2020年1月19日伽師MS6.4地震靜態庫侖應力觸發及對周邊斷層影響研究①

古麗孜娜提·依德熱斯, 高朝軍,2, 海仁沙·司拉木, 祖麗皮亞·巴克

(1.新疆維吾爾自治區地震局喀什地震監測中心站,新疆 喀什 844000; 2.新疆帕米爾陸內俯沖國家野外科學觀測站,新疆 喀什 844000)

據中國地震臺網測定,2020年1月19日21時27分,新疆喀什地區伽師縣(77.21°E、39.83°N)發生MS6.4強震,震源深度16 km,伽師縣城及喀什市區震感明顯,該地震造成不同程度人員傷亡,國道314線伽師縣境內部分道路受損,4條10千伏輸電線路受損[1]。本次地震震中位于2003—2004年伽師強震群主體活動區西北23 km,1997—1998年伽師強震群主體活動區東北約25 km,距離1998年8月27日MS6.4地震3 km,該地震發生在新疆地震活動異常平靜的背景下,震前新疆地區出現267天的5級地震平靜,2019年10月27日烏什MS5.0地震打破該平靜,其后發生本次MS6.4地震。同時也是2003—2004年伽師6級地震活動后,震區又一次新的強震活動。

地震應力觸發包括靜態應力觸發和動態應力觸發,其中靜態應力觸發主要研究斷層位錯在附近產生的應力變化對后續地震的觸發作用,當庫侖應力增加時斷層面處于加載狀態,從而會促進后續余震的發生;相反,當庫侖應力減少時斷層面處于卸載狀態,從而抑制后續余震的發生。當作用在活動斷層上的應力超過其所能承受的強度時,斷層將會發生破裂,釋放積累的應力,從而改變斷層周圍及鄰近區域的應力狀態,這種應力的改變被稱為庫侖應力變化[2]。庫侖應力變化與斷層的幾何產狀、滑動量和有效摩擦系數有關[3],地震引發的斷層破裂過程在周圍地殼中會引起靜態應力變化[4],對后續地震的分布會產生一定的影響因素,而且局部的應力變化常常發生在斷層破裂方向上。

大量研究表明,地震之間的觸發關系、余震空間分布規律以及周邊活動斷層的危險性可以通過庫侖破裂應力來揭示,靜態庫侖應力變化對后續地震的確有觸發作用[5]。萬永革等[6]研究庫侖應力觸發作用對后續破裂事件的影響,挑選出中國大陸4個大地震,發現前震對余震均有觸發作用。王瓊等[7]計算MS6.8主震和MW≥ 5.0余震產生的庫侖破裂應力變化,說明MS6.8地震序列的中強余震活動一定程度上受主震的觸發作用,序列中MS≥4.5余震主要分布在主震產生的靜態破裂應力變化為正的區域。解朝娣等[8]研究2008年MS8.0汶川地震與2013年MS7.0蘆山地震之間的觸發關系,受到汶川地震產生的動態、靜態應力變化以及黏彈性松弛效應造成應力變化的共同觸發作用,在一定時間內,造成蘆山地震震源區應力積累逐漸增加,最終導致了地震的發生。王瓊、聶曉紅等[9]通過計算新疆南天山西段的喀什—烏恰地區和柯坪塊區1955年以來部分MS≥6.0地震產生的靜態庫侖破裂應力變化,研究該區強震對后續地震的觸發作用,結果表明,喀什—烏恰地區多數強震的發生有利于其鄰區后續地震活動增強;而柯坪塊區多數強震的發生則在一定程度上緩解了其鄰區的地震危險性。王海濤、趙翠萍等[10-11]研究自1996年阿圖什MS6.7地震及1997—1998年伽師強震群與2003年巴楚—伽師MS6.8地震在整個伽師強震群活動過程中的應力觸發作用,結果表明1996年阿圖什MS6.7地震在一定程度上有利于1997—1998年伽師強震群的發生;伽師強震群中先發生的6級地震產生的累加靜態庫侖破裂應力變化對后續6級地震有一定觸發作用;1997—1998年伽師強震群折合為1次地震產生的靜態庫侖破裂應力變化表明,其對2003年巴楚—伽師MS6.8地震觸發作用明顯。宋金等[12]計算2008年以來于田地區4次MS≥5.5地震產生的同震靜態庫侖破裂應力場變化,結果表明2011年MS5.5、2014年MS7.3地震均處于之前地震產生的庫侖破裂應力增加區,這兩次地震明顯受到之前強震觸發作用的影響;而2012年MS6.2地震位于之前地震產生的應力影區內,對其發生有延緩作用。劉方斌等[13]針對1920年寧夏海原MS8.5地震和1927年甘肅古浪MS8.0地震,研究表明主震產生的應力分布呈顯著的變化趨勢,1990年天祝MS6.2地震正好在西段景泰—天?！爬宋ｋU區內。

