据中国地震台网测定, 2017年11月18日06时34分, 在西藏林芝市米林县(29.75°N, 95.02°E)发生6.9级地震, 震源深度约为10 km(http://www.cenc.ac.cn/cenc/dzxx/337142/index.html).两组震源机制断层面解分别为断层节面Ⅰ:走向=127°, 倾角=39°, 滑动角=92°; 断层节面Ⅱ:走向=304°, 倾角=51°, 滑动角=88°.根据余震定位结果(参考中国地震局地球物理研究所固定地震台网和流动地震台网资料), 该地震发震断层为NWW-SEE走向, 倾向北东, 初步判定节面Ⅱ为发震断层, 以逆冲型滑动为主(http://www.csi.ac.cn/manage/eqDown/05LargeEQ/201711180634M6.9/zonghe.html).

米林地震发生在印度板块与欧亚板块碰撞最强烈的前缘地区—喜马拉雅东构造结雅鲁藏布江大拐弯附近(图 1).东构造结变形显著(Tapponnier et al., 1982; Yin and Harrison, 2000).周边断裂相当发育, 主要有北西西向的怒江断裂、嘉黎断裂、阿帕龙断裂、北东-北东东向的米林断裂, 墨脱断裂、雅鲁藏布江断裂及活跃的主边界逆冲型断裂等(图 1), 且部分伴随较大的滑动速率(宋键等, 2011), 例如墨脱断裂显示出很大的左旋走滑速率, 约为50 mm·a^-1(西藏自治区科学技术委员会, 1988).东构造结地区地震活动强烈, 历史上曾发生过多次7级以上强震, 如1642年(具体日期不详)在米林地震东北100 km左右洛隆西北发生7.0级地震(国家地震局震害防御, 1995), 1947年7月29日在米林地震西南200 km左右发生了朗县东南7.7级地震(李保昆等, 2014).最为显著的是1950年察隅8.6级特大地震, 位于本次米林地震东南约220 km, 震中位置(28.4°N, 96.7°E).发震断裂为喜马拉雅主逆冲断裂(Chen and Molnar, 1977).由于地处偏远, 研究程度尚偏低, 到目前为止还没有发现1950年察隅大地震的地表破裂(刘静等, 2015).喜马拉雅主逆断裂(MHT)为一发育在中上地壳的滑脱面, 由断坡-断坪组成.地表出露的主前锋逆断裂(MFT)、主边界逆断裂(MBT)和主中央逆断裂(MCT)在地壳深部统一汇集于一个低角度逆冲断层或滑脱面(MHT)上(刘静等, 2015).该地震是20世纪我国大陆内部最大的地震, 震中烈度达到12度, 死亡近1500人, 造成了巨大破坏(Ben-Menahem et al., 1974).自1950年至今, 研究区并未再发生7级以上强震, 以中小地震为主(白玲等, 2017; Zhang et al., 2018), 中强地震也时有发生.

图 1

Fig. 1

图 1 研究区主要断裂和M≥5.0地震活动分布 NJF-怒江断裂带; JLF-嘉黎断裂; MLF-米林断裂; MTF-墨脱断裂; APLF-阿帕龙断裂; YLZBJF-雅鲁藏布江断裂; MBF-喜马拉雅南麓主边界断裂.红色实心圆为米林地震和察隅地震的震中位置, 标出了发震时间和震源机制解.地震目录资料来自《中国历史强震目录》(国家地震局震害防御, 1995), 《中国近代地震目录》(中国地震局震害防御司, 1999)和由中国地震台网中心提供的1991年1月1日至今的《中国大震速报目录》.黑色曲线为研究区现今主要活动断裂, 资料来自邓起东等(2002).右下角图中红色矩形框为研究区范围示意图. Fig. 1 Major active faults and distribution of M≥5.0 earthquakes in the study area NJF-Nujiang fault, JLF-Lhari fault, MLF-Mainling fault, MTF-Mêdog fault, APLF-Apalong fault, YLZBJF-Yarlung Zangbo fault, MBF-Main Boundary fault.Solid red circles indicate epicenters of Mainling earthquake and Zayu earthquake, focal mechanisms and origin times of the two events are marked in the figure.The Data refers to "The catalogue of Chinese historical strong earthquakes" (Department of Earthquake Disaster Prevention, State Seismological Bureau, 1995), "The catalogue of Chinese modern earthquakes" (Department of Earthquake Disaster Prevention, China Earthquake Administration, 1999) and "Fast Reports on Chinese Large Earthquakes" supplied by China Earthquake Networks Center.The black lines indicate the major active faults (Deng et al., 2002).The red box in the inset (bottom-right) indicates the target region.

