2020年1月19日伽师MS6.4地震静态库仑应力触发及对周边断层影响研究①

古丽孜娜提·依德热斯, 高朝军,2, 海仁沙·司拉木, 祖丽皮亚·巴克

(1.新疆维吾尔自治区地震局喀什地震监测中心站,新疆 喀什 844000; 2.新疆帕米尔陆内俯冲国家野外科学观测站,新疆 喀什 844000)

据中国地震台网测定,2020年1月19日21时27分,新疆喀什地区伽师县(77.21°E、39.83°N)发生MS6.4强震,震源深度16 km,伽师县城及喀什市区震感明显,该地震造成不同程度人员伤亡,国道314线伽师县境内部分道路受损,4条10千伏输电线路受损[1]。本次地震震中位于2003—2004年伽师强震群主体活动区西北23 km,1997—1998年伽师强震群主体活动区东北约25 km,距离1998年8月27日MS6.4地震3 km,该地震发生在新疆地震活动异常平静的背景下,震前新疆地区出现267天的5级地震平静,2019年10月27日乌什MS5.0地震打破该平静,其后发生本次MS6.4地震。同时也是2003—2004年伽师6级地震活动后,震区又一次新的强震活动。

地震应力触发包括静态应力触发和动态应力触发,其中静态应力触发主要研究断层位错在附近产生的应力变化对后续地震的触发作用,当库仑应力增加时断层面处于加载状态,从而会促进后续余震的发生;相反,当库仑应力减少时断层面处于卸载状态,从而抑制后续余震的发生。当作用在活动断层上的应力超过其所能承受的强度时,断层将会发生破裂,释放积累的应力,从而改变断层周围及邻近区域的应力状态,这种应力的改变被称为库仑应力变化[2]。库仑应力变化与断层的几何产状、滑动量和有效摩擦系数有关[3],地震引发的断层破裂过程在周围地壳中会引起静态应力变化[4],对后续地震的分布会产生一定的影响因素,而且局部的应力变化常常发生在断层破裂方向上。

大量研究表明,地震之间的触发关系、余震空间分布规律以及周边活动断层的危险性可以通过库仑破裂应力来揭示,静态库仑应力变化对后续地震的确有触发作用[5]。万永革等[6]研究库仑应力触发作用对后续破裂事件的影响,挑选出中国大陆4个大地震,发现前震对余震均有触发作用。王琼等[7]计算MS6.8主震和MW≥ 5.0余震产生的库仑破裂应力变化,说明MS6.8地震序列的中强余震活动一定程度上受主震的触发作用,序列中MS≥4.5余震主要分布在主震产生的静态破裂应力变化为正的区域。解朝娣等[8]研究2008年MS8.0汶川地震与2013年MS7.0芦山地震之间的触发关系,受到汶川地震产生的动态、静态应力变化以及黏弹性松弛效应造成应力变化的共同触发作用,在一定时间内,造成芦山地震震源区应力积累逐渐增加,最终导致了地震的发生。王琼、聂晓红等[9]通过计算新疆南天山西段的喀什—乌恰地区和柯坪块区1955年以来部分MS≥6.0地震产生的静态库仑破裂应力变化,研究该区强震对后续地震的触发作用,结果表明,喀什—乌恰地区多数强震的发生有利于其邻区后续地震活动增强;而柯坪块区多数强震的发生则在一定程度上缓解了其邻区的地震危险性。王海涛、赵翠萍等[10-11]研究自1996年阿图什MS6.7地震及1997—1998年伽师强震群与2003年巴楚—伽师MS6.8地震在整个伽师强震群活动过程中的应力触发作用,结果表明1996年阿图什MS6.7地震在一定程度上有利于1997—1998年伽师强震群的发生;伽师强震群中先发生的6级地震产生的累加静态库仑破裂应力变化对后续6级地震有一定触发作用;1997—1998年伽师强震群折合为1次地震产生的静态库仑破裂应力变化表明,其对2003年巴楚—伽师MS6.8地震触发作用明显。宋金等[12]计算2008年以来于田地区4次MS≥5.5地震产生的同震静态库仑破裂应力场变化,结果表明2011年MS5.5、2014年MS7.3地震均处于之前地震产生的库仑破裂应力增加区,这两次地震明显受到之前强震触发作用的影响;而2012年MS6.2地震位于之前地震产生的应力影区内,对其发生有延缓作用。刘方斌等[13]针对1920年宁夏海原MS8.5地震和1927年甘肃古浪MS8.0地震,研究表明主震产生的应力分布呈显著的变化趋势,1990年天祝MS6.2地震正好在西段景泰—天祝—古浪危险区内。