通過計算2020年伽師MS6.4地震及周邊2005年以來強震產生的同震靜態庫侖應力變化,分析周邊強震對伽師MS6.4地震是否具有觸發作用;并根據有限斷層模型,判斷伽師MS6.4 地震產生的應力變化對后續余震的發生是否具有觸發作用;進而計算周圍斷層的加卸載情況,為該區未來地震危險性判定提供一定參考。

1 庫侖應力變化

1.1 構造地質背景

該研究區位于塔里木盆地、帕米爾和南天山地震帶三大構造的結合部,地質構造運動強烈,中強地震活躍[14-15]。四周分別有普昌斷裂、柯坪斷裂、邁丹—沙依拉姆斷裂、闊克沙勒斷裂、喀拉鐵克斷裂、托云斷裂、卡茲克阿爾特斷裂、艾肯爾特斷裂、布倫口斷裂等大型斷裂帶[16],是新疆乃至中亞地區地震非?；钴S的地區。普昌斷裂位于柯坪塔格推覆構造中部,北起皮羌以北,南至柯坪塔格推覆體前緣,總體走向NNW,該斷裂為全新世強烈活動斷裂?？缕和聘矘嬙熳钋熬壍臄嗔褳榭缕簲嗔?位于托特拱拜孜—阿爾帕雷克斷裂東段的奧孜格爾他烏斷裂和塔塔埃爾塔格斷裂南側,主體位于柯坪山山前,是柯坪斷塊與塔里木盆地的分界斷裂,走向NEE,傾向NW,傾角40°～60°。邁丹—沙依拉姆斷裂,西起托云西,向東經哈拉其到溫宿以北,為柯坪推覆構造帶的根部斷層,總體走向NEE,傾向NW,傾角60°～80°,在該斷裂東北角的阿合齊和烏什地區上世紀曾多次發生6級地震。闊克沙勒斷裂,烏什以北,根部斷裂位于闊克沙勒山山前,是邁丹—沙依拉姆斷裂次級斷裂帶[10]?？F克斷裂,位于喀拉鐵克山—天山南脈造山帶,該帶向西延伸至塔拉斯—費爾干納斷裂帶,東至阿克蘇,總體構成一向南東凸出的弧形[17]。托云斷裂為塔拉斯—費爾干納斷裂穿過托云盆地的西南緣派生出的一條次級斷裂,呈北西走向,走滑斷裂[18]?？ㄆ澘税柼鼗顒訑嗔褞14]是帕米爾北緣弧形推覆構造帶東段前緣全新世晚期仍有活動的最新變形帶,大致沿克孜勒蘇河展布,走向NEE,過馬爾坎蘇后變為NWW走向,然后經烏帕爾北西向南延伸至蓋孜河南岸,成為NNW走向,以逆掩推覆為主,斷面南傾,傾角15°～30°。艾肯爾特斷裂位于帕米爾北緣弧形構造帶的根部,為前蘇聯境內卡拉庫爾構造帶向東延伸部分[17]。布倫口斷裂,該斷裂為塔什庫爾干斷裂北段的一條次級斷裂,在該斷裂帶的蓋孜河以北分布有古地震形變帶。

1.2 計算方法

運用庫侖破裂假設,將μ′取為常數,假定后續地震斷層面的幾何參數和滑動方向已知,當被觸發地震斷層面和滑動方向上的剪應力變化達到平面中的抗剪強度時,地震斷層面上的巖石發生破裂,因此描述趨近破裂程度的庫侖破裂應力變化[6],

CFS=τ+μ(σn+p)-S.

