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      龍門山斷裂帶南段應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)震危險性研究

      2013-04-18 11:41:12易桂喜聞學(xué)澤喬慧珍王思維
      地球物理學(xué)報 2013年4期
      關(guān)鍵詞:龍門山康定強(qiáng)震

      易桂喜,聞學(xué)澤,辛 華,喬慧珍,王思維,宮 悅

      1 四川省地震局,成都 610041

      2 成都理工大學(xué)地球探測與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室,成都 610059

      3 中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100036

      1 引 言

      2008年5月12日汶川M8.0級大地震發(fā)生在青藏高原東緣龍門山斷裂帶中-北段,破裂沿中-北段呈北東向單側(cè)擴(kuò)展[1-3],龍門山斷裂帶南段未參與汶川地震的破裂與余震活動[4](見圖1).南段無6.5級以上歷史地震記錄,近代僅發(fā)生了1941 年6 月12日寶興與康定間M6.0、1970年2 月24 日大邑M6.2 兩次6 級以上地震,屬于長期缺少大震級(M≥7.0)地震 事 件 的 破 裂 空 區(qū)[4-5].1970 年 大 邑M6.2級地震后,南段未發(fā)生5級以上地震.汶川地震導(dǎo)致周邊斷層的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生不同程度的變化,龍門山斷裂帶南段庫侖破裂應(yīng)力增強(qiáng)[6-13],有利于強(qiáng)震的發(fā)生.然而,汶川地震至今,南段及近鄰發(fā)生的最大震級地震為2012年10月19日天全—蘆山間M4.2(或ML4.6),震中位于龍門山斷裂帶南段前陸地帶,南段處于較低水平的地震活動狀態(tài).屬于長期的大地震空區(qū)、近年來地震活動水平偏低的龍門山斷裂帶南段目前的應(yīng)力狀態(tài)及其強(qiáng)震危險性成為重點(diǎn)關(guān)注的問題之一.

      圖1 龍門山及鄰區(qū)活動構(gòu)造圖[4]黑色粗虛線以南為龍門山斷裂帶南段.彩色圓為汶川5級以上余震震中.

      強(qiáng)震通常發(fā)生于活動斷裂帶上具有高應(yīng)力積累的凹凸體[14]或 閉 鎖 斷 裂 段[15-16].實 驗 室 巖 石 破 裂實驗[17]、與流體抽取有關(guān)的地震活動研究[18]以及礦山巖石破裂觀測[19]等均表明,應(yīng)力與古登堡-里克特震級(M)-頻度(N)關(guān)系式[20]

      中的b值呈反比,b值越低,應(yīng)力水平越高.式中a、b為回歸常數(shù).b值作為估計斷裂帶相對應(yīng)力水平的主要地震活動性參數(shù)之一,已廣泛用于中-長期地震危 險 性 評 價[15-16,21-30].近年 來,地震 視 應(yīng) 力 也 逐漸用于斷裂帶應(yīng)力狀態(tài)分析與地震趨勢判定[31-36].本文利用b值與地震視應(yīng)力值,評價龍門山斷裂帶南段當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)震危險性.

      2 資料和方法

      2.1 b值

      利用四川區(qū)域地震臺網(wǎng)1977年1月至2012年12月的地震目錄資料計算b值.龍門山斷裂帶南段位于該臺網(wǎng)監(jiān)測能力相對較高的區(qū)域[37].ML≥2.0級地震的震級-頻度線性擬合(圖2)相關(guān)系數(shù)R=0.999,直線斜率b=1.02±0.007,與全球范圍的區(qū)域平均b值一致.因此,在計算b值時,取最小完整性震級MC為2.0.圖3給出了1977—2012年龍門山斷裂帶南段ML≥2.0級地震事件的震中分布,圖中用黑色和綠色區(qū)別汶川地震前、后的地震事件.

      圖2 龍門山斷裂帶南段震級-頻度分布圖(1977-01-01—2012-12-31)

      沿斷裂帶b值計算方法:沿龍門山斷裂帶南段,以0.1°×0.1°間距進(jìn)行網(wǎng)格化,挑選出以每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為圓心、半經(jīng)為r的圓形統(tǒng)計單元內(nèi)的地震.確定統(tǒng)計單元內(nèi)能滿足整個研究時段的最小完整性震級MC;然后,利用最小二乘法由各單元震級M≥MC的地震資料計算出(1)式中的b值,將其作為相應(yīng)單元中心點(diǎn)(即網(wǎng)格節(jié)點(diǎn))的計算值,進(jìn)而獲得b值空間分布.計算時震級分檔間隔取0.1,每個統(tǒng)計單元內(nèi)的地震樣本數(shù)不少于50,參與擬合的有效震級分檔數(shù)不低于5檔.統(tǒng)計單元的半徑r值通常取20km;對于地震分布較稀疏的局部區(qū)域,擴(kuò)大r值,最大不超過40km.

