地球物理学报  2018, Vol. 61 Issue (5): 2133-2151   PDF    
2017年九寨沟地震所受历史地震黏弹性库仑应力作用及其后续对周边断层地震危险性的影响
程佳1, 姚生海2, 刘杰1, 姚琪1, 宫会玲3, 龙海云1     
1. 中国地震台网中心, 北京 100045;
2. 青海省地震局, 西宁 810010;
3. 广东省地震局, 广州 510070
摘要:首先对2017年九寨沟MS7.0地震周边断裂活动和历史地震特征进行了阐述;然后利用黏弹性地壳模型,计算了1933年叠溪地震、1976年松潘震群和2008年汶川地震对2017年九寨沟地震的同震和震后库仑应力作用.该结果显示1933年叠溪地震对九寨沟地震具有延缓作用,而1976年松潘震群和2008年汶川地震对九寨沟地震的黏弹性库仑应力作用为正;随着下地壳和上地幔黏弹性物质的持续作用,前述几次地震总的黏弹性库仑应力在九寨沟地震破裂中心点处负的库仑应力逐渐减弱,而在破裂北段这些库仑应力逐渐转为正值,并促进了九寨沟地震的发生.本文也计算了九寨沟地震后对周边断层的库仑影响,并将此影响值转换为对断层能量积累的影响时间上,结果显示塔藏断裂带西段和中段在内的多条断裂带受到黏弹性库仑应力影响时间值超过10年.将库仑应力影响时间值加入到部分已知离逝时间的断层段上,也得到了这些断层段的未来30年特征地震发生概率.最终结果认为玛沁断裂带、玛曲断裂带、哈南—稻畦子断裂中段和西段等断层段的强震危险性需要重点关注.
关键词: 2017年九寨沟7.0级地震      东昆仑断裂带尾端      黏弹性库仑应力作用      地震矩积累率      强震危险性概率     
Visoelastic Coulomb stress of historical earthquakes on the 2017 Jiuzhaigou earthquake and the subsequent influence on the seismic hazards of adjacent faults
CHENG Jia1, YAO ShengHai2, LIU Jie1, YAO Qi1, Gong HuiLin3, LONG HaiYun1     
1. China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China;
2. Qinghai Earthquake Agency, Xining 810010, China;
3. Guangdong Earthquake Agency, Guangzhou 510070, China
Abstract: The MS7.0 Jiuzhaigou earthquake in 2017 occurred in a complex tectonic region where the eastern Kunlun fault meets the Longmenshan fault. To study the interactions among the Jiuzhaigou earthquake and historical events in adjacent areas, we first present the slip features of the regional faults and historical records of major earthquakes. Then using the viscoelastic crustal model and historical rupture data, we calculate the coseismic and viscoelastic Coulomb stress changes (ΔCFS) on the seismogenic fault of the Jiuzhaigou earthquake from the MS7.5 Diexi earthquake in 1933, the triplet events in 1976 with two MS7.2 and one MS6.7 earthquakes, and the MS8.0 Wenchuan earthquake in 2008. The results show that the Diexi earthquake in 1933 had negative coseismic effect on the moment accumulation of the Jiuzhaigou earthquake in 2017, while the triplet events in 1976 and the Wenchuan earthquake in 2008 gave the positive coseismic effects. With the continuous viscoelastic effects induced by the lower crust and upper mantle, at the center of the seismogenic fault of the Jiuzhaigou earthquake, the negative ΔCFS has tapered gradually; while at the north end, the ΔCFS has changed from negative to positive, which might have promoted the occurrence of the Jiuzhaigou earthquake in 2017. To analyze the seismic hazard of the nearby active faults after the Jiuzhaigou earthquake, we calculate the ΔCFS on these faults induced by all the earthquakes aforementioned, including the Jiuzhaigou earthquake. Then we transfer the calculated ΔCFS value to the influenced time of the characteristic earthquake energy accumulation for each fault segment based on the known slip rate. In our results, the ΔCFS values on several fault segments, including the western and the middle segments of the Tazang fault, are equivalent to more than 10 years of influence time on seismic moment accumulation. Adding this influence time to the elapsed time of the characteristic earthquakes on these segments, we obtain the conditional probabilities of the characteristic earthquakes in the next 30 years. Our results indicate that the seismic hazards on the following fault segments are high: the Maqên fault, Maqu fault, and the middle and western segments of the Hanan-Daoqizi fault.
Key words: MS7.0 Jiuzhaigou earthquake in 2017    Eastern Kunlun fault    Viscoelstic Coulomb stress    Seismic moment accumulation    Probability of seismic hazard    
0 引言

