2022, Vol. 42
2. 南方科技大学理学院, 深圳市学苑大道1088号, 518055;
3. 武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室, 武汉市珞喻路129号, 430079
东安纳托利亚左旋走滑断裂带(east Anatolian fault zone, EAFZ)是东地中海地区主要的陆内转换断裂之一，与北安纳托利亚右旋断裂带(north Anatolian fault zone, NAFZ)共同容纳了安纳托利亚板块的西向挤压构造运动，该断裂带同时也受阿拉伯板块西北向俯冲作用控制[1-3]。东安纳托利亚断裂带起于西南的哈塔伊(Hatay)，终止于东北的Karliova三联结点位置，即北安纳托利亚断裂带和东安纳托利亚断裂带的交会处(图 1)。
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灰线表示活动断裂;红线表示主要断层段;子图中K为卡利若瓦(Karliova)三联结点位置 图 1 研究区构造背景及1822年来6级以上地震震源机制 Fig. 1 Regional tectonic background in study area and focal mechanism of the historical M>6 earthquakes since 1822 |
东安纳托利亚断裂带地震活动频繁，20世纪以来多次发生6级以上强震[4]。2020-01-24土耳其东部埃拉泽(Elazıĝ)地区发生MW6.8地震，震中位置(39.070°E, 38.407°N)，震源深度12 km，总体走向244°N，呈左旋走滑性质，破裂长度约75 km[5]。此次地震发生于Pütürge断层段东北部区域，而该区域在这次事件之前被认为是一个地震空区[2]。
东安纳托利亚断裂带上较为完整的历史地震记录为研究该区域应力演化以及地震间的应力触发关系提供了良好的条件。已有的研究表明，该断裂带区域存在强震间的应力触发作用[6-8]。本文以1822年为起始时间点，计算东安纳托利亚断裂带附近区域6级以上历史强震在2020年埃拉泽MW6.8地震震中位置由同震位错以及震后粘弹松弛效应产生的库仑应力变化，同时考虑震间构造加载的影响，研究此次地震与整个断裂带应力演化的关系，并分析东安纳托利亚断裂带附近各断层段的应力积累情况。
1 模型与方法 1.1 库仑应力模型库仑破裂准则认为，断层面的脆性破裂是正应力和剪切应力的共同作用，当断层面受到的库仑应力变化为正时断层趋向于错动，为负时则相反。通常用库仑破裂应力的变化量(ΔCFS)描述断层破裂的可能性[9-10]：
| $ \Delta \mathrm{CFS}=\Delta \tau+\mu^{\prime} \Delta \sigma_{n} $ | (1) |
式中，Δτ为断层面上剪切应力变化量，Δσn为正应力变化量，μ'为有效摩擦系数，一般取0.2~0.8。本文分别计算μ'=0.2、0.4、0.6时的结果，最终选定μ'=0.4。
同震库仑应力变化是由地震断层在同震阶段短时间内的错动引起的[11-12]，地震发生后下地壳和上地幔的粘弹性介质由于震后松弛效应会使地震活动断层的应力水平显著抬升[13]，震间阶段由于断层非震滑动产生的构造应力加载也会对断层的应力积累状态造成影响[14-16]。本文基于研究区域内M>6强震的震源位错模型和断层分段模型，同时考虑同震、震后和震间效应，采用Wang等[17]开发的PSGRN/PSCMP程序计算库仑应力变化。
1.2 地球分层介质模型根据Crust1.0模型[18]参数，参考Sunbul等[19]的研究结果，采用Maxwell体模型模拟中下地壳的流变性质，建立分层介质模型(表 1)。由于东安纳托利亚断裂带位于板块推挤形成的复杂构造体系之间的过渡区，因此本文还选取不同的粘滞系数来探讨其对应力演化结果的影响。
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表 1 分层介质模型 Tab. 1 The stratified medium model |
本文主要参考前人[4-7, 19-23]总结的1822年以来东安纳托利亚断裂带附近17次M > 6强震的震源滑动模型(表 2)。全球GMT目录(http://globalcmt.org)显示，东安纳托利亚断裂带区域地震震源主要位于5~15 km深度，因此本文以10 km作为计算深度。根据分层介质模型，粘弹性作用从上地壳底部18.5 km的深度开始，地震震源集中在孕震层位错深度的中间区域，故位错深度设定为18.5 km。
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表 2 东安纳托利亚断裂带附近1822年以来6级以上历史地震的破裂参数 Tab. 2 Rupture parameters of M>6 earthquakes near EAFZ since 1822 |
