引用本文
徐晶, 季灵运, 姬存伟, 孙赫, 赵强. 川滇菱形块体东边界断裂带内库仑应力演化及危险性[J]. 地震地质, 2017,39(3): 451-470.
XU Jing, JI Ling-yun, JI Cun-wei, SUN He, ZHAO Qiang. COULOMB STRESS EVOLUTION AND SEISMIC HAZARD ALONG THE EASTERN BOUNDARY OF THE SICHUAN-YUNNAN BLOCK[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2017,39(3): 451-470.  
Doi:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.03.002
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川滇菱形块体东边界断裂带内库仑应力演化及危险性
徐晶1, 季灵运1,*, 姬存伟2, 孙赫1, 赵强1
1 中国地震局第二监测中心, 西安 710054
2 西安测绘总站, 西安 710054
*通讯作者: 季灵运, 高级工程师, E-mail: dinsar010@163.com。

〔作者简介〕 徐晶, 女, 1987年生, 2013年于中国地震局地震预测研究所获固体地球物理专业硕士学位, 工程师, 主要从事地震动力学与地震活动性等方面的研究, 电话: 029-85506515, E-mail: xjinggis@163.com。

收稿日期: 2016-04-27
基金项目: 国家自然科学基金(41604015)与中国地震局实验场项目(20150115)共同资助
摘要

采用分层黏弹模型, 考虑了川滇菱形块体东边界1480年以来34个强震和大地震的同震位错和震后黏滞松弛效应, 以及各断层段的震间长期构造加载作用, 计算了川滇菱形块体东边界18个断层段的断层面上的库仑应力变化随时间的演化。系统地研究了川滇菱形块体东边界鲜水河、 安宁河、 则木河、 小江断裂带间的相互作用, 分析断裂带各断层段之间、 各断裂带之间先发生的地震对后发生地震的促进或延迟作用, 进一步基于断层面上的库仑应力变化计算结果分析各断层段的强震危险性。应力触发的计算结果显示, 各断裂带各断层段上先发生的强震可能触发后发生的强震, 相邻断裂带上发生的强震之间也可能存在触发作用。各断层段上累积库仑应力变化随时间演化的计算结果显示, 鲜水河断裂带的中段及南部磨西段、 安宁河断裂带冕宁—西昌段、 小江断裂带北部巧家—东川段和南部建水段的库仑应力增加显著, 强震危险性值得关注。

关键词: 川滇菱形块体东边界; 震后黏滞松弛; 震间构造应力加载; 库仑应力变化; 强震危险性
中图分类号:P315.72 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)03-0451-20
COULOMB STRESS EVOLUTION AND SEISMIC HAZARD ALONG THE EASTERN BOUNDARY OF THE SICHUAN-YUNNAN BLOCK
XU Jing1, JI Ling-yun1, JI Cun-wei2, SUN He1, ZHAO Qiang1
1 Second Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi'an 710054, China
2 Xi'an Division of Surveying and Mapping, Xi'an 710054, China
Abstract

Using a more realistic model of multi-layered viscoelastic media, and considering the effects of the coseismic dislocation and the postseismic viscoelastic relaxation caused by the 34 great earthquakes occurring along the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block since 1480 and the interseismic stress accumulation caused by the tectonic loading generated by plate motions which were modeled by introducing “virtual negative displacements” along the major fault segment in the region under study, we calculated the evolution of the Coulomb stress change in each fault plane of 18 major fault segments along the eastern boundary caused by the coseismic, postseismic and interseismic effects. We studied the interactions of the Xianshuihe, Anninghe, Zemuhe and Xiaojiang fault zones on the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block. By evaluating if the previous earthquake could bring another earthquake closer to or farther from failure, we analyzed the interactions of the earthquakes which occurred in the different segments in the same fault zone, or in the different fault zones respectively. And further based on the calculation results of the Coulomb stress change on the fault planes, we analyzed the seismic hazard of each fault segment.
The results show that the previous earthquake may trigger another earthquake which can occur in the same fault zone or in the different fault zone. And the calculation results on the evolution of the cumulative Coulomb stress change in the each fault segment show that, the Coulomb stress increases significantly in the middle section and the Moxi segment of the Xianshuihe fault zone, the Mianning-Xichang segment of the Anninghe fault zone, the Qiaojia-dongchuan segment and the Jianshui segment of the Xiaojiang fault zone, and the seismic hazard in these fault segments is worthy paying attention to.