2017年8月8日21时19分, 在我国四川省九寨沟县发生了MS7.0地震.中国地震台网中心发布的震中位置为103.82°E, 33.20°N, 震源深度为20 km; 美国地质调查局(USGS)给出的震中位于103.855°E, 33.193°N, 面波震级为MS6.8, 矩震级为MW6.5, 震源深度为9 km; 全球地震矩张量解(Global CMT)给出的震级为MW6.5, 节面Ⅰ走向242°, 倾角77°, 滑动角-168°; 节面Ⅱ走向150°, 倾角78°, 滑动角-13°; 震源深度为14.9 km, 标量地震矩为7.62×1018 N·m(http://www.globalcmt.org).余震重新定位结果显示其余震分布呈现NNW向(房立华等, 2017), 近似与虎牙断裂走向一致(图 1).由于余震分布迹线与之前的中国活动断层图的所有断裂并不吻合(徐锡伟等, 2016), 且此次地震尚未有官方资料给出地表破裂形迹, 因此九寨沟7.0级地震是一条盲断层的破裂.这与小震重新定位得到余震在浅部分布较少的结果相吻合(Han et al., 2018).从余震重新定位给出的断层形迹看, 该发震断层与中国活动断层图(徐锡伟等, 2016)中虎牙断裂的延伸线吻合度较高, 同时也只与塔藏断裂相距7 km.在虎牙断裂与塔藏断裂的交会区发生, 并与这两个断裂滑动性质近似的地震, 必然会对周边断层的应力进行调整.本次地震邻近区域内也曾发生过多次7级以上地震, 其中包括了2008年汶川MS8.0地震、1933年叠溪MS7.5地震和1976年松潘震群(MS7.2、MS6.7、MS7.2).强震的发生必然会引起区域应力场的局部扰动, 从而会触发周边断层上的中强地震或者影响这些断层上的地震危险性.在2008年汶川MS8.0地震发生后, Toda等(2008)计算了汶川地震对周边断层的静态库仑应力影响; 在计算过程中, 接收断层的滑动习性使用了对区域主要断裂滑动特征进行平滑插值得到的参数; 其结果显示汶川地震对塔藏断裂和虎牙断裂交会区地震危险性的增强作用明显, 并根据这一增强作用预测了该区域地震活动性速率的增量分布.此次九寨沟MS7.0地震也印证了库仑应力计算结果在地震中长期预测中的有效性.同样黏弹性的下地壳和上地幔弛豫形变也会对周边断层进行持续作用, 并使得库仑应力作用在广度和强度上得到更大程度地增强(沈正康等, 2003; 万永革等, 2007, 2008; 程佳等, 2011; 单斌等, 2013Freed and Lin, 1998).2017年九寨沟地震发生后,单斌等(2017)使用了黏弹性库仑应力计算了2008年汶川地震同震和震后对九寨沟震源处的作用,以及九寨沟地震的库仑应力对余震的控制作用,并没有考虑周边其他强震的作用; 其中发生在岷江断裂带和虎牙断裂带的1933年叠溪MS7.5地震和1976年松潘震群对此次九寨沟MS7.0地震的影响也不可忽略.汪建军和许才军(2017)的同震和黏弹性库仑应力模型中则主要加入了我国地震目录中1536年以来的强震目录,计算这些地震对九寨沟地震的作用,并探讨了2017年九寨沟地震后周边断层的危险性; 由于我国地震目录在1900年之前来源于烈度记录,一方面这些地震的破裂面存在着很大的不确定性,另一方面地震目录在1900年之前并不完整,尤其对于位于龙门山以西地区的强震目录存在着很大的缺失;这两个方面会使得计算结果存在着很大的不确定性,以及因为过分强调部分已知地震的作用而产生的偏向性.徐晶等(2017)则主要强调了1976年松潘地震和2008年汶川地震对九寨沟地震的作用,以及后续周边断层的危险性.因此在2017年九寨沟地震是否增强了周边断层的地震危险性需要进一步评估的问题上, 周边断层的滑动习性也需要更准确的活动断层数据加入到计算中,而如何将这一库仑应力计算结果应用到地震危险性概率分布上更是需要阐述的问题.

图 1 2017年九寨沟7.0级地震周边活动断裂与历史地震分布图 断层数据来源于徐锡伟等(2016);余震分布来源于房立华等(2017);1976年松潘地震等历史地震的震源机制参数来源于阚荣举等(1977)鄢家全等(1979)许忠淮等(1989)Jones等(1984);其中:XSH-F, 鲜水河断裂; LRB-F, 龙日坝断裂; EK-F, 东昆仑断裂; TZ-F, 塔藏断裂; BLJ-F, 白龙江断裂; GGS-F, 光盖山断裂; LD-F, 临潭—宕昌断裂; WQL-F, 西秦岭断裂; MJ-F, 岷江断裂; XSLZ-F, 雪山梁子断裂; HY-F, 虎牙断裂; LMS-F, 龙门山断裂. Fig. 1 Active faults and historical earthquake near to the Jiuzhaigou earthquake in 2017 Fault lines are from Xu et al.(2016).Aftershock data are from Fang et al.(2017).The focal mechanisms of the historical earthquakes are from Kan et al.(1977), Yan et al.(1979), Jones et al.(1984) and Xu et al.(1989).XSH-F, Xianshiuhe fault; LRB-F, Longriba fault; EK-F, Eastern Kunlun fault; TZ-F, Tazang fault; BLJ-F, Bailongjiang fault; GGS-F, Guanggaishan fault; LD-F, Lintan-Dangchang fault; WQL-F, West Qinling fault; MJ-F, Minjiang fault; XSLZ-F, Xueshanliangzi fault; HY-F, Huya fault; LMS-F, Longmenshan fault.

基于上述科学问题, 本文拟采用黏弹性下地壳模型计算1933年叠溪地震、1976年松潘震群(MS7.2、MS6.7、MS7.2)以及2008年汶川MS8.0地震对2017年九寨沟地震的库仑应力作用, 并分析其随时间的变化特征; 然后估算上述地震对周边断层的影响, 并将库仑应力影响值加入到部分具有历史地震和古地震记录的断层段离逝时间中, 根据离逝时间和复发间隔等给出这些断层段的未来30年概率预测值, 最后综合计算结果讨论这一区域各断层段的地震危险性.

