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      邢臺老震區(qū)庫侖應(yīng)力演化及地震危險性分析

      2021-10-18 02:55:06王曉山孫麗娜
      華北地震科學 2021年4期
      關(guān)鍵詞:震區(qū)庫侖邢臺

      陳 婷,章 陽,王曉山,孫麗娜

      (河北省地震局,石家莊 050021)

      0 引言

      靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化最早應(yīng)用在分析大地震對余震分布的影響中,研究認為當靜態(tài)庫侖應(yīng)力改變量超過0.01 MPa(0.1 bar)就可以影響余震的發(fā)生位置[1]。強震或大地震引起的庫侖應(yīng)力變化不僅對余震的發(fā)生有影響,更重要的是對周邊斷層上的強震同樣能產(chǎn)生觸發(fā)作用,使處于庫侖應(yīng)力增加區(qū)域的地震提前發(fā)生[1-2]。近年來,國內(nèi)眾多學者綜合分析斷裂帶上庫侖應(yīng)力動態(tài)演化與強震活動的關(guān)系,進而分析區(qū)域地震危險性[3-7]。

      1966年3月邢臺震群共發(fā)生5次6.0級以上地震,前人對邢臺地震的庫侖應(yīng)力變化展開大量研究。萬 永革等[8]研 究3月8日MS6.8地 震 對3月22日MS7.2地震的觸發(fā)作用;陳連旺等[9]研究邢臺地震長時間尺度的庫侖應(yīng)力變化;李守勇等[10]分析邢臺地震序列2個地震間的相互觸發(fā)關(guān)系,由于使用彈性模型計算產(chǎn)生較大誤差,7.2級地震以后的觸發(fā)關(guān)系不好;萬永革等[11]研究認為粘彈性模型計算效果優(yōu)于完全彈性;Wang R等[12]編寫了粘彈性應(yīng)力應(yīng)變程序PSGRN/PSCMP程序,該程序基于Burgers粘彈性模型[13],考慮地球重力對形變場的影響,可計算同震和震后長時間尺度的應(yīng)力變化。

      前人對邢臺地震庫侖應(yīng)力的計算基于彈性模型假設(shè)和粘彈性有限元模型,研究內(nèi)容也僅限于2個地震間的觸發(fā)分析。為了更加接近巖石圈的真實地殼結(jié)構(gòu),本文基于Burgers粘彈性模型,綜合考慮同震位錯和震后粘滯松弛效應(yīng),采用PSGRN/PSCMP程序計算地震破裂產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力變化,分析邢臺地震序列中6級以上地震受該地震之前所有6級以上地震的綜合庫侖應(yīng)力的疊加作用。結(jié)合該區(qū)5級以上地震活動,分析庫侖應(yīng)力演化與中強地震活動的關(guān)系,為區(qū)域地震危險性分析乃至中長期地震預(yù)報提供一種有效途徑。

      1 邢臺老震區(qū)地震地質(zhì)背景

      1966年3月邢臺發(fā)生震群型地震,地震主要發(fā)生在華北平原西部的束鹿斷陷盆地,其中6.0級以上地震5次,分別為3月8日MS6.8地震、3月22日MS6.7和MS7.2地 震、3月26日MS6.2地 震 和3月29日MS6.9地震(圖1)。震群總體呈N35?E的橢圓狀分布,長軸約110 km,短軸約60 km。7.2級地震位于震區(qū)中部,其余地震等間距地對稱分布在南北兩側(cè)。邢臺震群是單個深斷裂上端點向上撕裂性破裂擴展、斜列狀深斷裂間相互作用導致局部應(yīng)力遷移和對相鄰斷裂的加載而誘發(fā)的三維破裂過程[14]。震源斷層均以高角度走滑分量為主,最大主應(yīng)力為NEE-SWW向,最小主應(yīng)力為NNW-SSE向[15]。

      圖1 邢臺老震區(qū)地震地質(zhì)背景

      2 庫侖應(yīng)力變化

      根據(jù)庫侖應(yīng)力破裂準則,斷層面上的庫侖應(yīng)力變化近似可以表示為

      式中:△CFS為庫侖應(yīng)力變化量;△τ為斷層面上的剪應(yīng)力變化量;△σn為斷層面上的正應(yīng)力變化量;μ′為視摩擦系數(shù),依靠介質(zhì)的應(yīng)力變化率,取值不同只會影響應(yīng)力變化的大小,但對計算庫侖應(yīng)力變化的空間分布影響不大。