      2.2 地震視應(yīng)力

      地震視應(yīng)力σapp定義為[38]:

      式中,ES為地震波輻射能量;M0為地震矩;μ為震源區(qū)介質(zhì)剪切模量,通常取μ=3.0×104MPa[38-40].ES與M0之比表示單位地震矩輻射出的地震波能量.地震視應(yīng)力為震源區(qū)絕對應(yīng)力水平的下限估計[31,40],σapp值越高,震源區(qū)應(yīng)力水平越高[31-36].

      在近震源情況下,基于Brune圓盤模型[41],忽略非彈性衰減,震源譜可表示為[42]:

      根據(jù)地震波形三分向速度記錄,可得合成位移譜:

      在低頻段f1—f2,Ω(f)≈Ω0,則合成位移譜平方的積分SD 為:

      獲得地震波零頻極限Ω0:

      進(jìn)而求得地震矩M0[42]、考慮低頻和高頻補(bǔ)償后 的地震波輻射能量ES[43]:

      式中,f為頻率;fc為拐角頻率,求取方法參見相關(guān)文獻(xiàn)[34];V(f)為速度譜,下標(biāo)Z、NS、EW 分別表示垂直、南北、東西向分量;d為震源距;β為S波速,取β=3.5km/s;ρ為介質(zhì)密度,取ρ=2.71g/cm3;Rθφ為輻射圖型因子,取S 波的均方根輻射圖型因子

      本文選取四川區(qū)域地震臺網(wǎng)震中距≤200km的臺站記錄的具有較高信噪比的寬頻帶數(shù)字化地震波形資料,利用S波1.0~20Hz頻帶范圍的波形計算震源譜,由(2)式逐臺求取地震視應(yīng)力σapp,取各臺計算結(jié)果的平均值作為相應(yīng)地震的視應(yīng)力值.為消除個別臺站異常高值對結(jié)果的影響,采用Archuleta等[45]的方法求取平均值ˉx與標(biāo)準(zhǔn)差Δx:

      其中,N為計算使用的臺站數(shù),xi為第i個臺站的計算值.

      地震視應(yīng)力與震級的關(guān)系已有不少研究.例如,李艷娥等先后計算了2007年寧洱M6.4級地震前滇西南地區(qū)98 次ML≥2.5 級地震的視應(yīng)力、2008年汶川M8.0級地震前四川地區(qū)439次ML≥3.0級地震的視應(yīng)力,發(fā)現(xiàn):滇西南地區(qū)ML2.5~5.0級地震的視應(yīng)力與震級具有較好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)0.77[34],四川地區(qū)視應(yīng)力σapp的對數(shù)與震級ML呈正比,相關(guān)系數(shù)R=0.634[35],數(shù)據(jù)離散性高于滇西地區(qū)的.王瓊等[36]對1999年岫巖M5.4級地震序列的視應(yīng)力研究結(jié)果顯示,視應(yīng)力與震級關(guān)系具有顯著的分段性:ML2.0~4.5級地震的視應(yīng)力與震級具有較好的線性關(guān)系,對于ML≥4.5級地震,兩者非線性相關(guān).上述研究也表明,地震視應(yīng)力與震級的相關(guān)性存在較顯著的地區(qū)差異.基于中小地震的視應(yīng)力具有隨震級增大而升高的特征[34-36],本文在分析比較不同地震的視應(yīng)力值與區(qū)域應(yīng)力的關(guān)系時,采用如下原則:震級相當(dāng)時,視應(yīng)力值相對高的震源區(qū)應(yīng)力水平高;視應(yīng)力值相等時,震級較低的震源區(qū)應(yīng)力水平高.

      3 結(jié) 果

      圖4為龍門山斷裂帶南段b值圖像,除個別統(tǒng)計單元b值標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.02外,其余統(tǒng)計單元b值標(biāo)準(zhǔn)誤差≤0.01.其中,圖4a為當(dāng)前b值分布,利用1977年1月1日至2012年12月31日ML≥2.0級地震獲得.圖4b為Δb值分布圖,是當(dāng)前b值與利用1977年1月1日至2008年5月11日時段ML≥2.0級地震獲得的汶川地震前的b值兩者之間的差異,用于推測大地震后斷裂帶應(yīng)力水平的變化.Δb正值表示b值升高,應(yīng)力水平下降;負(fù)值則說明b值降低,應(yīng)力水平升高.