近些年来, 用于研究断层间相互作用的库仑应力变化的概念发展起来并得到广泛应用(King et al., 1994; Harris and Simpson, 1998; Marsan, 2003; Ma et al., 2005; Toda et al., 2008), 岩浆等流体的侵入会引起断层有效摩擦系数的变化, 导致附近断层上应力的变化, 从而加快或延迟未来地震的发生(Thatcher and Savage, 1982; Hill et al., 2002).计算震后短时间内的区域应力场变化可用弾性模型来近似, 但实际上, 岩石圈下地壳和上地幔并非完全弹性, 而是黏弹性的.研究发现某些地震的触发作用不能完全用同震库仑应力变化加以解释, 例如, 1999年Hector Mine 7.1级地震发生在1992年Landers 7.3级地震7年后, 同震形变引起的库仑应力变化并不明显, 然而三维模型中黏弹性流动可以解释测地学给出的1992年Landers地震的水平和近垂直震后形变(Deng et al., 1998).这是因为, 地球介质具有流变性, 震后较长时间的黏滞松弛效应通过应力传递可以和同震效应共同作用于断层上的应力状态.因此研究震后的形变和应力场演化问题采用黏弹性模型与实际更符合.

1950年8.6级察隅地震, 虽然离现在67年之久, 但其震级强度之大, 势必对周围应力场造成一定影响, 其影响具体如何呢？米林6.9级地震的发生是否与其有一定关系？本文将根据反演得到的米林地震有限断层破裂模型和察隅地震平均位错模型, 基于分层黏弹性地球模型, 通过计算同震和震后形变和库仑应力变化, 来分析米林地震和察隅地震的关系, 及两次地震对周边区域的影响, 并讨论下地壳及地幔介质的黏滞系数和断层有效摩擦系数对计算库仑应力变化的影响.本研究将对认识该区域断层活动性和估计断裂带未来地震危险性具有重要科学意义, 对以后动力学模型建立选取更加符合实际的参数具有参考作用.

本研究主要基于库仑破裂准则(Jaeger and Cook, 1979), 其数学表达式为公式(1), 通过计算断层上库仑应力的变化量(公式(2))来讨论地震对周边活动断层的影响.

(1)

其中, CFS为库仑应力, τ为断层面上的剪应力, σ_n为断层面上的正应力, 拉伸为正, 压缩为负.μ为岩石摩擦系数, p为流体孔隙压力(Jaeger and Cook, 1979; Scholz, 2002).

静态库仑应力的变化的表达式为

(2)

其中, ΔCFS为库仑应力变化量, Δτ为断层面上的剪应力变化量, Δσ_n为断层面上的正应力变化量, 方向同上述的正应力方向的定义.计算得到的ΔCFS值为负时, 表示断层变得更稳定, 反之则断层趋于失稳.μ′为有效摩擦系数, 不同研究中取值有所不同, 一般为0.2~0.8之间, 本文对不同摩擦系数对计算结果的影响做了讨论.

本研究采用汪荣江研究员开发的PSGRN/PSCMP计算程序(Wang et al., 2006), 该程序基于分层、重力作用下的黏弹性地球模型可用来研究强震引起的同震及震后形变和应力场变化.

根据波速等物性参数不同, 岩石圈模型大体可分为四层, 分别为上地壳、中地壳、下地壳和地幔.青藏高原90°E以东部分弹性层厚度为30~50 km(Braitenberg et al., 2003; Jordan and Watts, 2005), 姜效典等(2014)对高精度布格重力异常约束下的三维空间域挠曲形变进行模拟, 结果显示青藏高原90°E以东, 岩石圈有效弹性厚度为35~45 km.本研究中岩石圈分层结构、介质的P波速度、S波速度和密度分布, 采用crust1.0在该地区的平均结果(图 2), 弹性层厚度约42 km, 与上述研究基本一致.本文采用Maxwell体流变模型来模拟下地壳和地幔在数十年至百年的黏弹性效应.青藏高原因为地壳厚温度高, 下地壳黏滞系数较低, 在10¹⁹~10²⁰ Pa·s范围(石耀霖和曹建玲, 2008), 本研究中取下地壳黏滞系数1.0×10²⁰ Pa·s, 地幔黏滞系数比下地壳高一个数量级, 为1.0×10²¹ Pa·s.为了估计模型参数对计算结果的影响, 采用另两组黏滞系数对参数敏感性做了分析讨论.研究选取地下10 km作为计算断层面上库仑应力变化的深度.

