蘆山地震的發生對周圍斷層影響的數值模擬

李玉江, 陳連旺, 劉少峰, 楊樹新, 荊 燕

1)中國地質大學(北京)地球科學與資源學院, 北京 100083; 2)中國地震局地殼應力研究所地殼動力學重點實驗室, 北京 100085

蘆山地震的發生對周圍斷層影響的數值模擬

李玉江1, 2), 陳連旺2), 劉少峰1), 楊樹新2), 荊 燕2)

1)中國地質大學(北京)地球科學與資源學院, 北京 100083; 2)中國地震局地殼應力研究所地殼動力學重點實驗室, 北京 100085

蘆山地震發生后, 地震的發生造成周圍斷層應力變化值得關注。本文基于川滇地區的三維非線性有限元模型, 利用蘆山地震同震靜態滑移量結果, 分析地震的發生對川滇地區主要斷裂的同震加卸載效應。初步結果表明, 蘆山地震的發生造成龍門山斷裂中南段、岷江斷裂、馬爾康斷裂、鮮水河斷裂北西段、大涼山斷裂南段、小江斷裂南段不同程度的應力增加。其中龍門山斷裂中南段增加最為顯著, 最大庫侖應力增加量達0.035 MPa; 岷江斷裂次之, 最大達0.0075 MPa; 馬爾康斷裂增加量達0.0031 MPa; 鮮水河斷裂北西段達0.0008 MPa。而從斷裂帶同震應變積累與釋放方面分析的結果同樣表明上述四條斷裂地震危險性增強。該結果可以為川滇地區地震危險性分析提供一定的參考依據。

蘆山地震; 川滇地區; 庫侖破裂應力; 數值模擬

2013年 4月 20日四川蘆山縣(102°57′E, 30°19′N)發生MS7.0級地震, 該地震是繼汶川MS8.0級地震后, 四川地區再次發生的嚴重破壞性地震,地震造成巨大的財產損失和人員傷亡(劉杰等, 2013)。地震學反演的震源機制解及破裂過程等震源參數表明, 蘆山地震是發生在龍門山斷裂帶南段的一次逆沖型地震, 且最大同震滑移量為 1.59 m(張勇等, 2013; 王衛民等, 2013)。曾祥方等(2013)通過P波初動反演和波形反演方法, 結合短期余震震源機制, 進一步確定蘆山地震的發震斷層為高角度逆沖斷層。另外, 野外地質科學考察表明, 蘆山地震在震中區沒有形成具有構造地質意義的地震地表破裂帶, 該地震是一次典型盲逆斷層型地震(徐錫偉等, 2013)。