      結(jié)果表明,當(dāng)前龍門山斷裂帶南段整體平均b值約1.02,與由1977年1月1日至2008年5月11日資料獲得的汶川地震前南段的平均值1.03相近.

      龍門山斷裂帶南段及鄰區(qū)b值橫向差異顯著(圖4a).瀘定附近、西側(cè)的鮮水河斷裂帶康定以南段以明顯高于區(qū)域平均值(1.02)的高b值為特征,天全北部區(qū)域b值高于1.3,反映龍門山斷裂帶最西南瀘定、天全北部及西側(cè)的鮮水河斷裂帶康定以南斷裂段目前應(yīng)力水平不高.天全與寶興之間及寶興以東,大部分區(qū)域b值<0.9,低于區(qū)域平均值,表明天全—寶興及其以東目前的應(yīng)力水平高于最西南的瀘定及以西地區(qū).

      南段當(dāng)前b值與汶川地震前b值之間的差異Δb圖像(圖4b)顯示,2008年汶川8.0級地震后,瀘定、天全—蘆山以及寶興北部地區(qū)b值有較明顯降低,瀘定附近區(qū)域b值下降尤為突出,局部b值最大降幅達(dá)0.39,由汶川地震前的1.66下降到目前的1.27,下降幅度超過23%,顯示該區(qū)域在汶川地震后應(yīng)力水平有明顯上升.相反,靠近汶川地震主破裂區(qū)南端的大邑地區(qū)、南段西側(cè)的鮮水河斷裂帶康定以南段b值升高,應(yīng)力水平下降.

      2007—2012年,龍門山斷裂帶南段及近鄰區(qū)域共發(fā)生ML≥3.8級地震14次,其震中依據(jù)發(fā)震時間先后由小到大編號繪于圖4中.本文計算了其中13次地震的視應(yīng)力σapp,1次事件(圖4中4號地震)因波形重疊未給出計算結(jié)果.13 次地震的視應(yīng)力值在0.12~0.82 MPa之間(圖5).為便于與b值結(jié)果進(jìn)行對比分析,上述地震的震級與視應(yīng)力值一并標(biāo)示于圖4a中.

      視應(yīng)力計算結(jié)果表明,汶川地震后,發(fā)生在龍門山斷裂帶南段的ML≥3.8級地震的視應(yīng)力水平高于其西側(cè)鮮水河斷裂帶康定段,如,2008年6 月26日大邑ML4.2、2009年9月19日寶興ML4.1級地震的視應(yīng)力值(圖4a與圖5中6、8號)明顯高于2012年3月5日康定ML4.5級地震的視應(yīng)力值(圖4a與圖5中12號).汶川地震后,原地應(yīng)力測量結(jié)果顯示,龍門山斷裂帶南段寶興測點(diǎn)的水平最大主應(yīng)力為9.8 MPa,遠(yuǎn)高于鮮水河斷裂帶上康定測點(diǎn)的水平最大主應(yīng)力2.6 MPa[46],反映龍門山斷裂帶南段應(yīng)力水平高于鮮水河斷裂帶康定段,與本文結(jié)果相吻合.2012年3月5日康定ML4.5級地震的視應(yīng)力值(圖4a與圖5中12 號)遠(yuǎn)低于2008 年2月16日瀘定ML4.4和27日康定ML5.0級地震的視應(yīng)力值(圖4a與圖5中2、3號),表明汶川地震后鮮水河斷裂帶康定以南段應(yīng)力水平下降.發(fā)生在龍門山斷裂帶南段南側(cè)四川盆地及盆地邊緣的2007年7月31日滎經(jīng)ML4.3、2011年7月25日雅安—名山間ML4.0、10月27日洪雅ML4.1、2012年10月19日天全—蘆山間ML4.6 級地震的視應(yīng)力值(圖4a與圖5中1、10、11和14號)均處于擬合趨勢線上方,明顯高于龍門山斷裂帶南段大邑地震的視應(yīng)力值(圖4a與圖5中6、9號),說明四川盆地西北部的背景應(yīng)力水平高于龍門山斷裂帶南段東端.

      圖5 13次ML≥3.8級地震的視應(yīng)力與震級分布地震序號同圖4.

