阶区对走滑型地震地表破裂带传播与终止行为的影响

李正芳　肖海波　周本刚

1）中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京　100029

2）中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京　100024

阶区对走滑型地震地表破裂带传播与终止行为的影响

李正芳1）肖海波2）周本刚1）

1）中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京100029

2）中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024

系统收集了国内外28个走滑地震破裂带上阶区与地震破裂行迹的资料，利用数理统计的方法分析了阶区的类型、尺度与地震破裂的关系。结果表明，不同震级档的走滑地震阶区限制破裂传播的止裂尺度是不同的，震级MS为6.5～6.9，阶区的最小止裂宽度约为3km；震级MS为7.0～7.5，阶区的最小止裂宽度约为4km；震级MS为7.5～8.0，阶区的最小止裂宽度约为6km；震级MS为8.0～8.5，阶区的最小止裂宽度约为8km；且拉分阶区比挤压阶区更容易被破裂所贯通。上述给出的阶区的最小止裂宽度可作为判定地震破裂止裂尺度的重要标志，是进行破裂分段的前提和基础，对地震危险性分析具有重大的实用价值。

走滑地震地表破裂带阶区止裂尺度

0　引言

走滑断裂是地壳中大量存在的与地震活动关系最为密切的一类断层，形成于剪切的构造环境，且大多数内陆地震与走滑断层相关联，在地震成因、地震构造研究中走滑断层一直是最为瞩目的一种活动构造形式。由于走滑断层并非一条完整的均匀断面，而是由许多次级断层雁列排列组成，因此当破裂传播遇到阶区时，这些阶区就会构成破裂面上的不均匀体，对破裂的进一步传播起一定的障碍作用。如果不均匀体的规模较小，其抗剪能力强度也较小，对传播的破裂起到一定的减缓作用；如果不均匀体的规模大到一定程度，可以通过自身内部的变形来调整和吸收传播破裂的位移时，破裂就被终止于此（邓起东，1984；丁国瑜，1993）。近期许多地震的位移分布形态就证明了这一点，如1931年新疆富蕴8级地震（新疆维吾尔自治区地震局，1985）和2001年昆仑山8.1级地震破裂带上的水平位移分布（图1）（徐锡伟，2008b）就是2个典型的例子，沿破裂带水平位移并不均匀分布，而是呈锯齿状，其中存在着几个水平位移极小值分布点，它们分别对应着断层带上次级破裂重复的阶区、断层分叉点和次级破裂的密集段，对主破裂的传播起到障碍作用。而阶区作为划分段落的一个主要构造标志，可以通过破裂带的构造分布样式加以识别，但大量的地震实例反映该构造标志只能识别出断裂带之间的不连续性，但当地震发生时，规模较小的阶区容易被贯通，破裂继续向前传播，规模较大的阶区，可能阻止破裂带的传播。究竟多大规模的阶区能阻止破裂的传播，能否给予一个定量尺度？不同阶区由于受力作用不同阻止破裂传播的情形也不同，那么什么结构类型的阶区更容易阻止破裂的传播？针对上述2个问题，文中通过收集大量国内外的震例，试图利用统计学的方法对其进行分析和讨论。

图1　2001昆仑山地震同震位移分布和地表破裂结构关系图（据徐锡伟等，2008修改）Fig．1　Surface ruptures and co-seismic displacement induced by the Kunlunshan earthquake in 2001（after XU Xi-wei et al．，2008）．

