2014年于田MS7.3地震产生的静态库仑应力变化及对周边断层的影响

宋金 周龙泉

1)中国地震局地球物理研究所，北京市民族大学南路5号 100081

2)中国地震台网中心，北京市西城区三里河南横街5号 100045

0 引言

据中国地震台网测定，2014年2月12日17时19分，新疆于田发生MS7.3强震，震中位置为36.1°N、82.5°E，震源深度12km。地震震中位于西昆仑块体与昆仑-柴达木-祁连块体之间的阿尔金断裂西南端NE向张剪切段邻近区域(徐锡伟等，2011;Xu et al，2013)，也是阿尔金断裂、康西瓦断裂等的交汇部位。该区域地震活动十分活跃，2008年3月21日在本次地震震中西南方向约100km处就曾发生过MS7.3地震，周边地区2011年和2012年分别发生了MS5.5、MS6.2地震(图1)。截至3月12日11时42分，于田7.3地震共记录到ML1.0以上余震4000多次，其中MS5.0～5.9地震1次，MS4.0～4.9地震12次。目前余震活动依然持续，有效判定未来强余震发生位置、圈定震区周边未来可能地震活动的范围对灾后重建和次生灾害防御具有重要参考意义。

图1 于田MS7.3地震及其周边地区构造环境

大量研究表明大地震产生的库仑破裂应力变化对后续地震发生位置和时间有较大影响(Harris，1998;Stein，1999;Das et al，1981;Deng et al，1999;周龙泉等，2008;华卫等，2009;宋金等，2011;单斌等，2012、2013;缪淼等，2013)。King等(1994)计算了兰德斯地震在最优化破裂方向上产生的库仑破裂应力变化图像，发现其与兰德斯地震的余震活动空间分布特征吻合较好;Lin等(2004)对圣安德列斯断裂带南部逆冲-走滑断层与逆断层地震产生的库仑破裂应力变化进行了计算，结果显示与余震活动空间分布较为一致;刘桂萍等(2000)通过对比唐山7.8级地震后区域静应力场的变化和震前区域地震活动的变化，发现主震周围3个地震活动增强区域可能受到唐山地震的触发。大地震引起的库仑破裂应力变化除了可以有效解释余震空间分布特征之外，许多研究也表明库仑破裂应力变化也可用于解释强震间的相互作用。韩竹军等(2008)分析了南北地震带北部5次M≥7级地震之间的相互触发影响，发现下一次地震均发生在之前地震产生的应力触发区。朱航等(2009)的研究表明汶川地震的发生与松潘1973、1976年两组地震有密切关系。张竹琪等(2008)的计算结果显示1997年新疆伽师震群中的地震均对后续地震产生明显的应力触发作用，该地区正断层活动促进了雁形走滑断层间地震的循环触发。万永革等(2010)计算了2008年于田MS7.3地震对周边断层的应力扰动。2014年2月12日于田再次发生MS7.3地震，针对本次地震是否受到2008年、2011年及2012年周边3次地震的触发作用以及本次地震发生后对周边主要断层会产生怎样的应力扰动影响进行分析研究，将有助于提高对于强震活动机理及未来地震危险性的认识。

本文运用已发布的有限断层模型，通过计算2014年于田7.3级地震附近地区2008年以来强震产生的同震静态库仑破裂应力变化来分析周边强震对本次地震的触发效应;同时计算本次地震产生的应力变化对后续余震的触发作用;并通过计算周围断层的加卸载情况，为该区未来的地震危险性判定提供依据。

1 静态库仑应力变化

所谓地震“应力触发”，是指前期发生的地震在研究区产生的应力变化对研究区未来地震活动产生的促进或抑制作用(Harris，1998)。具体计算方法为将前期地震产生的应力变化张量投影到关注的断层面和滑动方向上，考虑正应力、孔隙压力和摩擦系数的影响，得到库仑破裂应力变化ΔCFS。若库仑破裂应力变化为正，之前地震产生的应力变化会促使目标断层运动，即地震可能被触发，地震危险增大;反之，负的库仑破裂应力变化则会抑制断层运动，发生地震的可能性降低(Harris，1998;King et al，1994)。

依据库仑破裂准则，当断层面剪切应力达到摩擦强度时，断层面将发生剪切破坏。库仑破裂应力变化 ΔCFS定义为(Harris，1998;Stein et al，1992)

式中μ为摩擦系数;Δτs和Δσn分别为断层面上的剪切应力和正应力;Δτs沿滑动方向为正;Δσn则定义为张开为正;Δp为孔隙流体压力变化。孔隙压力减少摩擦系数的效应可用μ'=μ(1－B)表示。其中，B为 Skempton系数，数值范围为0～1(Rice，1992)。因此，式(1)变为

当ΔCFS＞0时，则该应力变化有利于后续地震的发生;否则，不利于其发生。

2 计算过程与结果

2.1 2008年MS7.3、2011年MS5.5、2012年MS6.2和2014年MS7.3地震间的触发影响

2008年以来于田地区曾发生过4次MS5.5以上地震，分别为MS7.3、MS5.5、MS6.2地震以及2014年2月12日MS7.3地震。下面依次计算这些地震的库仑破裂应力扰动值，讨论上述地震事件之间的相互作用关系。

