地球物理学报  2015, Vol. 58 Issue (2): 463-473   PDF    
2008年和2014年于田地震对周边断层发震概率的影响
刘博研1, 史保平2, 雷建设1    
1. 中国地震局地壳应力研究所(地壳动力学重点实验室), 北京 100085;
2. 中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049
摘要:大震后区域静态库仑应力变化直接影响地震活动性速率的变化、主震断层外余震和即将失稳断层的发震概率的变化.利用滑移速率和状态相依赖的摩擦定律,结合2008年3月21日于田地震前后的地震活动性水平,定量计算了2008年于田地震后该地区周边断层发震概率的变化,着重解释了2014年于田地震发震的可能根源.此外,本文还对库仑应力明显变化的周边三条断层进行了发震概率的定量计算.贡嘎错断裂中段、贡嘎错断裂西南段和康西瓦断裂中段分别经历了发震概率先降后升、先升后升和先降后降两个阶段,充分显示了库仑应力的细微变化造成的周边断层的危险性的变化.这三条断裂发生7.0级以上地震的发震概率超越95%均需要500年左右;贡嘎错断裂西南段发生中强地震的可能性较大,而康西瓦断裂中段活跃度较低.
关键词滑移速率和状态相依赖的摩擦定律     发震概率     库仑应力变化    
Effects of the 2008 and 2014 Yutian earthquake on seismic probabilities of adjacent faults
LIU Bo-Yan1, SHI Bao-Ping2, LEI Jian-She1    
1. Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China;
2. College of Earth Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Static stress changes are used to explain variations of seismicity rates, off-fault aftershocks and probability changes for the occurrence of impending earthquakes. Based on the rate- and state- dependent frictional law, combined with the seismicity analysis before and after the 2008 Yutian earthquake, we quantitatively calculate the probability of earthquake occurrences near the main fault, and explain the probable causes for the 2014 Yutian earthquake.
The rate- and state- dependent frictional law characterizes variety of materials over a wide range of sliding conditions. This formulation gives a unified representation of diverse sliding phenomena. Earthquake clustering arises from sensitivity of nucleation times to the stress changes. The model provides the characteristic aftershock decay law and interpretation to aftershock parameters. We use this seismicity formulation to predict large changes of earthquake probabilities based on the stress changes. Firstly, we calculate the aftershock duration and seismicity rate after the main shock. Secondly, to illustrate the corresponding sensitivity in the probability of earthquakes to stress history, we use a Poisson model of earthquake occurrence for the probability of one or more earthquakes in a time interval.
We have computed the earthquake probabilities of southwest and central segments of the Gonggacuo fault, and the central segments of Kengxiwar fault, where the Coulomb stress also changed after the 2008 Yutian earthquake. The earthquake probabilities of the central segments of Gonggacuo and Kengxiwar faults decreased after the 2008 Yutian earthquake, while that of southwest segments of Gonggacuo fault increased. After the 2014 Yutian earthquake, the earthquake probabilities of the southwest and central segments of the Gonggacuo fault increased, but the central segments of Kengxiwar fault decreased. This result indicates that slight variations in Coulomb stress changes can cause the seismic risk to change on the faults. It needs about 500 years that the probabilities of occurrence an M7.0 earthquake exceed to 95% of the three faults mentioned above. The destructive earthquakes are likely to occur in the southwest segments of the Gonggacuo fault, while the seismic risk of the central segments of the Kengxiwar fault is low.
Key words: Rate- and state- dependent frictional law     Earthquake probability     Coulomb stress change    
1 引言

前人对于动态和静态应力变化的研究表明,同震过程导致了断层间的相互作用和地震的触发.静态库仑应力变化常常被用于解释区域地震活动性速 率的变化(Reasenberg and Simpson,1992; Simpson and Reasenberg,1994; Toda et al.,1998; Harris and Simpson,1998)、 主震断层外余震的发生(Rybicki,1973; Das and Scholz,1981; Stein et al.,19921994; Dieterich,19721994; Dieterich and Kilgore,1996; Gross and Kisslinger,1997; Gross and Bürgmann,1998)和即将失稳的断层地震发生概率的变化(Toda et al.,1998);而动态模型被用来研究由动态应力变化引起的断层间相互作用和地震的触发(Harris and Day,1993; Gomberg et al.,19971998).1992 年美国L and ers地震为我们提供了一些小范围内断层相互作用和远距离地震活动性触发的实例.King等(1994)计算得到L and ers地震对后续M6.5 Big Bear地震产生的库仑破裂应力增量为0.2 MPa左右,认为是L and ers地震加速了Big Bear地震的发生.Spudich等(1995)还讨论了关于Big Bear余震是由1992年L and ers地震触发的问题,并指出不论用动态触发还是静态触发,都很难解释这3.5个小时的时间延迟.Gomberg等(1998)解释了摩擦失稳模型中近距离(静态和动态)触发和远距离(动态)触发的主要特征,并讨论了静态和动态加载是怎样改变了断层的失稳时间的.而Harris(1998)详细总结了应力触发、应力影区和其对地震危险性的影响.关于应力触发的相关研究受到了国内外学者的重视.特别是2013年芦山地震发生后,很多学者认为,此次地震与2008年汶川地震有密切关系(陈运泰等,2013; 单斌等,2013; 杜方等,2013; 雷兴林等,2013).Parsons等(2008)初步探讨了汶川地震产生的应力变化和对周围断层的影响.刘博研等(2013)定量计算了汶川地震后,雅安地区库仑应力变化导致的发震概率的增加.

