龙门山断裂带的贝尼奥夫应变分析

李 英,高永国,王维欢,许康生

(甘肃省地震局,甘肃 兰州 730000)

0 引言

滑动速率是对构造运动状态的描述,龙门山地区的构造运动及滑动速率一直是地学界关注的热点问题。Densemore等[1]认为龙门山断裂带在全新世的滑动率在0.5 mm/a之下。基于GPS的观测结果,一些学者也给出了略有差异的结果,King等[2]在1997年指出龙门山断裂带的缩短速率在0～5 mm/a;2000年Holt等[3]认为是在1～5 mm/a,2004年张培震等[4]认为是在(4.0±2.0) mm/a。上述研究都是在较大时间尺度和空间尺度上的平均结果,已经发表的小尺度的研究结果不多。继2008年汶川大地震之后,这一区域附近又发生了几次大的地震,例如2013年的芦山MS7.0地震,2017年的九寨沟MS7.0地震。关于这些地震的发震构造、震源机制及与龙门山断裂带的关系已有一些研究结果[5-7]。那么在较小的时间尺度上,龙门山地区不同区段的构造运动有什么特征或差异,和邻区发生的强震存在怎样的关系?关于岩石受压的声发射实验室研究表明,基于声发射密度计算的加卸载响应比曲线和基于贝尼奥夫应变计算的加卸载响应比曲线相当一致[8],意味着贝尼奥夫应变描述了介质受压渐进破坏的力学过程。本文基于最近10年该区域地震观测的结果,估算不同区段的贝尼奥夫应变,并试图初步探讨与本区域大地震孕育和发生的关系。

1 资料和资料处理

本文所用资料来自中国地震台网的统一编目结果,研究对象为龙门山断裂带。龙门山断裂带位于巴颜喀拉块体和华南块体的交汇区域。自西向东排列有汶川—茂县断裂、映秀—北川断裂和灌县—安县断裂,沿断裂走向一般分为南、中、北3段(泸定—灌县,灌县—北川、北川—广元)[5,9-10]。据此我们从北到南大致划分三个区域进行研究,如图1所示,区域a:103°～106°E,32°～34°N;区域b:101.5°～104.5°E,30°～32°N;区域c:101°～104.0°E,28°～30°N。研究时段为2011—2020年,震级ML2.5以上,不同区段地震震级的时序在图2中给出。

图1 地震分布及分区(2011—2020年)Fig.1 Earthquake distribution and zonation in the study area(2011-2020)

图2 龙门山断裂带三个区域地震震级时序图Fig.2 The magnitude sequence of earthquakes in three sections of Longmenshan fault zone

早在21世纪中叶,美国地震学家Benioff[112]指出,贝尼奥夫应变可以用于度量一个区域的滑动速率。近年来其在地震前矩释放加速研究方面得到了应用[12]。本文采用了Robinson提出的关系式[13]:

lgM0=1.5ML+9.05

(1)

式中:ML为震级;M0为地震矩(N·m)。地震矩和能量的关系,采用了1977年Kanamori给出的数学式[14]:

(2)

式中:E为地震辐射能,将其开平方就得到了贝尼奥夫应变。贝尼奥夫应变在时序上的逐项累加就得到了累积贝尼奥夫应变。

2 结果与讨论

图3(a)所示,这是基于龙门山断裂北段发生地震估算的累积贝尼奥夫应变。可见九寨沟MS7.0地震产生了明显的累积贝尼奥夫应变的阶跃,而对于芦山MS7.0地震反映微弱。图3(b)展示的是龙门山中段的累积贝尼奥夫应变,对于芦山MS7.0地震产生了明显阶跃,而对于九寨沟地震没有明显反映。图3(c)给出了龙门山南段的累积贝尼奥夫应变,对于上述两例地震没有明显反映。这就显示出较为明显的区域性特征。我们知道,贝尼奥夫应变是对区域内深部及地壳在力源作用下应力积累及运动状态的一种描述,区域应力和运动状态也受到周边构造运动状态的作用和影响。