通过计算2020年伽师MS6.4地震及周边2005年以来强震产生的同震静态库仑应力变化,分析周边强震对伽师MS6.4地震是否具有触发作用;并根据有限断层模型,判断伽师MS6.4 地震产生的应力变化对后续余震的发生是否具有触发作用;进而计算周围断层的加卸载情况,为该区未来地震危险性判定提供一定参考。

1 库仑应力变化

1.1 构造地质背景

该研究区位于塔里木盆地、帕米尔和南天山地震带三大构造的结合部,地质构造运动强烈,中强地震活跃[14-15]。四周分别有普昌断裂、柯坪断裂、迈丹—沙依拉姆断裂、阔克沙勒断裂、喀拉铁克断裂、托云断裂、卡兹克阿尔特断裂、艾肯尔特断裂、布伦口断裂等大型断裂带[16],是新疆乃至中亚地区地震非常活跃的地区。普昌断裂位于柯坪塔格推覆构造中部,北起皮羌以北,南至柯坪塔格推覆体前缘,总体走向NNW,该断裂为全新世强烈活动断裂。柯坪推覆构造最前缘的断裂为柯坪断裂,位于托特拱拜孜—阿尔帕雷克断裂东段的奥孜格尔他乌断裂和塔塔埃尔塔格断裂南侧,主体位于柯坪山山前,是柯坪断块与塔里木盆地的分界断裂,走向NEE,倾向NW,倾角40°～60°。迈丹—沙依拉姆断裂,西起托云西,向东经哈拉其到温宿以北,为柯坪推覆构造带的根部断层,总体走向NEE,倾向NW,倾角60°～80°,在该断裂东北角的阿合齐和乌什地区上世纪曾多次发生6级地震。阔克沙勒断裂,乌什以北,根部断裂位于阔克沙勒山山前,是迈丹—沙依拉姆断裂次级断裂带[10]。喀拉铁克断裂,位于喀拉铁克山—天山南脉造山带,该带向西延伸至塔拉斯—费尔干纳断裂带,东至阿克苏,总体构成一向南东凸出的弧形[17]。托云断裂为塔拉斯—费尔干纳断裂穿过托云盆地的西南缘派生出的一条次级断裂,呈北西走向,走滑断裂[18]。卡兹克阿尔特活动断裂带[14]是帕米尔北缘弧形推覆构造带东段前缘全新世晚期仍有活动的最新变形带,大致沿克孜勒苏河展布,走向NEE,过马尔坎苏后变为NWW走向,然后经乌帕尔北西向南延伸至盖孜河南岸,成为NNW走向,以逆掩推覆为主,断面南倾,倾角15°～30°。艾肯尔特断裂位于帕米尔北缘弧形构造带的根部,为前苏联境内卡拉库尔构造带向东延伸部分[17]。布伦口断裂,该断裂为塔什库尔干断裂北段的一条次级断裂,在该断裂带的盖孜河以北分布有古地震形变带。

1.2 计算方法

运用库仑破裂假设,将μ′取为常数,假定后续地震断层面的几何参数和滑动方向已知,当被触发地震断层面和滑动方向上的剪应力变化达到平面中的抗剪强度时,地震断层面上的岩石发生破裂,因此描述趋近破裂程度的库仑破裂应力变化[6],

CFS=τ+μ(σn+p)-S.

(1)

式中:τ为破裂面上的剪应力;μ为内摩擦系数;σn为断层面上的为正应力(定义张开为正);p为孔隙压力。假设μ和S为常数,则库仑应力变化,

ΔCFS=Δτ+μ(Δσn+Δp) .