1 岷江隆起区及其周边主要断裂活动特征

2017年九寨沟MS7.0级震中位于青藏高原北部巴颜喀拉块体的东北角, 距离2008年汶川地震发震断层垂直距离约为140 km(图 1).巴颜喀拉块体在向东运动过程中与华南地块在龙门山断裂带处发生碰撞; 龙门山断裂带有逆冲兼具右旋走滑活动特征.自1997年玛尼地震以来, 我国大陆7级地震主要发生在巴颜喀拉块体周缘断裂上, 其中包括了2001年昆仑山口西8.1级地震和2008年汶川8.0级地震(邓起东等, 2010; 闻学泽等, 2011; 程佳等, 2012).在青藏高原中部地壳挤出作用下, 巴颜喀拉块体呈现整体性的向东挤出作用(Hubbard and Shaw, 2009; Xu et al., 2009); 其北边界东昆仑断裂带走滑速率从库赛湖段(昆仑山口西8.1级地震破裂段)的11 mm·a-1, 向东逐渐降低至塔藏断裂带附近的 < 1 mm·a-1(Kirby et al., 2007), 并将这一走滑速率转换到多条NW向的逆冲断层上(Chen et al., 1994; Kirby et al., 2007; VanDer Woerd et al., 2002); 而在库赛湖到塔藏断裂之间的左旋走滑速率则被多条次NW向断裂所吸收(李陈侠等, 2016), 其中包括了九寨沟地震附近的岷江断裂、虎牙断裂等.龙门山断裂是巴颜喀拉块体与华南块体之间的挤压断裂, 其挤压速率和右旋走滑速率分别为1.5~2 mm·a-1和~1.1 mm·a-1(马保起等, 2005).2008年汶川8.0级地震发生在龙门山断裂中段和东段.龙门山断裂中段在MS8.0汶川地震中主要表现为逆冲作用, 而其东段以右侧走滑作用为主(Xu et al., 2009).中段和东段的分界点接近于虎牙断裂南端(Yu et al., 2010; 徐锡伟等, 2010)(图 1).

在东昆仑断裂带东端的左旋走滑和龙门山断裂右旋走滑的共同作用下, 九寨沟7.0级地震所在的区域内形成了岷山隆起(邓起东等, 1994; Chen et al., 1994), 隆起主要由岷江断裂、虎牙断裂所围限(图 1).塔藏断裂、岷江断裂、虎牙断裂等也构成了东昆仑断裂带东端扫帚型的构造体系; 本次九寨沟7.0级地震就发生在此构造体系中, 东昆仑断裂带的左旋走滑速率在其发震断层上得到有效分布.

岷江断裂为岷山隆起的西边界断裂, 北接塔藏断裂, 向南一直延伸到距龙门山断裂不远处, 其第四纪以来左旋走滑和逆冲速率均约为0.37~0.53 mm·a-1(周荣军等, 2006).Chen等(1994)认为岷江断裂带可从其与雪山梁子断裂相接处分为南、北两段; 南段大致倾向西, 倾角为60°~80°; 北段又可分为两小段, 较北的小段倾向东, 倾角为60°~70°, 较南的小段倾向西或北西, 倾角为55°~80°.对于1933年叠溪7.5级地震的发震构造, 唐荣昌等(1981)黄祖智等(2002)认为该地震发生在一条NW走向的断裂上; 王康和沈正康(2011)根据当时全球181个台站的地震波数据重新定位后认为其震中(31.9°N, 103.6°E)与岷江断裂带南段吻合程度更高; 而根据13个台站给出的P波初动结果认为1933年叠溪地震为左旋走滑性质; 这与Chen等(1994)根据地质调查推测1933年叠溪7.5级地震位于岷江断裂带南段的结论也较为一致.

虎牙断裂是岷山隆起的东边界断裂带(Chen et al., 1994), 虎牙断裂第四纪以来左旋走滑和晚更新世以来逆冲速率分别为1.4 mm·a-1和0.3 mm·a-1(周荣军等, 2006).Chen等(1994)认为虎牙断裂在石炭纪-晚三叠纪中期为同沉积正断层, 在三叠纪晚期印支运动后转变为逆冲和左旋走滑断裂.虎牙断裂北段以左旋走滑为主, 且很可能在雪山断裂以北继续延伸.徐锡伟等(2017)根据烈度破坏情况以及余震分布等资料认为2017年九寨沟地震发震断层就是虎牙断裂北段延伸段.

塔藏断裂位于东昆仑断裂带东段, 与玛曲段左阶相连, 总体走向NW, 全长约140 km.该段位于目前我国中长期地震预测重点监测的“甘青川交界强震空区”内(闻学泽等, 2011).塔藏断裂可根据断裂走向分为罗叉段(西段)、塔藏段(中段)和马家磨段(东段)(付国超等, 2017).西段以走滑运动为主, 倾向SW, 倾角大致为70°, 全新世以来左旋走滑速率为2.9±0.7 mm·a-1; 中段则以逆冲为主, 倾向SW, 倾角大致为70°, 从西向东全新世逆冲速率在1~1.5 mm·a-1与0.3 mm·a-1之间(Ren et al., 2013a).马家磨段断层面倾向NE, 倾角40°~65°, 呈左旋走滑兼逆冲运动的特征(付国超等, 2017).

另外, 位于区域内的1879年武都8.0级地震也是本文需要讨论的问题.这次地震的发震断层, 是NEE向哈南—稻畦子断裂带(侯康明等, 2005), 还是范家坝—临江断裂(冯希杰等, 2005), 目前尚存在争论.哈南—稻畦子断裂带具有左旋走滑兼倾滑活动的特征, 该地震所形成极震区长度为70 km, 野外调查显示1879年的地震破裂了3条平行断层, 总计长度为190 km(侯康明等, 2005).根据Cheng等(2017)给出的MSMW间统计关系, MS8.0地震的矩震级约为7.9, 这样190 km的破裂长度与Wells和Coppersmith(1994)给出的MW7.9震级走滑型地震破裂长度也吻合.从冯希杰等(2005)的研究结果看, 范家坝—临江断裂仅以有限的早期卫星影像资料作为依据, 存在着很大的不确定性.

