新疆地区区域应力场特征及强震间库仑应力变化探讨

刘方斌,古丽孜娜提·依德热斯,曲均浩

(1. 兰州大学资源环境学院, 甘肃 兰州 730000; 2. 山东省地震局, 山东 济南 250102;3. 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)

0 引言

新疆地区位于我国的西北边陲,亚欧大陆的腹地,由于受到印度板块向北挤压俯冲的构造作用,导致区内地质构造极其复杂,活断层十分发育。正是这种特殊的构造环境,新疆成为我国乃至全世界地震最为强烈的区域之一[1](图1)。前人研究表明,不同地区的构造变形特征和应力状态明显不同,地震活动水平同样也存在着较大的差异[2]。根据新疆特有的地质构造和强震活动特征,将新疆地震区划分为两个地震亚区(天山地震亚区和阿尔泰—贝加尔地震亚区,图1),同时又将地震亚区细分为阿尔泰构造区、北天山构造区、中天山构造区、东天山构造区、南天山东段、柯坪块体、喀什—乌恰交汇区及西昆仑构造区等[3-4]。

(震源机制解资料选自1900—2019年828个MS≥3.0地震)图1 研究区震源机制解及活动构造分布图Fig.1 Distribution of focal mechanism solutions and active tectonics

强震的孕育和发生不仅仅是一次简单的破裂过程,而是在一定的构造应力场条件下断层之间相对运动的结果[5]。然而,对于区域应力场的研究方法有很多,如地貌学及测量学方法、浅部(原位)地应力测量方法、地质构造方法和地球物理学方法[6]等。震源机制解作为地球物理方法中最常用的手段,不仅含有断层运动方式及震源破裂过程的信息,而且还能够反映地震前后震源区应力变化状态,为区域应力场研究提供重要理论依据[7]。尽管单次地震的震源机制解并不能代表整个区域应力场,但大量地震震源机制解组成的集合可以在一定条件下可以反映出区域构造应力场状态[8]。

前人就新疆及周边地区的应力场特征已经进行了广泛研究。如王盛泽等[9]、高国英等[10]根据不同时段的震源机制解对新疆及周边地区进行现代构造应力场研究,反映出不同时期新疆区域应力场的变化存在较大的差异性。高国英等[11]利用伽师及周边地区58次中强地震震源机制解以及系统聚类和应力场反演计算结果,对该区区域应力场进行了系统分析,得出伽师地区最大主压应力近SN向展布。李金等[7]基于震源机制解对天山地震带的区域构造应力场进行了讨论,认为天山地震带主应力轴以SN向为主,局部地区呈现NNE、NNW向趋势。然而,上述研究仅限于新疆部分区域或者对于整个新疆地区的构造应力场研究的时间段较短,同时所使用的震源机制解的个数相对较少,缺乏对于长时间段的区域应力场系统的研究。另外,地壳应力状态的变化与地震活动性存在显著关系[13],在研究区域构造应力场的同时,有必要对不同区域内强震活动(触发)关系进行分析,这对研究地震中长期预测和应力变化具有极其重要意义,同时也为未来区域地震危险性分析提供了理论依据。

鉴于此,本文收集并整理了新疆地区自1900年以来的828个MS≥3.0震源机制解(考虑地震资料的完整性,对于1970年以前的地震仅统计MS≥5.0地震)。首先对研究区进行了区域应力场的反演,分析了不同区域的震源性质和应力场的变化状态,最后采用Okada[14]弹性半空间模型,对研究区不同分区的21个MS≥6.6地震进行地震活动性(触发)研究,进而探讨区域应力场特征与强震迁移引起的库仑应力变化的关系。

1 资料与方法

1.1 资料的选取

本文所使用的震源机制解数据结果均来自于新疆维吾尔自治区地震局,从中选取了新疆地区自1900—2019年828个MS≥3.0震源机制解资料,其中3.0～3.9级地震299个,4.0～4.9级地震289个,5.0～5.9级地震172个,6.0～6.9级地震55个,7.0级以上地震11个。所有数据均采用P波初动、S/P振幅比的HASH方法以及CAP方法获得[15-17]。另外,根据Zoback[18]对震源机制解的分类标准对新疆地区的震源机制类型进行分类。分类结果显示,正断层型76次,正走滑型34次,走滑型326次,逆断层型232次,逆走滑型54次,不确定型106次。研究区内大部分地震以走滑断层和逆断层为主,所有震源机制解按上述分类标准进行区分并投影在图中(图1)。