芦山地震发生在汶川地震五年后,是汶川地震后发生在龙门山断裂带上最强的一次地震.该地震发生在龙门山断裂带的南端,在汶川地震发生时这一地段没有发生破裂滑动.与此相似的是,2008年3月21日6时33分02秒,在新疆于田、策勒与西藏交界的昆仑山阿什库勒火山南侧发生过一次MS7.3地震,该地震发生在距印度板块和欧亚板块碰撞带数百公里的青藏高原北缘,位于东北向的阿尔金断裂和东西向的普鲁断裂之间.在六年后,2014年2月12日17时19分,新疆和田地区于田县又发生了一次MS7.3级地震,震中位置为36.1°N,82.5°E,震源深度12 km.该次强地震位于阿尔金断裂带西端部马尾状分支断裂上,为带NE向左旋走滑的正断层地震(徐锡伟和于贵华,2014).两次地震的震中相距约120 km.青藏高原处在7至8级地震活动的丛集期,从1997年至今发生在中国大陆的强地震基本都分布在巴颜喀拉地块周缘边界上,但由于大地震的发生需要长时间的能量积累,不论是2001年11月14日昆仑山地震(MS8.1)、2008年3月21日于田地震(MS7.3)、2008年5月12日汶川地震(MS8.0),还是2010年4月21日玉树地震(MS7.1),尽管同在巴颜喀拉地块边界发生,但彼此距离都在600 km以上.然而,2013年在芦山发生的MS7.0地震和2014年MS7.3于田地震,都发生在5~6年前曾经发生过大地震的周边,这必将引起我们的重视.如果说芦山地震第一次提醒人们大地震过后周围断层的地震危险性并不仅仅由余震造成,那么2014年的于田地震则再一次为人们敲响了警钟.

2008年于田地震的发生必定带来了周边断层的库仑应力变化.究竟2008年于田地震与2014年于田地震有什么关系,是否是2008年的地震触发了2014年的于田地震?2014年于田地震后是否还会有类似的强地震在周围地区发生?这才是研究大震 后区域库仑应力变化的最主要目的和最核心的问题.

本文利用滑移速率和状态相依赖的摩擦定律(Dieterich,1994),结合2008年于田地震前后的地震活动性水平,深入阐述了2014年于田地震的静态应力触发过程,从地震发生概率的变化上理解2014年于田地震的发震根源,并计算周边断层经历两次于田地震后的发震概率变化,从而为区域地震活动性以及危险性评价提供重要的参考. 2 滑移速率和状态相依赖的摩擦定律

滑移速率和状态相依赖的摩擦本构关系为我们提供了一个对断层属性进行复杂的定量实验观测的基本框架(Gomberg et al.,1998; Dieterich,19791981; Ruina,1983).最简单的表述滑移速率和状 态相依赖的断层应力是由Ruina(1983)基于Dieterich(1994)的理论提出的.如果将其推广为多态变量(Rice and Gu,1983),可以写作:

其中,τ和σN分别为剪切应力和正应力,是滑移速率,θi是状态变量;参数μ0、A和Bi为通过实验得到的系数;具有星号的项为标准化常量(Kanamori and Brodsky,2004).假设断层的摩擦过程由一维弹簧-滑块模型描述(图 1),剪切摩擦应力τ=-k(δ-δ0),其中k为弹簧的有效弹性系数,δ和δ0分别为 滑动位移和初始滑动位移.若剪应力变化率为常数且不等于0,其加载过程由τ(t)=τ0+t描述,可得到滑动速率为(Kanamori and Brodsky,2004):

其中,0 为初始滑动速率,为模型参数(Dieterich,1994).当地震过程中断层突然失稳,由此可得到失稳时间tf

进一步,如果假设第n次子事件的失稳时间tf=nΔt,其中Δt是n-1次事件到n次事件的时间间隔,那么可以得到第n次子事件的滑动速率:

在初始时刻t0时由于主震使得周围断层突然有一个Δτ的应力加载,那么基于弹簧-滑块模型(图 1),有kδ00(t<t0)和kδ00+Δτ(t>t0).为保证在t=t0时滑动位移和滑动速率是连续的,有δ(t=t0-ε)=δ(t=t0+ε)和(t=t0+ε)=(t=t0-ε)exp,即滑动速率增加了exp倍. 此时失稳时间变为:

将公式(4)代入公式(5)可得地震(事件)次数:

此时,n和tf(n)都是离散变量.假设很多类型的地震是通过背景场地震活动性的扰动引起,而这个扰动又来自之前的地震造成的应力场状态的改变.将瞬态地震活动性速率R定义为R=dn/dtf(n),并把n和tf(n)都看作连续函数,当参考剪切应力变化率r与实际剪切应力变化率τ · 相等时,有

