广西北流与靖西地区地震的应力触发现象分析

董非非, 邓 辉, 姜 辉

(1. 江西省地震局, 江西 南昌 330096; 2. 中国地震局 地球物理研究所, 北京 100081)

0 引言

广西地区地震活动总体水平不高,但近年来相继发生了2016年苍梧5.4级、2019年北流5.2级和靖西5.2级地震,特别是北流5.2级地震和靖西5.2级地震相隔仅一个多月,为广西地区有地震记载以来之少见现象[1]。与苍梧5.4级地震为孤立型不同,后两次地震均为主震-余震型,且余震较发育。据中国地震局台网中心统一编目结果,北流5.2级地震和靖西5.2级地震震中相距约400 km。北流5.2级地震前2 s,发生一次4.2级前震,前震与主震的震中距约1 km。靖西序列最大余震为4.3级,与主震间隔3天,震中距约3 km。

研究表明[2-3]中强地震发生后,会引起周边地区的地应力变化,假设周边地区的地应力恰好处于临界失稳状态,那么就有可能促进后续地震的发生,这种效应称为地震应力触发作用。我们很难准确地测量出地壳应力大小[4-6]。根据经验发现,如果库仑破裂应力变化方向和后续地震断层滑动方向一致,则认为其为正,假若变化值超过阈值,那么有可能触发后续地震;反之,负的库伦破裂应力变化可能抑制后续地震的发生[7-8]。库仑破裂应力变化引起的地震触发作用,根据其作用方式的不同又可以分为静态和动态两种,阈值的取值范围[9-11]静态通常取为±0.01 MPa,动态取0.5 MPa(负的动态变化值对断层滑动作用不大)。

1 地震地质背景

广西在大地构造分区上属于华南活动地块区,自中、新生代以来处在三大板块的汇聚拼合部位,主要受到西太平洋板块西向俯冲和青藏高原形成与印—澳板块北向差异运动的夹持。现代构造应力场的主要力源来于菲律宾海板块向欧亚板块的挤压碰撞和在印度板块的挤压下青藏高原强烈隆起所派生的向东南侧压分力等的联合作用[14-16]。广西及其邻区现今构造应力场的主压应力方向在桂西北和桂北为NW向,桂东和沿海一带为EW向,这两种应力在桂中附近汇合形成过渡构造。主要发育有NW向和NE向两组区域活动断裂,构成广西活动性断裂的“X”型格架[17-18],其中以北流5.2级地震和靖西5.2级地震震区最为典型(图1)。

图1 北流5.2级地震和靖西5.2级地震区域地震构造图Fig.1 Seismotectonic map of the Beiliu MS5.2 earthquake and the Jingxi MS5.2 earthquake

北流5.2级地震震中位于桂东南地区,按照地震活动的空间分布特点和构造应力场的差异性划分,隶属于东南沿海地震带西段,区内发育有NE—NEE向、NW—NWW向多组断裂。据广西地震台网测定,此次地震序列共记录到余震165次,最大余震为10月12日23时31分ML3.2地震。根据广西壮族自治区地震局震例总结报告相关研究显示,余震主要分布在主震周边3 km范围内,空间上大体呈NW向优势分布,震源深度介于6～13 km。主震震源机制解为走滑型,发震断层可能为NW向米场—石窝断裂,该断裂为区域性巴马—博白断裂带的次级断裂[19-20]。

靖西5.2级地震震中所在的桂西地区,隶属于右江地震带,受印支块体、华南地块和川滇块体的共同影响,构造环境复杂[21-22]。震中区发育有NW向黑水河断裂和NE向下雷—上映断裂。据广西地震台网测定,截至2020年4月20日,靖西5.2级地震序列共记录余震298次,其中ML3.0～3.9地震9次,ML4.0～4.9地震2次,最大余震为2019年11月28日ML4.8(MS4.3)地震。重新定位结果[23-25]显示,序列平面分布总体以NE向分布为主,长轴约7 km,短轴约3 km。地震深度主要集中在5～10 km,并出现小部分深度在2 km左右的微震。5.2级主震和4.3级余震震源机制解非常相近,均为逆断型,发震断裂可能为下雷—上映断裂。