从余震重新定位和震源机制可以看出, 九寨沟MS7.0地震破裂了NNW向的左旋走滑断层.地震的发生使得对该区域的构造和地震活动增加了新的认识.区域内自1900年以来发生了1933年叠溪7.5级和1976年松潘震群等强震; 1933年叠溪7.5级地震破裂为岷江断裂带南段(王康和沈正康, 2011); 松潘震群发生在虎牙断裂上, 其前、后两次MS7.2以走滑为主, 而中间MS6.7为逆冲型地震(Jones et al., 1984).九寨沟地震与此前这几次地震的相互作用,以及汶川地震对这次地震的影响值得深入研究.

基于上述认识, 本文在表 1中列出了主要历史破裂参数.其中1933年叠溪7.5级地震结果主要通过走滑型地震破裂长度与统计关系(Wells and Coppersmith, 1994)估计给出, 破裂宽度设为平均发震层深度20 km(Scholz, 2002).九寨沟地震的破裂长度和宽度主要由余震重新定位数据给出, 其中长度约为30 km, 宽度为18 km(房立华等, 2017).

表 1 历史地震破裂参数表 Table 1 Rupture parameters of historical earthquakes

本文计算黏弹性库仑应力过程中使用了Wang等(2006)给出的黏弹性应力应变程序PSGRN/PSCMP.对于计算小尺度的黏弹性应力变化, 该模型具有计算快的特点, 同时还考虑了地球重力对形变场的影响.在区域地壳模型中, 本文选取了沈正康等(2003)程佳等(2011)在研究东昆仑断裂带强震之间黏弹性触发关系使用的地壳结构模型(表 2).地壳结构模型来自于沿东昆仑破裂带人工地震剖面(花石峡—阿克塞剖面)的速度结构(周民都等, 1997).利用公式(1)可给出了断层所受到的库仑应力变化量(ΔCFS), μ′可取为0.4.

表 2 本研究所用的地壳与上地幔模型参数 Table 2 Parameters of the crust and upper mantle

(1)

其中τ′为滑动方向的剪应力, σn为滑动面上所受的正应力, 正应力以拉张为正.

2 历史地震对2017年九寨沟地震的作用

利用上述地壳模型和地震破裂参数, 本文计算了1933年叠溪7.5级地震、1976年松潘震群和2008年汶川8.0级地震对2017年九寨沟地震的静态和黏弹性库仑应力作用(图 2).此处选择了10 km处的库仑应力变化特征来显示, 深度与USGS和Global CMT目录分别给出的9 km和14.9 km的震源深度值结果符合.图 2a图 2b分别为汶川地震对九寨沟地震的同震和震后作用情况.从图中可以看出, 在汶川地震的库仑应力作用下, 九寨沟发震断层上ΔCFS从同震到震后逐渐增强, ΔCFS在本次余震区附近的正影区也在逐渐增大; 震中附近(103.82°E, 33.2°N)的同震ΔCFS值约为0.012 MPa.结果与Toda等(2008)的结果吻合程度较高, 大于0.01 MPa触发中强地震的阈值(Freed and Lin, 1998).2008年汶川地震在九寨沟震中点处的ΔCFS值随着时间逐渐增大, 并在2017年8月8日地震前达到0.019 MPa; 结果显示随着地下黏弹性物质的持续作用, 九寨沟地震发震断层处受到的库仑应力作用持续增强, 这也有助于2017年九寨沟地震的发生.

图 2 2017年九寨沟MS7.0地震受到的库仑应力作用 (a) 2008年汶川MS8.0地震对九寨沟MS7.0地震的同震库仑应力作用; (b) 2008年汶川MS8.0地震在震前对九寨沟MS7.0地震在2017年的黏弹性库仑应力作用; (c) 1933年叠溪MS7.5地震、1976年松潘震群(MS7.2、MS6.7、MS7.2)和2008年汶川MS8.0地震在2017年对九寨沟MS7.0地震的同震库仑应力作用; (d) 1933年叠溪MS7.5地震、1976年松潘震群(MS7.2、MS6.7、MS7.2)和2008年汶川MS8.0地震在2017年对九寨沟MS7.0地震的黏弹性库仑应力作用. Fig. 2 The contour map of coulomb stress changes on the Jiuzhaigou earthquake in 2017 (a) Coseismic coulomb stress changes from the MS8.0 Wenchuan earthquake in 2008; (b) Viscoelastic coulomb stress changes from the MS8.0 Wenchuan earthquake in 2008 in 2017; (c) The total coseismic coulomb stress changes from the MS7.5 Diexi earthquake in 1933, the Songpan triplet events in 1976, and MS8.0 Wenchuan earthquake in 2008 in 2017; (d) The total viscoelstic coulomb stress changes from the MS7.5 Diexi earthquake in 1933, the Songpan triplet events in 1976, and MS8.0 Wenchuan earthquake in 2008 in 2017.

本文也计算了1933年叠溪7.5级地震, 1976年松潘7.2级、6.7级和7.2级地震和2008年汶川地震共同作用下九寨沟发震断层处的同震和震后应力变化(图 2c图 2d), 其中图 2c为同震库仑应力作用.1933年叠溪地震产生的库仑应力对九寨沟地震发震断层的地震矩积累具有减弱作用, 且两次地震的距离较近, 因此其对九寨沟地震的地震矩积累减弱作用在历史强震总的作用中占据优势地位;在下地壳和地幔软弱层持续作用下, 前几次历史强震的黏弹性库仑应力在九寨沟地震发震断层的北段逐渐由负转正, 使得九寨沟发震断层北段的地震矩积累持续增加(图 2d); 其中主要来自于1976年松潘震群和2008年汶川8.0级地震的作用.