地震是地殼應力積累到一定程度, 巖層突然破裂、錯動的一種現象。一次地震的發生會引起周圍區域應力場的調整, 這種應力調整進一步影響斷裂的破裂失穩條件。當應力變化為正時, 加速周圍斷層的應力積累, 造成下次地震提前發生, 即地震觸發效應; 反之, 應力積累過程被延滯, 即地震卸載效應(Harris, 1998)。地震應力觸發研究主要是以庫侖應力變化為基礎, Stein等(1992)研究了土耳其北安納托利亞斷裂帶上 1939—1992年間發的 10個M≥6.7級地震的庫侖破裂應力演化過程, 發現 90%的地震是被先前地震所觸發。King等(1994)通過研究1992年Landers地震對后續Big Bear地震的庫侖應力變化, 認為Landers地震加速了Big Bear地震的發生。沈正康等(2003)利用粘彈性模型, 對東昆侖斷裂帶5個M≥7大地震之間的應力轉移和斷層相互作用進行研究, 發現前四個地震均造成 2001年可可西里地震斷層面上庫侖破裂應力的增加。萬永革等(2007)通過對青藏高原東部20個 M≥7大地震應力演化與地震觸發作用進行研究, 發現 85%地震是由于庫侖破裂應力的增加而被觸發。陳連旺等(2008)利用三維有限元模型, 研究川滇地區 1981—2000 年M≥6.5地震序列的應力加卸載效應, 發現后續地震全部位于已發地震所引起的庫侖破裂應力增加區。汶川地震發生后, 國內外學者基于不同地震破裂模型, 開展汶川地震發生對周圍斷層的影響研究。Parsons等(2008)利用USGS給出的汶川地震破裂模型計算汶川地震對周圍斷層的應力觸發, 發現雅安斷裂的庫侖破裂應力增加可達 0.1 MPa。Toda 等(2008)利用 Okada程序(Okada, 1992), 分析結果認為鮮水河斷裂南端、東昆侖斷裂以及岷江斷裂地震危險性增加。Wan等(2010)利用GPS、InSAR資料反演的汶川地震破裂模型, 計算了周圍斷層的庫侖破裂應力變化, 結果表明龍門山斷裂帶兩端、鮮水河南端、東昆侖東南段、岷江南段以及西秦嶺等斷裂帶應力增加。而地形變資料分析的結果同樣表明汶川地震對龍門山斷裂帶東北段有一定程度的促進作用(張希等, 2010)。李玉江等(2013)應用有限單元法, 考慮黏彈性松弛效應的影響, 研究汶川地震的發生對周圍斷層的影響。結果表明, 鮮水河斷裂北西段、東昆侖、龍日壩、岷江以及虎牙斷裂庫侖應力水平增加顯著, 且汶川地震對于玉樹地震的發生有微弱的加載效應。目前, 關于蘆山地震的發生對周圍斷層的影響, 研究成果相對較少。單斌等(2013)利用彈性位錯理論和分層巖石圈模型, 研究汶川地震和蘆山地震對周邊主要斷層的影響, 結果認為鮮水河斷裂康定—道孚段及龍門山斷裂帶次級斷裂北川—映秀、彭縣—灌縣及雅安斷裂庫侖應力增加。

綜合考慮活動構造、地球物理場及地震活動性等多學科研究成果, 建立川滇地區三維非線性有限元模型。利用王衛民等(2013)基于遠場體波資料和有限斷層方法反演給出的蘆山地震同震靜態滑動量結果, 本文數值模擬蘆山地震的發震過程, 研究蘆山地震的發生對川滇地區主要活動斷裂的影響, 為川滇地區地震危險性分析提供可能的依據。

1 川滇地區三維有限元模型的建立

根據川滇地區全新世活動斷裂、地殼上地幔三維波速結構等資料, 充分考慮對地質構造運動和地震活動起決定作用的活動斷裂和活動斷塊, 建立川滇地區三維地質構造模型。

1.1 介質分區及物性參數

川滇地區的活動斷裂控制了主要構造運動的發生和發展, 同時成為活動地塊的邊界(張培震等, 2003)。依據川滇地區的構造特征, 模型劃分出5個區: (Ⅰ)華南塊體, (Ⅱ)馬爾康塊體, (Ⅲ)川滇菱形塊體, (Ⅳ)藏東塊體以及(Ⅴ)滇西南塊體, 具體結果見圖1, 其中川滇菱形塊體內部較軟, 華南塊體相對較硬, 其它介于兩者之間。結合王椿鏞等(2002)利用川滇地區地震臺網174個臺站記錄的地震初至P波和S波走時數據確定的地殼上地幔三維波速結構研究成果, 根據楊氏模量 E、泊松比ν與縱波速率 C和密度ρ之間的關系 E=C2ρ(1+ν)(1-2ν)/(1-ν)(王仁等, 1980), 確定各個分區的物性參數(表1)。其中斷層的楊氏模量取周圍介質的1/3。

在地質模型的基礎上, 采用接觸摩擦單元處理活動斷裂帶, 建立川滇地區三維彈性有限元模型(圖2)。模型范圍為96°—106°E, 20°—34°N, 垂直區域為地表至上地幔40 km深處。有限元模型包含了川滇地區主要活動斷裂帶, 斷裂帶幾何產狀、活動性質見表 2。整個有限元數值模型共劃分為單元343235個, 節點80681個。

1.2 模型邊界約束

本文利用 ITRF2000參考框架處理得到的中國大陸2004—2007年的GPS觀測資料, 通過對速度場數據進行三次樣條插值, 獲得該速度值與計算時間步長的乘積, 作為有限元模型的位移邊界條件。由于地殼運動速度在垂向的差異尚未明確定論, 作為一種近似, 本文所施加的邊界條件不隨深度變化,且模型底部水平向自由, 法向約束。具體邊界約束見圖3。