      本文采用汪榮江研究員開發(fā)的PSGRN/PSCMP程序計算強震的震后庫侖應(yīng)力變化,模擬同震響應(yīng)和震后松弛效應(yīng)。

      3 計算模型

      3.1 地殼介質(zhì)模型

      地殼介質(zhì)模型采用分層半無限空間粘彈性模型,分為完全彈性的上地殼和中地殼、Burgers粘彈性的下地殼和上地幔。殼幔分層結(jié)構(gòu)、P波速度和S波速度參考邵學鐘等[16]的研究成果,地層介質(zhì)密度參考侯遵澤等[17]的研究結(jié)果。由于他們未給出上地幔層的密度,此層密度參考姜文亮等[18]的密度和P波速度的經(jīng)驗公式求得。根據(jù)柳暢等[19]研究的邢臺震區(qū)巖石介質(zhì)粘滯系數(shù)隨深度的變化結(jié)果,邢臺地區(qū)下地殼的穩(wěn)態(tài)粘滯系數(shù)取為3.0×1020Pa?s,上地幔的粘滯系數(shù)取為2.0×1021Pa?s,瞬時與穩(wěn)態(tài)粘滯系數(shù)一般相差1~1.5個數(shù)量級[20-21],因此下地殼的瞬時粘滯系數(shù)取為1.0×1019Pa?s。計算庫侖應(yīng)力變化時的具體地殼介質(zhì)模型見表1。

      表1 地殼介質(zhì)模型

      3.2 邢臺地震序列的震源參數(shù)及同震位錯模型

      邢臺地震序列的5次6級以上地震斷層參數(shù)選取河北省地震局[22]給出的震源機制解。同震位錯模型參數(shù)中,破裂長度和破裂寬度參考龍鋒等[23]經(jīng)驗公式。走向滑動量參考朱航等[24]走滑地震地表破裂長度和平均同震位錯的經(jīng)驗公式,估算出走向滑動量后,根據(jù)斷層面的滑動角估算出傾向滑動量。改變摩擦系數(shù)只會對庫侖應(yīng)力值的大小有影響,對庫侖應(yīng)力變化的空間圖式影響不大[25],Deng和Sykes等[26]研究發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)μ′取值在0~0.6之間時,地震產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力對后續(xù)地震有較好的應(yīng)力觸發(fā)。本文計算中摩擦系數(shù)μ′參考沈正康等[25]計算華北地區(qū)庫侖應(yīng)力時的取值取為0.4。具體參數(shù)見表2。

      4 計算結(jié)果

      4.1 強震間的庫侖應(yīng)力觸發(fā)作用

      根據(jù)表1的地殼介質(zhì)模型和表2的震源參數(shù)及同震位錯模型,采用基于粘彈性模型的PSGRN/PSCMP程序計算庫侖應(yīng)力變化,研究邢臺地震序列中6級以上地震的綜合庫侖應(yīng)力觸發(fā)情況(圖2)。

      表2 邢臺地震序列(MS≥6.0)的震源參數(shù)及同震位錯模型

      研究強震間應(yīng)力觸發(fā)關(guān)系時,以被觸發(fā)地震的震源深度作為計算庫侖應(yīng)力變化的深度,被觸發(fā)地震的斷層參數(shù)作為接收斷層。以MS6.7地震的斷層參數(shù)作為主接收斷層,計算9 km深度處MS6.8地震庫侖破裂應(yīng)力變化(圖2a),MS6.7地震位于地震庫侖破裂應(yīng)力增加的應(yīng)力觸發(fā)區(qū),震中位置的庫侖破裂應(yīng)力為0.4 bar,即MS6.8地震有利于觸發(fā)MS6.7地震;以MS7.2地震的斷層參數(shù)作為主接收斷層,計算9 km深度處MS6.8地震和MS6.7地震綜合庫侖破裂應(yīng)力變化(圖2b),MS7.2地震發(fā)生在地震綜合庫侖破裂應(yīng)力增加的應(yīng)力觸發(fā)區(qū),震中位置的庫侖破裂應(yīng)力為5.9 bar,即MS6.8地震和MS6.7地震對MS7.2地震有觸發(fā)作用;以MS6.2地震的斷層參數(shù)作為主接收斷層,計算15 km深度處MS6.8地震、MS6.7地震及MS7.2地震綜合庫侖破裂應(yīng)力變化(圖2c),MS6.2地震處于地震綜合庫侖破裂應(yīng)力減少的應(yīng)力影區(qū),震中位置的庫侖破裂應(yīng)力為-3 bar,即MS6.8地震、MS6.7地震和MS7.2地震推遲了MS6.2地震的發(fā)生;以MS6.0地震的斷層參數(shù)作為主接收斷層,計算25 km深度處MS6.8地震、MS6.7地震、MS7.2地震及MS6.2地震綜合庫侖破裂應(yīng)力變化(圖2d),MS6.0地震在地震綜合庫侖破裂應(yīng)力增加的應(yīng)力觸發(fā)區(qū)發(fā)生,震中位置的庫侖破裂應(yīng)力為2.5 bar,即MS6.8地震、MS6.7地震、MS7.2地震及MS6.2地震對MS6.0地震有觸發(fā)作用。