图 3给出了震中位置和破裂北端点在1933年叠溪地震以来所受库仑应力随时间的变化特征.其中图 3a为震中处(103.82°E, 33.20°N)ΔCFS的变化特征.此时叠溪地震对九寨沟震中的同震ΔCFS值约为-0.057 MPa.随后黏弹性ΔCFS负值逐渐增大, 在1943年左右负值达到最大.时间也与该模型的10年的弛豫时间(2η/G)相吻合.其后该负值逐渐减小, 在1976年松潘地震前达到-0.058 MPa.在2008年汶川地震时该值为-0.055 MPa.在2017年九寨沟地震前该值为-0.054 MPa.1976年松潘震群对九寨沟震中处的同震ΔCFS值为正; 其中8月16日MS7.2地震、8月22日MS6.7地震、8月22日MS7.2地震在九寨沟震中处的ΔCFS值分别为0.016 MPa、-0.0003 MPa和0.002 MPa, 三者之和为0.017 MPa.这些数值随着时间也逐渐增强, 在2017年九寨沟地震前上述三次地震在九寨沟震中处黏弹性ΔCFS值分别为0.022 MPa、-0.0003 MPa和0.004 MPa.2008年汶川地震对2017年九寨沟震中处同震ΔCFS值为正, 为0.012 MPa; 在2017年九寨沟地震前黏弹性ΔCFS值为0.019 MPa.

图 3 (a) 2017年九寨沟MS7.0震中受到黏弹性ΔCFS随时间的变化特征; (b) 2017年九寨沟MS7.0破裂北端点受到黏弹性ΔCFS随时间的变化特征 Fig. 3 (a) The viscoelastic Coulomb stress changes at the middle point of the seismogenic fault of the Jiuzhaigou earthquake in 2017; (b) The viscoelastic Coulomb stress changes at the north endpoint of the seismogenic fault of the Jiuzhaigou earthquake in 2017

图 3b则为根据余震分布北端点(103.74°E, 33.35°N)处的库仑应力变化情况.与震中点不同, 1933年叠溪地震对北端点的同震ΔCFS为负值, 约为-0.009 MPa.其后该负值逐渐减弱; 在1976年松潘地震前该值转为正值, 为0.002 MPa, 其中8月16日MS7.2地震、8月22日MS6.7地震、8月23日MS7.2地震在九寨沟破裂北端点处同震ΔCFS值分别为0.006 MPa、-0.0002 MPa、0.001 MPa; 而在2017年九寨沟地震前这三次地震的黏弹性ΔCFS值分别为0.009 MPa、-0.0004 MPa、0.003 MPa.

从上述计算结果看, 2017年九寨沟地震受到的来自于1933年叠溪地震、1976年松潘震群作用(8月16日MS7.2地震、8月22日MS6.7地震、8月23日MS7.2地震)和2008年汶川地震的库仑应力作用均不可忽视.在震中位置处, 1933年叠溪地震对九寨沟地震的发生有延缓作用; 而1976年松潘震群和2008年汶川地震则有促进作用.在九寨沟地震发震断层的北部, 1933年叠溪地震对九寨沟地震发震断层的同震ΔCFS值为负; 地震发生后黏弹性ΔCFS值逐渐转为正值, 也为九寨沟地震的发生提供了促进作用; 这一作用过程在同震库仑应力计算中很难得到.2008年汶川地震的发生明显也促使了九寨沟地震的发生.从图 1给出的历史地震分布看, 在2017年九寨沟地震与1976年8月16日MS7.2地震之间区域内曾发生过1974年1月15日MS5.7地震、1974年11月16日MS5.7地震和1973年8月11日MS6.5地震, 并不存在具有发生7.0级以上强震的破裂空段.

3 九寨沟7级地震后东昆仑断裂带东端周边断层的发震趋势

本文也计算了2017年九寨沟地震后, 在1933年叠溪地震、1976年松潘震群、2008年汶川地震和2017年九寨沟地震共同作用下, 周边断层受到的黏弹性库仑应力作用.其中主要断层滑动习性见表 2.断裂破裂参数主要来源于参考文献给出的断裂参数, 滑动角则根据断层滑动特征的近似结果给出.

图 4a以塔藏断裂西段(TZ1)接收断层为例, 展示历史地震在黏弹性下地壳作用下对各断层段应力积累的影响.在历史地震作用下, 塔藏断裂西段(TZ1)受到历史地震的ΔCFS值为0.054 MPa, 其中来自于1933年叠溪地震、1976年松潘震群、2008年汶川地震的黏弹性库仑应力作用分别为0.028 MPa、0.016 MPa、0.003MPa, 而受到2017年九寨沟同震ΔCFS值为0.007 MPa.其他各断层分段的库仑应力值见表 3图 4b.

图 4 (a) 1933年叠溪地震、1976年松潘震群、2008年汶川地震、2017年九寨沟地震对塔藏断裂北段的黏弹性库仑应力作用; 其中白色粗线为历史地震发震断层, 黑色粗线为接收断层; (b) 2017年九寨沟地震周边断层所受黏弹性库仑应力影响值分布图, 红色断裂所受历史地震库仑应力为正值, 蓝色断裂所受库仑应力为负值 Fig. 4 (a) Calculated viscoelastic coulomb stress changes on the northern segment of Tazang fault from the historical earthquakes including the Diexi earthquake in 1933, the triplet events in 1976, the Wenchuan earthquake in 2008, and the Jiuzhaigou earthquake in 2017.White lines are the rupture planes of the historical earthquakes, while the black coarse line is the received fault; (b) Calculated viscoelastic coulomb stress changes of the Diexi earthquake in 1933, the triplet events in 1976, the Wenchuan earthquake in 2008, and the Jiuzhaigou earthquake in 2017 on the regional faults
表 3 接收断层滑动参数表 Table 3 Parameters of the received faults

图 4b为东昆仑断裂带东部地区的各条断裂所受历史地震的黏弹性ΔCFS值, 其中东昆仑断裂带玛沁段(Maqên)、玛曲段(MQ)、塔藏断裂西段和中段均处于库仑应力高值区, 也与目前甘青川交界强震空区重合(闻学泽等, 2011), 因此危险性仍然在增强.为了将断层所受库仑应力转化到断层地震矩积累时间上,此处我们采取了近似的处理方法.对于地震而言,同震应力降积累可通过公式(2)(Knopoff, 1958)和公式(3)(Aki, 1966)得到, 同震应力降的积累则主要依赖于破裂的平均位移.如果近似认为断层的能量积累全部以强震来释放,那么同震应力降的积累率可以通过同震位错积累率(即滑动速率)(公式(4)和公式(5))计算,应力降的方向应该也与滑动速率的方向具有一致性;同样库仑应力给出的方向也与断层滑动速率的方向一致.假设断层滑动方向上受到的库仑应力全部转换到断层的应力降积累上,这样库仑应力就可以转换到影响时间上,而这些库仑应力计算的结果就可以加入到断层离逝时间,进行断层发震条件概率的计算.