Keyword: the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block; postseismic viscoelastic relaxation; interseismic tectonic loading; the Coulomb failure stress change; seismic hazard
0 引言

印度板块和欧亚板块碰撞不仅造成了青藏高原的隆升, 还形成了青藏高原与相邻块体间的众多走滑断裂带, 如川滇菱形块体东边界。该边界包括鲜水河断裂带、 安宁河断裂带、 则木河断裂带、 小江断裂带(Molnar et al., 1975; Tapponnier et al., 2001; 许志琴等, 2006), 组成了长达1, 100余km的大型左旋走滑断裂系统(Wen et al., 2008), 并作为川滇菱形块体与巴颜喀拉块体和华南块体的分界带备受关注(张培震等, 2003)(图1)。川滇菱形块体东边界频繁而强烈的地震活动和相对完整的强震记录(Allen et al., 1991; Wen et al., 2008)为研究地震迁移和静应力触发提供了基础, 而其特殊的构造环境(徐锡伟等, 2003)和较高的滑动速率(Allen et al., 1991; King et al., 1997), 以及相对比较丰富的地质、 大地测量和地球物理等相关研究的积累, 使其成为中国大陆内部地区探讨大型断裂带强震危险性的热点地区之一。

图1 川滇菱形块体及其周边强震与断裂分布
红色空心圈表示川滇菱形块体东边界内部发生的强震, 黑色空心圈表示周边发生的7级以上大地震; 1 活动断裂(邓起东等, 2002), 2 块体边界(张培震等, 2003), 3 川滇菱形块体东边界断裂(Wen et al., 2008)Fig. 1 Tectonic blocks, active faults and historical earthquakes in the Sichuan-Yunnan block and its surrounding areas.

众多研究利用库仑应力动态演化分析断裂带上地震活动时空变化过程(Deng et al., 1997; Hubert-Ferrari et al., 2000), 进一步分析区域地震危险性(Stein et al., 1997; Nalbant et al., 1998; 邵志刚等, 2010; 单斌等, 2012)。静态库仑应力变化研究最早被应用在分析大地震对余震分布的影响中, 认为静态库仑应力改变量超过0.01MPa(0.1bar)可以影响余震的发生位置(King et al., 1994)。而强震或大地震引起的库仑应力变化不仅对余震, 更重要的是对周边断层上的强震发生起到触发作用, 使处于库仑应力增加区域的地震提前发生(King et al., 1994; Harris, 1998)。例如, 1976年唐山7.8级地震对15h后滦县7.1级地震的触发(Robinson et al., 2005), 2004年苏门答腊9级地震对2005年Nias 8.7级地震的触发作用(Pollitz et al., 2006), 1992年Landers地震的震后黏带效应对1999年Hector Mine地震的延迟触发作用(Freed et al., 2001), 2次强震时间间隔由十几小时到数月到数年。另外, 越来越多的学者开始通过计算断层面上的库仑应力变化来分析其与强震的关系, 以及判断断层未来的强震危险性。尤其引人关注的是, Stein等(1997)和Nalbant等(1998)在1999年Izmit M7.4地震发生前, 基于库仑应力增加现象指出了该区域危险性高; 孕震层内断层能量积累的主要来源是长时间震间的构造加载作用, Deng等(1997)以及Nalbant等(2002)基于负位错模型(Savage et al., 1973; Savage, 1983; Matsu'ura et al., 1986), 综合强震和构造应力加载分析区域地震活动; 从北美板块与哥伦比亚板块间的活动板块边界带多条断层250a期间库仑应力变化过程来看, 震间、 同震和震后3个阶段断层上的库仑应力变化对于库仑应力的积累均起到关键作用(Ali et al., 2008)。断层面上的库仑应力变化计算已成为研究断层上应力状态及区域危险性的重要手段之一, 被应用于危险断层段强震紧迫程度的判断当中。

