2021, Vol. 41
2. 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原市晋祠镇，030025;
3. 中国地震局地震预测研究所，北京市复兴路63号，100036;
4. 中国地震局地震预测研究所地震预测重点实验室，北京市复兴路63号，100036
强震造成的应力触发作用可能会诱发附近区域发生余震以及后续地震，并可能影响震中及邻近断层的地壳变形和应力变化，触发或减缓相邻断层的地震活动性[1-4]。因此，开展地震同震和震后效应产生的库仑应力变化分析对研究区域地震孕育过程和未来地震危险性具有重要意义。
天山地区活动构造以一系列近东西向逆冲断裂和走滑断裂为主，断裂及断裂交会区中-强地震活动频繁。2017-08-09新疆博尔塔拉蒙古自治州精河县发生6.6级地震(图 1)。该地震发生于北天山中段，是一次逆冲为主的地震事件，发震构造与区域北西和近东西向逆冲型活动断裂的性质一致。2018-10-16在精河6.6级地震西南30 km处又发生5.4级地震。该地震震中附近无已知断裂[5]，考虑到其距离库松木楔克山前断裂带较近，而库松木楔克断裂存在多个分支断裂，发震断层可能属于该断裂带的分支断层。
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主震震源机制解（红色）来源于国内外不同机构，历史震源机制解（黑色，1976年质精河6.6级地震前）来源于GCMT 图 1 精河6.6级地震地质构造 Fig. 1 Geological tectonics of Jinghe MS6.6 earthquake |
本文对精河6.6级地震造成的同震变形及应力变化进行定量分析，重点讨论6.6级地震对5.4级地震的触发作用，同时计算6.6级地震对邻近主要活动断层的影响，为该震源区附近主要发震断裂的强震趋势判定提供定量依据。
1 资料与计算方法本文收集精河地震同震破裂模型，考虑地壳结构粘弹性松弛效应，采用PSGRN/PSCMP软件[8]计算精河6.6级地震在周边活动断裂的库仑破裂应力分布，并计算分析精河6.6级地震与5.4级地震的应力触发关系。
1.1 精河6.6级地震同震破裂断层模型选取精河6.6级地震后，部分机构反演得到断层模型[9-10]，其中节面Ⅰ走向为76°~92°，节面Ⅱ走向为269°~277°，破裂断层倾角为44°~60°。虽然断层走向和倾角存在较大差异，但断层滑动角约为90°，为逆冲性质的地震。部分学者利用InSAR数据反演精河6.6级地震同震破裂断层模型[6, 11]。施贺青等[6]反演认为，断层走向为77°，与多家机构结论相近，也更接近余震展布方向，该破裂模型中最大位移量集中分布在8~17 km深度，与中国地震台网中心[9]给出的主震深度11 km和余震集中深度4~17 km较接近，因此本文利用该模型计算此次地震的应力场扰动。
1.2 精河6.6级地震震源区介质物性参数选取精河6.6级地震震源区壳幔结构资料比较缺乏，但横跨天山东北部的布尔津-沙雅[12]、乌鲁木齐-库尔勒[13]、跨1906年玛纳斯7.7级地震断裂段[14]的地震反射剖面可提供速度结构；精河6.6级地震科考项目布设的地震台阵观测及反演结果也可给出精河震源区P波速度结构。上述波速结果可用来计算精河6.6级地震震源区介质弹性参数，这些研究结果均反映天山东北部研究区中下地壳内(10~20 km)存在显著的低速区。
根据收集的研究区现有的地壳结构、地震波速、介质密度及粘滞系数[12, 14-16]，将天山地区岩石圈结构简化为均匀的分层结构，选用表 1中分层力学参数作为计算库仑应力的介质参数。
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表 1 岩石圈各分层结构模型及力学参数 Tab. 1 Model and mechanical parameters of each stratified structure of lithosphere |