(2)

(3)

则可以得到应力降积累率:

(4)

(5)

其中λμ分别为拉梅常数和刚度系数, D为平均错距, W为断层宽度, V为滑动速率, T为复发周期; 此处可假定μ=λ=4.0×1010 Pa, W=20 km.

在历史地震作用下, 岷江断裂带北段(MJ1)和中段(MJ2)位于雪山梁子断裂以北, 它们分别受到了0.012 MPa和0.14 MPa的应力; 周荣军等(2000)给出了该断裂晚第四纪以来右旋走滑速率和逆冲速率均为0.37~0.53 mm·a-1左右.如果按照逆冲型地震公式(3), 该断裂在滑动迹线上的滑动速率大致在0.64 mm·a-1, 可得到该断裂每年积累的应力值为0.001 MPa, 那么岷江断裂带北段和中段所受的ΔCFS值分别相当于12年和140年的应力增加值.岷江断裂带北段和中段的危险程度进一步增强, 而中段的地震危险性尤其需要得到重视.岷江断裂带南段(MJ3)在1933年叠溪地震中发生破裂, 其南段1(MJ31)受到了负的库仑应力作用, 其值为-0.114 MPa, 该段危险程度较低; 而南段2(MJ32)受到正的库仑应力作用, 其值为0.098 MPa, 该段如果在1933年没有发生破裂, 那么其危险程度较高.

2017年九寨沟地震发生在虎牙断裂带北侧的隐伏断层上, 根据房立华等(2018)给出的余震破裂分布, 在该断层与1976年松潘震群破裂的虎牙断裂带之间存在着约25 km的破裂空区.这段空区上分别在1973年8月11日MS6.5、1974年1月17日MS5.7、1974年11月17日MS5.7发生三次地震.已有的资料给出了这三次地震的破裂节面, 本文选取了1974年11月17日MS5.7的破裂参数(表 3), 因为这一参数与本次九寨沟地震破裂参数以及1976年8月16日松潘7.2级地震的结果较为接近.从计算结果看, 破裂空区在2017年九寨沟地震后受到历史地震的作用为-0.833 MPa, 在1933年叠溪地震后受到同震ΔCFS值为-0.084 MPa;如果该空区段滑动速率与目前所知虎牙断裂带大致为1.4 mm·a-1的左旋速率相同, 那么该空区段年累计应力值为0.0018 MPa, 1933年叠溪地震对该空区段的同震库仑应力减缓了该段大约47年的应力增量; 也即如果该空区段没有在1933年发生破裂, 最早应在1980年之后发生破裂,这就与1973年8月11日发生MS6.5地震的事实有矛盾; 考虑到该空区段位于东昆仑断裂带扫帚段处, 位置上更接近东昆仑断裂带, 其滑动速率应该大于下游虎牙断裂带1.4 mm·a-1的左旋滑动速率, 因此1933年叠溪地震对该空区段发震时间的影响时间应该小于47年.另外在虎牙断裂带南端未破裂的地方, 也是未来地震的高发区域, 该段的库仑应力增加值相当于60年的应力积累值.库仑应力在雪山梁子断裂(XS-F)东、西两段具有很大的差异性, 因此本文分别给出了这两段的不同值, 其中西段为正值0.184 MPa, 东段为负值3.597 MPa.

从最新一次古地震时间看, 玛沁段(Maqên)在公元1520—1592年发生过一次, 距今大致在500 a左右, 其历史复发间隔大致在600 a左右; 该段左旋滑动速率大致在7± 1 mm·a-1(李陈侠等, 2011), 玛沁断裂带的地震危险性在0.005 MPa的库仑应力作用下得到进一步增强.如果这一库仑应力值全部用于应力积累, 玛沁段年应力积累值可根据公式(2)得到为0.009 MPa, 相当于大致0.5年的应力积累.玛曲段(MQ-F)的最新一次古地震时间为1290±235年前, 古地震给出的复发间隔为1000 a, 其滑动速率大致为4.9±1.3 mm·a-1(李陈侠等, 2011), 年应力积累值为0.006 MPa; 玛曲西段(MQW)的库仑应力影响正值相当于2.5年应力积累值, 而东段(MQE)这一值约为4年; 玛曲段的地震危险性也相应增加.塔藏断裂带西段(TZ1)的滑动速率为2.3±0.93 mm·a-1(Ren et al., 2013b), 年应力积累值为0.003 MPa, 因此0.054 MPa的库仑应力影响正值大致相当于18年应力积累值.塔藏断裂带中段(TZ2)和东段(TZ3)的年应力积累值分别为0.002 MPa和0.0003 MPa; 库仑应力对塔藏断裂带中段的危险程度影响较大, 大致相当于50年的积累值, 该段危险程度在增强; 塔藏断裂带东段则有所缓解, 大致减少了300年的能量积累.