      4 討 論

      靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力增加0.01 MPa可導(dǎo)致斷層破裂[47-48],使其地震活動產(chǎn)生顯著變化.Parsons等[6]計算了汶川地震周邊斷層的靜態(tài)庫侖應(yīng)力,2008年汶川地震加載到龍門山斷裂帶南段的靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力值達(dá)0.1 MPa;Toda等[7]的研究結(jié)果顯示,汶川地震使龍門山斷裂帶彭-灌斷裂南西段的靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力增加0.419 MPa;單斌等[9]計算出汶川地震使龍門山斷裂帶南段庫侖破裂應(yīng)力增加0.005~0.015 MPa,認(rèn)為南段存在發(fā)生強(qiáng)余震的可能;萬永革等[10]基于GPS 和InSAR 資料反演的 汶川地震破裂模型,計算出汶川地震加載到龍門山斷裂帶南段靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力最大值達(dá)0.01 MPa;Xie等[11]的研究結(jié)果表明,汶川地震使北川—映秀斷裂和彭縣—灌縣斷裂上的應(yīng)力明顯增加,前者的應(yīng)力增加量為0.004~0.045 MPa,后者為0~0.05 MPa;華衛(wèi)等[49]的研究則顯示,寶興至映秀間庫侖應(yīng)力增加量與多次發(fā)生6級強(qiáng)余震的北川至青川段相同,均達(dá)0.05 MPa.上述研究表明,汶川8.0級地震加載到龍門山斷裂帶南段的靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力值已達(dá)到甚至遠(yuǎn)高于靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)閾值0.01 MPa.然而,與1999 年8月17日土耳其伊茲米特Mw7.4 級地震觸 發(fā)1999 年11 月12 日 迪 茲 杰Mw7.2 級 地震[50-51]、2004年12 月26日 蘇 門 答 臘Mw9.2 級 地震觸發(fā)2005年3月28日Mw8.7級地震[52]不同,汶川地震沒有在龍門山斷裂帶南段快速觸發(fā)出與汶川地震震級相似大小的地震.圖3顯示,汶川地震后,龍門山斷裂帶南段地震活動的空間分布特征與汶川地震前基本一致,表明汶川地震的發(fā)生未明顯改變南段地震活動的空間格局.可見,庫侖應(yīng)力增強(qiáng)并非引發(fā)強(qiáng)震的決定性因素,是否發(fā)生強(qiáng)震取決于增強(qiáng)區(qū)的應(yīng)力積累水平及是否接近破裂極限.

      靠近汶川余震區(qū)南端的大邑附近區(qū)域b值(圖4a)低于區(qū)域平均值,但未達(dá)到異常低值(b<0.7),汶川地震后該區(qū)域b值升高(圖4b),應(yīng)力水平降低,汶川地震后發(fā)生在該區(qū)域的兩次地震(圖4a與圖5中6和9號)的視應(yīng)力不高,反映其長期應(yīng)力積累水平尚未達(dá)到發(fā)生強(qiáng)震的應(yīng)力極限,這或許是汶川8.0級地震的余震帶向南西止于大邑的重要原因之一.該區(qū)域僅在2008 年6 月28 日發(fā)生了1 次ML4.2級地震(圖4a編號6),之后再無4級地震活動.大邑附近區(qū)域的b值升高,也說明汶川地震后并非整個龍門山斷裂帶南段都處于應(yīng)力增強(qiáng)區(qū).

      天全—蘆山、瀘定以及寶興北部等區(qū)域b值降低(圖4b),應(yīng)力水平升高,但整個南段目前沒有出現(xiàn)如同2008年汶川8.0級地震前龍門山斷裂帶中北段那樣的異常低b值[4,27].原地應(yīng)力測量結(jié)果顯示,汶川地震前,龍門山斷裂帶北段青川測點(diǎn)的水平最大主應(yīng)力為21~22 MPa[53],汶川地震的最大余震即發(fā)生在青川,汶川地震后,青川測點(diǎn)復(fù)測的水平最大主應(yīng)力值仍高達(dá)15~16 MPa[53],遠(yuǎn)高于寶興測點(diǎn)的9.8 MPa[46].因此,即使龍門山斷裂帶南段位于汶川地震引起的庫侖應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)[6-13,49],其當(dāng)前的應(yīng)力積累水平也不具備發(fā)生類似汶川8.0級地震的應(yīng)力條件,這可能是汶川地震未能在南段快速觸發(fā)出相似震級大震的主要原因.趙靜等[54]利用1999—2007期GPS水平速度場觀測資料反演了汶川地震前龍門山斷裂帶的閉鎖程度,認(rèn)為南段閉鎖程度低于中-北段.南段短期內(nèi)不具備發(fā)生類似汶川8.0級大震的危險性,但天全至寶興段低于區(qū)域平均值的b值以及相對較高的地震視應(yīng)力值(圖4a)反映該斷裂段已有一定的應(yīng)力積累,具備發(fā)生中-強(qiáng)地震的應(yīng)力條件.