计算过程中，2008年于田MS7.3地震采用Ji Chen①http://www.geol.ucsb.edu/faculty/ji/big_earthquakes/home.html给出的有限断层模型反演结果计算库仑破裂应力变化，该模型由14×5个滑移单元组成。2014年MS7.3地震采用张勇等(2014)给出的有限断层模型反演结果计算库仑破裂应力变化，该模型由17×9个滑移单元组成。由于缺少有限断层模型资料，2011年MS5.5、2012年MS6.2地震均采用哈佛大学矩心矩张量解作为输入参数。根据周边实际断层及其余震空间分布情况，认为这两次地震断层面参数分别为:走向 245°、倾角 89°、滑动角 －8°和走向 215°、倾角 47°、滑动角 －52°;其破裂长度L和宽度W根据Wells等(1994)的统计公式得到

利用Coulomb 3.3(Toda et al，2005;Lin et al，2004)计算地震在空间上产生的库仑破裂应力变化。物性参数方面，参照King等(1994)的方法，有效摩擦系数取0.4。图2(a)为2008年于田MS7.3地震产生的库仑破裂应力在2011年MS5.5地震断层面上的投影，结果显示MS5.5地震位于应力加载区，震中位置库仑破裂应力增加量达0.004MPa，但小于通常被认为能够有效促进后续大地震发生的阈值0.01MPa(Harris et al，1998)。图2(b)为2008年MS7.3、2011年MS5.5地震产生的累积静态库仑应力在2012年MS6.2地震断层面上的投影，结果显示MS6.2地震位于应力影区，应力卸载0.007MPa;也就是说2008年以来两次于田地震的发生对MS6.2地震的发生起延缓作用。图2(c)显示了2008年以来于田地区3次较强地震在2014年MS7.3地震断层面上的应力扰动累加结果，从图2(c)中可以明显看出，2014年MS7.3地震震中恰好位于3次地震产生的应力加载区内，震中区同震库仑应力增加0.021MPa。因此，2008年以来的3次地震对本次地震存在明显触发作用。

图2 于田2008年以来发生地震对后续地震的应力扰动影响

2.2 2014年于田7.3级地震对其余震活动的触发影响

根据于田MS7.3地震反演模型(张勇等，2014)计算了同震静态库仑破裂应力场变化，果如图3所示。物性参数同前述，接收断层参数选取GCMT提供的此次于田地震主震震机制解节面Ⅰ(走向242°、倾角82°、滑动角－4°)。余震目录来源于新疆维吾尔自治区地局。从图3中可以看出，本次主震产生的库仑破裂应力变化结果显示主震破裂面附近、两及其NW、SE两个方向均为明显的库仑破裂应力增加区，目前记录到的ML≥3.0余震中83%分布在破裂面附近的应力增强区内，只有少数余震发生在应力下降的影区，说明库破裂应力场变化较好地解释了余震的发生。然而主震破裂面上的部分应力增强区依然没余震发生，且余震空间分布存在一定空段，这些地区未来发生较强余震的可能性较大，需密切关注。结源震端有仑有要

图3 于田MS7.3地震产生的库仑破裂应力变化(计算深度10km)与余震(ML≥3.0)活动空间分布

2.3 2014年于田7.3级地震对周边断层的影响

前人的一些研究表明静态库仑应力能够在一定程度上解释强震间的触发作用(Toda et al，2008;Nalbantet al，2010)，而且前述2.1也显示2011年MS5.5地震和本次MS7.3地震均发生在之前地震产生的库仑破裂应力加载区内。由于此次地震的发生同样会对周围断层产生应力扰动影响，因此本文计算了震中附近区域几条主要断层(邓起东等，2002;沈正康等，2003;万永革等，2010;王凡等，2011)的库仑破裂应力变化，具体参数如表1所示，物性参数同前述。

图4(a)给出了2014年于田MS7.3地震主震在周边地区主要活动断层上产生的应力扰动。由图4(a)可以看到，距离本次地震震中最近的贡嘎错断裂中段上不同断层段的库仑破裂应力扰动值变化很大，有的断层库仑破裂应力变化值高达0.140MPa;有的则明显受到应力卸载作用的影响，库仑应力变化值为－0.336MPa。该计算结果一定程度上可能会受震源有限断层模型的影响，但值得关注的是该断裂段受到较强应力扰动的影响，可能存在较大的地震危险性。康西瓦断裂东段少部分断层段也受到较强应力加载作用，加载应力变化达0.04MPa。本次7.3级地震主震对距离较近的贡嘎错断裂西南段、普鲁断裂中段及康西瓦断裂中段产生的库仑破裂应力增加也十分明显，它们的应力增加范围分别为0.0030～0.0200、0.0004～0.0060、0.0003～0.0050MPa。龙木错-邦达错断裂东段部分断层段和贡嘎错断裂东北段部分断层段也受到一定的应力扰动影响，库仑应力分别上升了0.005、0.001MPa。而康西瓦断裂东段大部分断层段和普鲁断裂东段主要呈卸载趋势，库仑破裂应力变化为－0.0001～－0.1000MPa和－0.001～－0.009MPa。可以看出，2014年于田7.3级地震主震仅对周围距离其约100km范围内的断层产生明显的加卸载作用，距离较远的东北方向的阿尔金断裂带、西边的普鲁断裂西段库仑破裂应力波动较小，扰动值最大分别为0.0004、0.0001MPa。