1　走滑活动断裂的阶区结构特征

断层阶区是走滑断层上常见的几何不连续体，大多呈斜列状结构排列，正是这样的不连续体，使断层沿走向滑动产生了障碍作用，导致了2个阶区之间断裂面上的应力积累，当断裂面上的剪应力积累到足够大，超过了阶区之间岩石的摩擦阻力就会产生破裂而同时发生地震，因此地震发生后破裂的终止、分布形态与阶区的结构类型存在较大的相关性。根据阶区力学性质可分为膨胀型阶区和反膨胀型阶区，前人用准静态分析（Das et al．，1981；Aki，1984）研究了阶区处断层段之间相互作用引起的应力场扰乱，对于反膨胀阶区，断层段端部的摩擦阻力和断层段间区域的平均压应力都增加，会阻止破裂越过阶区的滑移，因此断层段端部往往互相分开，分析也表明，膨胀性阶区对滑动转移的阻力较小，但从动态效应分析来看（Sibson，1985），在饱含流体的地壳内，当膨胀型阶区处破裂受阻后，在中强地震滑移的时间内（约几秒），破裂要穿过张裂隙是困难的。张裂隙的快速张开受到流体压力差引起的压力的阻碍，由于扩散引起流体压力的重新平衡，故随后发生的是横过阶区的慢速震后滑动转换，这种转换可以慢慢地消耗破裂端部附近集聚的应变能。上述理论分析证明了2种性质阶区对破裂的快速传播具有障碍作用。图2中给出了走滑断裂阶区的典型结构模型和不同类型阶区的结构类型，a代表了阶区发育的典型模式，图中的阶区A和阶区B由走滑断裂端部的垂直变形区构成，变形的性质由相邻2条次级断裂端部的变形性质所决定。由于断裂性质不同，比如左旋和右旋的走滑断层所导致斜列的阶部不同，使得2条相邻的次级断层端部斜列部分的变形也不同，而图2中的b～d所示，根据不同的变形性质，主要分为以张性作用为主的拉分盆地（膨胀应变为主）和以压性作用为主的挤压隆起区（压缩应变为主）。前人对这2种结构类型的盆地进行了准静态和动态效应分析，认为这2种性质的阶区均对破裂的快速转播具有障碍作用（Aki，1984；Das et al．，1981；Sibson，1985；Knuefer，1989；环文林，1997）。

图2　走滑型断裂的阶区结构模式和类型（据环文林，1997修改）Fig．2　Structural model and type of stepovers in strike-slip fault system（adapted from HUAN Wen-lin，1997）．

2　走滑地震破裂带分布与阶区关系讨论

目前，破裂的扩展、终止问题是国内外地震界和地质界学者非常关注的问题，Aki（1984）首先提出断裂带结构和介质不均匀处是地震破裂终止之处。Barka等（1988）提出走滑断裂的地震破裂、终止端常位于断裂带的结构变异区，如阶区、弯曲和交会断层，但某些大地震，一次地震破裂切割可同时贯通多个阶区（Knuefer，1989）。大量的学者认为，地震破裂的终止与阶区的尺度大小有关系（Wesnousky，1982；Wesnousky et al．，1988；Zhang et al．，1991）。究竟多大的阶区能使走滑断层上的地震破裂终止？要建立一个经验关系式是不容易的，Knuepfer（1989）通过收集大量走滑断层的野外观测资料，发现破裂从未跳跃过宽5km的压缩阶和宽8km的膨胀阶。Zhang等（1999）认为，地震破裂的终止与阶区是密切相关的，但并不是所有阶区都有阻止破裂的能力，阶区的结构形态、大小、破裂长度和位移在阻止地震破裂中起到了关键性的作用，震级越大阻止破裂的不连续体就越大，且通过其在文章中对5个国外典型的历史地震破裂特征的分析，认为阻止破裂不连续体的大小似乎与地震破裂的长度和位移成正比的关系。有学者通过调查破裂范围在10～420km的22次历史走滑地震的地表破裂迹线图，发现约2／3的走滑地震破裂终点与断层阶区有关，并给出了阶区限制破裂的尺度为3～4km，大于这个尺度，地震破裂停止传播，小于这个尺度，约40%的破裂停止传播（Wesnousky，2006，2008；Wesnousky et al．，2011）。上述研究成果对地震危险性分析具有重大的实用价值，为预测未来地震的可能长度的限定提供了依据。