(2)

式中:Δτ为剪应力变化;Δσn为法向应力变化;Δp为孔隙压力变化。为了简化孔隙压力变化的影响,假定材料介质为均匀的各向同性。孔隙压力减少摩擦系数的效应可用μ′=μ(1-B)表示。其中B是Skempton系数,理论范围为0～1,由此公式2可以变为,

ΔCFS=Δτ+μ′Δσn.

(3)

万永革等[6]认为μ′值的大小要根据当地的其他资料(如热状态、流体观测结果,所研究断层的大小等)确定,因此根据文献[19-20]计算,将内摩擦系数定为0.4。当ΔCFS为正时,该应力变化可能促进后续地震的发生;相反,可能对后续地震的发生产生抑制作用。

1.3 地震参数选取

据Global Centroid Moment Tensor Catalog(以下简称GCMT)发布关于2020年新疆伽师MS6.4地震的相关资料,本次地震矩震级MW为6.0,震源深度为12.2 km,震源机制解所示节面I走向196°、倾角38°、滑动角31°;节面II走向80°、倾角71°、滑动角124°,呈NEE向分布,具有逆冲为主,兼具走滑分量的特征。结合柯坪断裂走向、破裂方式,分析认为节面II为该地震的断层面。另外,其余7次MS≥5.0地震震源机制解均来自GCMT。

Coulomb3.3程序[21]是基于Okada提出的弹性半空间位错模型,在计算时须提供震源断层破裂长度和宽度,对于断层资料不完善因而不能直接计算得出长度和宽度的断层,用Wells等[22]提出的矩震级与破裂长度(L)及宽度(W)之间的关系(公式4和5),计算地震断层面的长度和宽度。

MW=4.49+1.49lgL.

(4)

MW=4.37+1.95lgW.

(5)

根据上述各参数可以得到8次地震的断层参数,见表1。

2 计算结果

2.1 2005年以来7次MS≥5.0地震与2020年伽师MS6.4地震的影响

基于本研究区内历史强震空间分布特征(图1),蓝色沙滩球为伽师MS6.4地震的震源机制解,红色沙滩球为研究区内2005年以来其余7次MS≥5.0地震震源机制解,浅绿色空心圆为1970年以来MS≥5.0历史地震。将该区内所有MS≥5.0地震划分为2个区域:喀什—乌恰交汇区与柯坪块体。2005年以来的8次MS≥5.0的地震(表1),冉慧敏等[23]和唐兰兰等[24]对2008年10月5日乌恰MS6.9地震及其MS6.2余震分析,认为10月6日MS6.2地震为主震的余震,余震震源机制解显示与主震一致的破裂类型,没有选取2008年10月6日乌恰MS6.2地震。通过GCMT分别得到震源机制解及震源深度,结合相关地质构造背景资料,以其中一个节面为破裂面,利用Coulomb3.3程序计算地震在空间上产生的库仑破裂应力变化,分别讨论上述7次地震与伽师MS6.4地震之间的静态库仑破裂应力作用。

2.1.1 喀什—乌恰交汇区

图2a为2008年乌恰MS6.9地震与2016年阿克陶MS6.7地震[25-27]共同叠加产生的库仑破裂应力扰动结果,10月5日MS6.9主震与10月6日MS6.2余震表现出相同的破裂机制及局部应力场特征,所以只计算2008年10月5日乌恰MS6.9主震和2016年阿克陶MS6.7地震共同叠加的效果。结果显示,2020年伽师MS6.4地震断层面上的投影恰好在上述2次地震的叠加应力影区内,震中位置的库仑应力卸载量达1.0×10-3MPa,表明该区域内上述两次地震对伽师MS6.4地震起到延缓作用。

图2 2005年以来MS≥5.0地震对后续地震的应力扰动影响(a) 喀什—乌恰交汇区 (b) 柯坪块体Fig.2 Stress disturbance effect of earthquakes occurring since 2005 on subsequent earthquakes