前人曾在川滇地区开展了很好的工作, 模拟强震或大地震的发生对活动断裂的影响(陈连旺等, 2008; 邵志刚等, 2010)。而川滇菱形块体东边界的应力触发研究显示, 各断裂带各断层段上先发生的强震可能触发后发生的强震, 例如鲜水河断裂带上1893年以来发生的7次强震均受到其前面一系列强震的促进作用(张秋文等, 2003; Papadimitriou et al., 2004; 王辉等, 2008; 徐晶等, 2013), 小江断裂带北段的1733年 7 34级和中南段的1789年7级2次大地震均对该断裂带中段产生了十分显著的库仑应力触发作用, 促进了1833年8级大地震的发生(朱航等, 2012); 另外, 相邻断裂带上发生的强震之间也可能存在触发作用, 例如小江断裂带北段的1733年 7 34级和中段的1833年8级大地震破裂均引起则木河断裂带较显著的库仑应力正值变化, 触发了1850年则木河断裂带 7 12级大地震(朱航等, 2012)。前人针对川滇菱形块体东边界个别大地震进行了静态库仑应力触发研究, 但是缺乏对东边界断层间相互作用的整体认识; 而采用黏弹模型, 综合考虑地震周期中强震的同震位错、 震后黏滞松弛效应以及各断层段震间构造的加载效应, 研究断裂系统内各断层面上的库仑应力演化是分析断层段危险性的重要手段, 断层面上库仑应力变化随时间演化的计算工作虽在鲜水河断裂带上得以开展(徐晶等, 2013), 但仍需通过整个川滇菱形块体东边界各断层面上库仑应力变化的计算结果, 综合分析川滇菱形块体东边界各断层段的强震危险性。

本文采用分层黏弹模型, 系统地研究了川滇菱形块体东边界鲜水河、 安宁河、 则木河、 小江断裂带间的相互作用, 分析断裂带各断层段之间、 各断裂带之间先发生的地震对后发生的地震的促进或延迟作用; 考虑了川滇菱形块体东边界1480年以来34个强震和大地震的同震位错和震后黏滞松弛效应, 以及各断层段的震间长期构造加载作用, 计算了川滇菱形块体东边界18个断层段的断层面上的库仑应力变化随时间的演化, 进一步基于断层面上的库仑应力变化计算结果分析各断层段的强震危险性。

1 川滇菱形块体东边界地震地质

川滇菱形块体位于青藏高原东南缘, 受印度板块与欧亚板块碰撞、 印度板块N偏E向运移的影响, 青藏高原中部羌塘地块E向滑移, 并在与华南地块交接部位强烈受阻, 造成川滇菱形块体SE至SSE向平移和顺时针转动及其东边界高速的左旋走滑运动(徐锡伟等, 2003)(图1)。川滇菱形块体东边界主要由北段的NW向鲜水河断裂带、 中段的近SN向安宁河断裂带和NW向的则木河断裂带、 南段近SN向的小江断裂带组成(李玶, 1993; Wen et al., 2008)。相对较高的左旋滑动速率(Allen et al., 1991; King et al., 1997; Papadimitriou et al., 2004)引起了川滇菱形块体东边界频繁而强烈的地震活动, 1327年以来发生了包括4次8级左右地震在内的至少16次7级以上地震(Wen et al., 2008)(图2)。

图2 川滇菱形块体东边界断层分段方案及历史地震分布(Papadimitriou et al., 2004; Wen et al., 2008; 闻学泽等, 2011)Fig. 2 Segmentation of faults and distribution of historical earthquakes of the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block(after Papadimitriou et al., 2004; Wen et al., 2008; WEN Xue-ze et al., 2011).

其中, 鲜水河断裂带历史强震多发, 相关研究表明自1700年以来曾发生过10余次M≥ 6 34地震, 且已有近20次具有明显地表破裂的M> 6地震(Allen et al., 1991; Wen et al., 2008)。断裂带上自西向东分布多处大尺度几何障碍体(闻学泽, 2000)。整体来讲, 左旋走滑速率由NW段的13mm/a 减小到SE段的10mm/a 左右(表2; Papadimitriou et al., 2004; Wen et al., 2008)。鲜水河断裂带强震平均复发周期为200a左右, NW段复发周期较短(< 200a), 而SE段复发周期相对较长(Kato et al., 2007), 尤其是滑动速率较低的雅拉河段和折多塘段复发周期最长。