2 模型及参数设置

北流5.2级地震前震和主震发震间隔仅为2 s,靖西5.2级地震主震和最大余震的间隔时间仅为3天,因此有必要同时考虑各自序列之间的静态和动态库仑应力变化的影响,北流地震与靖西地震发震间隔超过一个月,由于震级较小且距离超过400 km,可能静态和动态库仑作用都不明显,但这里依然对它们进行了计算,以期量化他们之间的作用关系。本文中静态库仑应力计算采用弹性变形模型,应变场计算采用Wang等[26-27]的方法。动态库仑应力计算采用吴小平等[9]和解朝娣等[28-30]的方法,基于离散波数法把地震断层面位错离散成点源的位移场,再利用逆傅立叶变换得到整个地震破裂过程中产生的位移场,从而得到动态应变场和应力场相对变化值。

表1 地震参数及震源机制解

本文地震震中位置和震源机制解均来自广西壮族自治区地震局震例总结报告,震源深度参见广西局重新定位的结果(表1),地壳速度模型参考CRUST2.0[31](表2)。北流5.2级地震断层长度取地震发震后三天内发生的直接余震长度[32],根据广西局双差重新定位结果,震后三天内余震的长度约为4 km,然后根据经验公式[33]可推断断层的最大滑动量约为0.17 m,4.2级和5.2级地震发震间隔仅2 s无法区分各自余震,考虑到整个地震序列重新定位后结果收敛性较好,这里4.2级地震的最大滑动量也粗略的取为0.17 m。靖西5.2级地震由于震中位于中越边界,西南方向位于越南境内,缺少地震台站包围,定位精度误差较大,并且后续余震分布可能受到了4.3级强余震的影响,因此选用序列重新定位后的长轴长度7 km作为全部余震长度,再取其80%作为该地震的破裂长度,约为5.6 km,则断层最大滑动量约为0.24 m;破裂速度取剪切波速度的80%,因两个地震采用的速度模型一致,所以破裂速度均取2.8 km/s。摩擦系数统一取0.6,动态库仑应力计算中上升时间取破裂持续时间的1/10[9]。

表2 地壳速度结构模型

3 计算结果及分析

北流地震的动态库仑研究区域范围为(110.49°～110.59°E,22.12°～22.20°N),计算时分别以北流4.2级前震震源机制的节面Ⅰ和节面Ⅱ为发震断层,以5.2级主震震源机制的节面Ⅰ和节面Ⅱ为接收断层,分别计算4.2级前震对5.2级主震造成的库仑应力变化影响。动态库仑应力变化计算时将研究区域划分为14×14个网格,计算时长为10 s,时间采样间隔为256,计算距离5.2级地震最近网格点处的不同时间采样点的动态库仑应力变化,若最大值超过0.5 MPa,则认为受到了动态触发作用。静态库仑应力计算时将研究区域适当扩大,由于发震时间间隔较短,不考虑地层的黏弹效应采用弹性模型,若在5.2级地震最近网格点处的变化值大于0.01 MPa,则认为4.2级前震对5.2级主震有触发作用,若变化值小于-0.01 MPa,则认为有抑制作用。

同理,靖西地震的动态库仑研究区域范围为(106.45°～106.88°E,22.73°～23.08°N),分别以靖西5.2级地震震源机制的节面Ⅰ和节面Ⅱ为发震断层,以4.3级余震震源机制的节面Ⅰ和节面Ⅱ为接收断层,分别计算5.2级主震对4.3级余震造成的动态和静态库仑应力变化影响。在计算北流5.2级对靖西5.2级地震的动态和静态库仑应力变化影响时,研究区域范围取(106.18°～111.23°E,21.67° ～23.12°N)。为方便区分,分别用ΔCFS代表动态库仑破裂应力变化值,用dCFS代表静态库仑破裂应力变化值。计算结果列于表3。