1.2 区域应力场反演

本文采用Hardebeck等[19]提出的区域应力张量阻尼反演方法(DRSSI),利用基于Matlab平台开发的MSATSI[20]软件对新疆地区区域应力场进行张量反演。反演过程中适当地加入阻尼系数,可以消除人为带来的影响,从而实现观测值与理论值的最佳匹配,最大限度地减少相邻区域之间的应力差异[19]。因此,选取最优的阻尼系数对于反演区域应力场极为重要。本文采用MSATSI软件,人为地加入一组假定的阻尼值,得到数据拟合误差与应力场反演模型长度相关性曲线(图2)。本文所选择的最佳阻尼系数为1.1,即为图中最大拐点处(红色十字)。倘若小于最佳阻尼系数,模型复杂程度愈高,反演误差有所改善,但是观测值和理论值匹配度急剧降低;大于最佳阻尼系数,随着模型的简化,反演误差则会急剧增大。

图2 数据拟合误差与模型长度相关性曲线Fig.2 Correlation curve between data fitting error and model length

1.3 库仑应力变化

按照库仑破裂假设,当断层面上剪应力达到抗剪强度时,岩石发生失稳促使它产生破裂。因此,库仑破裂应力(CFS)可定义为:

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,则库仑应力变化可表示为:

ΔCFS=Δτ+μ(Δσn+Δp)

(2)

其中: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。由此式(2)可以变为:

ΔCFS=Δτ+μ′Δσn

(3)

本文根据前人[21-22]计算,将内摩擦系数定为0.4。当ΔCFS为正时,该应力变化对断层有促进滑动的作用;相反,负的应力变化对断层有阻碍或延迟滑动的作用。

2 结果分析

2.1 区域应力场

本研究将新疆地区以2°×1°的网格进行网格化,选取每个网格节点及其周围至少10个地震震源机制解,在95%的置信区间内对原始数据进行2 000次Bootstrap重采样。当地震个数未达到指定格点下限时,则会采用阻尼最小二乘反演从而得到每个网格点的应力张量,然后通过计算应力张量的特征值和特征向量得到每个网格内的应力主轴。最后,采用Lund and Townend[23]方法得到每个网格点内的最大水平主压应力。

图3为反演得到的新疆地区区域应力场最大水平应力方向结果,其中红色表示正断层作用体系,绿色表示走滑断层体系,蓝色表示逆断层作用体系。从应力场反演结果可以看出,新疆地区区域构造应力场主要以近SN向的挤压为主,伴有局部地区的拉张和剪切作用,与前人得出的结果基本一致[7,9-11,24]。压应力主要集中在天山地区(包括南天山东段、柯坪块体以及喀什—乌恰交汇区),其中南天山东段的区域应力场挤压轴方向自西向东呈现出SN-NNE向渐变的过程,而柯坪块体往西至喀什—乌恰交汇区则呈现出自SN-NNW向过渡,且发现在两个地震区交汇处呈现出拉张剪切的构造转换状态。尽管区域主压应力轴方向自SN向两侧轻微的旋转,但是整体上还是受到印度板块向北挤压碰撞欧亚板块的作用。在这种挤压构造背景下,整个天山地区自西向东的主压应力自NNW向逐渐偏向NNE,呈现出一种扇形扩展的主压应力状态,而这种主压应力分布状态与该区域的构造走向吻合。另外,先前研究认为[25],天山地区的构造活动由内部向南北两侧扩展,两侧的新生代凹陷逐渐褶皱成山,使得整个天山的构造活动呈现出一种扇形的向南和向北的双向逆冲缩短的构造现象,而这些新生代褶皱和断裂是控制天山地区地震孕育和发生的主要构造。这种结果正好与本文的研究结果一致(图1和图3)。

(红色表示正断层作用体系,绿色表示走滑断层体系,蓝色表示逆断层作用体系A:南天山东段;B:柯坪块体;C:喀什—乌恰交汇区;D:西昆仑构造区)图3 新疆地区应力场反演结果Fig.3 Inversion results of stress field in Xinjiang area