      圖2 邢臺地震序列強震間的庫侖應(yīng)力觸發(fā)作用

      3月22日MS6.7地震之后,邢臺地震序列4個6級以上地震中有3個受綜合庫侖應(yīng)力觸發(fā)作用,觸發(fā)率為75%。李守勇等[10]基于彈性模型計算邢臺地震序列中4個6級以上地震受前個地震的庫侖應(yīng)力觸發(fā)情況,研究認為有2個地震被觸發(fā),觸發(fā)率為50%。本文采用粘彈性模型模擬邢臺老震區(qū)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu),與地下真實情況更加接近,計算6級以上地震庫侖應(yīng)力時綜合考慮之前發(fā)生的所有6級以上地震,計算得到的庫侖應(yīng)力對地震的觸發(fā)率高于基于彈性模型計算6級以上地震受之前單個6級以上地震的庫侖應(yīng)力觸發(fā)率。

      4.2 邢臺地震庫侖應(yīng)力動態(tài)演化

      計算邢臺老震區(qū)庫侖應(yīng)力動態(tài)演化,選取區(qū)域內(nèi)主斷層參數(shù)為接收斷層[22]:走向24.6°,傾角81.2°,滑動角141.4°。計算從1966年3月29日MS6.0地震后10 km深度處的同震、震后100年、震后300年以及震后500年的庫侖應(yīng)力變化(圖3)。

      圖3 分別為3月29日MS6.0地震后同震響應(yīng)、震后100年、震后300年以及震后500年的庫侖應(yīng)力變化圖。地震發(fā)生時在其附近區(qū)域釋放應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)力影區(qū),在兩端造成應(yīng)力加載產(chǎn)生應(yīng)力觸發(fā)區(qū),呈現(xiàn)“蝴蝶狀”分布特征。從圖中可以看出,隨著時間的演化,應(yīng)力影區(qū)和應(yīng)力觸發(fā)區(qū)都在向外擴散,庫侖應(yīng)力長時間尺度變化主要與地層的粘滯系數(shù)有關(guān),粘滯系數(shù)越大,應(yīng)力傳遞速度越慢,達到穩(wěn)態(tài)時間越長,應(yīng)力變化幅度越??;反之,粘滯系數(shù)越小,傳遞越快,達到穩(wěn)態(tài)時間越短,應(yīng)力變化幅度越大[21]。長期構(gòu)造加載通常會使地震斷層接近其破裂應(yīng)力水平,整個邢臺老震區(qū)內(nèi)北東部位、西南部位、西側(cè)和東側(cè)均位于庫侖應(yīng)力增加的應(yīng)力觸發(fā)區(qū),后面應(yīng)重點關(guān)注這些區(qū)域有發(fā)生強震的可能。

      圖3 各個時間點邢臺地震序列庫侖應(yīng)力變化

      4.3 地震危險性分析

      通常認為5級以上地震更具有破壞性,為了更好地分析邢臺老震區(qū)的地震危險性,探討庫侖應(yīng)力演化與5級以上地震活動關(guān)系,統(tǒng)計邢臺地震后發(fā)生的5級以上地震受庫侖應(yīng)力變化的觸發(fā)情況。1966年3月8日MS6.8地震發(fā)生至今,總共記錄到28個5~6級地震,其中8個發(fā)生在3月8日MS6.8地震與3月22日MS6.7地震間,11個發(fā)生在3月22日MS7.2地震與3月26日MS6.2地震間,1個發(fā)生 在3月26日MS6.2地 震 與3月29日MS6.0地 震間,8個發(fā)生在3月29日MS6.0地震至今。計算各個時間段的庫侖應(yīng)力變化,統(tǒng)計5到6級地震發(fā)生在庫侖破裂應(yīng)力觸發(fā)區(qū)(≥0.1 bar)的頻次,進而分析5級以上地震活動與庫侖應(yīng)力演化的關(guān)系(圖4)。