(1)

式中:τ為破裂面上的剪應力;μ為內摩擦系數;σn為斷層面上的為正應力(定義張開為正);p為孔隙壓力。假設μ和S為常數,則庫侖應力變化,

ΔCFS=Δτ+μ(Δσn+Δp) .

(2)

式中:Δτ為剪應力變化;Δσn為法向應力變化;Δp為孔隙壓力變化。為了簡化孔隙壓力變化的影響,假定材料介質為均勻的各向同性?？紫秹毫p少摩擦系數的效應可用μ′=μ(1-B)表示。其中B是Skempton系數,理論范圍為0～1,由此公式2可以變為,

ΔCFS=Δτ+μ′Δσn.

(3)

萬永革等[6]認為μ′值的大小要根據當地的其他資料(如熱狀態、流體觀測結果,所研究斷層的大小等)確定,因此根據文獻[19-20]計算,將內摩擦系數定為0.4。當ΔCFS為正時,該應力變化可能促進后續地震的發生;相反,可能對后續地震的發生產生抑制作用。

1.3 地震參數選取

據Global Centroid Moment Tensor Catalog(以下簡稱GCMT)發布關于2020年新疆伽師MS6.4地震的相關資料,本次地震矩震級MW為6.0,震源深度為12.2 km,震源機制解所示節面I走向196°、傾角38°、滑動角31°;節面II走向80°、傾角71°、滑動角124°,呈NEE向分布,具有逆沖為主,兼具走滑分量的特征。結合柯坪斷裂走向、破裂方式,分析認為節面II為該地震的斷層面。另外,其余7次MS≥5.0地震震源機制解均來自GCMT。

Coulomb3.3程序[21]是基于Okada提出的彈性半空間位錯模型,在計算時須提供震源斷層破裂長度和寬度,對于斷層資料不完善因而不能直接計算得出長度和寬度的斷層,用Wells等[22]提出的矩震級與破裂長度(L)及寬度(W)之間的關系(公式4和5),計算地震斷層面的長度和寬度。

MW=4.49+1.49lgL.

(4)

MW=4.37+1.95lgW.

(5)

根據上述各參數可以得到8次地震的斷層參數,見表1。

2 計算結果

2.1 2005年以來7次MS≥5.0地震與2020年伽師MS6.4地震的影響

基于本研究區內歷史強震空間分布特征(圖1),藍色沙灘球為伽師MS6.4地震的震源機制解,紅色沙灘球為研究區內2005年以來其余7次MS≥5.0地震震源機制解,淺綠色空心圓為1970年以來MS≥5.0歷史地震。將該區內所有MS≥5.0地震劃分為2個區域:喀什—烏恰交匯區與柯坪塊體。2005年以來的8次MS≥5.0的地震(表1),冉慧敏等[23]和唐蘭蘭等[24]對2008年10月5日烏恰MS6.9地震及其MS6.2余震分析,認為10月6日MS6.2地震為主震的余震,余震震源機制解顯示與主震一致的破裂類型,沒有選取2008年10月6日烏恰MS6.2地震。通過GCMT分別得到震源機制解及震源深度,結合相關地質構造背景資料,以其中一個節面為破裂面,利用Coulomb3.3程序計算地震在空間上產生的庫侖破裂應力變化,分別討論上述7次地震與伽師MS6.4地震之間的靜態庫侖破裂應力作用。

2.1.1 喀什—烏恰交匯區

圖2a為2008年烏恰MS6.9地震與2016年阿克陶MS6.7地震[25-27]共同疊加產生的庫侖破裂應力擾動結果,10月5日MS6.9主震與10月6日MS6.2余震表現出相同的破裂機制及局部應力場特征,所以只計算2008年10月5日烏恰MS6.9主震和2016年阿克陶MS6.7地震共同疊加的效果。結果顯示,2020年伽師MS6.4地震斷層面上的投影恰好在上述2次地震的疊加應力影區內,震中位置的庫侖應力卸載量達1.0×10-3MPa,表明該區域內上述兩次地震對伽師MS6.4地震起到延緩作用。

圖2 2005年以來MS≥5.0地震對后續地震的應力擾動影響(a) 喀什—烏恰交匯區 (b) 柯坪塊體Fig.2 Stress disturbance effect of earthquakes occurring since 2005 on subsequent earthquakes