2.2 强震迁移的库仑应力变化调整

选取了区内自1933年至今为止21次MS≥6.6的历史地震作为研究对象,并根据区域应力场特征(图3)以及区内强震空间分布特征(图4),将研究内的所有6.6级以上地震分为三个区域,主要包括北部天山地区、西部喀什—乌恰地区以及南部的昆仑—阿尔金地区。计算过程中利用各家权威机构给出的震源机制解及深度,结合地质资料,选取其中一节面解与发震断层进行匹配(如走向一致)作为最佳断层面解进行库仑应力变化的计算,考虑到部分地震年代久远或者未造成地表破坏,具体的发震断层破裂尺度未有观测数据,因此我们根据选取的地震参数采用Wells等[26]提出的经验公式给出指定的地震断层长度和宽度(表1)。

表1 地震断层位错参数

图4 研究区强震震中分布图Fig.4 Distribution of epicenters in the study area

(1) 天山地区

据统计,天山地区自1933年以来MS≥6.6以上的地震一共发生过5次,分别为1944年乌苏MS7.2、1949年轮台MS7.2、1965年乌鲁木齐MS6.6、2012年新源—和静MS6.6以及2017年精河MS6.6地震。其中,根据精定位以及震源机制反演结果,最近的精河MS6.6地震主要发生在库松木契克山前断裂上[27-28]。而在离震中约200 km的新源、和静交界处同样发生过一次强度相同的地震[29-30],那精河MS6.6地震是否与该次地震以及该区域发生的地震有关系呢？为了解决该疑问,对此进行强震间的库仑应力变化计算,从而判断区内各地震之间的关系。

计算过程中,将1944年乌苏MS7.2地震的发震断层为源断层,以后续地震的发震断层为接收断层进行库仑应力变化计算。图5(a)为1944年乌苏MS7.2产生的库仑应力在1949年轮台MS7.2地震断层面上的投影,结果显示轮台地震位于应力影区,震中位置的库仑应力变化-0.013 bar,也就是说乌苏地震对轮台地震起到了抑制作用,推迟了轮台地震的发生。图5(b)为1944年乌苏MS7.2、1949年轮台MS7.2地震产生的累积静态库仑应力在1965年乌鲁木齐MS6.6地震断层面上的投影。结果显示,1965年乌鲁木齐MS6.6震中的库仑应力变化值为-0.001 bar,几乎为0,意味着前两次地震对后续的地震没有影响,这可能是由于接收断层与源断层性质及空间位置关系决定的。图5(c)是自1944年以来3次MS≥6.6地震对新源—和静MS6.6地震的应力扰动结果,结果显示,新源—和静地震震中恰好位于应力卸载区,其库仑应力变化值为-0.055 bar。结合图5(b)可以发现,新源—和静地震的发生主要是由于受先前1944年乌苏MS7.2地震的影响致使该地震推迟发生。图5(d)是前4次强震对后续精河MS6.6地震的库仑应力变化计算,结果显示精河MS6.6地震的库仑应力变化值为-0.003 bar,这意味着先前地震对该次地震的发生稍微起到延缓或者没有作用。

红色五角星为源地震,黄色五角星为后续地震图5 天山地区强震间的库仑应力变化分布图Fig.5 Coulomb stress change among strong earthquakes inTianshan area

(2) 喀什—乌恰地区

喀什—乌恰交汇区地处印度板块向北楔入的凸起与欧亚板块碰撞的结合部位(图1、3、4),该区新构造运动十分强烈,是中国大陆强震活动地区之一,也是小地震密集活动的主要场所[31]。区内历史地震活动强度大、频率高,有记载以来曾发生过12次MS≥6.6地震,其中仅乌恰地区就发生过5次(表1)。先前研究表明,该地区7级地震的平均复发周期约为13年,存在11年和20年左右两个准周期;6级地震的平均复发周期约为6年,最长时间间隔为10年[32]。因此,研究该区强震迁移规律具有极其重要的作用。

1955年4月15日,乌恰地区一小时之内连续发生两次MS7.0级大地震,属于典型的双震型强震。地震有感范围东南抵和田地区,北到前苏联的塔什干和伏龙芝,南至塔什库尔干南。2次强震的震中距离极近,那它们是否存在一定的应力触发关系？图6(a)给出了乌恰7.0级地震库仑应力变化对后续地震的影响,结果显示后续地震震中位于前震应力影区,其库仑应力值为-6.122 bar,由此推断前震可能对后续地震的发生具有一定的减缓作用,该结果与滇西南地区的龙陵双震组合类似[33]。