其中,r是在参考场或背景场下区域内剪切应力变化率r下的常数稳态背景地震活动性;ta为余震的持续时间,即余震地震活动性恢复到背景场的特征时间,与剪应力的加载速率相关,当ta时,公式(7)符合大森余震衰减定律,而t>ta时,地震活动性恢复到背景场r的水平.需要说明的是,公式(7)中,R和r都为震级M的函数.
图 1 弹簧-滑块模型示意图,接触面上的剪切应力为:τ=-k(δ-δ0)Fig. 1 Spring-slide block model. The shear stress on surface is: τ=-k(δ-δ0)

由于地震活动性与区域应力场有关,那么区域应力场的改变必将导致相应的地震危险性概率的变化.假定地震序列在t时间内,对震级M以上的发 震概率服从泊松模型(Dieterich and Kilgore,1996):

那么,利用公式(8)的概率分布,结合公式(7),可以计算在Δτ的应力扰动下造成大于M级地震的发震概率.

然而,类似于2013年芦山地震和2014年于田地震这种情况,即在大震后不久又发生大地震时,就不能单一地用公式(8)计算,因为第一次地震之后由于应力的调整,地震活动性会发生显著变化,所以,对于区域内多次地震的情况,应考虑发震概率的变化. 3 发震概率计算

新疆于田2008年3月21日7.3级地震位于西昆仑地震带康西瓦断裂、阿尔金地震带和东昆仑地震带可可西里断裂交汇区域,地质构造发育而复杂.震源断错类型以走滑型为主(高国英等,2005; 王盛泽和高国英,1992; 朱令人,2002).2008年于田7.3级地震震源区及其附近历史中强震主压应力轴方位以近NS向为主,震源区断错性质以走滑为主.昆仑山地震带和阿尔金地震带具备发生7级以上地震的构造条件,1900年以来先后发生了1924年民丰7.3级双震,1973年玛尼7.3级地震,1996年喀喇昆仑山7.1级地震,1997年玛尼7.5级地震,以及2001年昆仑山口西8.1级地震等5组7级以上地震(王琼等,2009).2008年于田7.3级地震后,至2013年11月,已有M>6.0的地震3个,M>5.0的地震23个,M>4.0的地震193个,M>3.0的地震383个(中国地震台网中心).图 2显示了2008年于田7.3级地震前(1970年1月1日至2008年3月20日)后(2008年3月21日至2013年11月30日)的地震分布以及M>3.0地震的年发生率.震后于田周边地区的应力状态发生了明显的变化(王琼等,2009; 万永革等,2010),从而导致了地震活动性分布的显著不同,并影响了未发震断层的发震概率.

图 2 2008年于田地震前(a)后(b)的M>3.0地震分布以及地震年发生率; 网格大小为0.02°×0.02°,右侧色标显示的年发生率为网格内M>3.0的年发生率.红色圆圈代表M>5.0的地震,黑色圆圈代表 3.0<M≤5.0的地震,灰白色实线代表 断层的位置Fig. 2 Seismicity rate before(a) and after(b)Yutian earthquake(M>3.0),represented by red(M>5.0) and black circles(3.0<M≤5.0); the seismicity on colorbar on the right is in the grid of 0.02°×0.02°. The gray line is the fault.
3.1 余震持续时间估算

Toda等(1998)在对1995年日本阪神地震余震的研究中,采用对数坐标线性拟合单位时间内余震个数随时间的变化关系,并以拟合线回到背景地震活动性所用时间作为余震持续时间.我们统计得到2008年于田地震后单位时间内(月)余震数目,并进行对数线性拟合,当余震发生率回归到背景场水平时则认为余震序列不再衰减,而回归所需时间则认为是余震序列持续时间.考虑到早期背景场地震数据中小震数目不足以及中小震数据严重缺失,我们选取从1987年开始的M>3.0和M>4.0地震数据进行分析.从1987年1月1日到2008年3月20日,共发生M>3.0地震311次,M>4.0地震195次,背景场M>3.0地震月发生率为1.22个,M>4.0地震月发生率为0.76个.

图 3中圆圈是中国地震台网中心的地震目录统计得到的2008年于田地震后的地震月发生率,实线是用对数线性拟合得到的地震月发生率,虚线为背景场地震月发生率,实线与虚线的交点横坐标即为地震月发生率回归到背景场所需要的时间,即余震序列持续时间.

图 3 2008年于田地震后单位时间内余震数目随时间衰减关系
(a)M>3.0,(b)M>4.0.圆圈是实际地震数据统计得到的地震月发生率,实线是用对数线性拟合得到的地震发生率,虚线为背景场地震月发生率.
Fig. 3 Estimation of the aftershock duration ta,defined as the time until the seismicity rate returns to the background rate before 2008 Yutian earthquake
The attenuation of earthquake rate by month for(a)M>3.0 and (b)M>4.0. The background rate of seismicity is shown as the dashed line. The circles represent the observed rate of earthquakes during the aftershock sequence.