圖1 川滇地區主要活動斷裂簡圖Fig. 1 Major active faults in Sichuan-Yunnan area

圖2 川滇地區三維有限元模型Fig. 2 Three-dimensional finite element model for Sichuan-Yunnan area

表1 川滇地區模型介質分區參數Table 1 Material parameters of each block in Sichuan-Yunnan area

表2 川滇地區主要活動斷裂產狀及活動性質Table 2 Geometry and activity of the main faults in Sichuan-Yunnan area

2 蘆山地震的發生引起周圍斷裂庫侖應力變化

圖3 川滇地區三維有限元模型的邊界約束條件Fig. 3 The boundary condition of the three-dimensional finite element model for Sichuan-Yunnan area

蘆山地震發生后, 王衛民等(2013)基于遠場體波資料和有限斷層方法反演獲得斷裂帶同震靜態滑動量數據, 結果表明蘆山地震的震源性質以逆沖斷裂為主, 且最大同震滑動量達1.59 m。本文基于其研究結果, 通過將滑動量數據作為載荷加載到有限元模型中所對應的節點上, 模擬地震的發震過程,分析地震的發生引起周圍斷層的靜態庫侖應力變化。

2.1 靜態庫侖破裂應力公式

根據庫侖破裂假設, 巖石趨近于破裂程度的庫侖破裂應力fσ 為(King et al., 1994):

其中, τ為斷層面上的剪應力,nσ為正應力,定義壓應力為正, p為孔隙流體壓力, μ為斷層面介質的摩擦系數。

當斷層面與主應力軸1σ的夾角為β時, 正應力和剪應力可以表示為:

其中,1σ為最大主應力,3σ為最小主應力, 方程(1)可以變為:

對(4)式求 β的偏微分, 可以發現當 β滿足cot2β=-1/μ時, 庫侖破裂應力取最大值 σmfax。

然而, 精確確定地下應力張量是極為困難的,通常定義庫侖破裂應力變化(Harris, 1998)。當μ不隨時間變化時, 由(1)式庫侖應力變化為:

式中, Δτ為斷層面上剪應力的變化(以斷層滑動方向為正), Δnσ和Δp分別為斷層面上的正應力和孔隙壓力的變化。如果Δfσ ＞0, 則有利于后續地震的發生。

為了簡化孔隙壓力變化的影響, 引入Skempton系數 B', 取值范圍為0—1, B'依賴于巖石體膨脹系數和流體所占體積比例的常數, 則。假定斷層處比周圍巖石更具有延展性, 則, 并假定,它給出孔隙流體和斷層面上的介質屬性, 范圍為 0 —1, 那么庫侖破裂應力變化Δfσ 變為:

2.2 庫侖破裂應力變化

地震發生前后的剪應力變化與背景初始應力場偏應力相關, 且初始應力場不僅使得地震發生前后斷層面上的應力狀態更為復雜, 而且還會影響庫侖應力的分布(King et al., 1994; 石耀霖等, 2010)。目前初始應力場仍無法完全確定, 本研究采用加載千年尺度的構造載荷, 獲得區域的初始應力場。在初始應力場基礎上, 模擬蘆山地震的發震過程, 獲得蘆山地震的發生引起的同震庫侖破裂應力變化。利用數值模擬得到的任意點應力張量的6個獨立分量, 既可以研究應力場的主應力和主方向, 也可以計算任一走向, 任一傾向斷層面上的應力向量, 即正應力nσ和剪應力τ。對于二維問題, 有簡明的計算公式, 而三維問題則比較復雜, 可以通過坐標系變換, 獲得任意斷層面上的應力向量, 最終給出斷裂帶的庫侖應力(陳連旺等, 2008)。根據 Stein等(1992)和King等(1994)的結果認為, 改變'μ的值會對計算得到的庫侖破裂應力變化的空間分布有一定的影響。本文給出視摩擦系數'μ=0.4和0.6時主要活動斷裂帶的庫侖破裂應力變化。另外, 川滇地區的震源深度主要集中在 10～20 km(張國民等, 2002), 因此本文給出 0～20 km的同震庫侖應力變化。