安宁河断裂带的石棉— 冕宁段平均左旋走滑速率大概为5mm/a, 1480年发生1次7.5级大地震(闻学泽, 2000; 闻学泽等, 2008); 冕宁— 西昌段历史上发生了3次强震或大地震活动, 分别为1489年 6 34级、 1536年7.5级和1952年 6 34级地震, 滑动速率约为6.5mm/a(徐锡伟等, 2003)。安宁河断裂带上2个断层段7级以上大地震的离逝时间已分别达到537a和481a, 地震空区引起地震学家们的广泛关注, 且中小地震活动图像也反映安宁河地震空区可能正趋于 “ 成熟” , 很可能存在发生大地震的中-长期危险(闻学泽等, 2008); 与安宁河断裂带相连的则木河断裂带历史上发生了1732年 6 34级和1850年7.5级地震, 平均左旋走滑速率为6.5mm/a(徐锡伟等, 2003)。

近SN向的小江断裂带在巧家附近与NNW向则木河断裂带和近SN向大凉山断裂带相连, 从东川向南分成东、 西2个主要分支。该断裂带的华宁以北部分具有很高的滑动速率, 使得小江断裂带成为云南地区最强烈的地震发生带, 最近500多年来已发生M≥ 6地震16次, M≥ 7地震4次, 其中M8地震1次(闻学泽等, 2011), 这些地震的破裂已完全覆盖了整个小江断裂带。

2 计算方法和模型建立
2.1 库仑破裂应力变化

强震及构造作用引起的断层面上的库仑破裂应力变化可能影响后续地震的时空分布, 即库仑破裂应力的增加可能促进后续地震的发生, 而减少可能延缓后续地震的发生。按照库仑破裂假设(Jaeger et al., 1969), 库仑破裂应力 σf(CFS)可定义为

σf=τ-S-μσn+pr1

式(1)中, τ表示地震破裂面上的剪切应力大小, σn表示地震破裂面上正应力的大小(拉张为正), pr为流体压力, S为材料的内聚应力, μ为材料内摩擦系数。通过一系列假设、 简化, 得到研究中常用的库仑应力变化的近似表达形式:

Δσf=Δτ+μ'Δσn2

式(2)中, Δτ为正时表示沿断层的破裂方向, Δσn为正时表示张应力增加。有效摩擦系数 μ'=μ(1+β'), 本文采用应力触发研究中的常用取值0.4。

地震过程中的同震、 震后、 震间各阶段均可引起断层上的应力应变调整(Scholz, 1998)。断层面上的同震库仑应力变化可以基于库仑破裂准则, 采用弹性位错模型, 如Okada(1985, 1992)的均匀各向同性弹性模型计算给出。考虑到热的下地壳和上地幔具有流变性, 不仅存在同震变化, 而且产生黏弹性流动, 和同震效应一起影响断层的应力状态。本文采用能更好模拟震后短期和长期观测的Burgers体模型(邵志刚等, 2007, 2010)来模拟震后的黏滞松弛效应, 计算各断层面上的震后库仑应力变化。根据Scholz(1998)给出的地震周期, 应力应变积累来源于2种途径, 分别为块体运动导致的构造应力加载和强震引起的应力应变调整, 强震的影响过程较短, 而震间构造应力加载作用在更长时间尺度影响着断层上的应力状态, 对强震孕育有重要作用。因此, 本文基于负位错理论, 对于走滑型断层的情况, 认为接近块体边界处的深部变形可简化为无应变积累的刚性块体运动和闭锁层的反方向均匀位错的联合效应(Matsu'ura et al., 1986), 假设孕震层完全闭锁, “ 负位错” 即可用断层段长期滑动速率和构造作用的时间来表示, 并采用计算同震库仑应力变化的方法计算震间应力积累。本文同时考虑川滇菱形块体东边界上强震或大地震的同震位错及震后黏滞松弛效应, 以及川滇菱形块体各断层段的震间长期构造加载效应, 采用Wang等(2006)给出的PSGRN/PSCMP程序, 以及分层黏弹介质模型计算10km深度的库仑应力变化, 最终给出各断层段断层面上3方面效应的累积库仑应力变化随时间的演化结果。