位于精河6.6级地震西侧的库松木楔克山前断裂被认为是其发震构造[5, 17]；位于精河6.6级地震南侧近东西向展布的喀什河断裂为1812年尼勒克8级地震的发震断裂[18]；位于精河6.6级地震北侧的博阿断裂(博罗科努-阿其克库都克断裂)是天山带和准噶尔盆地之间的大型块体边界断裂；近东西走向的准噶尔南缘断裂可能是1906年玛纳斯7.7级地震发震构造的一部分[19]。选取这些靠近震中的活动断裂分析精河6.6级地震库仑应力变化。
破裂面上的库仑应力变化定义为[20]：
| $ {\rm{\Delta CFS = \Delta }}\tau + \mu '{\rm{\Delta }}{\sigma _n} $ |
式中，Δτ为破裂面上的剪切应力变化，μ′为有效摩擦系数，Δσn为破裂面上的正应力变化。
在计算地震引起的区域库仑应力变化时，应根据研究区背景资料、断层面介质特性、孔隙压力等确定有效摩擦系数大小[21]。研究表明，活动速率相对较小的断层具备较高的有效摩擦系数，而天山东北部主要活动断裂的活动速率约为2~5 mm/a[22]。因此，本文将有效摩擦系数设为0.4。
2 计算结果 2.1 精河6.6级地震同震地表位移计算精河6.6级地震同震地表位移场、同震及震后应力场变化、同震在周边主要活动断裂上的静态库仑应力变化及精河6.6级地震在5.4级地震震中位置2个节面的同震库仑应力变化。
图 2和图 3为精河6.6级地震产生的地表同震位移。可以看出，断层上盘围绕震中大幅隆升(图 2(a))，最大隆升量为84 mm(图 2(b))，与InSAR观测的地表最大抬升80 mm非常接近[6]，表明该断层破裂模型及本文计算结果具有可靠性。靠近震中区域垂向位移显示出明显的不对称性，上盘(南盘)抬升量(最大可达84 mm)大于下盘(北盘)沉降量(最大仅为5 mm)，符合逆冲断层同震变形的普遍特征。精河6.6级地震造成的地表水平位移远小于垂向位移，最大水平位移为25 mm，为靠近震中的平行和垂直断层走向的位移。断层南北两侧的远场水平位移主要以垂直断层走向位移为主，表现为向震中会聚特征，断层两盘垂直断层走向的位移量基本沿断层走向南北对称，但方向相反。断层两端沿走向外延区几乎无水平位移。震中附近100 km水平向同震位移在5~25 mm范围内，远场水平位移低于5 mm(图 3)。
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图 2 精河6.6级地震造成的地表同震垂向位移 Fig. 2 Co-seismic vertical displacements caused by the Jinghe MS6.6 earthquake |
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图 3 精河6.6级地震造成的地表同震水平向位移 Fig. 3 Co-seismic horizontal displacements caused by the Jinghe MS6.6 earthquake |
精河6.6级地震余震集中分布在10~17 km深度[5]，因此选择15 km深度震中附近断层面上同震库仑应力变化进行分析。利用断层迹线点位计算主要断层不同段走向(平均长度5 km)，这些断层段的倾向和倾角资料参考文献[23]，但靠近震中的库松木楔克断裂的分支断裂由于缺少断层产状资料，其倾向和倾角则沿用精河6.6级地震主震破裂面的倾向和倾角。利用PSGRN/PSCMP软件计算获得这些断层点位的同震应力张量，然后利用任意走向和倾角断层面的库仑应力计算公式[16]计算精河6.6级地震震中附近主要断层面的库仑应力(图 4)。
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图 4 精河6.6级地震造成震中附近主要断层面的同震库仑应力变化 Fig. 4 Co-seismic Coulomb stress changes on the active faults near the epicenter of the Jinghe MS6.6 earthquake |