從圖4看出, 蘆山地震的發生主要造成龍門山斷裂中南段、鮮水河斷裂、岷江斷裂、甘孜—玉樹斷裂、小江斷裂南段、大涼山斷裂北段不同程度的應力增加。其中龍門山斷裂中南段庫侖應力增加最為明顯, 岷江斷裂次之, 馬爾康斷裂、鮮水河斷裂、大涼山斷裂、小江斷裂較小。在視摩擦系數'μ=0.4 和0.6時, 各段的庫侖應力變化具體見表3。從表3可以看出, 在'μ=0.6時龍門山斷裂中南段庫侖應力增加量最大達0.035 MPa; 在'μ=0.4時岷江斷裂增加量最大為0.0075 MPa。庫侖應力增加的高值區在不同斷裂帶或同一斷裂帶不同段的交匯區分布明顯。另外, 通過對比兩種視摩擦系數情況下庫侖應力變化的分布, 發現視摩擦系數'μ的改變會造成部分區域庫侖破裂應力極性的變化, 但變化的范圍相對較小。

圖4 川滇地區主要活動斷裂同震庫侖破裂應力變化Fig. 4 Co-seismic Coulomb failure stress change among active faults in Sichuan-Yunnan area

表3 不同視摩擦系數下各斷裂帶庫侖應力變化Table 3 Coulomb stress change in each fault under the condition of different apparent friction coefficients

3 斷裂帶同震應變積累與釋放

蘆山地震的發生, 造成除龍門山斷裂外, 馬爾康斷裂、岷江斷裂、鮮水河斷裂相對較為顯著的加載效應。本文利用跨越上述斷層的剖面(剖面與地表交線的方向為從左向右, 剖面分布見圖 1), 通過分析斷層面兩側區域相對運動變形特征, 確定斷層兩盤的同震活動方式, 進而分析斷裂帶同震應變積累與釋放。在上地殼內, 活動斷層在震間期基本處于鎖定狀態。從彈性回跳理論可知, 當斷層處于閉鎖狀態時, 斷層兩盤與歷史活動方式相同的同震變形有利于斷層及其鄰區應變進一步積累; 反之, 與歷史活動方式相反的同震變形會造成斷層及其鄰區應變有所釋放。

跨越各斷裂帶東向Ue、北向Un、垂向Uv同震位移量變化具體見圖5(其中橫坐標為垂直斷層方向的位移剖面距離, 縱坐標為各位移分量大小), 結合斷層面產狀, 確定各位移量在平行走向、垂直走向及斷層面法向的位移分量(表4)。對于以走滑型為主的斷裂, 主要參考平行斷層走向的位移分量。如果平行斷層位移分量較小, 則需要進一步參考斷層法向的位移量, 分析斷層及其鄰區的應變變化; 對于近似純逆沖的龍門山斷裂中南段, 主要參考垂直走向的位移量大小。從表4可以看出, 龍門山斷裂中南段、馬爾康斷裂、岷江斷裂同震運動方式與斷裂歷史活動方式相同, 表現為同震應變積累。而對于鮮水河斷裂, 雖然平行斷層走向的位移分量表現的斷層運動方式與斷裂歷史活動方式相反, 但量值較小。相反, 斷層法向的位移量變化較大, 且為有利于斷層活動的張性位移。

圖5 跨斷裂帶同震位移量變化Fig. 5 Co-seismic displacement change along the faults

表4 斷層各方向位移分量Table 4 Displacement components in the fault directions

4 結論與討論

基于川滇地區的三維非線性有限元模型, 利用蘆山地震同震靜態滑動量結果, 模擬蘆山地震的發震過程, 從庫侖應力變化分析蘆山地震的發生對川滇地區主要斷裂的同震加卸載效應。結果表明: 蘆山地震的發生造成龍門山斷裂中南段、馬爾康斷裂、岷江斷裂、鮮水河斷裂北西段、大涼山斷裂南段、小江斷裂南段不同程度的應力增加, 其中龍門山斷裂中南段增加最為顯著, 最大庫侖應力增加量達0.035 MPa; 岷江斷裂次之, 最大達0.0075 MPa; 馬爾康斷裂應力增加0.0031 MPa; 鮮水河斷裂北西段最大達0.0008 MPa。對于應力增加較為明顯的四條斷裂, 從斷裂帶應變積累與釋放的角度進一步分析,認為兩者反映的斷裂帶地震危險性變化基本一致,該結果可能為川滇地區地震危險性分析提供一定的力學參考依據。