图3 龙门山断裂带三个区域的累积贝尼奥夫应变Fig.3 Cumulative Benioff strain in three sections of Longmenshan fault zone

为了考察各区域内贝尼奥夫应变与附近地震的关系,我们选择这几个大地震之间相对“平静”期的累积贝尼奥夫应变拟合直线并计算其斜率。从表1中可知,较大的斜率意味着地壳运动能量的释放相对“活跃”,反之则意味着能量的释放相对“平静”。我们注意到,在2011—2012年这一时段内,区域a具有较高的斜率,意味着区域地壳具有较强的活跃性,2015年至2017年7月,该区域斜率减小超过一半,为10年间的最低斜率。九寨沟MS7.0地震发生后1年内,该区域贝尼奥夫应变抬升约2 000×108,地震后应变的时变斜率略有提升。区域b在2011—2012年这一时段内,显示出10年内最低的斜率,芦山MS7.0地震后一年内贝尼奥夫应变抬升约5 300×108,贝尼奥夫应变的时变斜率在震后增大约30倍,但对九寨沟MS7.0无明显反映,意味着区域b的构造活动与芦山地震关系密切,而与九寨沟地震关联较弱。区域c在2011—2012时段内和2018—2020时段内都显示出较低的斜率。关于地震孕育和发生较为公认的解释是,孕震过程是在应力作用下能量不断积累的过程,地震的发生是一种临界现象[15],本文得到的贝尼奥夫应变对大地震的阶跃抬升也支持了这一观点。对于在邻区地震时产生明显阶跃的区域a和区域b,我们可以看到一个共同的特征就是在临近地震之前一段时间,具有在研究时段内最小的应变时变斜率。对于这种现象,一些学者的研究认为,是由于大地震之前震源及其附近滑移导致的应力松弛过程[16-17]。关于震前应变释放的研究表明,在孕震区较大范围内显示加速,在较小的范围内存在应变释放减小的现象[18-19]。由于本文研究范围较小,显示存在震前应变时变斜率减小的现象,这与上述其他学者的研究结果也是吻合的。基于力学原理,地震孕育是震源区介质受力后变形、损伤、演化、破坏的过程,整个过程伴随着能量的释放,微震活动就是能量释放的表现,也就是说贝尼奥夫应变也描述了大地震孕育的过程[20]。贝尼奥夫应变时变斜率的变化表征了能量释放的不均匀性,基本原因就是介质的不均匀性,因为震源区介质的不均匀性使得裂纹在成核、扩展、相互作用和连通的过程表现出非线性行为[21]。籍此,我们认为,由于孕震能量的大小、构造介质的差异等因素,不同区域贝尼奥夫应变具有共同的表现,也会显示出区域特征。研究不同区域的贝尼奥夫应变特征,有助于对该区域地震孕育和发生的特征和机理研究。

表1 不同时段累积贝尼奥夫应变的时变斜率Table 1 Time varying slope of cumulative Benioff strain in several periods

3 结语

基于最近10年龙门山地区发生地震估算的贝尼奥夫应变结果可以看到,龙门山地区三个区段贝尼奥夫应变对邻区地震存在区域性差异,其中龙门山中段与芦山地震存在最为紧密的关系,震后一年内累积贝尼奥夫应变抬升量最大,约为5 300×108,但对于九寨沟地震几乎没有反映;而龙门山北段与九寨沟地震有关联,而其关联度不及前者,九寨沟地震和芦山地震同为MS7.0地震,能量相当,但龙门山北段在九寨沟地震震后一年累积贝尼奥夫应变抬升量约为2 000×108,不及前者一半。由此可以推测,龙门山断裂带的活动对芦山地震的发生有较大贡献,而对于九寨沟地震的贡献不及前者。另外我们还注意到累积贝尼奥夫应变的时变斜率在邻近地震前均存在降低的现象,这应该是震前应力松弛过程的表现。当然,这只是一个初步研究,还需要对更多震例作进一步的研究。