2.2 计算模型

库仑应力变化计算时, 需要知道源发地震的断层几何参数和滑动矢量, 以及所关注的接收断层的几何参数。本文旨于分析川滇菱形块体东边界各断层段断层面上的库仑应力变化随时间的演化, 需确定川滇菱形块体东边界的主断层段划分方案及各断层段参数设置, 作为库仑应力演化模型的接收断层以及计算震间长期构造加载作用的参数; 同时, 需给出川滇菱形块体东边界各次强震和大地震的震源机制和滑动量等发震断层参数, 作为同震和震后库仑应力变化计算的源断层输入。另外, 与前人的研究相比(沈正康等, 2003, 2004; 万永革等, 2007, 2008), 本文采用Burgers体来模拟下地壳、 上地幔的黏弹性, 由此模型表示的黏弹效应是瞬时弹性同震响应、 呈指数衰减的短期响应和线性增加的长期稳态响应3方面效应的叠加, 能更合理地模拟震后形变观测(Pollitz et al., 2001; 邵志刚等, 2007, 2010)。分层黏弹的介质模型及参数设定参考了作者在分析鲜水河断裂带库仑应力变化时所用的介质模型(表1)(徐晶等, 2013)。

表1 演化计算中介质模型及其参数设置(沈正康等, 2003; 王椿镛等, 2003; 邵志刚等, 2008; 徐晶等, 2013) Table1 Parameters of the medium in modeling of the evolution computation(after SHEN Zheng-kang et al., 2003; WANG Chun-yong et al., 2003; SHAO Zhi-gang et al., 2008; XU Jing et al., 2013)

2.2.1 断层模型

在本文的演化模型中包括川滇菱形块体东边界18个主断层段(表2, 图2)。根据历史地震、 断层几何结构和活动习性、 地球物理以及地壳变形等资料(Papadimitriou et al., 2004), 给出鲜水河断裂带、 安宁河断裂带和则木河断裂带的分段方案和模型中各断层段的参数设置。鲜水河断裂带自西向东依次为侏倭段(S1)、 炉霍段(S2)、 恰叫段(S3)、 道孚段(S4)、 八美段(S5)、 雅拉河段(S6)、 色拉哈段(S7)、 康定段(S8)、 折多塘段(S9)、 磨西段(S10)。安宁河断裂带包括石棉— 冕宁段(S11)和冕宁— 西昌段(S12), 向南与则木河断裂带则木河段(S13)相接。参考断裂带几何结构、 历史强震和大地震破裂的时空分布、 现今小震分布等资料给出小江断裂带的分段方案和模型中各断层段的参数设置(闻学泽等, 2011), 小江断裂带自北向南分为巧家— 东川段(S14)、 嵩明— 宜良段(S15)、 江川— 通海段(S16)、 华宁— 弥勒段(S17)、 建水段(S18)共5个断层段。各断层段几何参数、 滑动速率等参数列于表2。

表2 川滇菱形块体东边界分段方案及模型中的各断层段参数设置 Table2 Parameters setting of major fault segments of the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block

2.2.2 同震位错模型

演化模型包括川滇菱形块体东边界的34个强震和大地震的同震和震后效应, 参考川滇地区相关强震研究确定模型计算中所包括的地震(Wen et al., 2008), 及各地震震源机制和滑动量等参数(Papadimitriou et al., 2004; Wen et al., 2008; Leonard, 2010; 朱航等, 2012), 参见图3、 表3。其中, 包括鲜水河断裂带1700年以来的16次 6 34级以上的强震和大地震, 安宁河断裂带1480年以来的4次 6 34级以上强震和大地震, 则木河断裂带1700年以来的2次 6 34级以上强震和大地震, 小江断裂带巧家— 东川段(S14)、 嵩明— 宜良段(S15)、 江川— 通海段(S16)、 华宁— 弥勒段(S17)1700年以来的11次 6 14级以上强震和大地震, 以及小江断裂带建水段(S18)1606年 6 34级强震。

表3 川滇菱形块体东边界各断裂带强震破裂模型 Table3 Source parameters of the great earthquakes in the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block

图3 库仑应力演化计算中引起库仑应力变化的强震的震源机制(Papadimitriou et al., 2004; 朱航等, 2012)Fig. 3 Focal mechanisms of the strong earthquakes in stress evolution calculation (after Papadimitriou et al., 2004; ZHU Hang et al., 2012).