蘆山地震發生后, 陳運泰等(2013)通過對 2003年以來龍門山斷裂帶中、小地震精定位、地震活動性分析認為, 蘆山地震的發生并沒有顯著地緩解龍門山斷裂西南段的地震危險性, 仍需要關注西南段的北段的潛在危險性。高原等(2013)通過對汶川地震、蘆山地震的余震精定位認為, 蘆山地震與汶川地震的破裂沒有貫通, 兩個地震之間形成一個值得關注的“破裂空段”。本文從應力變化給出的結果同樣顯示出龍門山斷裂中南段的應力增加較高。單斌等(2013)利用彈性位錯理論與分層巖石圈模型, 分析蘆山地震的同震及震后應力變化, 結果顯示出鮮水河斷裂康定—道孚段庫侖應力增加, 這與本文給出的同震應力變化結果是一致的。另外, 王輝等(2012)基于地震活動性參數 b值的研究表明, 鮮水河斷裂帶道孚段處于低 b值區, 這種低值區反映斷裂段較高的應力水平。

需要指出的是, 本文利用王衛民等(2013)給出的同震靜態滑移量結果作為約束條件模擬蘆山地震的發震過程, 重點討論同震應力變化。庫侖應力的變化只是地震的一個觸發因素, 能否發生地震還取決于區域初始應力狀態及其變化, 但庫侖應力的變化對解釋震后趨勢判定仍有重要意義。

致謝: 在本文完成過程中, 中國科學院青藏高原研究所王衛民副研究員提供蘆山地震同震靜態滑動量結果, 作者與中國地震局地殼應力研究所陸遠忠研究員的有益討論, 圖件使用 GMT軟件包繪制(Wessel et al., 1995), 在此一并表示感謝。

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Impact of the Lushan Earthquake on the Surrounding Faults: Insights from Numerical Modeling

LI Yu-jiang1, 2), CHEN Lian-wang2), LIU Shao-feng1), YANG Shu-xin2), JING Yan2)
1) School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083; 2) Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085

The stress change of the surrounding faults induced by the Lushan earthquake deserves attention. In this paper, the authors developed a three-dimensional nonlinear finite element model to explore the co-seismic loading/unloading effect, based on the coseismic static slip data deduced from the field body waveform record inversion. The preliminary results showed that the Lushan earthquake caused the lading effects on the mid-south Longmen Shan, Minjiang, Barkam, northwestern Xianshuihe, south Daliangshan, and south Xiaojiang faults; the mid-south Longmen Shan fault, in particular, had the significant increase which reached 0.035 MPa; Minjiang fault reached 0.0075 MPa, Barkam fault reached 0.0031 MPa and northwestern Xianshuihe fault reached 0.0008 MPa. These results corresponded well with those deduced from the coseismic strain accumulation and release aspects, and can hence provide a basis for the seismic risk analysis in the future.

Lushan earthquake; Sichuan-Yunnan region; Coulomb failure stress; numerical simulation

P315.32; P315.2

A

10.3975/cagsb.2014.05.13

本文由中央公益性科研院所基本科研業務專項(編號: ZDJ2012-09; ZDJ2011-08)和國家科技支撐計劃項目(編號: 2012BAK19B03-6)聯合資助。

2013-10-27; 改回日期: 2014-03-13。責任編輯: 魏樂軍。

李玉江, 男, 1982年生。助理研究員。主要從事構造應力場、地震活動性方面的數值模擬研究。通訊地址: 100085, 北京市海淀區西三旗安寧莊路1號, 北京2855信箱。電話: 010-62842659。E-mail: toleeyj@gmail.com。