图 3中可见,主震后地震发生率逐月衰减,拟合曲线与衰减趋势具有一定的符合度,基本反映出地震发生率的衰减趋势.M>3.0地震月发生率回归到背景场水平所需时间为15.2个月,M>4.0地震发生率回归到背景场水平所需时间为14.9个月,综合两者结果,用对数线性拟合得到的余震序列持续时间约为15个月左右. 3.2 康西瓦断裂东段的发震概率计算

阿尔金断裂带的滑动速率,由于它与青藏高原形成演化模型之间的密切关系而备受瞩目.王峰等(2004)通过对阿尔金断裂带西段的三个典型断错地貌点进行研究,得到了阿尔金断裂带西段的滑动速率为11.4±2.5 mm·a-1.2008年于田地震在地表破裂带测量到的最大左旋走滑位移Dm=1.8 m(徐锡伟等,2011),震源深度12 km(王凡等,2011),从而可以推断此处发生7级以上地震的复发周期 tr约为129~202年.假设断层半宽度a=10 km,那么应力降Δσ=2μDm/(3a)=3.6 MPa.假设区域内发 生7级以上的平均复发周期为160年,那么M>7.0的地震在该地区的年发生率根据背景场地震活动性速率公式r>M=N/Δt(其中N为发生 大于震级M的地震个数,Δt为时间间隔)可以求出:r<sub>>7.0=0.0056个/年,设A=0.01,σN=10 MPa(Dieterich and Kilgore,1996),余震持续时间ta=15个月,在不同应力扰动的情况下,根据公式(6)和(7)计算10年内发生大于设定震级M7.0的概率如图 4所示.从图 4中可见,大应力扰动可导致地震发生率的快速上升,因此受到大应力扰动的地区地震发生的时间会大幅提前,黑色实线为应力扰动造成的发震概率上限.根据万永革等(2010)对2008年于田地震主断层周围库仑破裂应力变化的研究结果,康西瓦断裂东段库仑破裂应力增加了约0.8 MPa,而2014年于田地震的发震断层恰为阿尔金断裂带西端部马尾状分支断裂康西瓦断裂东段上.假设区域内各条断层7.0级以上地震的复发周期相同,那么各条断层从某一时刻开始的发震概率变化也相同.根据图 5中黑色和红色曲线,受到2008年于田地震的影响,康西瓦断裂东段在2014年发生7.0级以上的概率从3.3%增加到5.83%,康西瓦断裂东段6.5级以上的发震概率从23.9%增加到38.6%,6.0级以上的发震概率从42.0%增加到62.3%.

图 4 在不同应力扰动下,10年内发生大于设定震级M7.0的概率变化Fig. 4 The probability of earthquake occurrence of M>7.0 of different shear stress disturbance in 10 years

图 5 康西瓦断裂东段50年内发生大于 不同设定震级的概率变化
横坐标是从2008年于田地震开始计算,所以三条浅蓝色竖线分别代表2014年、2024年和2034年. 黑色曲线代表2008年于田 地震库仑应力变化后的发震概率,红色曲线代表无应力扰动下 的发震概率,蓝色曲线代表2014年发震后的发震概率.
Fig. 5 The probability of earthquake occurrence of Kengxiwar fault in 50 years
The X-coordinate is the time from 2008 Yutian earthquake. The light blue vertical lines point out the year of 2014,2024 and 2034. The black curves are the probability of earthquake after the stress perturbations in 2008; the red curves are the probability of earthquake without any perturbations; the blue curves are the probability of earthquake after 2014.

如果2014年康西瓦断裂未发生地震,那么10年后(到2024年)康西瓦断裂东段发生6.0级以上、6.5级以上和7.0级以上地震的概率分别应为84.8%、61.0%和11%,如图 5蓝色曲线所示;由于康西瓦断裂东段在2014年发生失稳,所以断层又重新进入了下一个孕震阶段,6.0级以上、6.5级以上和7.0级以上地震的发震概率迅速减小,而后随时间推延又逐渐增长,到2024年,康西瓦断裂东段的发震概率增加到了63.9%、39.9%和6.09%.同样,20年后(到2034年)康西瓦断裂东段的发震概率也分别从93.9%、75.3%和15.8%变化到85.5%、61.9%和11.2%.从图 5中不难看出,无论是2008年于田地震导致的康西瓦断裂东段的发震概率增加还是2014年康西瓦断裂东段的失稳导致的未来几十年的发震概率的减小,6.0级以上和6.5级以上的发震概率的变化都比7.0级以上的变化显著.而在未来20年以后,6.5级以上的地震发震概率在2008年和2014年震前震后的差别比6.0级以上的地震更加显著.7.0级以上地震的发震概率在2014年震后以近似线性方式增长. 3.3 周边断层发震概率计算