从图 4可以看出，精河6.6级地震后，精河县震中南北两侧库松木楔克断裂东段及其分支断裂、博阿断裂精河段、喀什河断裂东段处于应力显著加载区，同震库仑应力增加可达到10 kPa以上，即主震对震中附近约100 km内(约3倍于主震破裂面长度)的断层产生显著的同震影响。远离震中的断层段落上，同震库仑应力变化则在2 kPa以下，同震影响较小。
通过计算和对比同震及震后应力调整可知，在5~10 a尺度内应力衰减变化并不显著，原因可能为深部介质粘弹性松弛时间较长，在5~10 a尺度主震造成的应力变化基本还是地壳介质对此次地震的弹性响应。
2.3 精河6.6级地震在5.4级地震震区造成的应力调整基于前文有关精河6.6级地震同震破裂模型以及5.4级地震震源机制解信息，分别计算2次地震震源机制解反映的2个断层节面上的库仑应力变化(因为5.4级地震与6.6级地震类似，未产生明显的地表破裂，难以判定发震断层)。
按照表 1参数计算精河5.4级地震断层节面上库仑应力发现，精河6.6级地震在5.4级地震的2个节面上产生的静态库仑应力相差较小(图 5)，在节面Ⅰ(走向111°、倾角55°、滑动角105°)和节面Ⅱ(走向266°、倾角37.7°、滑动角69.7°)上产生的同震库仑应力分别为5 kPa和8 kPa，均低于触发余震的静态库仑应力阈值10 kPa[1]。在10 a时间尺度内，震中附近数百km水平尺度和15 km深度范围内，介质基本表现为弹性介质，即从精河6.6级地震至5.4级地震的14个月时间内，5.4级地震位置处的应力分量和库仑应力基本为静态，且不随时间发生显著变化。模型计算的精河5.4级地震2个节面的应力分量和库仑应力随时间的变化曲线基本为水平线。
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图 5 精河6.6级地震在5.4级地震震中位置造成的2个断层节面上库仑应力的时间序列 Fig. 5 Time series of Coulomb stress on two fault planes of Jinghe MS5.4 earthquake caused by Jinghe MS6.6 earthquake |
考虑到精河6.6级地震所在的北天山地区普遍存在壳内低速层，本文从力学性质角度考虑该低速层，即将15~50 km深度处介质的流变参数降低至1×1018 Pa·s，在保持其他模型参数不变的情况下进一步计算精河6.6级地震在5.4级地震2个节面上的同震及震后库仑应力变化。结果表明，前者在后者2个断层节面上造成的库仑应力在前者同震时刻虽然为正值，但随着时间推移至后者发震时刻，库仑应力逐渐降低，即精河6.6级地震在5.4级地震2个断层节面上的影响表现为同震加载，震后逐渐卸载。分析库仑应力计算结果可知，前者对后者既不存在同震触发也不存在延迟触发，因此本文推测两者不存在应力触发关联，即两者为独立地震事件。
3 结语1) 同震位移场结果显示，精河6.6级地震引起断层上盘围绕震中大幅隆升及下盘沉降，震中附近上盘最大隆升量为84 mm，下盘最大沉降量为5 mm；地表同震水平位移远小于垂向位移，最大水平位移为25 mm，表现为发震断层南侧整体向北和北侧整体向南运动，在空间上呈会聚状指向震中。
2) 精河6.6级地震造成精河县震中南北两侧断裂(库松木楔克山前断裂东段及其分支断裂、博阿断裂精河段、喀什河断裂东段)库仑应力显著增加，且5~10 a尺度应力影响无显著变化，基本为对同震的弹性响应，初步推断精河6.6级地震产生的库仑破裂静态应力变化可能会影响这些断裂后续的强震风险性。
3) 2017年精河6.6级地震对2018年精河5.4级地震无明显触发作用，前者在后者震中位置上造成的同震库仑应力变化低于同震应力触发阈值10 kPa。即使考虑到震源区壳内低速层的影响，随时间推移后者断层上的库仑应力也逐渐下降，前者对后者延迟触发的可能性也很小。
致谢: 感谢吴传勇、赵翠萍、杨峰、王伟君和杨攀新对本文提供的帮助。
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