图 2

Fig. 2

图 2 岩石圈黏弹性分层结构及物性参数分布 其中, VP表示P波速度, VS表示S波速度, ρ为介质密度.ηUC、ηMC、ηLC和ηM分别表示上地壳、中地壳、下地壳和地幔的黏滞系数, 单位为Pa·s, 中上地壳近似为弹性体, 所以其值为无穷大.右侧两组黏滞系数用于检验参数对结果的影响, 详见后面讨论部分. Fig. 2 Viscoelastic stratified model of lithospere VP indicates the velocity of P wave, VS, the velocity of S wave, and ρ, the medium density.η indicates viscosity with unit of Pa·s.Subscripts UC, MC and LC indicate upper crust, middle crust and lower crust respectively.Viscosities of upper crust and middle crust are taken as infinity to approximate pure elastic behavior.Two additional groups of parameters which are taken for the purpose of comparison are listed on the right side of the graph.

2017年米林6.9级地震位错模型采用中国地震局地球物理研究所张旭博士提供的有限断层震源破裂模型(http://www.csi.ac.cn/manage/eqDown/05LargeEQ/201711180634M6.9/zonghe.html).如图 3所示, 断层尺度为55 km×45 km, 破裂面呈NWW-SEE向展布, 同震位错量最大约为0.3 m.

图 3

Fig. 3

图 3 米林地震震源破过程(http://www.csi.ac.cn/manage/eqDown/05LargeEQ/201711180634M6.9/zonghe.html) Fig. 3 Slip model of Mainling earthquake

1950年察隅8.6级地震, 由于当时监测技术和条件等有限, 很难获取准确的断层面解.Ben-Menahem等(1974)根据在美国加州、日本和挪威地震台记录到的远震面波和体波振幅、P波初动及其他地震波参数, 反演了察隅地震的破裂面几何尺度和震源机制, 结果为走向335°, 倾角58°, 滑动角176°, 破裂面积250 km×80 km, 平均位错达35 m, 是典型的右旋走滑破裂, 得到的结果及观测到的破裂现象与已知的震源区地质构造相符.Chen和Molnar(1977)研究认为, 除右旋走滑型机制外, 低角度北倾的逆冲断层同样可以很好地拟合所观测到的地震波形, 低倾角逆冲型的震源机制参数为倾角12°, 滑动角90°, 走向近东西向, 计算中取走向270°.李保昆等(2015)利用收集到的全球239个台站的P波资料, 重新进行定位, 震源机制解显示察隅地震主震走向为NWW方向303.20°, 倾角63.92°, 滑动角164.15°, 与Ben-Menahem等(1974)的结果基本一致.本文中取多数研究中认为的北北西走向的走滑型震源机制作为本研究的模型, 根据Ben-Menahem等(1974)的反演结果建立同震位错模型, 断层模型采用均匀位错的矩形面, 破裂长度250 km, 宽度80 km, 同震均匀位错35 m, 走滑分量为34.91 m, 上倾分量为2.44 m, 来计算察隅地震引起的形变和应力场变化.在“讨论”中针对不同震源机制解的影响进行了比较分析.

米林地震发生在米林断裂、墨脱断裂和嘉黎断裂的交汇地带.周围还分布有北西西向的怒江断裂、阿帕龙断裂、北东-北东东向的雅鲁藏布江断裂和喜马拉雅南麓主边界断裂等.通过计算在断裂带上引起的库仑应力变化来讨论强震对断裂带造成的影响, 须已知接收断层的参数, 周边主要活动断层滑动性质及参数如表 1所示.

表 1 Table 1

表 1 周边活动断层参数(宋键, 2010; 邵翠茹, 2009) Table 1 Surrounding fault settings (Song, 2010; Shao, 2009) 断层名称 走向(°) 倾角(°) 滑动角(°) 断层性质 米林断裂(MLF) 60 65 0 左旋走滑 嘉黎断裂(JLF) 320 70 55 左旋走滑兼逆冲 墨脱断裂(MTF) 45 60 0 左旋走滑 阿帕龙断裂(APLF) 300 30 135 右旋走滑兼逆冲 怒江断裂(NJF) 320 90 180 右旋走滑 喜马拉雅南麓主边界断裂(MBF) 45 85 90 逆冲 雅鲁藏布江断裂(YLZBJF) 60 90 180 右旋走滑

表 1 周边活动断层参数(宋键, 2010; 邵翠茹, 2009) Table 1 Surrounding fault settings (Song, 2010; Shao, 2009)