图6(b)是1955年乌恰双震对巴楚MS6.7地震的库仑应力变化的影响,图中发现巴楚地震震中位于库仑应力增加区,其值为0.003 bar,但远远小于通常被认为能够有效促进后续大地震发生的阈值0.1 bar[34],则认为该后续地震的发生并没有受到乌恰双震产生的静态库仑应力的任何作用。类似的,图6(c)展示的是1961年巴楚MS6.7前三次强震对巴楚MS6.8地震的库仑应力变化投影,震中位置库仑应力增加量达到0.007 bar,意味着先前地震对该次地震的促进作用极小或者没有任何作用。图6(d)～(f)展示出先前地震分别对后续的1974年乌兹别里山口地震、1983年及1985年的乌恰地震所产生的库仑应力变化值,均在阈值之上,尤其1983年乌恰地震的震中库仑应力变化值增加到0.5 bar,表明了先前地震对后续地震的发生有着显著的促进作用。然而在此之后,我们发现先前地震所累积的静态库仑应力均对后续地震有着延缓作用,后续所有地震震中均位于应力影区,从而可能在时间上缓解了喀什—乌恰地区地震活动性[图6(g)～(k)]。

(3) 昆仑—阿尔金地区

昆仑—阿尔金地区的强震主要集中在若羌和于田地区,其发震构造位于阿尔金断裂带的不同位置[35-39]。尽管前人已经对2008年及2014年两次于田地震分别从静态和动态方面进行了大量的库仑应力变化的研究[36-42],并得到了成熟的结论。但是对若羌地震以及若羌地震与于田地震之间的库仑应力触发关系研究目前处于空白。因此,研究彼此之间库仑应力变化关系,对于阿尔金断裂不同区段的应力调整有着极其重要的作用。

图7为昆仑—阿尔金地区强震间的库仑应力变化分布图。图中可见1933年若羌地震在1993年若羌地震破裂面上产生的库仑应力变化值为0[图7(a)],这就意味着两个若羌地震的发生可能不存在必然的联系。同样,由于出现以两次若羌地震的发震构造(源断层)与2008于田地震的发震构造(目标断层)的空间位置相对较远,由此判断若羌地震对于田地震的发生几乎没有影响[图7(b)]。继2008年于田地震发生6年后,在其震中位置沿着断裂走向自SW向NE迁移[图7(c)]。图7(c)为三次地震[据图7(b)可知,作用的仅为2008年于田地震]在2014年新疆于田地震断层面上产生的应力变化。结果显示应力加载区主要位于NE-NW向和SW向,而应力影区则垂直于应力加载区的方向。2014年的于田地震震中位置位于应力加载区,其同震库仑应力大约增加0.024 bar,与先前的研究结果一致[42]。因此,可以明确2008年新疆于田地震对2014年于田地震的应力加载及触发作用。

2.3 区内强震迁移对周边断层的影响

一次大地震的发生必然会改变周围断裂或邻近区域的应力状态,从而诱发后续地震[5]。因此本文以上述不同地区发生的MS≥6.6强震(图8红色圆圈)的发震断层为输入源(表1),以震中附近区域的主要断层为接收断层进行库仑应力变化计算,计算过程中对于接收断层参数的选取(走向、倾角、滑动角),采用邓起东等[43]对中国大陆主要活动断裂特征的研究成果。研究区内强震在这些活动断层20 km(据表1所知,震源深度基本在20 km左右)深度上所产生的库仑应力变化,具体参数列于表2。

红色五角星为源地震,黄色五角星为后续地震图6 喀什—乌恰地区强震间的库仑应力变化分布图Fig.6 Coulomb stress change among strong earthquakes in Kashi-Wuqia area

红色五角星为源地震,黄色五角星为后续地震图7 昆仑—阿尔金地区强震间的库仑应力变化分布图Fig.7 Coulomb stress change among strong earthquakes in Kunlun-Altun area

图8 研究区内主要活动断层库仑应力变化Fig.8 Coulomb stress variation of main active faults in the study area

图8给出了三个区域的强震在周边主要活动断裂上产生的应力扰动情况。在喀什—乌恰交汇地区[图8(a)],地震发生造成木吉断裂西段、卡兹克阿尔特断裂西段以及和田断裂西段东侧等不同程度的加载效应,地震危险性有所增强。其中木吉断裂西段库仑应力增加最为明显,最大值达到13.97 bar;其次为和田断裂西段,应力最大增加量为7.1 bar;卡兹克阿尔特断裂西段的应力增加量最大也达到了6.6 bar。相反,卡兹克阿尔特断裂东段发生了较强的应力卸载,最大卸载量达到了-11.36 bar,这就意味着卡兹克阿尔特断裂东段的地震危险性较断裂其他部分要小(表2)。