表3 震后接收断层面上的库仑破裂应力变化值

从表3可以看出,北流4.2级前震对5.2级主震的库仑应力变化动态计算结果均大于触发阈值,说明5.2级地震的发生可能受到了4.2级地震的动态应力触发作用;静态的前三种情形来看变化值均为正且大于触发阈值,说明可能受到了静态应力触发作用,但第四种情况变化值小于-0.01,说明可能存在抑制作用。假如靖西5.2级主震发震断层为节面Ⅰ时,对4.3级最大余震可能动态应力触发作用不明显,存在静态库仑应力抑制作用,这种情况说明余震的发生与主震的库仑应力变化影响关系不大;假如5.2级主震的发震断层为节面Ⅱ时,那么4.3级地震的发震可能受到了主震的动态库仑应力触发作用和静态库仑应力抑制作用。北流5.2级对靖西5.2级地震的库仑破裂应力变化影响动态变化值在四种情况下均小于触发阈值两个量级,静态变化值均为正但不足1 Pa,远远小于触发阈值,动态和静态几乎都没有作用,可见两个地震的相互之间可能不存在应力触发作用。根据广西壮族自治区地震局震例总结报告推断,北流5.2级地震的发震断层为节面Ⅰ的可能较大,靖西5.2级地震的发震断层为节面Ⅱ的可能性较大,这几种情况的计算结果如图2所示(静态库仑破裂应力变化值图中玫红色图形表示接收地震震中位置,黑色细线条表示断裂)。

假设北流5.2级地震的发震断层为节面Ⅰ,以其作为接收断层节面参数,那么北流4.2级前震对5.2级主震的库仑破裂应力变化影响如图2所示。其中,动态库仑破裂应力变化ΔCFS计算结果在(a)情况下,在3.02 s时达到最大值约为1.598 MPa;在(b)情况下,在2.9 s时达到最大值约为1.088 MPa。两种情况下ΔCFS最大值都大于动态应力触发阈值0.5 MPa,说明可能存在动态库仑应力触发作用。采用相同的参数计算得到的静态dCFS结果显示,在(a)情况下,约为0.119 MPa;在(b)情况下,约为0.017 MPa;两种情况下的dCFS均大于静态应力触发阈值0.01,说明可能受到了静态库仑应力触发作用。

3.2.4 师生转换角色，增加课堂互动 教学是由师生共同完成教学任务的双边活动。课前学生通过学案落实预习任务、熟悉案例，课上教师创设一个开放、宽松的环境，引导学生就案例中的关键问题、教学重点、难点问题展开讨论，教师从知识传授者转变为启发者、引导者，学生由被动接受者转变为主动参与者。否则，不管教师讲得多形象、理论多充实、内容多有价值，学生没有听进去、没有真正参与到教学活动中，是不会有好的教学效果的。

图2 北流4.2级前震对5.2级主震的库仑破裂应力变化影响Fig.2 Influence of the Beiliu MS4.2 foreshock on the change of Coulomb failure stress of the MS5.2 mainshock

假设靖西5.2级地震的发震断层为节面Ⅱ,那么靖西5.2级地震对4.3级余震的库仑破裂应力变化影响见图3所示。其中,动态库仑破裂应力变化ΔCFS计算结果在(a)情况下,在3.73时达到最大值约为0.572 MPa;在(b)情况下,在5.33 s时达到最大值约为0.886 MPa。两种情况下ΔCFS最大值都大于动态库仑应力触发阈值,可能有动态的触发作用。静态dCFS结果显示,在(a)情况下,约为-1.788 MPa;在(b)情况下,约为-1.157 MPa;两种情况下的dCFS均小于-0.01两个量级,说明可能受到了静态库仑应力抑制作用。

以北流5.2级地震节面Ⅰ为发震断层,靖西5.2级地震节面Ⅱ为接收断层的库仑破裂应力变化影响如图4所示。其中ΔCFS在122.35 s时达到最大值,约为2 894 Pa;静态dCFS约为0.2 Pa;两者变化值均远远小于触发阈值,可忽略不计。