但考虑到不同走滑地震发生时释放的能量大小不同，对贯通阶区所产生的应力作用的大小不同，本文在前人工作的基础上进一步收集了国内外的走滑强震资料（表1），通过统计走滑地震阶区的尺度与破裂带是否被贯通的关系，区分不同震级档，试图给出不同震级范围内限制破裂的阶区尺度。首先将表1中国外发生地震的矩震级利用MW－MS的转换关系式（冉洪流，2009）转换成统一的面波震级（MS），然后将MS为6.5～6.9地震的地表破裂带研究较为详细的地震挑选出来，通过图示的方法给出走滑地震地表破裂带破裂终点与阶区类型和阶区阻止破裂尺度的关系（图3，4）。图3中红色图形代表阻止破裂传播的阶区，绿色图形代表被破裂所贯通的阶区，图中显示大约80%的走滑地震破裂的终点与阶区或断裂的末端构造有关，发现阻止地震地表破裂传播的阶区的尺度为3km，超过这个数值几乎所有的破裂都被终止。图4中的柱状图给出了地震破裂是否与断层阶跃或断层终点有关的统计学概念，以阶区的宽度或间断分布的尺度作为观测它们大小的函数，根据它们是在地震破裂内部还是在终点进行分类，图中显示3km为阶区阻止破裂定量尺度的转换，大于这个值时没有观察到破裂传播通过，这与图3中阻止破裂传播阶区的定量尺度为3km正好相呼应。同样，文中把震级MS≥7的强震按照上述同样的方法进行了统计分析（图5，6），图5中显示阻止破裂传播阶区的尺度约6km，图6中的柱状图也显示出6km为障碍体阻止破裂尺度的转换值，大于这个值，绝大多数的破裂被阻止，上述这些结果在活断层的分段和未来对断裂带的地震危险性分析中都具有重要的意义。最后，通过图3～6的对比分析，说明拉张阶区比挤压阶区更容易通过，虽然从上述图中显示在破裂终点的位置更多的是拉分阶区，冲突在于我们观测到的走滑破裂带中拉分阶区与挤压阶区在统计数据库中的比例可达12／1。

3　走滑地震的震级与阶区宽度的相关性分析

将收集到的走滑断层上实测的阶区宽度和相对应的震级范围（表1）标示在图7上，红色的正方形表示可以阻止破裂扩展的阶区，蓝色的菱形表示未能阻止破裂扩展的阶区。图中红色的正方形和蓝色的菱形沿着图中所示的直线函数显示出明显的分区性，蓝色的菱形图案基本都位于直线的下方，红色的正方形基本以的比例分列于两段，从地震危险性分析一直采取的保守观点来看，图7所示的关于走滑地震的震级MS与阶区止裂宽度d存在着较大的相关性。图中所示的线性关系代表断裂带上走滑地震（MS）能够穿过的阶区的最小止裂宽度，可得到其相应的统计关系式为：上式中，d表示阶区的宽度，单位为km；MS表示地震发生的面波震级。

表1　国内外中强震破裂状况统计表Table 1　Statistics of surface ruptures of some strong earthquakes both at home and abroad

续表1

图3　震级为6.5～6.9级走滑地震地表破裂带破裂终点与阶区限制破裂尺度关系Fig．3　Relation of geometrical discontinuities along fault strike to the endpoints of historical strike-slip earthquake ruptures between MS6.5 and MS6.9．

图4　震级为6.5～6.9级走滑地震阶区阻止破裂尺度频次图Fig．4　Histogram of geometrical discontinuities along strike-slip ruptures of historical earthquakes between MS6.5 and MS6.9 binned as a function of size．

图5　7级及以上走滑地震地表破裂带破裂终点与障碍体限制破裂尺度关系Fig．5　Relation of geometrical discontinuities along fault strike to the endpoints of historical earthquake ruptures of MS≥7.0．

图6　7级及以上走滑地震障碍体阻止破裂尺度频次图Fig．6　Histogram of geometrical discontinuities along historical strike-slip earthquake ruptures of MS≥7.0 binned as a function of size．

图7　震级与阶区宽度线性函数Fig．7　Regression of stepover width on magnitude（MS）．

图8　走滑断裂带上被破裂带贯通阶区的宽度、频度和震级的关系Fig．8　Relation of width，frequency of steps destroyed by history earthquake and magnitude．