事实上,2008年于田地震之后不仅康西瓦断裂 东段的库仑应力增加,其周边的断层也有库仑应力的明显变化(万永革等,2010),库仑应力在贡嘎错断裂的西南段(GGS)和东北段(GGN)、康西瓦断裂西段(KXW)、普鲁断裂西段(PLW)、龙木错—邦达 错西段(LBW)、阿尔金断裂(ATF)和西昆仑山前逆冲断裂(WKS)的增加分别达6.9×104 Pa、 4.4×103 Pa、2.8×103 Pa、2.3×104 Pa、 5.7×103 Pa、1.6×103 Pa和1.1×103 Pa,而在贡嘎错断裂中段(GGC)、康西瓦断裂中段(KXC)、龙木错—邦达错东段(LBE)、普鲁断裂中段(PLC)和喀喇昆仑北段(KKN)断层上的库仑破裂应力减小分别达3.9×105 Pa、5.8×105 Pa、1.5×104 Pa、1.5×104 Pa和1.1×103 Pa,断层位置如图 6所示(万永革等,2010).对于这些断层而言,除了受2008年于田地震的库仑应力影响外,在2014年于田地震发生后,还会受到库仑应力变化的再次影响.中国地震局地震预测研究所给出了2014年2月12日新疆于田地震震源和库仑应力触发初步研究结果:贡嘎错断裂中段(GGC)和西南段(GGS)受到了小于0.6 MPa的库仑应力增加,贡嘎错断裂北段(GGN)和阿尔金断裂(ATF)受到了约 0.01 MPa的库仑应力增加,康西瓦断裂中段(KXC)受到了小于0.6 MPa的库仑应力减少.上述五条断层在两次于田地震后的库仑应力变化见表 1.

图 6 新疆于田地区主要断裂分布
黑线为该区域的主要活动断层,断层名以缩写表示.
Fig. 6 Regional fault map in Yutian area
Black lines are the major active faults with the name described by abbreviations.

表 1 五条断层库仑应力变化 Table 1 The Coulomb stress change of the five faults

由于贡嘎错断裂北段(GGN)和阿尔金断裂(ATF)距离较远,受到这两次于田地震的库仑应力变化不大,在此不予讨论,下面对贡嘎错断裂中段(GGC)、南段(GGS)和康西瓦断裂中段(KXC)受到两次应力扰动后的发震概率变化进行分析.

贡嘎错断裂中段(GGC)在2008年于田地震后,库仑应力减小了0.39 MPa,使得发震概率增幅 大幅度减缓,发生7.0级以上地震的概率为0.14%,发生6.5级以上地震的概率下降到1.14%,发生6.0级以上地震的概率下降到2.28%(见图 7);直到2014年于田再次地震后,该断层受到小于0.6 MPa的库仑应力增加,发震概率增幅加速,未来50年的发震概率由表 2给出.值得注意的是,表 2图 7中给出的是按照0.6 MPa库仑应力增加计算的值,所以应该为该断层未来50年的发震概率上限.受到两次于田地震的影响,贡嘎错断裂中段(GGC)7.0级以上震级的发震概率超越95%需要530年;6.5级以上震级的发震概率超越95%需要62年,而6.0级以上震级的发震概率超越95%只需要约29年,见图 7.

图 7 贡嘎错断裂中段(GGC)在2008年于田地震后50年内发生大于不同设定震级的概率变化
黑色曲线代表经历了两次于田地震库仑应力变化的发震概率,红色曲线代表无应力扰动下的发震概率. 黑色竖线指示贡嘎错断裂中段(GGC)2014年于田地震发震时,不同设定震级的发震 概率变化.
Fig. 7 The probability of earthquake occurrence of the central segment of Gonggacuo fault(GGC)in 50 years after 2008 Yutian earthquake
The black curves are the probabilities of earthquake with the stress perturbations in 2008 and 2014,while the red curves are the probability of earthquake without any perturbations. The black vertical line points out the earthquake probability change when the M7.3 Yutian earthquake happened on Feb 12th,2014.

表 2 2014年于田地震后贡嘎错断裂中段(GGC)发生中强地震的概率 Table 2 The earthquake probability of the central segment of Gonggacuo fault(GGC)in 50 years after 2014 Yutian earthquake

2008年于田地震后,在贡嘎错断裂西南段(GGS)库仑应力增加了0.069 MPa,使得发震概率 增幅加快,发生7.0级以上地震的概率增加到4.60%,发生6.5级和6.0级以上地震的概率分别增加到31.78%和53.47%(图 8);2014年于田再次地震后,该断层又受到小于0.6 MPa的库仑应力增加,发震概率增幅突然加速,未来50年的发震概率由表 3给出.同样,表 3图 8中给出的是按照0.6 MPa库仑应力增加计算的值,所以也应该为该断层未来50年的发震概率上限.受到两次于田地震的影响,若今后周边无库仑应力扰动,贡嘎错断裂西南段(GGS)7.0级、6.5级和6.0级地震的发震概率超越95%分别需要494年、26年和0.8年,见图 8.