2.1.2 柯坪块体

2020年伽师MS6.4地震,节面II(走向80°、倾角71°、滑动角124°)为主破裂面,2005年乌什MS6.2地震产生的库仑破裂应力在该主破裂面上投影(图2b),库仑应力扰动量为1.1×10-5MPa,远小于1.0×10-3MPa。同时,乌什地震震中距离伽师MS6.4地震280 km,距离较远,震级也偏小,因此不足以触发2020年伽师MS6.4地震。另外,2009年阿合奇MS5.4地震、2011年八盘磨MS5.8地震、2013年巴楚MS5.5地震,这3次地震对2020年伽师MS6.4地震库仑破裂应力的影响甚微,结果多数位于0～3.0×10-7MPa。柯坪块体2005年以来的4次源震震级均小于接收地震的震级,因此判断以上4次地震对伽师地震的发生几乎没有影响,伽师地震的发生可能是因为发震断层应力集中的结果。

2.2 2020年伽师MS6.4地震对余震活动的触发影响

利用GCMT提供的此次伽师地震主震震源机制解节面II(走向80°,倾角71°,滑动角124°)作为接收断层参数,计算2020年伽师MS6.4地震破裂分布在震源区附近产生的静态库仑应力变化情况(图3,ML≥2.0余震来源于新疆地震台网中心),本研究采用181个余震的时间范围为主震后至2020年12月31日。主震破裂面附近SEE方向为明显的库仑破裂应力加载区,目前记录到的ML≥2.0余震(HypoDD双差定位方法[28]结果)中有几乎所有余震都分布在破裂面附近的应力增强区(图3中绿色小圆圈所示),余震分布比较密集,应力下降区则基本没有余震分布,这较好地吻合了伽师MS6.4地震产生的库仑破裂应力扰动空间分布状况。另外,主震破裂面上的部分应力加载区域无余震发生,随着应力的持续积累,未来一段时间上述区域地震危险性增强。

图3 伽师MS6.4地震产生的库仑破裂应力变化与ML≥2.0余震空间分布Fig.3 Coulomb rupture stress changes caused by the Jiashi MS6.4 earthquake and spatial distribution of aftershocks with ML≥2.0

2.3 2020年伽师MS6.4地震对周边断层的影响

地震的发生主要取决于外部应力和内部地壳,而断层是地壳中最脆弱的一部分,因此地震在一些活动断层上反复发生。库仑应力场作为一定的触发因素,能够解释“触”,而不能完全地解释“发”。在应力触发区,后续地震事件被前面地震事件所触发,但是主震附近最佳破裂面上产生的静态库仑应力变化值太小,而后续地震在震源深度处的应力值是库仑破裂应力能量级的104倍左右,因此静态库仑应力不足以触发后续地震的破裂。在实际应用过程中,通常考虑地震断层的长期加载影响,而地震静态应力触发模型的研究,是从零应力状态开始计算的,大致勾勒出一个可能的范围十分必要。将研究区(73°E～81°E、38°N～42°N)分为160×80个小网格,利用Coulomb3.3程序进行计算,得到伽师MS6.4地震对周围9条主要断裂带上库仑应力扰动值空间分布(图4)。图4中应力值的空间分布,柯坪断裂、普昌断裂、迈丹—沙依拉姆断裂中段、喀拉铁克断裂西北段、卡兹克阿尔特断裂东南段、艾肯尔特西段、布伦口东南段产生的库仑破裂应力增加明显,这些断裂一直处于应力扰动较大的区域,地震危险性也相对较高。

图4 2020年伽师MS6.4地震对主要活动断裂产生的库仑应力变化空间分布(a) 迈丹—沙依拉姆断裂 (b) 喀拉铁克断裂 (c) 阔克沙勒断裂 (d) 普昌断裂 (e) 柯坪断裂 (f) 托云断裂 (g) 卡兹克阿尔特断裂 (h) 艾肯尔特断裂 (i) 布伦口断裂Fig.4 Space distribution of coulomb stress variation on major active faults caused