表1 研究区内主要活动断裂的库仑应力变化

考虑到2008年以来研究区域已发生4次MS5.5以上地震且万永革等(2010)仅给出了2008年于田MS7.3地震对周边断层的应力扰动结果，因此本文计算了这4次地震对周边断层的应力扰动累积结果(图4(b))。图4(b)显示，贡嘎错断裂中段应力扰动值仍然最为明显，需要密切关注其周边的地震活动。此外，贡嘎错断裂东北段、阿尔金断裂及普鲁断裂西段上库仑应力增加更为明显，其应力扰动最大值分别达到0.002、0.001、0.004MPa，这些断层的地震危险性进一步增加。位于研究区域南段的龙木错-邦达错断裂带西段受到应力加载的影响，应力扰动最大值达0.008MPa。而之前处于2014年于田MS7.3地震加载作用下的贡嘎错断裂西南段、康西瓦断裂中段和龙木错-邦达错断裂带东段在2008年以来4次地震的库仑破裂应力累积影响下明显处于卸载阶段，这主要源于2008年7.3级地震对它们产生的较强卸载影响。

3 讨论与结论

基于静态库仑破裂应力触发原理，本文计算了2008年以来于田4次MS5.5以上地震产生的同震应力场变化，分析它们相互间的应力触发影响、其应力场变化对余震分布及周边主要断层的影响，得到以下结论:

图4 研究区内主要活动断层库仑破裂应力变化

(1)2011年MS5.5、2014年MS7.3地震均处于之前地震产生的应力加载区，尤其是2014年MS7.3地震震中区的库仑应力增量达0.021MPa，说明2008年以来3次地震对2014年于田MS7.3地震存在明显触发作用。2012年MS6.2地震位于之前地震产生的应力影区内，本文中参与计算的地震活动对其发生有延缓作用。需要说明的是，大地震的真实破裂过程十分复杂，有限断层面反演结果仅是对真实情况的一种简化，基于其计算得到的近场库仑破裂应力变化结果可能会受到一定影响，所以2012年MS6.2地震是否受到之前地震的触发作用，还需进一步深入研究。

(2)2014年于田MS7.3地震产生的库仑破裂应力图像能够较好地解释目前余震的分布。然而主震破裂面上的部分应力增强区依然没有余震发生，且余震空间分布存在一定空段，这些地区未来发生较强余震的可能性较大，需要密切关注。

(3)距离本次地震震中最近的贡嘎错断裂中段上不同断层段落的库仑破裂应力扰动值变化很大，虽然计算结果在一定程度上可能会受所采用的震源有限断层模型的影响，但值得关注的是该断裂段受到很强的应力扰动影响，该断裂带依然存在较大的地震危险性。此外，贡嘎错断裂东北段、普鲁断裂中西段及龙木错-邦达错断裂带西段受2008年以来地震的影响，累积库仑应力增加也较为明显，其应力扰动最大值均大于0.002MPa，同样存在一定的地震危险性，需要密切关注其周边的地震活动。

(4)本文中对地震产生的库仑破裂应力变化的近似估算采用了比较简单的弹性半空间模型，实际上地球介质的三维不均匀结构会对计算结果产生一定影响;同时，关于地球粘弹性松弛效应对应力扰动产生的影响，万永革等(2010)认为对描述发震时间间隔较短的地震相互间的触发影响，这种效应可以忽略不计;而Freed等(2001)和Zeng(2001)的研究则显示采用粘弹模型计算得到的兰德斯地震7年粘滞松弛效应导致赫克托矿(Hector Mine)地震震源区的震后库仑破裂应力增加了0.1～0.2MPa;Nalbante等(2010)的结果表明汶川地震由于粘弹性松弛效应作用对芦山地震的震源附近产生持续加载，但这种加载变化极为缓慢，5年内的变化值为0.003MPa。本文中2008年MS7.3级地震与本次7.3级地震间隔近6年时间，类比分析认为粘弹效应可能会对文中结果产生一定影响，但对距离较近的几个断裂带应力扰动的结果影响不大。此外，大量余震活动也会对区域应力变化产生影响(万永革等，2005)，2008年于田7.3级地震的余震活动会产生多大的应力扰动，可能需要在未来的研究中结合大量余震数据进行更为准确而详细的计算。

致谢：刘桂萍研究员、刘杰研究员、蒋海昆研究员和张永仙研究员对本文进行了详细的指导，作者谨表谢意。