图 8图 7,但为贡嘎错断裂西南段(GGS)在2008年 于田地震后50年内发生大于不同设定震级的概率变化Fig. 8 Same as Fig. 7,but for the probability of earthquake occurrence of the southwest segment of Gonggacuo fault(GGS)in 50 years after 2008 Yutian earthquake

表 3 2014年于田地震后贡嘎错断裂西南段(GGS)发生中强地震的概率 Table 3 The earthquake probability of the southwest segment of Gonggacuo fault(GGS)in 50 years after 2014 Yutian earthquake

2008年于田地震后,在康西瓦断裂中段(KXC)库仑应力降低了0.58 MPa,使得发震概率增幅几乎停滞,发生7.0级以上地震的概率降低到0.02%,发生6.5级以上地震的概率下降到0.18%,发生6.0级以上地震的概率下降到0.35%(见图 9);2014年于田再次地震后,该断层又受到小于0.6 MPa的库仑应力下降,发震概率增幅继续减缓,未来50年的发震概率由表 4给出.表 4图 9中给出的是按照0.6 MPa库仑应力降低计算的值,所以也应该为该断层未来50年的发震概率下限.受到两次于田地震的影响,若之后周边无库仑应力扰动,康西瓦断裂中段(KXC)相当不活跃,7.0级、6.5级和6.0级地震的发震概率超越95%分别需要556年、87年和54年,见图 9.

图 9图 7,但为康西瓦断裂中段(KXC)在2008年于田 地震后50年内发生大于不同设定震级的概率变化Fig. 9 Same as Fig. 7,but for the probability of earthquake occurrence of the central segment of Kengxiwar fault(KXC)in 50 years after 2008 Yutian earthquake

表 4 2014年于田地震后康西瓦断裂中段(KXC)发生中强地震的概率 Table 4 The earthquake probability of the central segment of Kengxiwar fault(KXC)in 50 years after 2014 Yutian earthquake
4 讨论与结论

芦山M7.0强地震的发生重新引起了对汶川地震的热议,而2014年MS7.3于田地震再一次为我们敲响了警钟.大震后周围应力场变化导致的区域地震活动性的重新估计成为了震后库仑应力计算的重要方面.本文利用滑移速率和状态相依赖的摩擦定律(Dieterich,1994),结合2008年于田地震前后的地震活动性水平,从地震发生概率的变化上解释了2014年于田地震的发震根源.康西瓦断裂东段在2014年发生7.0级以上的概率从3.3%增加到5.83%.康西瓦断裂东段受到2008年于田地震主断层库仑破裂应力变化的影响,6.5级以上震级的发震概率从23.9%增加到38.6%,6.0级以上震级的发震概率从42.0%增加到62.3%.而后,又对2014年康西瓦断裂进行未发震假设,对10年后(到2024年)和20年后(到2034年)康西瓦断裂东段发生6.0级以上、6.5级以上和7.0级以上地震的概率与其在2014年失稳后的概率进行比较,发现无论是2008年于田地震导致的康西瓦断裂东段的发震概率增加还是2014年康西瓦断裂东段的失稳导致的未来几十年的发震概率的减小,6.0级以上和6.5级以上的发震概率的变化都比7.0级以上的变化显著.而在未来20年以后,6.5级以上的地震发震概率在2008年和2014年震前震后的差别比6.0级以上的地震的更加显著.

此外,本文对周边受到两次于田地震影响较大的三条断层也进行了发震概率的计算.经历了两次于田地震的区域库仑应力状态变化,贡嘎错断裂中段(GGC)、贡嘎错断裂西南段(GGS)和康西瓦断裂中段(KXC)分别经历了发震概率先降后升、先升后升和先降后降两个阶段,充分显示了库仑应力的细微变化造成的周边断层的危险性的变化.这三条断裂发生7.0级以上地震的发震概率超越95%均需要500年左右;贡嘎错断裂西南段(GGS)发生中强地震的可能性较大,6.5级和6.0级地震的发震概率超越95%分别需要26年和0.8年;而康西瓦断裂中段(KXC)活跃度较低,6.5级和6.0级地震的发震概率超越95%分别需要87年和54年.

然而,在计算过程中,存在很多不确定性.首先,参数的选取可能带来一定误差,比如A取0.01,σN取10 MPa(Dieterich and Kilgore,1996)等,与实际不完全一致;其次,库仑应力状态的计算过程依赖模型的选取,本文仅选用万永革等(2010)和中国地震局地震预测研究所的结果进行计算也会带来一定的误差;第三,地震目录特别是小震目录的缺失使得对背景场地震活动性的估计不够准确,从而影响余震持续时间的估计;此外,在本文对库仑应力的计算过程中未考虑数十年的较大时间尺度内介质黏弹效应的影响,这对于库仑应力的估计也会有一定的影响.所以,应用条件概率模型会更具可靠性.但是由于缺乏发震断层的滑移历史、发震的准周期以及上次地震至今的时间,条件概率模型在目前的研究中,尤其对我国西南地区来讲,仍然难以应用.