3 计算结果
3.1 断裂带间的相互作用

计算了川滇菱形块体东边界各断裂带上先发生的强震或大地震引起的后发生的强震或大地震破裂中心处的库仑应力变化, 以分析各断裂带间的相互作用。结果显示, 川滇菱形块体各断裂带内部不同断层段的强震或大地震可能存在触发关系。例如, 鲜水河断裂带磨西段1786年 7 34级地震的同震和震后黏滞松弛效应共同引起了鲜水河断裂带1793年八美段强震破裂中心的库仑应力增加0.03MPa(触发阈值0.01MPa), 而作者在先前针对鲜水河断裂带的研究中发现, 鲜水河断裂带上1893年以来发生的7次强震均受到其前面一系列强震的促进作用(徐晶等, 2013); 安宁河断裂带1480年石棉— 冕宁7.5级地震分别引起了安宁河断裂带冕宁— 西昌1489年 6 34级和1536年7.5级地震的破裂中心的库仑应力增加0.02MPa和0.08MPa; 小江断裂带1733年巧家— 东川 7 34级地震引起的1750年嵩明— 宜良 6 14级、 1763年江川— 华宁6.5级、 1789年江川— 华宁7级、 1833年嵩明— 宜良8级、 1909年江川— 华宁6.5级地震破裂中心处的库仑应力增加量均超过了触发阈值0.01MPa, 小江断裂带1789年江川— 华宁7级地震引起的1833年嵩明— 宜良8级、 1966年巧家— 东川6.5级地震破裂中心处的库仑应力增加量均超过0.01MPa, 而1833年嵩明— 宜良8级地震则引起了1966年巧家— 东川6.5级地震破裂中心处库仑应力增加高达0.82MPa。同时, 相邻断裂带上的强震间也可能存在触发关系。例如, 鲜水河断裂带1786年磨西 7 34级地震引起了安宁河断裂带1952年冕宁— 西昌 6 34级地震破裂中心的库仑应力增加0.02MPa; 安宁河断裂带1480年石棉— 冕宁7.5级地震分别引起了鲜水河断裂带1725年康定7级和1786年磨西 7 34级地震的破裂中心的库仑应力增加0.03MPa和0.07MPa, 同时分别引起了则木河断裂带1732年 6 34级和1850年7.5级地震的破裂中心的库仑应力增加0.03MPa和0.02MPa; 则木河断裂带1850年7.5级地震引起了安宁河断裂带1952年冕宁— 西昌 6 34级地震破裂中心的库仑应力增加高达0.14MPa, 同时引起了小江断裂带1966年巧家— 东川6.5级地震破裂中心处库仑应力增加0.05MPa; 而小江断裂带1733年巧家— 东川 7 34级和1833年嵩明— 宜良8级大地震则分别引起了则木河断裂带1850年7.5级地震的破裂中心的库仑应力增加0.08MPa和0.03MPa。

3.2 各断层段库仑应力变化随时间的演化

首先考虑川滇菱形块体东边界34个强震和大地震的同震位错和震后黏滞松弛效应, 给出了18个断层段史料记载以来至2020年的库仑应力变化随时间的演化(图4a, 5a)。进一步综合考虑强震和大地震的影响以及18个断层段的长期构造加载的影响, 给出了同震、 震后、 震间3方面效应引起的18个断层段史料记载以来至2020年的累积库仑应力变化随时间的演化(图4b, 5b)。

图4 截至2020年, 川滇菱形块体东边界鲜水河断裂带各断层段的库仑应力变化随时间的演化
a 强震的同震位错和震后黏滞松弛效应引起的库仑应力变化随时间的演化, b 强震的同震位错、 震后黏滞松弛效应以及震间长期构造加载效应引起的累积库仑应力变化随时间的演化; 黑色实线及其标注表示强震或大地震发生的位置及时间Fig. 4 Evolution of Coulomb stress changes along the strike direction of the Xianshuihe fault zone on the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block by the end of 2020.

由强震和大地震同震和震后效应引起的库仑应力演化结果显示(图4a, 5a), 整体上看, 强震和大地震的同震滑动使其破裂段的库仑应力显著降低, 而引起破裂段两侧段的库仑应力增加, 从而触发后续地震, 例如, 鲜水河断裂带1747年恰叫 6 34地震的同震引起了1792年道孚 6 34级地震破裂段的库仑应力升高, 触发了1792年道孚地震; 1725年康定7级地震的同震造成了1786年磨西 7 34级地震的破裂面的库仑应力增加; 则木河断裂带1732年 6 34级地震和小江断裂带1733年 7 34地震引起了它们之间的则木河断裂带南部的库仑应力显著增加, 促进了1850年则木河7.5级大地震的发生。另外, 震后黏滞松弛效应对某些断层段起加载作用, 例如各地震的震后效应造成1893年八美7级地震破裂段的库仑应力升高, 随后发生了1893年八美地震, 八美段被卸载; 震后效应同样造成了1981年道孚6.9级地震破裂段的库仑应力逐渐升高, 抵消了1904年道孚7级地震的同震滑动的影响, 该段库仑应力转为正值, 最终触发了1981年道孚地震; 先前发生地震的同震和震后累积效应分别引起了安宁河断裂带1952年冕宁— 西昌段 6 34级地震、 小江断裂带1833年嵩明— 宜良段8级大地震破裂段的库仑应力逐渐增加, 对地震的发生起到一定的促进作用。