本文计算了1950年察隅8.6级地震破裂对周边活动断裂带和米林地震震源位置造成的同震库仑应力变化, 如图 4所示.从图中可以看出察隅地震对研究区域内各断层均造成了较大影响, 使米林地震震源位置处同震库仑应力增加0.04 MPa.具体来说, 使阿帕龙断裂得到卸载, 卸载量为0.1~1 MPa.整条米林断裂得到卸载, 卸载量超过0.1 MPa.嘉黎断裂和怒江断裂具有相似的库仑应力变化分段特征, 断裂中段卸载显著, 东段加载比较明显, 尤其嘉黎断裂东段库仑应力增加量超过1.0 MPa, 而西段受影响较小, 库仑应力变化绝对值不超过0.01 MPa.雅鲁藏布江库仑应力加载量超过0.01 MPa.因此, 察隅地震的发生, 使离震源较远的嘉黎断裂东段、怒江断裂东西两段和雅鲁藏布江断裂变得更加危险, 使离震源较近的怒江断裂中段、嘉黎断裂中段、墨脱断裂和阿帕龙断裂变得趋于安全.

图 4

Fig. 4

图 4 察隅地震对周边断裂带产生的同震库仑应力变化 库仑应力变化计算深度为10 km.接收断层参数如表 1所示.其中, 红色五角星为察隅地震震中位置, 黄色方格表示米林地震的震源位置, 方格和震源机制解的填充颜色表示察隅地震在米林地震震源位置引起的库仑应力变化值.断裂带名称同图 1. Fig. 4 Coseismic Coulomb stress changes on surrounding faults caused by Zayu earthquake Coseismic Coulomb stress changes are calculated at a depth of 10 km.The settings of surrounding faults are listed in Table 1.The red star and the yellow square locate the epicenter of Zayu earthquake and Mainling earthquake respectively.The beach ball shows mechanism of Mainling earthquake and its color indicates coseismic Coulomb stress changes caused by Zayu earthquake. Fault Labels are explained in Fig. 1.

地震发生后, 由于下地壳及地幔介质的流变性质, 使得震后较长时间的黏滞松弛效应通过应力传递可以和同震效应一起作用于断层, 使其应力状态发生改变.图 5给出了在下地壳及以下介质的黏弹松弛作用下, 察隅地震在2017年米林地震前、2025年和2050年对各断裂带和米林震源位置造成的库仑应力变化.2017年米林地震发生前, 米林地震震源处库仑应力变化累积量为0.011 MPa(达到强震触发域值0.01 MPa)(图 5a), 虽然同震库仑应力变化达到0.040 MPa, 但随震后形变, 库仑应力变化逐渐降低, 2025年库仑应力下降至同震时的约1/5, 为8.708 kPa(图 5b), 至2050年降为0.8598 kPa(图 5c).与同震影响(图 4)相比, 库仑应力变化在周边各活动断层上的整体正负分布并没有显著改变, 只是具体量值上的变化.

图 5

Fig. 5

图 5 察隅地震对周围断裂带造成的库仑应力变化(同震+震后) 库仑应力变化计算深度为10 km.由于同震阶变和震后黏滞松弛效应, 察隅地震在(a)2017年米林地震前、(b)2025年、(c)2050年各断裂带上引起的库仑应力变化.图中符号表示同图 4. Fig. 5 Coulomb stress changes caused by Zayu earthquake (Coseismic + Postseismic) Coulomb stress changes are calculated at a depth of 10km.Panels (a), (b), (c) show the Coulomb stress changes associated with Zayu earthquake just before Mainling earthquake, the year 2025 and 2050 respectively.The red star locates epicenter of Zayu earthquake while the yellow square locates the epicenter of Mainling earthquake.The beach ball shows mechanism of Mainling earthquake and its color indicates Coulomb stress changes caused by Zayu earthquake.Labels are explained in Fig. 4.

图 6给出了下地壳黏滞系数为1.0×10²⁰ Pa·s情况下, 察隅地震在米林地震震源位置引起的形变和库仑应力变化随时间的演化过程.红色曲线表明察隅地震发生后, 库仑应力在逐渐降低, 由同震时的40 kPa减小至米林地震发生前的11.15 kPa.引起的东西向水平形变最为显著, 西向位移达1.61~1.71 m, 北向位移0.75~0.82 m, 垂直形变为0.37~0.40 m.

图 6

Fig. 6

图 6 察隅地震在米林地震震源位置引起的形变和库仑应力变化(1950—2050年间) 库仑应力和形变计算深度为10 km.下地壳黏滞系数为1.0×1020Pa·s, 有效摩擦系数为0.4.Ux-南北方向位移, 向北为正; Uy-东西方向位移, 向东为正; Uz-Z垂向位移, 向下为正. Fig. 6 Displacements and Coulomb stress changes caused by Zayu earthquake at the location of Mainling earthquake (1950—2050) Coulomb stress changes are calculated at depth of 10 km.Viscosity of lower crust is 1.0×1020 Pa·s.Effective friction coefficient of the fault′s interface is 0.4.