参考文献
[1] Chen Y T, Yang Z X, Zhang Y, et al. 2013. From 2008 Wenchuan earthquake to 2013 Lushan earthquake. . Scientia Sinica Terrae (in Chinese), 43(6): 1064-1072.
[2] Das S, Scholz C H. 1981. Theory of time-dependent rupture in the Earth. J. Geophys. Res., 86(B7): 6039-6051.
[3] Dieterich J H. 1972. Time-dependent friction as a possible mechanism for aftershocks. J. Geophys. Res., 77(20): 3771-3781.
[4] Dieterich J H. 1979. Modeling of rock friction: 1. Experimental results and constitutive equations. J. Geophys. Res., 84(B5): 2161-2168.
[5] Dieterich J H. 1981. Constitutive properties of faults with simulated gouge. // Carter N L, Friedman M, Logan J M eds. Mechanical Behavior of Crustal Rocks: The Handin Volume. Geophysical Monograph Series, Volume 24. Washington D. C.: AGU, 103-120.
[6] Dieterich J H. 1994. A constitutive law for rate of earthquake production and its application to earthquake clustering. J. Geophys. Res., 99(B2): 2601-2618.
[7] Dieterich J H, Kilgore B D. 1996. Implications of fault constitutive properties for earthquake prediction. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 93(9): 3787-3794.
[8] Du F, Long F, Ruan X, et al. 2013. The M7.0 Lushan earthquake and the relationship with the M8.0 Wenchuan earthquake in Sichuan, China. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 56(5): 1772-1783, doi: 10.6038/cjg20130535.
[9] Gao G Y, Wen H P, Nie X H. 2005. Analysis of focal- mechanism solution of moderately strong earthquakes in Xinjiang from 1991 to 2002. Earthquake (in Chinese), 25(1): 81-87.
[10] Gomberg J, Blampied M L, Beeler N M. 1997. Transient triggering of near and distant earthquakes. Bull. Seismol. Soc. Am., 87(2): 294-309.
[11] Gomberg J, Beeler N M, Blampied M L, et al. 1998. Earthquake triggering by transient and static deformations. J. Geophys. Res., 103(B10): 24411-24426.
[12] Gross S, Kisslinger C. 1997. Estimating tectonic stress rate and state with Landers aftershocks. J. Geophys. Res., 102(B4): 7603-7612.
[13] Gross S, Bürgmann R. 1998. Rate and state of background stress estimated from the aftershocks of the 1989 Loma Prieta, California, earthquake. J. Geophys. Res., 103(B3): 4915-4927.
[14] Harris R A, Day S M. 1993. Dynamics of fault interaction: Parallel strike-slip fault. J. Geophys. Res., 98(B3): 4461-4472.
[15] Harris R A. 1998. Introduction to special section: Stress triggers, stress shadows, and implications for seismic hazard. J. Geophys. Res., 103(B10): 24347-24358.
[16] Harris R A, Simpson R W. 1998. Suppression of large earthquakes by stress shadows: a comparison of Coulomb and rate- and -state failure. J. Geophys. Res., 103(B10): 24439-24451.
[17] Kanamori H, Brodsky E E. 2004. The physics of earthquakes. Rep. Prog. Phys., 67(8): 1429-1496.
[18] King G C P, Stein R S, Lin J. 1994. Static stress changes and the triggering of earthquakes. Bull. Seismol. Soc. Am., 84(3): 935-953.
[19] Lei X L, Ma S L, Su J R, et al. 2013. Inelastic triggering of the 2013 Mw6.6 Lushan earthquake by the 2008 Mw7.9 Wenchuan earthquake. Seismology and Geology (in Chinese), 35(2): 411-422.
[20] Liu B Y, Shi B P, Lei J S. 2013. Effect of Wenchuan earthquake on probabilities of earthquake occurrence of Lushan and surrounding faults. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 35(5): 642-651.
[21] Parsons T, Ji C, Kirby E. 2008. Stress changes from the 2008 Wenchuan earthquake and increased hazard in the Sichuan basin. Nature, 454(7203): 509-510.
[22] Reasenberg P A, Simpson R W. 1992. Response of regional seismicity to the static stress change produced by the Loma Prieta earthquake. Science, 255(5052): 1687-1690.
[23] Rice J R, Gu J C. 1983. Earthquake aftereffects and triggered seismic phenomena. Pure Appl. Geophys., 121(2): 187-219.
[24] Ruina A L. 1983. Slip instability and state variable friction laws. J. Geophys. Res., 88(B12): 10359-10370.
[25] Rybicki K. 1973. Analysis of aftershocks on the basis of dislocation theory. Phys. Earth Planet. Inter., 7(4): 409-422.