      龍門山斷裂帶南端西側(cè)的鮮水河斷裂帶康定以南段屬于1786年73/4級地震的破裂段[55](圖1).正的Δb表明汶川地震后該段b值升高,汶川地震后發(fā)生在該段的地震的視應(yīng)力值遠(yuǎn)低于汶川地震前,均揭示該段在汶川地震后應(yīng)力水平下降.該段當(dāng)前的高b值、低地震視應(yīng)力值以及相對較低的原地應(yīng)力測量值[46]反映該斷裂段在經(jīng)歷上一次強(qiáng)震破裂后斷面尚未耦合,應(yīng)力水平較低,短期內(nèi)發(fā)生強(qiáng)震的可能性較小.

      近年發(fā)生在龍門山斷裂帶南段南側(cè)四川盆地西北部的幾次ML≥3.8級地震(圖4a與圖5中1、10、11、14號)的視應(yīng)力值明顯偏高,尤其是2012年10月19日天全—蘆山間ML4.6級地震的視應(yīng)力值異常高(圖4a與圖5中14號),反映毗鄰龍門山斷裂帶南段的四川盆地區(qū)域應(yīng)力水平相對較高.Parsons等[6]的庫侖應(yīng)力計算結(jié)果顯示,2008年汶川地震使位于龍門山斷裂帶南側(cè)的四川盆地區(qū)域應(yīng)力顯著升高,這或許是汶川地震后四川盆地內(nèi)4級地震活動水平明顯高于汶川地震前的重要原因,四川盆地具有發(fā)生中-強(qiáng)地震的危險性.2013年2月19日在四川盆地歷史少震與弱震區(qū)三臺縣發(fā)生M4.7級地震,支持本文的研究結(jié)果.

      5 結(jié) 論

      本文利用1977年1月至2012年12月的地震資料,通過精細(xì)b值空間掃描,對比汶川地震前、后b值的空間分布差異,結(jié)合中小地震視應(yīng)力值,分析了龍門山斷裂帶南段及附近區(qū)域目前的應(yīng)力狀態(tài),進(jìn)而分析其強(qiáng)震危險性,并初步探討了南段未參與汶川地震破裂與余震活動的原因.

      2008年汶川地震后,龍門山斷裂帶南段僅部分區(qū)域應(yīng)力增強(qiáng).天全—蘆山、瀘定以及寶興北部等區(qū)域b值下降、應(yīng)力水平明顯升高.靠近汶川余震區(qū)南端的大邑附近區(qū)域b值上升、應(yīng)力水平下降,這或許是汶川余震活動止于大邑的重要原因.

      龍門山斷裂帶南段目前整體平均b值約1.02.盡管天全—蘆山、瀘定、以及寶興北部等區(qū)域在汶川地震后b值下降,但南段目前仍未出現(xiàn)類似汶川8.0級地震前中-北段那樣的異常低b值,南段整體的當(dāng)前應(yīng)力積累水平低于汶川地震前中-北段應(yīng)力水平,可能是汶川地震沒能在南段快速觸發(fā)強(qiáng)震的重要原因.短期內(nèi)南段發(fā)生類似汶川8.0級大震的可能性不大,但天全至寶興段已具有一定的應(yīng)力積累,存在發(fā)生中-強(qiáng)地震的危險性.南段西側(cè)的鮮水河斷裂帶康定以南段應(yīng)力水平低,短期內(nèi)發(fā)生強(qiáng)震的可能性較?。?/p>

      龍門山斷裂帶南側(cè)四川盆地西北部地區(qū)的地震視應(yīng)力水平明顯高于龍門山斷裂帶南段東端及西側(cè)的鮮水河斷裂帶康定以南段,因此,對四川盆地的中-強(qiáng)地震危險性應(yīng)引起足夠重視.

      由于震中距、方位角、臺站場地響應(yīng)、傳播路徑和震源輻射花瓣效應(yīng)的差異,不同臺站記錄到的地震波形具有較大差異,使得震源參數(shù)的計算存在種種不確定性[56],導(dǎo)致地震視應(yīng)力結(jié)果存在一定的不確定性.但對于地震活動不活躍、不滿足地震活動性參數(shù)空間掃描條件的區(qū)域,地震視應(yīng)力在中、強(qiáng)地震危險區(qū)判定中仍可發(fā)揮重要作用.

      致 謝兩位審稿專家提出了具有建設(shè)性的修改建議.視應(yīng)力計算得到中國地震局地球物理研究所李艷娥同志的大力幫助.特此致謝!

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