青藏高原现今主要活动断裂带的应变率范围在1.0×10^-8~4.0×10^-8/a量级范围内(孙玉军等, 2017), 上地壳弹性模量为100 GPa左右, 由弹性假设则可以计算得到每年应力积累约为1~4 kPa.据此, 如果按照正常构造运动累积应力情况下, 察隅地震对米林地震的应力加载需要2.79~11.15年的时间来完成累积, 也就是说察隅地震可能使米林地震发生提前了2.79~11.15年.

本文基于米林地震有限断层破裂模型计算了米林地震的发生在周围断层上引起的同震库仑应力变化, 如图 7所示, 米林地震对震源附近的断层产生了一定影响, 但与图 4相比, 库仑应力变化量级明显减小.使离震中最近的米林断裂中段得到加载, 最大库仑应力变化加载量为0.27 MPa, 南北两段得到卸载, 库仑应力减小量在0.01~0.02 MPa范围, 因此, 该地震使米林断裂中段变得更加危险, 南北两段趋于安全.使附近的墨脱断裂和嘉黎断裂东段得到一定程度的卸载.与走滑型察隅地震相反, 米林地震使北西西走向的阿帕龙几乎整条断裂得到一定程度的加载, 但加载量小于1.0 kPa.离震源较远的喜马拉雅南麓主边界断裂、怒江断裂、雅鲁藏布江断裂, 嘉黎断裂东西两端, 因为距离震中较远, 影响范围有限, 库仑应力变化加卸载强度均不超过1.0 kPa.

图 7

Fig. 7

图 7 米林地震对周边断裂带造成的同震库仑应力变化 库仑应力计算深度为10 km.断裂带名称同图 1. Fig. 7 Coseismic Coulomb stress changes associated with Mainling earthquake on surrounding major faults Coseismic Coulomb stress changes are calculated at a depth of 10 km.The settings of surrounding faults are listed in table 1.The beach ball shows mechanism of Mainling earthquake. Fault labels are explained in Fig. 1.

前两节分别计算了察隅地震和米林地震对周围活动断裂带的影响, 本节将计算两者综合效应.图 8给出了由于米林地震同震和察隅地震共同作用下, 在米林地震震后(2017/11/18)各断裂带上的库仑应力变化分布.对比图 5a与图 7可以看出, 与察隅地震单震影响相比, 米林6.9级地震的发生并没有改变各断层上的库仑应力正负性质, 甚至数量级也没有发生改变, 只是数值上的扰动.两震综合作用下, 米林地震附近的米林断裂、墨脱断裂、阿帕龙断裂、嘉黎断裂中段、怒江断裂中段及主边界断裂北东段得到了很大的应力卸载, 量级一般超过1 MPa, 相应断层段变得趋于安全.而雅鲁藏布江断裂、嘉黎断层东段、怒江断裂的东西两段得到一定程度的加载, 嘉黎断裂东段加载最为严重, 超过1 MPa, 值得关注.

图 8

Fig. 8

图 8 米林地震后(2017/11/18)断层上的库仑应力变化分布(米林地震同震+察隅地震) 库仑应力计算深度为10 km.红色震源球为两次地震震源机制解.断裂带名称同图 1. Fig. 8 Coulomb stress changes just after Mainling earthquake (2017/11/18) on the major active faults caused by both of Zayu earthquake and Mainling earthquake Coulomb stress changes are calculated at a depth of 10 km.The beach balls show mechanisms of the two earthquakes.Fault labels are explained in Fig. 1.

由于模拟强震间相互作用及强震对周边断层地震活动性造成的影响时, 地球模型参数、接收断层参数及强震震源机制等存在一些不确定性.因此, 不仅要给出地震在断层上造成的库仑应力变化的数值, 更重要的是了解模型中包含的不确定性.下面就对模拟结果比较关键的下地壳及以下介质的黏滞系数、接收断层的有效摩擦系数、强震震源机制类型三个因素对计算库仑应力变化的影响分别加以讨论.

在震后数十年至数百年, 引起应力场扰动的因素有很多, 如黏弹松弛效应(Wang et al., 2012)、震后余滑效应(Ozawa et al., 2011)、孔隙回弹效应(Jónsson et al., 2013)等, 其中黏性松弛效应对震后形变和应力调整方面起到非常重要的作用(Deng et al., 1999; Freed and Lin, 2001; Pollitz et al., 2003; Lorenzo-Martín et al., 2006; Smith and Sandwell, 2006; Freed et al., 2007; Ali et al., 2008).由于下地壳和上地幔介质的流变性质, 震后会将下地壳和上地幔中的同震应力变化向上传递到上地壳的孕震层中, 应力传递速度主要与地层介质的黏滞系数有关, 黏滞系数越低, 则传递越快, 再次达到稳态所需的时间越短, 反之, 黏滞系数越高, 则传递越慢, 再次达到稳态需要更长的时间.前人对青藏高原的黏滞系数估计其量级, 相对中国大陆其他地区来说, 青藏高原的黏滞系数较低, 下地壳黏滞系数约为10¹⁹~10²⁰ Pa·s(石耀霖和曹建玲, 2008), 前面计算均是基于下地壳黏滞系数为1.0×10²⁰ Pa·s的情况.本节在上述合理取值范围内给定不同的下地壳和地幔的黏滞系数, 分析其对计算震后形变和应力场的影响.

