层的左旋走滑或右旋走滑特性而呈现相应的左旋、右旋应力分布特征。当震源断层为斜滑断层时，整体应力变化分布为断层走向南北两端为负、东西两侧为正。
3.3 不同的视摩擦系数产生的库仑破裂应力变化分布特征为了分析视摩擦系数对本文结果的影响，可改变视摩擦系数的取值，计算得到相应库仑应力分布的变化情况。以图 1(b)为例，采用左旋走滑断层为震源断层，正断层为投影断层，分别选取视摩擦系数为0.2、0.4、0.6、0.8进行相应的计算，结果如图 6所示。
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图 6 不同视摩擦系数产生的库仑破裂应力变化分布 Fig. 6 Coulomb failure stress distribution due to different friction coefficients |
由图 6看出, 尽管视摩擦系数改变，库仑破裂应力变化分布依然呈一定的对称关系，正负变化的大致分布区域没有改变。库仑破裂应力变化的分布，尤其是左侧，随着视摩擦系数的增大而增大，但对应力的分布规律几乎没有影响。
4 结语本文以库仑破裂应力变化计算为基础，发现断层的相互作用与断层滑动机制关系密切，走滑断层还与其左右旋有一定关系。除斜滑断层外，其他断层之间的相互作用呈现一定的对称关系。相关研究[7-8]也表明，当左旋或者右旋的走滑断层为震源断层时，正负应力变化区域主要分布于断层两侧，呈现一定的对称关系，与本文结果一致。
本文中，几种断层类型出现对称和不对称图形，主要受控于断层的滑动机制，不同的滑动机制产生不同的滑动位移空间分布，进而产生不同的应变空间分布，导致不同的应力空间分布图案。
断层的不同性质，如滑动机制、走向、倾角等，均会影响库仑破裂应力变化的空间分布，其产生的触发效应和延缓效应不仅影响断层本身的活动性，对未来潜在的地震事件同样有着不可忽视的影响。所以在进行断层活动及地震危险性评估时，必须充分考虑断层之间的相互作用及其影响。
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