参考已有的断层段划分和滑移速率研究结果[2, 6-7, 24]，结合欧洲孕震断层数据库(http://diss.rm.ingv.it/share-edsf/index)，将东安纳托利亚断裂带以及北安纳托利亚断裂带东端部分划分为6个断层段(图 1)，并给出各段平均滑移速率(表 3)。断层的闭锁深度设置为18.5 km，即上地壳底部深度，与Reilinger等[1]和Bletery等[25]使用GPS的研究结果相对应。
2 计算结果及分析 2.1 同震库仑应力变化根据表 2中的数据，计算每一次地震对2020年埃拉泽MW6.8地震(接收断层)的应力触发影响，得到图 2。可以看出，除1822年M7.5、1875年M6.7和1992年M6.8地震在2020年MW6.8地震处激发的同震库仑应力为负外，其余历史地震引起的同震库仑应力变化都为正。表 4显示，1874年M7.1、1893年M7.1、1905年M6.8以及1939年M7.8地震分别造成了0.964 bar、0.207 bar、0.624 bar和0.180 bar的同震库仑应力增加，超过了理论地震触发阈值0.1 bar；而1875年M6.7地震产生了5.074 bar的应力卸载。多数地震没有造成明显的促进或抑制作用，库仑应力变化低于0.1 bar，这是由于同震库仑应力变化的影响随着距离的增加而迅速衰减，并与源断层的破裂程度有关。由于1875年M6.7地震对应力的卸载，导致历史地震激发的同震库仑应力变化累积为负，因此认为同震应力的触发作用不明显。
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绿色震源球表示各个历史地震(源断层)震源机制；红色和蓝色震源球分别代表2020年埃拉泽MW6.8地震(接收断层)震中位置库仑应力变化为正值和负值 图 2 1822年以来东安纳托利亚断裂带附近6级以上历史地震破裂引起的同震库仑应力变化 Fig. 2 Coseismic Coulomb failure stress changes caused by ruptures of M>6 earthquakes near EAFZ since 1822 |
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表 4 1822年以来6级以上地震在2020年埃拉泽MW6.8地震震源处的库仑应力变化 Tab. 4 Coulomb failure stress changes at the epicenter of 2020 Elazıĝ MW6.8 earthquake caused by M>6 earthquakes since 1822 |
历史地震对2020年埃拉泽MW6.8地震产生的震后粘弹性应力变化及积累变化如图 3和图 4(b)所示。可以看出，1866年M7.2、1874年M7.1、1875年M6.7、1893年M7.1和1905年M6.8地震震后的粘滞松弛效应引起2020年埃拉泽MW6.8地震处的应力增加，且明显超过地震触发阈值，应力累积增加4.4 bar。综合震后粘滞松弛效应与同震位错共同引起的库仑应力变化，得到1.36 bar的应力增加，反映出东安纳托利亚断裂带附近的震后粘滞松弛效应对后续地震的触发有重要影响(图 5)。
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绿色震源球表示各个历史地震(源断层)震源机制;红色和蓝色震源球分别代表2020年埃拉泽 MW6.8地震(接收断层)震中位置库 仑应力变化为正值和负值 图 3 1822年以来东安纳托利亚断裂带附近6级以上历史地震震后粘弹性松弛效应引起的库仑应力变化 Fig. 3 Coulomb failure stress changes caused by postseismic viscoelastic relaxation of M>6 earthquakes near EAFZ since 1822 |
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红色和蓝色震源球分别代表2020年埃拉泽MW6.8地震(接收断层)震中位置库仑应力变化为正值和负值; 绿色五角星表示各个历史地震; 黑色矩形框表示1874年地震和1875年地震间的地震空区范围 图 4 东安纳托利亚断裂带附近同震、震后以及震间作用下积累的库仑应力变化 Fig. 4 Coulomb failure stress changes accumulated during coseismic, postseismic and interseismic interactions near EAFZ |
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红线为同震库仑应力变化; 黄线和棕线分别为基于模型1和模型2计算得到的震后粘弹性库仑应力变化 图 5 2020年埃拉泽MW6.8地震震中库仑应力积累随强震时间变化趋势 Fig. 5 Trends of Coulomb stress accumulation in the epicenter of the 2020 Elazıĝ MW6.8 earthquake with the timing of historical events |