我们计算了下地壳黏滞系数分别为1.0×10²⁰ Pa·s, 5.0×10¹⁹ Pa·s, 1.0×10¹⁹ Pa·s(相应的地幔黏滞系数高一个数量级)的三种情况下, 察隅地震震后100年内(1950—2050年间)在米林地震震源位置引起的库仑应力变化和形变随时间演化过程, 如图 9所示.同震形变在数秒至数十秒极其短的时间内迅速完成, 受到黏滞系数的影响很小, 不同黏滞系数情况下计算出的同震形变和库仑应力变化几乎是相同的, 因此在本文所采用的三种不同黏滞系数情况下, 同震时刻(对应图中的t=0)库仑应力变化(图 9a)和三个位移分量(图 9b、c、d)分别具有相同的起始值, 同震库仑应力变化为40.82 kPa, 同震北向水平位移分量为0.61 m, 东向水平位移分量为-1.41 m, 垂直向下位移分量为0.48 m.但在震后黏滞松弛形变过程中, 黏滞系数的大小直接影响形变和应力变化的快慢, 进而影响再次达到稳态所需的时间.当黏滞系数较高时, 震后短期内形变和应力变化均比较迟缓, 当黏滞系数较低时, 震后断层活动受到的影响比较明显.但确定的一点是, 与同震相比, 震后形变和库仑应力均发生了不同程度的变化.例如对于黏滞系数为1.0×10²⁰ Pa·s时, 至2017年米林地震前, 米林震源位置处的库仑应力和三个位移分量分别变为11.15 kPa, 0.7500 m, -1.605 m, 0.4033 m, 与同震相比, 分别变化了-72.68%, 22.95%, 13.83%, -15.98%.察隅地震在震后100年内(至2050年)形变还在继续, 并没有达到稳态, 可见大地震的影响持续时间可以超过百年之久.

图 9

Fig. 9

图 9 对于不同黏滞系数, 察隅地震在米林震源处引起的库仑应力变化和形变随时间演化过程(1950—2050年间) (a) ΔCFS-库仑应力变化; (b) Ux-南北方向位移, 向北为正; (c) Uy-东西方向位移, 向东为正; (d) Uz-Z垂向位移, 向下为正. Fig. 9 Comparison of displacements and Coulomb stress changes among various viscosity models (a) ΔCFS-Coulomb stress changes; (b) Ux-displacements along north-south direction, north is positive; (c) Uy-displacements along east-west direction, east is positive; (d) Uz-displacements along up-down direction, down is positive.

表 2给出了三种不同黏滞系数下, 米林地震前(2017/11/18)震源处的库仑应力变化和形变值.从位移分量来看, 察隅地震造成的水平位移较大, 几十cm至几m量级.下地壳黏滞系数取1.0×10²⁰Pa·s时, 库仑应力变化值为正值11.15 kPa.当黏滞系数为5.0×10¹⁹Pa·s和1.0×10¹⁹Pa·s, 库仑应力变化为负值, 分别为-8.426 kPa, -49.30 kPa.尽管黏滞系数较低时, 计算得到的库仑应力变化正负性质发生了变化.但值得注意的一点是, 图 9a中三种黏滞系数情况下, 在米林地震发震前的五六十年库仑应力变化总体趋势是随时间逐渐减小的.地震发生一定是因为积累的应力强度超过了断层强度, 因此可以推测米林地震位置可能正处于构造应力强加载环境下, 所在的喜马拉雅东构造结雅鲁藏布江大拐弯处, 为印度板块和欧亚板块碰撞最强烈的最前缘地带, 周围复杂且强烈的板块运动对米林地震发震断层起到了强烈的加载作用.