从上述结果看出玛曲断裂带自身危险性较高, 且受到约18年的历史地震正的库仑应力增加值, 其危险性进一步增强.塔藏断裂带中段塔藏段(TZ2)的危险性也进一步增强.塔藏断裂带东段(TZ3)的地震危险性则有所缓解.另外阿万仓断裂(AWC-F)第四纪左旋走滑速率为3 mm·a-1, 那么每年积累的应力值大致在0.004 MPa, 其地震矩积累延缓了0.75年.

龙日曲断裂带(LRQ-F)全新世右旋走滑速率大致在2.1 mm·a-1, 每年增加的应力积累量大致在0.0027 MPa.龙日曲断裂带增强区域主要为中段(LRQ1)和东段(LRQ2), 分别增加的库仑应力值为0.023 MPa和0.214 MPa, 对应于8.6年和80年的应力增加值.龙日曲断裂带北延段的应力减弱了0.019 MPa; 该段的全新世左旋走滑速率0.8 mm·a-1, 而挤压速率大致为0.3 mm·a-1; 右旋走滑相应地减少了19年的应力积累量.龙门山断裂带的中段(LMS2)和东段(LMS3)在2008年汶川地震时发生了地震破裂; 由于震级较小, 2017年九寨沟7.0级地震对这两段影响较小, 其中龙门山中段受到负的库仑应力作用, 而龙门山东段则受到0.0002 MPa的正库仑应力作用.龙门山断裂带西段在2013年4月20日发生了芦山7.0级地震, 但只破裂了龙门山断裂带西段近200 km中30 km的小段, 因此这一断裂段的危险性仍然存在, 且受到历史地震(主要为2008年汶川地震的作用)的正应力作用; 虽然发生了2013年芦山地震, 但这一地区的地震危险性仍然存在.抚边河断裂受到历史地震的负库仑应力作用, 其中南段(FBHS)和北段(FBHN)分别受到了0.104 MPa和0.026 MPa的库仑应力作用.其他地震断层段所受ΔCFS值见表 3.

4 历史地震对东昆仑断裂带东端周边断层的影响

为了得到直接能够说明危险程度的概率, 本文计算了断层段最大地震所需要的震级(MWMS)、平均位错(D), 并可根据平均位错和滑动速率给出未有古地震记录复发间隔断层段的相应值, 并最终给出具有离逝时间的断裂未来30年强震发生条件概率.其中在根据断层段长度和震级关系时使用了Wells和Coppersmith(1994)的统计关系式:

走滑型地震:

(6)

(7)

逆冲型地震:

(8)

(9)

标量地震矩M0

(10)

(11)

v为断层滑动速率; T为复发间隔; 此处μ为弹性层刚度系数, 取3×1010Pa.

由于在Wells和Coppersmith(1994)或者其他震级与破裂宽度统计公式中, 对破裂宽度统计的误差都较大, 本文使用了20 km作为近似的破裂宽度.对于破裂长度接近于20 km的断层段, 这一破裂长宽比近似于Brune(1970)给出的圆盘模型; 对于破裂长度远大于20 km的断层段, 则与发震层深度一致, 也与实际情况大致吻合.表 3给出了相应各断层段的破裂长度、破裂宽度与平均位错, 其中平均位错根据公式(10)计算得到, 并可根据断层滑动速率得到复发间隔(表 3).

通过上述转换, 本文将历史地震库仑应力影响值转换为地震矩积累的影响时间值(表 3).将这些断层段上相应影响时间值加入到离逝时间上, 可根据概率公式来计算这些断层上发生相应特征地震的危险性概率.在使用概率公式时, Petersen等(2007)在UCERF1.0中使用了对数正态分布而不是BPT模型, 并认为加州地震概率工作小组在2003年使用的BPT模型与对数正态分布相比, 除了超长离逝时间的情况, 两者之间在其他情况下并没有特别大的差别.因此本文使用了对数正态分布概率公式来计算这些断层段上发生概率, 其主要概率密度函数和概率累积函数分别为公式(12)和(13):

(12)

(13)

其中erf为误差函数:

(14)

其中t为离逝时间, T为平均复发间隔的中值; 变异系数σ反映了地震复发间隔的自然随机不确定性, 可以通过对大量归一化复发间隔数据的统计分析得到.此处我们使用了甘卫军等(1999)根据板内地震数据统计给出的μ=-0.025, σ=0.262.

根据上述公式以及条件概率公式, 未来Δt时间内发生特征强震的概率为

(15)

此处只对具有离逝时间的断层段, 计算了未来30年的发震概率, 主要结果见表 3图 4b.对于没有历史地震和古地震资料的断层段以及离逝时间与断层复发间隔相比太小的断层段, 本文没有去计算概率, 只给出相应的影响年度.在本文给出的未来30年发生特征地震的概率中, 哈南—稻畦子断裂西段(HD1, 特征地震MW6.53)为20.5%;哈南—稻畦子断裂中段(HD2, 特征震级MW6.81)为34.3%;哈南—稻畦子断裂东段(HD3, 特征震级MW6.69)为9.0%;毛尔盖断裂(MEG-F, 特征震级MW7.49)为1.6%;玛曲断裂西段(MQW, 特征震级MW7.12)为13.3%;玛曲断裂东段(MQE, 特征震级MW6.73)为13.3%;玛沁断裂(MQ-F, 特征震级MW7.65)为8.6%;阿万仓断裂(AWC-F, 特征震级MW7.61)为6.8%.

5 讨论和结论

(1) 2017年九寨沟7.0级地震发生在巴颜喀拉块体西南角, 其邻近区域不仅受到了来自东昆仑断裂带左旋走滑运动的影响, 也受到了由于龙门山断裂带和龙日坝断裂带的右旋作用的约束; 在这两种力的作用下, 这一地区构造复杂, 2017年九寨沟地震的发生表明这一地区地震危险性程度较高; 东昆仑断裂带尾端扫帚型各分支断裂均具有一定的滑动速率, 是未来地震发生的危险地段, 2008年汶川地震的发生使得这一地区的地震危险性进一步增加; 在黏弹性下地壳持续作用下, 库仑应力逐渐增强, 促进了2017年九寨沟7.0级地震的发生.