依据表2柯坪断裂距离本次地震震中最近,计算得出该断裂不同断层段库仑破裂应力变化值很大,其中应力加载值最大的段落达3.350×10-2MPa;有的段落则明显受到应力卸载作用的影响,库仑应力变化值为4.022×10-2MPa。尽管所采用的震源有限断层模型可能会在一定程度上影响到其计算结果,但值得关注的是柯坪断裂受到很强的应力扰动影响,该断裂带依然存在较大地震危险性。

表2 研究区内主要活动断裂的库仑应力变化

距离伽师MS6.4地震较近的迈丹—沙依拉姆断裂、喀拉铁克断裂,该地震对它们产生的库仑破裂应力呈非常明显的加载趋势,应力增加值分别为3.239×10-3MPa、1.718×10-3MPa。普昌断裂、卡兹克阿尔特断裂的库仑破裂应力加载趋势也较为明显,应力增加值分别上升了6.32×10-4MPa、1.17 ×10-4MPa。距离伽师MS6.4地震较远的托云断裂、阔克沙勒断裂、布伦口断裂、艾肯尔特断裂的库仑破裂应力波动最小。喀拉铁克断裂东段、迈丹—沙依拉姆断裂东段、普昌断裂北段、艾肯尔特断裂东段主要受库仑破裂应力卸载作用的影响,扰动值最大分别为9.98×10-4、2.54×10-4、4.44×10-4和1.57×10-4MPa,上述这些断裂的地震危险性较小。

2.4 2005年以来研究区8次MS≥5.0地震库仑应力累积空间分布

计算2005年以来研究区域8次MS≥5.0地震对周边9条主要断层应力扰动累积情况(图5、表2)。库仑破裂应力加载值最为明显的是柯坪断裂东段和阔克沙勒断裂中段,部分地震危险性相对较高。

布伦口断裂北段、卡兹克阿尔特断裂西段上、艾肯尔特断裂,其应力扰动最大值分别达到9.716×10-3、7.807×10-3和5.568×10-3MPa,这些断裂或其一部分受到加载作用较为明显,其地震危险性进一步增加,这主要源于2008年乌恰MS6.8地震和2016年阿克陶MS6.7地震对它们产生的较强加载影响。阔克沙勒断裂西段、托云断裂南段、卡兹克阿尔特南段、艾肯尔特西段、布伦口南段之前受到2020年伽师MS6.4地震产生的库仑破裂应力加载影响,然而2005年以来8次地震的库仑破裂应力累积作用下,明显受到卸载影响。普昌断裂北段、柯坪断裂西段、托云断裂北段、布伦口北段之前受到2020年伽师MS6.4地震产生的库仑应力卸载影响,2005年以来8次地震产生的库仑破裂应力累积作用下受到明显的加载影响,这些部分存在一定的地震危险性。

3 结 论

根据静态库仑破裂应力触发原理,计算8次MS≥5.0强震产生的同震应力扰动变化情况,分析它们之间存在的应力触发作用、其应力场变化对余震空间分布及对周边主要断层的影响,结论如下:(1) 2008年乌恰MS6.9地震与2016年阿克陶MS6.7地震产生的累加库仑应力对伽师MS6.4地震卸载量达1.0×10-3MPa,说明喀什乌恰交汇区前两次地震对伽师MS6.4地震的发生起到延缓作用。(2) 结合余震精定位结果空间分布情况可以看出,伽师MS6.4地震震中NNE方向、SSW方向和NWW方向处于库仑应力加载区,存在较多空区,地震危险性较大,需密切关注。(3) 针对本次伽师地震,应力扰动值较大区域地震危险性较高。分析认为柯坪断裂绝大部分区域、迈丹—沙依拉姆断裂中段、喀拉铁克断裂西南段、卡兹克阿尔特断裂南段、艾肯尔特断裂西段、布伦口断裂南段存在较大地震危险性。(4) 2005年以来累积库仑应力结果表明,应力扰动值较大区域地震危险性较高。分析认为阔克沙勒断裂中段、迈丹—沙依拉姆断裂中段、柯坪断裂绝大部分区域、喀拉铁克断裂西南段、艾肯尔特断裂中段及附近区域存在一定的发震背景。