表 2 Table 2

表 2 不同黏滞系数情况下, 米林地震前(2017/11/18)震源处的库仑应力变化 Table 2 Comparison of displacements and Coulomb stress changes just before Mainling earthuqake (2017/11/18) among various viscosity models 下地壳黏滞系数(Pa·s) 地幔黏滞系数(Pa·s) ΔCFS(kPa) Ux(m) Uy(m) Uz(m) 1.0×1020 1.0×1021 11.15 0.7500 -1.605 0.4033 5.0×1019 5.0×1020 -8.426 0.8889 -1.826 0.3464 1.0×1019 1.0×1020 -49.30 1.654 -3.333 0.1379 注:Ux-南北方向位移, 向北为正; Uy-东西方向位移, 向东为正; Uz-Z垂向位移, 向下为正.

表 2 不同黏滞系数情况下, 米林地震前(2017/11/18)震源处的库仑应力变化 Table 2 Comparison of displacements and Coulomb stress changes just before Mainling earthuqake (2017/11/18) among various viscosity models

计算断层上的库仑应力变化, 主要涉及到的接收断层参数有走向、倾角、滑动角以及有效摩擦系数等.其中, 当断层面几何确定情况下, 有效摩擦系数对计算结果的影响比较明显.我们在前面的计算中均选取计算强震引起的库仑应力变化的常用值0.4(Stein et al., 1992; King et al., 1994; 孙玉军等, 2013; 万永革等, 2009).统计分析有效摩擦系数的取值与断层类型有关, 一般说来, 正断层和逆冲断层一般对应较高的有效摩擦系数(0.6~0.8), 而走滑断裂对应较低的摩擦系数(0.2~0.4)(Xiong et al., 2010; Shan et al., 2013).Parsons等(1999)发现高角度的走滑断层摩擦系数比较低, 低角度的走滑断层对应较高的摩擦系数.

我们计算了米林地震发震断层有效摩擦系数依次取值0.2, 0.4, 0.6, 0.8时, 察隅地震在米林地震震源处引起的库仑应力变化随时间演化, 演化曲线如图 10a所示.图 10b显示了米林地震震源位置的正应力和剪应力随时间变化过程, 剪应力变化为正值, 随时间呈衰减趋势, 而正应力为负值, 呈逐渐增加的过程(图 10b).根据公式(2), 当摩擦系数为一常数时, 例如0.4, 对应图 10a红色曲线, 不难理解正应力和剪应力是怎么相互作用使断层面上库仑应力逐渐产生变化的.同样, 由库仑应力变化的计算公式(2)可以看出, 有效摩擦系数与库仑应力变化呈线性关系, 它关乎正应力对计算库仑应力变化的贡献大小.因为正应力为负值, 在同一时刻, 例如同震(t=0)时, 摩擦系数越大, 正应力贡献越大, 则得到的库仑应力值越小.而对于某一确定的断层面, 其正应力和剪应力是确定的, 因此选择合适的有效摩擦系数对计算断层上的库仑应力变化非常重要.

图 10

Fig. 10

图 10 有效摩擦系数不同取值情况下, 米林地震震源处库仑应力变化随时间演化过程 (a)库仑应力变化; (b)正应力和剪应力变化. Fig. 10 Comparison of Coulomb stress changes among various effective friction coefficients at the location of Mainling earthquake (a) Coulomb stress changes; (b) The changes of Normal stress and shear stress at the location of Mainling earthquake.

表 3列出了四种不同摩擦系数情况下, 米林地震前震源位置处的库仑应力变化值, 当摩擦系数为0.2, 0.4, 0.6时, 计算的库仑应力变化均为正值, 但当摩擦系数取0.8时, 库仑应力变化为负值, 可见, 当摩擦系数取值比较极端时, 甚至影响到其正负性质判断.而米林地震破裂面倾角51°, 滑动角88°, 为较高倾角的逆冲型断层面, 对应中等的有效摩擦系数, 认为可以取值0.4或0.6, 分别对应米林地震前库仑应力值为17.79 kPa、4.509 kPa.

表 3 Table 3

表 3 不同有效摩擦系数取值情况下, 米林地震发生前(2017/11/18)震源处的库仑应力变化(下地壳黏滞系数为1.0×1020 Pa·s) Table 3 Comparison of Coulomb stress changes just before Mainling earthuqake (2017/11/18) among various effective friction coefficients μ′ 0.2 0.4 0.6 0.8 ΔCFS (kPa) 17.79 11.15 4.509 -2.132

表 3 不同有效摩擦系数取值情况下, 米林地震发生前(2017/11/18)震源处的库仑应力变化(下地壳黏滞系数为1.0×1020 Pa·s) Table 3 Comparison of Coulomb stress changes just before Mainling earthuqake (2017/11/18) among various effective friction coefficients

为了考察震源机制解的不确定性对结果的影响, 本文计算了右旋走滑型和低倾角逆冲型两种完全不同的震源机制情况下, 察隅地震对周边断层造成的同震库仑应力变化, 如图 11所示.结果显示两种完全不同的震源机制情况下, 察隅地震对周边断层上引起的同震库仑应力变化分布差异较大, 甚至在米林地震震中位置及一些断层上产生的效果相反, 震源机制解类型对应力场计算影响明显, 同时周边断层对震源机制解比较敏感.察隅地震的震源机制需要进一步用更多资料来约束, 在以后判断地震造成的影响时, 需要更加准确的震源机制解.