(2) 在计算库仑应力过程中,难免存在着各种误差,如断层破裂面参数误差、地壳结构参数误差、接收断层滑动参数误差、应力降和断层速度间关系与实际情况的误差、库仑应力是否全部转换为断层的应力降积累、断层速率与实际数据的误差等;这些误差使得任何计算结果与实际情况的差别都不可忽视.这些误差使得我们的计算结果存在着部分的不确定性,且库仑应力计算结果也很难在余震区之外短期内找到相应的证据证明数字的准确性,即便给出了断层上给点所受库仑应力值的范围,其上下限本身仍然存在着误差,因此本文只给出了在定性基础上的定量结果,而没有给出范围值.

(3) 在本文计算历史地震对2017年九寨沟地震的作用时, 仅计算了1933年叠溪地震、1976年松潘震群和2008年汶川地震的作用, 未对其他历史地震进行计算(如1879年武都地震).1879年武都地震破裂段的研究目前尚处于讨论阶段,其大致位于哈南—稻畦子断裂附近(冯希杰等, 2005; 侯康明等, 2005); Cheng等(2017)给出的中国大陆西部地区MW7.9(MS8.0)的完整性时间为1800年, MW6.7地震的完整性时间为1900年, 结果显示该区域在1900年之前可能还存在有一些大于MW6.7的地震未被记录, 这些地震也会对周边断层产生影响; 塔藏断裂西段的古地震开挖出的最新地震年龄为320±30~500±30 a, 也显示该地区可能500年内还存在未被记录的地震; 因此本文没有计算1900年之前的历史地震.

从库仑应力的计算结果看, 1933年叠溪地震对于2017年九寨沟地震的发震段库仑应力负作用明显, 但在包括1976年松潘震群和2008年汶川地震正的库仑应力作用下, 负作用在九寨沟地震破裂段中心点处逐渐减小, 而在北端点则转为正值.虽然计算结果可能受到地壳介质参数、震源模型等的影响, 但不会改变历史地震引起的黏弹性库仑应力作用在2017年九寨沟破裂段上逐渐从负转正的趋势.

在2017年九寨沟地震与1976年松潘震群破裂段(Jones et al., 1984)之间存在着约25 km的空段区, 该地区在1973年8月11日与1976年8月16日之间还发生过1次MS6.5和2次MS5.7地震.这些地震并没有与1976年8月16日的松潘MS7.2地震同时破裂, 也显示空段区可能较为破碎, 以6级地震活动为主.对于1973年8月11日MS6.5地震的震源机制解, 鄢家全等(1979)给出的节面Ⅰ为185/57/54, 节面Ⅱ为58/47/132;与许忠淮等(1989)在计算中国大陆应力场时给出的节面Ⅰ为326/84/10, 节面Ⅱ为235/80/174差距较大, 因此本文没有计算MS6.5地震所受到1933年叠溪地震的黏弹性库仑应力作用; 地震的能量积累在1973年8月11日地震发生前应该大于库仑应力作用可能的负影响值, 并引起后续的2次5级地震.

(4) 2017年九寨沟地震后, 历史地震对周边断层的库仑应力作用也影响到这些地震未来的地震发生趋势上.本文计算了周边断层所受的黏弹性库仑应力作用, 并将之转换为对地震矩积累的影响时间上.在转换过程中, 使用了滑动速率矢量计算地震矩积累率并与库仑应力影响值相比.地震矩积累率的方向为滑动速率方向, 而库仑应力的方向可能存在着由于正应力的影响而与破裂的剪应力不一致的特征; 因此地震矩累积率的方向与库仑应力方向或多或少存在着差距, 但总体而言仍是一种行之有效的衡量库仑应力影响断层地震矩积累的方法.从计算结果看, 黏弹性库仑应力影响地震矩积累时间较大的断层段有:塔藏断裂带西段(18年)和中段(50年), 虎牙南段(60年), 雪山梁子西段(361年), 岷江断裂带北段(12年)、中段(140年)、南段2(90年), 哈南—稻畦子断裂中段(25年)和东段(20年), 白龙江断裂带西段(5年), 郎木寺断裂(10年), 龙日坝断裂中段(8.6年)和东段(80年), 玛曲断裂带西段(2.4年)和东段(4.2年), 玛沁断裂(0.6年), 平武—青川断裂带东段(130年), 阳平关—勉县断裂西段(70年)和东段(28年),光盖山西段(7.3年),康县—勉略西段(1.2年)和东段(26年),临潭—宕昌断裂(4年),礼县—罗家堡断裂(18年), 两江—江洛北缘断裂西段(5.9年)和东段(5.5年),两江—江洛南缘断裂西段(6.3年)和东段(3.4年),抚边河断裂北段(16年)和南段(63年).

同时本文计算的周边断层未来30年特征地震的条件概率较高断裂有:玛沁断裂为8.6%;玛曲断裂西段和东段均为13.3%;雪山梁子断裂西段为15.5%;哈南—稻畦子断裂西段为20.5%;哈南—稻畦子断裂中段为34.3%;哈南—稻畦子断裂东段为9%;毛儿盖断裂为1.6%, 阿万仓断裂为6.8%.

上述这些库仑应力正影响值较高区域以及未来30年概率高值区的强震危险性均需要重点关注.其他受到库仑应力影响值较大的断层段虽然缺少最近发生强震的时间资料, 也可能是今后强震需要关注的区域.

致谢

中国地震局地球物理研究所吴忠良研究员、蒋长胜研究员、房立华研究员、韩立波副研究员在成文过程中提供了宝贵资料,特此感谢!感谢审稿专家在论文修改过程中提出的宝贵意见!

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