图8(b)为天山地区强震引起周围断层的同震库仑应力变化结果。我们发现天山地区的强震所产生的应力扰动比喀什—乌恰地区的地震对周边断层影响较小,整条断裂的库仑应力变化的平均值均小于触发阈值(表2),说明附近断裂的地震危险性有所减弱。然而影响最大的是博罗科努断裂西侧中段地区库仑应力变化增加值最大,达到了11.9 bar,远远超过其他断裂以及同断裂其他部位。

表2 研究区内主要活动断裂参数及库仑应力变化Table 2 Parameters of main active faults and Coulomb stress changes in the study area

因为昆仑—阿尔金地区所记录到的强震个数相对较少,本文仅选取康西瓦断裂和阿尔金断裂进行库仑应力变化研究。图8(c)所示,由于受到2008年和2014年两次于田MS7.3地震的影响,使得康西瓦断裂东段西侧的库仑破裂应力扰动值变化很大,最大值为5.42 bar,处于应力集中区,未来地震危险性增强。相反,在该段的东侧则表现出强烈的应力卸载作用,最大卸载量达到了7.24 bar。另外,由于距离、地震震源性质以及释放能量多少的影响,地震的发生对康西瓦断裂西段、中断以及阿尔金断裂的影响相对较小(表2)。

综上,区域内的博罗科努断裂西侧中段、卡兹克阿尔特断裂西段、木吉断裂西段以及和田断裂西段地震危险性有所增加,需要密切关注其周边的地震活动。

3 结语

本文首先利用新疆地区自1900年以来的828个MS≥3.0震源机制解,采用区域应力张量阻尼反演方法计算了新疆地区每个网格的最佳拟合构造应力场,并利用主应力计算方法得出最大水平主应力的方向,分析了不同区域的震源性质和应力场的变化状态。然后根据不同区域应力场变化特征细分成了三个局部区域,基于Okada弹性半空间模型,对不同分区的21个MS≥6.6地震进行库仑应力变化研究。最后通过计算周围断层的加卸载情况,进而为该区未来的地震危险性判定提供依据。结论如下:

(1) 从应力场反演结果可以看出,新疆地区区域应力状态以逆断层和走滑断层为主,最大水平主压应力优势方位为近SN向,伴有局部地区的拉张和剪切作用。这一方位与印度板块挤压碰撞欧亚板块的方向基本一致。

(2) 根据区域应力场特征及区内强震空间分布特征,将区域应力场划分为天山地区、喀什—乌恰地区以及昆仑—阿尔金地区,并计算区内强震间的库仑应力变化。得出前震对后续地震是触发提前还是抑制延迟取决于源断层与目标断层的位置及断层活动性质,其中断层距较小的地震之间相互触发的影响相对较大,强震对后续地震触发或延迟作用明显。其中,天山地区强震对后续地震的发生影响微乎其微,个别地震存在延缓发生的现象;喀什—乌恰交汇区是强震多发区,且震中位置分布较密集,地震之间触发或延迟作用明显;昆仑—阿尔金地区除2008年于田地震对2014年于田地震的发生有一定的触发作用外,其他地震之间的影响作用不大。

(3) 区内强震的发生造成周边断层,如博罗科努断裂西侧中段、卡兹克阿尔特断裂西段、木吉断裂西段以及和田断裂西段不同程度的库仑应力增加,存在一定的应力加载效应,继而地震危险性增强,需密切关注其周边的地震活动特征,跟踪其主要断层段库仑应力变化随时间的积累,有助于对周边强震形势的研判。

本文对地震产生的库仑应力变化采用了地球地下介质半无限空间内均匀各向同性的完全弹性体简化模型,而由于本研究时间尺度较大,地壳在长期运动过程中,综合考虑震后余滑、孔隙效应和黏性松弛等横向差异均可能对研究区的应力变化产生影响。因此在以后的研究中应尽可能采用更为准确的物理参数,充分考虑个别因素对库仑应力变化的影响,并综合分析研究区域的应力演化过程。

致谢:本文所使用数据来源于新疆维吾尔自治区地震局预报中心,在此表示感谢！