图 11

Fig. 11

图 11 两种不同震源机制情况下, 察隅地震对周边断层造成的同震库仑应力变化 (a)右旋走滑型; (b)低倾角逆冲型.符号表示同图 4. Fig. 11 Coseismic Coulomb stress changes on surrounding faults associated with Zayu earthquake (a) Right-lateral strike-slip focal mechanism; (b) Low-angle thrust focal mechanism.Labels are explained in Fig. 4.

本文基于库仑破裂准则, 利用黏弹性程序计算了察隅地震和米林地震对周围活动断裂造成的影响.1950年察隅8.6级地震发生后, 使周边区域应力场得到重新分布, 这次特大地震影响范围广强度大且持续时间长, 对喜马拉雅东构造结周边的活动断层都产生了较大的影响, 库仑应力变化达到数MPa量级.相对察隅地震来说, 米林6.9级地震影响范围和强度有限, 只对震源区附近的活动断裂产生了一定影响, 库仑应力变化最大为数十kPa量级, 对较远处的断层影响比较小.察隅地震和米林地震综合效应目前使米林断裂、墨脱断裂、阿帕龙断裂、嘉黎断裂中段、怒江断裂中段及主边界断裂北东段库仑应力卸载超过1 MPa, 相应断层段变得趋于安全.而雅鲁藏布江断裂、及嘉黎断层东段、怒江断裂的东西两段得到一定程度加载, 嘉黎断裂东段加载最为严重, 值得关注.

计算了察隅地震对米林地震的影响.察隅地震在震后对米林地震震源位置库仑应力变化水平逐年降低, 至米林地震前, 仅为11.15 kPa, 然而却发震, 可能与其所处的印度板块向欧亚大陆强烈碰撞挤压的构造应力环境有很大关系.在下地壳黏滞系数为1.0×10²⁰Pa·s, 断层有效摩擦系数为0.4情况下, 按照青藏高原每年累积1~4 kPa的构造应力加载速率估算, 察隅地震的发生使米林地震提前了相当于2.79~11.15年的时间.

一些研究表明, 下地壳和地幔黏滞系数影响震后库仑应力的持续时间(曲均浩等, 2015; 孙玉军等, 2013).例如曲均浩等基于库仑破裂准则, 讨论了下地壳及以下介质黏滞系数对余震活动的影响, 发现黏滞系数越低, 地震序列衰减越快, 余震活动持续时间越短.本文同样考虑了下地壳和地幔黏滞系数的影响, 认为下地壳及以下介质的黏滞系数影响震后形变和库仑应力变化的速率, 当黏滞系数较低时, 对断层活动的影响比较显著, 速度快且幅度大.因此, 在地球动力学数值模拟中, 地层介质黏滞系数的合理估计直接关系到计算结果的可靠性.

此外, 断层有效摩擦系数对同震库仑应力变化的量值有较大影响.例如, 缪淼和朱守彪(2012)研究特大地震静态库仑应力变化对后续余震分布的影响时, 发现对于不同的有效摩擦系数, 落入库仑应力正值区的余震数据有一定程度的差异.Shan等(2013)分析鲜水河断裂带上强震间关系时, 断层有效摩擦系数分别取0.2和0.6, 计算的库仑应力变化差异显著.本研究在计算察隅地震对米林地震的影响时, 我们参照Parsons等(1999)的摩擦系数合理取值范围改变了断层有效摩擦系数, 从0.2到0.8变化, 对本计算而言, 摩擦系数越大, 正应力对库仑应力的贡献越大, 因为正应力为负值, 所得到的同震库仑应力越小.对于高角度逆冲型米林地震来说, 中等的摩擦系数0.4或0.6更为合理, 分别对应米林地震前库仑应力值为11.15 kPa和4.509 kPa.地震震源机制类型对应力场计算影响较大, 对于震源机制不确定的历史地震需要进一步用更多资料来约束.对以上这些因素的影响, 本文仅仅进行了初步分析, 未来还需要进一步工作深入讨论.

在本文完成过程中, 中国地震局地球物理研究所张贝博士提供了建议和帮助, 张旭博士为本文提供了米林地震的震源位错模型数据, 在此谨表谢意.感谢两位评审专家和编辑老师对本文提出的宝贵建议.