      計算庫侖應(yīng)力變化時選取深度為10 km。圖4a計算3月8日MS6.8地震庫侖應(yīng)力變化對3月8—22日之間5級地震的觸發(fā)關(guān)系,8個地震中5個震中位于應(yīng)力觸發(fā)區(qū),3個震中位于應(yīng)力影區(qū),受庫侖破裂應(yīng)力觸發(fā)率為62.5%;圖4b計算3月8日MS6.8地震、3月22日MS6.7地震和3月22日MS7.2地震綜合庫侖應(yīng)力變化對3月22—26日之間5級地震的觸發(fā)關(guān)系,11個地震中5個震中位于應(yīng)力觸發(fā)區(qū),6個震中位于應(yīng)力影區(qū),受庫侖破裂應(yīng)力觸發(fā)率為45.5%;圖4c計算3月8日MS6.8地震、3月22日MS6.7地震、3月22日MS7.2地震和3月26日MS6.2地震綜合庫侖應(yīng)力變化對3月26—29日之間5級地震的觸發(fā)關(guān)系,該時間段內(nèi)的這個地震位于應(yīng)力觸發(fā)區(qū),受庫侖破裂應(yīng)力觸發(fā)率為100%;圖4d計算3月8日MS6.8地震、3月22日MS6.7地震、3月22日MS7.2地震、3月26日MS6.2地震和3月29日MS6.0地震綜合庫侖應(yīng)力變化對3月29日至今5級地震的觸發(fā)關(guān)系,8個地震中6個震中位于應(yīng)力觸發(fā)區(qū),2個震中位于應(yīng)力影區(qū),受庫侖破裂應(yīng)力觸發(fā)率為75%。

      圖4 各個時間段庫侖應(yīng)力變化與5級地震的觸發(fā)關(guān)系

      綜合以上結(jié)果,28個5.0≤MS<6.0地震有17個受庫侖破裂應(yīng)力觸發(fā),綜合觸發(fā)率為60.7%。結(jié)合前文研究的6級以上地震的觸發(fā)關(guān)系,3月8日MS6.8地震發(fā)生后,32個5級以上地震中有20個發(fā)生在應(yīng)力觸發(fā)區(qū),12個發(fā)生在應(yīng)力影區(qū),地震發(fā)生在應(yīng)力觸發(fā)區(qū)的概率為62.5%。12個未被觸發(fā)的地震中有3個發(fā)生在應(yīng)力觸發(fā)區(qū)的邊緣,原因可能有以下3點:①歷史地震破裂參數(shù)(震中位置、走向、傾角、滑動角)估計產(chǎn)生誤差;②受限于觀測資料和接收斷層參數(shù)的選取產(chǎn)生誤差;③破裂帶區(qū)域次級破裂的結(jié)果。如果考慮以庫侖破裂應(yīng)力>0[25]作為應(yīng)力觸發(fā)區(qū),則這些地震將被觸發(fā)。排除這3個庫侖破裂應(yīng)力觸發(fā)邊緣的地震,綜合觸發(fā)率可達到71.9%,可以為后續(xù)破壞性地震的發(fā)生提供地點參考。

      5 結(jié)論和討論

      邢臺地震序列6級以上強震間的綜合觸發(fā)關(guān)系較好,3月8日MS6.8地震之后4個6級以上地震中僅有1個地震(3月26日MS6.2地震)落入庫侖應(yīng)力影區(qū),其余3個地震均受庫侖應(yīng)力觸發(fā)作用,且5級以上地震發(fā)生在應(yīng)力觸發(fā)區(qū)概率達到71.9%,說明邢臺老震區(qū)庫侖應(yīng)力變化對中強地震的發(fā)生觸發(fā)作用明顯,可將庫侖應(yīng)力動態(tài)演化應(yīng)用到本區(qū)地震中長期危險性預(yù)測中。由于邢臺老震區(qū)粘滯系數(shù)大,1966年3月29日最后一個6級地震發(fā)生后,小尺度時間范圍內(nèi)庫侖應(yīng)力動態(tài)變化不明顯,庫侖應(yīng)力變化呈現(xiàn)“蝴蝶狀”分布特征,地震發(fā)生后在其附近區(qū)域釋放應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)力影區(qū),在兩端造成應(yīng)力加載產(chǎn)生應(yīng)力觸發(fā)區(qū)。邢臺老震區(qū)的北東部位、西南部位、西側(cè)和東側(cè)均位于庫侖應(yīng)力增加的應(yīng)力觸發(fā)區(qū),應(yīng)重點關(guān)注這些區(qū)域發(fā)生中強震可能性。

      在計算庫侖應(yīng)力變化時,存在著很多誤差。由于沒有MS6.8地震之前的庫侖破裂應(yīng)力變化數(shù)據(jù),假定MS6.8地震之前的累積庫侖破裂應(yīng)力為0;建立地殼層狀模型時,由于缺少本地區(qū)精細的三維速度模型及粘滯系數(shù),模型參數(shù)均是根據(jù)前人研究成果選取的;對于歷史地震破裂參數(shù)、初始應(yīng)力場和長期加載場認識有限,對于庫侖應(yīng)力估計比較粗糙。以上這些都會給計算帶來難度,雖不能準確地預(yù)測破裂時間,但根據(jù)庫侖應(yīng)力動態(tài)演化仍然能夠為地震中長期預(yù)測提供重要信息。

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