运用负位错理论[15-16]计算震间构造加载应力[6, 14]。图 4(c)显示了东安纳托利亚断裂带附近6个断层段的震间构造加载作用引起的应力变化。可以看出，2020年埃拉泽MW6.8地震处的应力加载为0.037 6 bar/a。1822年以来，震间构造加载作用产生了7.444 bar的应力积累，抵消了1875年M6.7地震产生的同震应力卸载和1822年M7.5地震后的粘弹性应力卸载，对2020年埃拉泽MW6.8地震有显著的促进作用。
2.4 东安纳托利亚断裂带上的应力积累图 4显示了东安纳托利亚断裂带上历史地震同震位错、震后粘滞松弛效应、断层震间构造加载以及三者共同作用下积累的库仑应力变化。可以看出，S1主要受同震位错和震间构造加载效应的影响，应力积累状态不明显；S3和S5受同震位错的影响，断层上的应力被卸载，应力积累状态较低；S2和S6上的应力增加显著，与Nalbant等[6]和Sunbul[7]的研究结果大体一致。在S4段南部，即1874年地震和1875年地震间的地震空区(图 4(d))，应力加载状态明显，而在前面的研究中这部分断层的应力积累状态不活跃。这是因为震间构造加载应力的计算差异所致，Nalbant等[6]只考虑到持续至2002年的震间构造加载效应，而Sunbul[7]则是通过地壳应变率场计算震间构造加载应力变化。
3 不同模型参数对计算结果的影响 3.1 下地壳与上地幔粘滞系数库仑应力的计算结果会因为选取的分层介质模型参数、有效摩擦系数等参数不同而发生变化。震后粘弹性应力变化对总库仑应力变化的贡献取决于地球分层介质的粘弹性结构。下地壳和上地幔的粘滞系数升高会减小震后粘弹性应力变化的幅度[26]。本文分别采用表 1中2种模型进行计算，结果见图 5和表 4。可以看出，模型2中单个历史地震对2020年埃拉泽MW6.8地震造成的震后粘弹性应力变化幅值比模型1小0~0.59 bar，累积的震后粘弹性应力变化小1.5~1.7 bar，因此不同粘滞系数造成的应力变化差异不能忽略。Keskin[27]的研究表明，土耳其东部的地幔岩石圈较弱，结合Sunbul等[19]的震后效应研究结果，本文认为该区域设置较低的粘滞系数(模型1)更合理。
3.2 有效摩擦系数摩擦系数决定着剪切应力和正应力对断层面的权重影响，一般认为较低的有效摩擦系数比较适用于走滑型断层，倾滑断层则应选择较高的有效摩擦系数[11-12]。本文研究的地震大部分是走滑型地震，因此分别选取0.2、0.4和0.6作为有效摩擦系数进行计算并分析。从表 4中看出，随着有效摩擦系数的变化，模型1下历史地震对2020年埃拉泽MW6.8地震引起的同震库仑应力以及震后粘弹性应力变化的总体态势均没有改变，数值大小变化在0.3 bar以内，积累的同震和震后库仑应力变化增加0.6 bar左右。考虑到东安纳托利亚断裂带区域的断层滑移速率水平，将有效摩擦系数设置为0.4较为合理。
3.3 地震断层参数地震震源机制解或断层面参数具有不唯一性，意味着库仑应力计算结果会受到震源位置、接收断层参数的影响。对于相距较远的地震，震源定位误差对应力变化结果影响甚微，而对于1874年M7.1、1875年M6.7、1893年M7.1以及1905年M6.8这些距离相近的地震，震源定位误差造成的应力误差可能会被放大。2020年埃拉泽MW6.8地震发生在1875年地震引起的同震库仑应力变化正负交界处，不排除震源定位不同在这样变化剧烈的位置会造成较大应力结果误差的可能性，需要在今后的研究中进一步探讨。
4 结语1) 共有14个历史地震在2020年埃拉泽MW6.8地震处引起同震库仑应力增加，其中4个地震增加值超过0.1 bar，1875年M6.7地震的同震位错效应则释放了5.074 bar的应力积累。
2) 下地壳和上地幔粘弹性介质的震后松弛效应对2020年埃拉泽MW6.8地震震中处的应力增加有重要的贡献。震后粘弹性应力的积累抵消了同震应力积累后对该区域的应力卸载作用，并造成了1.36 bar的应力积累。
3) 断层的震间构造加载作用对2020年埃拉泽MW6.8地震产生了7.444 bar的构造应力积累。Turkoglu、Lake Hazar和Yedisu段积累了同震、震后和震间3种效应下的库仑应力，且包含历史地震空区，未来地震活动危险性较高。
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2. College of Science, Southern University of Science and Technology, 1088 Xueyuan Road, Shenzhen 518055, China;
3. Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy, Ministry of Education, Wuhan University, 129 Luoyu Road, Wuhan 430079, China