2.1.2 柯坪塊體

2020年伽師MS6.4地震,節面II(走向80°、傾角71°、滑動角124°)為主破裂面,2005年烏什MS6.2地震產生的庫侖破裂應力在該主破裂面上投影(圖2b),庫侖應力擾動量為1.1×10-5MPa,遠小于1.0×10-3MPa。同時,烏什地震震中距離伽師MS6.4地震280 km,距離較遠,震級也偏小,因此不足以觸發2020年伽師MS6.4地震。另外,2009年阿合奇MS5.4地震、2011年八盤磨MS5.8地震、2013年巴楚MS5.5地震,這3次地震對2020年伽師MS6.4地震庫侖破裂應力的影響甚微,結果多數位于0～3.0×10-7MPa?？缕簤K體2005年以來的4次源震震級均小于接收地震的震級,因此判斷以上4次地震對伽師地震的發生幾乎沒有影響,伽師地震的發生可能是因為發震斷層應力集中的結果。

2.2 2020年伽師MS6.4地震對余震活動的觸發影響

利用GCMT提供的此次伽師地震主震震源機制解節面II(走向80°,傾角71°,滑動角124°)作為接收斷層參數,計算2020年伽師MS6.4地震破裂分布在震源區附近產生的靜態庫侖應力變化情況(圖3,ML≥2.0余震來源于新疆地震臺網中心),本研究采用181個余震的時間范圍為主震后至2020年12月31日。主震破裂面附近SEE方向為明顯的庫侖破裂應力加載區,目前記錄到的ML≥2.0余震(HypoDD雙差定位方法[28]結果)中有幾乎所有余震都分布在破裂面附近的應力增強區(圖3中綠色小圓圈所示),余震分布比較密集,應力下降區則基本沒有余震分布,這較好地吻合了伽師MS6.4地震產生的庫侖破裂應力擾動空間分布狀況。另外,主震破裂面上的部分應力加載區域無余震發生,隨著應力的持續積累,未來一段時間上述區域地震危險性增強。

圖3 伽師MS6.4地震產生的庫侖破裂應力變化與ML≥2.0余震空間分布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年伽師MS6.4地震對周邊斷層的影響

地震的發生主要取決于外部應力和內部地殼,而斷層是地殼中最脆弱的一部分,因此地震在一些活動斷層上反復發生。庫侖應力場作為一定的觸發因素,能夠解釋“觸”,而不能完全地解釋“發”。在應力觸發區,后續地震事件被前面地震事件所觸發,但是主震附近最佳破裂面上產生的靜態庫侖應力變化值太小,而后續地震在震源深度處的應力值是庫侖破裂應力能量級的104倍左右,因此靜態庫侖應力不足以觸發后續地震的破裂。在實際應用過程中,通?？紤]地震斷層的長期加載影響,而地震靜態應力觸發模型的研究,是從零應力狀態開始計算的,大致勾勒出一個可能的范圍十分必要。將研究區(73°E～81°E、38°N～42°N)分為160×80個小網格,利用Coulomb3.3程序進行計算,得到伽師MS6.4地震對周圍9條主要斷裂帶上庫侖應力擾動值空間分布(圖4)。圖4中應力值的空間分布,柯坪斷裂、普昌斷裂、邁丹—沙依拉姆斷裂中段、喀拉鐵克斷裂西北段、卡茲克阿爾特斷裂東南段、艾肯爾特西段、布倫口東南段產生的庫侖破裂應力增加明顯,這些斷裂一直處于應力擾動較大的區域,地震危險性也相對較高。

圖4 2020年伽師MS6.4地震對主要活動斷裂產生的庫侖應力變化空間分布(a) 邁丹—沙依拉姆斷裂 (b) 喀拉鐵克斷裂 (c) 闊克沙勒斷裂 (d) 普昌斷裂 (e) 柯坪斷裂 (f) 托云斷裂 (g) 卡茲克阿爾特斷裂 (h) 艾肯爾特斷裂 (i) 布倫口斷裂Fig.4 Space distribution of coulomb stress variation on major active faults caused