图7具有统计意义的结果显示，当走滑地震的震级为7.0～7.5时，阶区的最小止裂宽度为4km；当震级为7.5～8.0时，阶区的最小止裂宽度为6km；当震级为8.0～8.5时，阶区的最小止裂宽度为8km。上述结论得到了图8所示结果的支持，图8表示的是收集的所有走滑断裂带上被破裂带贯通阶区出现的频度、宽度及其震级的关系，显示出不同的震级档贯通阶区的尺度不同，基本保持着止裂尺度与震级呈正相关的关系，震级越大，需阻止破裂的阶区的尺度相应就越大，此结果与Zhang等（1999）文章中的观点相一致，且图8显示出相应的止裂尺度的大小与图6给出的定量尺度相一致。在前人给出的阶区止裂尺度的基础上，通过分震级档的方式重新给定了阻止破裂传播的阶区尺度。

4　结论与讨论

本文系统收集了国内外走滑活动断裂带上阶区与地震破裂的资料，探讨了阶区类型、尺度与地震破裂的关系，取得的认识和存在的问题如下：

（1）以国内外大量走滑震例为基础资料，利用统计分析的方法，分震级档给出了限制走滑地震破裂传播阶区的最小止裂宽度。震级MS为6.0～6.9，阶区的最小止裂宽度为3km；震级MS为7.0～7.5，阶区的最小止裂宽度为4km；震级MS为7.5～8.0，阶区的最小止裂宽度为6km；震级MS为8.0～8.5，阶区的最小止裂宽度为8km。

（2）统计图显示，经常观察到的走滑地震破裂终点是拉分阶区。但考虑到走滑破裂带中拉分阶区和挤压阶区在统计数据库中的比例可达12／1，而被破裂所贯通的拉分阶区和阻止破裂贯通的比例约为1.5／1，被破裂所贯通拉张阶区和阻止破裂贯通的比例约为1／1，说明了拉分阶区似乎比挤压阶区更容易被破裂所贯通。

（3）由于受地震破裂资料研究程度的限制，收集的震例还不够全面，给出的不同震级档的阶区止裂尺度仍需更多地震实例验证，且研究范围仅局限于走滑活动断裂。因此，在接下来的工作中，将进一步收集新的震例，对研究结果进行补充完善，并开展正断型和逆断型活动断裂与阶区关系的研究，为活动断裂分段、潜在震源划分和地震危险性预测等提供较为可靠的依据。

致谢审稿人提出了很好的意见和建议，使本文得以改进和完善，特此致谢！

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Abstract

Based on the data of 28 strike-slip fault steps and the surface rupture traces at home and abroad，the paper analyzes the relations between the step type，size and earthquake rupture by using the mathematical statistical method，and obtains the barriers yardsticks that stop rupture propagation of earthquakes with different magnitude intervals by using the method of statistical analysis．The results show that the limiting dimensions of strike-slip fault step are different for different magnitude intervals．The limiting dimension of step width is about 3km for magnitude between 6.5 to 6.9，4km for magnitude between 7.0 to 7.5，6km for magnitude between 7.5 to 8.0，and about 8km for magnitude between 8.0 to 8.5．The result implies that releasing steps should be easier to rupture through than restraining steps．The limiting dimension of step width determined in this paper is basis for rupture segmentation and is of practical importance to seismic hazard analysis．

EFFECT OF FAULT STEPS ON PROPAGATION AND TERMINATION BEHAVIOR OF STRIKE-SLIP EARTHQUAKE SURFACE RUPTURES

LI Zheng-fang1）XIAO Hai-bo2）ZHOU Ben-gang1）
1）Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing100029，China
2）PowerChina Beijing Engineering Corporation Limited，Beijing100024，China

strike-slip earthquake，surface rupture zone，fault step，the limiting dimension

P315．2

A文献标识码：0253－4967（2015）01－0126－13

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．010

李正芳，女，1981年生，2013年在中国地震局地质研究所获构造地质学专业博士学位，助理研究员，主要研究方向为工程地震与地震危险性分析，电话：010－62009143，E－mail：lizhengfang2012＠163.com。

2013－09－28收稿，2014－09－12改回。

中国地震局地震行业科研专项（2015419024）和中国地震局地质研究所基本科研业务专项（IG-CEA1310）共同资助。