4 讨论

广西地区所属的华南活动地块区自2012年以来,4.0级以上地震活动逐渐增强,并呈现由出水库地区先活动,然后逐渐向非水库地区迁移的特征,反映区域构造应力逐渐增强[34]。最近几年相继发生了2012年2月12日广东东源4.8级、2013年2月20日广西平果4.5级、2013年2月22日广东东源4.8级和2013年9月4日福建仙游4.8级等显著地震,2016年7月31日发生了苍梧5.4地震,该地震打破了东南沿海地震带长达16.6年的5级以上地震平静。2018年11月26日台湾海峡6.2级地震打破了东南沿海地震带近24年的5.5级以上地震平静,标志该带已经进入新的5.5级以上地震活跃幕。可见近几年来华南活动地块区区域应力积累处于较高水平,北流5.2级和靖西5.2级地震在这种背景下发生。

根据广西壮族自治区地震局震例总结报告相关研究,北流4.2级前震与5.2级主震震源机制节面Ⅰ为发震断层,均为走滑型,P轴方位均为NW向,倾角近水平,主压应力方向为北西向,主压应力轴倾角较小,与现代区域构造应力场主压应力方向一致。靖西5.2级主震与4.3级最大余震地震的震源机制节面Ⅱ为发震断层,均为逆冲类型,兼有左旋走滑分量,P轴方位为NW-SE向,发震构造破裂面倾向为SEE向,发震断层结合震区断裂构造环境以及背景应力场分布,认为靖西地震的发生可能受控于川滇菱形块体压剪作用。结合上文北流与靖西两次5.2级地震发生区域的地震地质背景,认为这两次5.2级地震序列的发生的主要原因可能还是区域构造应力调整的结果。

图3 靖西5.2级地震对4.3级余震的库仑破裂应力变化影响Fig.3 Influence of the Jingxi MS5.2 earthquake on the change of Coulomb failure stress of the MS4.3 aftershock

(以北流5.2级地震节面Ⅰ为发震断层,靖西5.2级地震节面Ⅱ为接收断层的动态(左)和静态(右)库仑应力变化值)图4 北流5.2级地震对靖西5.2级地震的库仑破裂应力变化影响Fig.4 Influence of the Beiliu MS5.2 earthquake on the change of Coulomb failure stress of the Jingxi MS5.2 earthquake

根据上文的库仑应力触发作用结果分析,假若北流4.2级与5.2级地震并非同一断裂的两次破裂过程,那么5.2级主震的发生还可能同时受到了4.2级前震的库仑应力动态和静态应力触发作用。对于靖西5.2级地震序列,李莎等[35]通过计算发现潮汐应力对5.2级地震的发震断层起到了一定的触发作用;对其4.3级最大余震的发震断层产生阻滑作用。因此靖西5.2级地震的发生可能同时受到了区域构造应力调整以及潮汐应力触发作用,而4.3级余震的发生可能是构造应力场和动态库仑应力触发共同作用的结果。

此外两次5.2级地震的震级相同,但在计算中使用的断层破裂长度却相差较大,其主要原因之一可能是因为靖西地震发生在中越边境,越南境内没有地震台站监测数据与调查资料,对序列重新定位精度会造成一定的影响,因而本文两次5.2级地震的断层破裂长度取值标准也有所不同。另外,两次5.2级地震发生的地质背景也不相同,靖西地震发生在岩溶地区,对地震波具有放大作用,震害相对较重,而北流5.2级地震所在的桂东南地区土层较厚,对地震波有一定的吸收缓冲作用。

5 结论

通过上文计算和分析我们可以得出以下结论:

(1) 北流4.2级前震对5.2级主震的动态和静态库仑破裂应力变化值均大于触发阈值,可见主震的发生可能同时受到了前震的动态和静态库仑应力触发作用。

(2) 靖西5.2级主震对4.3级最大余震地震的动态ΔCFS最大值大于触发阈值,静态dCFS小于抑制作用阈值,因此靖西余震的发生可能受到了主震的动态触发和静态库仑应力抑制作用。

(3) 北流5.2级对靖西5.2级地震由于震级较小且距离较远,动态和静态库仑应力变化值均远远小于阈值,可见北流5.2级地震对靖西5.2级地震的发生几乎没有库仑应力变化影响。