依據表2柯坪斷裂距離本次地震震中最近,計算得出該斷裂不同斷層段庫侖破裂應力變化值很大,其中應力加載值最大的段落達3.350×10-2MPa;有的段落則明顯受到應力卸載作用的影響,庫侖應力變化值為4.022×10-2MPa。盡管所采用的震源有限斷層模型可能會在一定程度上影響到其計算結果,但值得關注的是柯坪斷裂受到很強的應力擾動影響,該斷裂帶依然存在較大地震危險性。

表2 研究區內主要活動斷裂的庫侖應力變化

距離伽師MS6.4地震較近的邁丹—沙依拉姆斷裂、喀拉鐵克斷裂,該地震對它們產生的庫侖破裂應力呈非常明顯的加載趨勢,應力增加值分別為3.239×10-3MPa、1.718×10-3MPa。普昌斷裂、卡茲克阿爾特斷裂的庫侖破裂應力加載趨勢也較為明顯,應力增加值分別上升了6.32×10-4MPa、1.17 ×10-4MPa。距離伽師MS6.4地震較遠的托云斷裂、闊克沙勒斷裂、布倫口斷裂、艾肯爾特斷裂的庫侖破裂應力波動最小?？F克斷裂東段、邁丹—沙依拉姆斷裂東段、普昌斷裂北段、艾肯爾特斷裂東段主要受庫侖破裂應力卸載作用的影響,擾動值最大分別為9.98×10-4、2.54×10-4、4.44×10-4和1.57×10-4MPa,上述這些斷裂的地震危險性較小。

2.4 2005年以來研究區8次MS≥5.0地震庫侖應力累積空間分布

計算2005年以來研究區域8次MS≥5.0地震對周邊9條主要斷層應力擾動累積情況(圖5、表2)。庫侖破裂應力加載值最為明顯的是柯坪斷裂東段和闊克沙勒斷裂中段,部分地震危險性相對較高。

布倫口斷裂北段、卡茲克阿爾特斷裂西段上、艾肯爾特斷裂,其應力擾動最大值分別達到9.716×10-3、7.807×10-3和5.568×10-3MPa,這些斷裂或其一部分受到加載作用較為明顯,其地震危險性進一步增加,這主要源于2008年烏恰MS6.8地震和2016年阿克陶MS6.7地震對它們產生的較強加載影響。闊克沙勒斷裂西段、托云斷裂南段、卡茲克阿爾特南段、艾肯爾特西段、布倫口南段之前受到2020年伽師MS6.4地震產生的庫侖破裂應力加載影響,然而2005年以來8次地震的庫侖破裂應力累積作用下,明顯受到卸載影響。普昌斷裂北段、柯坪斷裂西段、托云斷裂北段、布倫口北段之前受到2020年伽師MS6.4地震產生的庫侖應力卸載影響,2005年以來8次地震產生的庫侖破裂應力累積作用下受到明顯的加載影響,這些部分存在一定的地震危險性。

3 結 論

根據靜態庫侖破裂應力觸發原理,計算8次MS≥5.0強震產生的同震應力擾動變化情況,分析它們之間存在的應力觸發作用、其應力場變化對余震空間分布及對周邊主要斷層的影響,結論如下:(1) 2008年烏恰MS6.9地震與2016年阿克陶MS6.7地震產生的累加庫侖應力對伽師MS6.4地震卸載量達1.0×10-3MPa,說明喀什烏恰交匯區前兩次地震對伽師MS6.4地震的發生起到延緩作用。(2) 結合余震精定位結果空間分布情況可以看出,伽師MS6.4地震震中NNE方向、SSW方向和NWW方向處于庫侖應力加載區,存在較多空區,地震危險性較大,需密切關注。(3) 針對本次伽師地震,應力擾動值較大區域地震危險性較高。分析認為柯坪斷裂絕大部分區域、邁丹—沙依拉姆斷裂中段、喀拉鐵克斷裂西南段、卡茲克阿爾特斷裂南段、艾肯爾特斷裂西段、布倫口斷裂南段存在較大地震危險性。(4) 2005年以來累積庫侖應力結果表明,應力擾動值較大區域地震危險性較高。分析認為闊克沙勒斷裂中段、邁丹—沙依拉姆斷裂中段、柯坪斷裂絕大部分區域、喀拉鐵克斷裂西南段、艾肯爾特斷裂中段及附近區域存在一定的發震背景。