[26] Shan B, Xiong X, Zheng Y, et al. 2013. Stress changes on major faults caused by 2013 Lushan earthquake, and its relationship with 2008 Wenchuan earthquake. Science China: Earth Sciences (in Chinese), 43(6): 1002-1009.
[27] Simpson R W, Reasenberg P A. 1994. Earthquake-induced static stress changes on central California faults. U. S. Geol. Surv. Prof. Pap., 1550-F: F55-F89.
[28] Spudich P, Steck L K, Hellweg M, et al. 1995. Transient stresses at Parkfield, California, produced by the M7.4 Landers earthquake of June 28, 1992: Observations from UPSAR dense seismograph array. J. Geophys. Res., 100(B1): 675-690.
[29] Stein R S, King G C P, Lin J. 1992. Change in failure stress on the southern San Andreas fault system caused by the 1992 magnitude=7.4 Landers earthquake. Science, 258(5086): 1328-1332.
[30] Stein R S, King G C P, Lin J. 1994. Stress triggering of the 1994 M=6.7 Northridge, California, earthquake by its predecessors. Science, 265(5177): 1432-1435.
[31] Toda S, Stein R S, Reasenberg P A, et al. 1998. Stress transferred by the 1995 MW=6.9 Kobe, Japan, shock: Effect on aftershocks and future earthquakes probabilities. J. Geophys. Res., 103(B10): 24543-24565.
[32] Wan Y G, Shen Z K, Sheng S Z, et al. 2010. The mechanical effects of the 2008 MS7.3 Yutian, Xinjiang earthquake on the neighboring faults and its tectonic origin of normal faulting mechanism. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 53(2): 280-289, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.02.006.
[33] Wang F, Xu X W, Zheng R Z, et al. 2004. Late quaternary slip- rate on the Altun fault west to the Qarqan river. Seismology and Geology (in Chinese), 26(2): 200-208.
[34] Wang F, Chen W T, Wang M, et al. 2011. Coseismic and postseismic deformation of MS7.3 Yutian earthquake derived from GPS data. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 54(9): 2250-2255, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.09.007.
[35] Wang Q, Nie X H, Wen H P. 2009. Preliminary research on the characteristics of regional seismic activity and stress state before the 2008 MS7.3 earthquake in Yutian, Xinjiang of China. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 31(3): 235-244.
[36] Wang S Z, Gao G Y. 1992. The regional characteristics of tectonic stress field in Xinjiang and its neighboring areas. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 14(S): 612-620.
[37] Xu X W, Tan X B, Wu G D, et al. 2011. Surface rupture features of the 2008 Yutian MS7.3 earthquake and its tectonic nature. Seismology and Geology (in Chinese), 33(2): 462-471.
[38] Xu X W, Yu G H. 2014. Earthquakes structural map of M7.3 in Yutian County, Hotan Prefecture, Xinjiang Uygur Autonomous Region (latitude 36.1°, longitude 82.5°) (in Chinese). http://www.eq-igl.ac.cn.
[39] Zhu L R. 2002. Xinjiang Annals (Volumes 11, Earthquake) (in Chinese). Urumqi: Xinjiang People's Publishing House.
[40] 陈运泰, 杨智娴, 张勇等. 2013. 从汶川地震到芦山地震. 中国科学: 地球科学, 43(6): 1064-1072.
[41] 杜方, 龙锋, 阮祥等. 2013. 四川芦山7.0级地震及其与汶川8.0级地震的关系. 地球物理学报, 56(5): 1772-1783, doi: 10.6038/cjg20130535.
[42] 高国英, 温和平, 聂晓红. 2005. 1991—2002年新疆中强震震源机制解分析. 地震, 25(1): 81-87.
[43] 雷兴林, 马胜利, 苏金蓉等. 2013. 汶川地震后中下地壳及上地幔的粘弹性效应引起的应力变化与芦山地震的发生机制. 地震地质, 35(2): 411-422.
[44] 刘博研, 史保平, 雷建设. 2013. 汶川地震对芦山地震及周边断层发震概率的影响. 地震学报, 35(5): 642-651.
[45] 单斌, 熊熊, 郑勇等. 2013. 2013年芦山地震导致的周边断层应力变化及其与2008年汶川地震的关系. 中国科学: 地球科学, 43(6): 1002-1009.
[46] 万永革, 沈正康, 盛书中等. 2010. 2008年新疆于田7.3级地震对周围断层的影响及其正断层机制的区域构造解释. 地球物理学报, 53(2): 280-289, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.02.006.
[47] 王峰, 徐锡伟, 郑荣章等. 2004. 阿尔金断裂带西段车尔臣河以西晚第四纪以来的滑动速率研究. 地震地质, 26(2): 200-208.
[48] 王凡, 陈为涛, 王敏等. 2011. 利用GPS观测资料分析2008年于田Ms7.3地震的同震位移及震后形变. 地球物理学报, 54(9):2250-2255, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.09.007.
[49] 王琼, 聂晓红, 温和平. 2009. 2008年新疆于田Ms7.3地震前区域地震活动和应力状态特征初步研究. 地震学报, 31(3): 235-244.
[50] 王盛泽, 高国英. 1992. 新疆及其邻近地区现代构造应力场的区域特征. 地震学报, 14(增刊): 612-620.
[51] 徐锡伟, 谭锡斌, 吴国栋等. 2011. 2008年于田Ms7.3地震地表破裂带特征及其构造属性讨论. 地震地质, 33(2): 462-471.
[52] 徐锡伟, 于贵华. 2014. 新疆维吾尔自治区和田地区于田县(北纬36.1°, 东经82.5°)7.3级地震发震构造图. http://www.eq-igl.ac.cn [2014-02-16].
[53] 朱令人. 2002. 新疆通志(十一卷, 地震志). 乌鲁木齐: 新疆人民出版社.