虽然多数地震发生前, 受先前强震或大地震同震和震后效应的影响, 其破裂段库仑应力变化有所增加, 对地震发生起到了一定的促进作用。但是对于有多个地震重复破裂的段, 如鲜水河断裂带NW段和小江断裂带中段, 多数时间处于同震效应造成的应力影区中(图4a, 5a)。而进一步考虑到震间长期构造加载效应后, 由强震和大地震同震、 震后以及各主断层段震间效应引起的库仑应力演化结果显示(图4b, 5b), 绝大多数地震均在3方面效应引起的累积库仑应力变化显著增加的时间段和断层段发生。例如, 仅考虑强震和大地震的影响, 鲜水河断裂带1816年炉霍7.5级地震和1923年炉霍— 恰叫7.3级地震(图4a)、 小江断裂带1789年江川-华宁7级地震、 1909年江川-华宁6.5级地震、 1966年巧家-东川6.5级地震(图5a)均发生在应力影区, 然而考虑了长期的构造加载效应后, 这几次地震发生之前, 其破裂段的累积库仑应力均显著增加(图4b, 5b); 而且考虑了3方面效应后, 1833年嵩明— 宜良8级、 1850年则木河7.5级等大地震的破裂段的库仑应力增加量远比仅考虑强震效应时更为显著。

图5 截至2020年, 川滇菱形块体东边界安宁河、 则木河、 小江断裂带各断层段的库仑应力变化随时间的演化
a 强震的同震位错和震后黏滞松弛效应引起的库仑应力变化随时间的演化, b 强震的同震位错、 震后黏滞松弛效应以及震间长期构造加载效应引起的累积库仑应力变化随时间的演化; 黑色实线及其标注表示强震或大地震发生的位置及时间Fig. 5 Evolution of Coulomb stress changes along the strike direction of the Anninghe, Zemuhe, and Xiaojiang fault zones on the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block by the end of 2020.

总体上看, 截至2020年, 川滇菱形块体东边界各断层段上3方面效应的累积库仑应力增加显著的段有: 鲜水河断裂带的恰叫段(S3)、 道孚段(S4)、 八美段(S5)、 雅拉河段(S6)、 色拉哈段(S7)和磨西段(S10), 安宁河断裂带冕宁— 西昌段(S12), 小江断裂带巧家— 东川段(S14)和建水段(S18)。另外, 则木河段(S13)和小江断裂带的嵩明— 宜良段(S15)的应力状态在1850年则木河7.5级、 1833年嵩明-宜良8级大地震后渐渐有所恢复。其中, 主断层段的长期构造加载效应是断层段上库仑应力变化的主要方面, 强震和大地震的同震位错和震后黏滞松弛效应也对断层段产生重要影响。构造加载速度受长期滑动速率的影响, 滑动速率较高断层段的震间库仑应力积累速率和程度要大于其他断层段, 而通常这些断层段也是强震或大地震发生频率较高的段, 例如鲜水河断裂带恰叫段(S3)、 道孚段(S4), 小江断裂带嵩明— 宜良段(S15)等。然而恰叫段(S3)和道孚段(S4)最近1次强震的离逝时间较短, 尽管累积库仑应力变化较大, 但可能强震紧迫性不高。另外, 3方面效应引起的累积库仑应力演化的结果显示, 似乎震级较小的地震对断层段的卸载作用并不十分明显, 例如安宁河断裂带1952年冕宁-西昌 6 34级地震和小江断裂带1966年巧家-东川6.5级地震对其所在断裂的影响不显著, 因此截至2020年, 安宁河断裂带冕宁— 西昌段和小江断裂带巧家— 东川段的库仑应力积累比较显著, 尽管近几十年内发生了6.5级以上地震, 但危险性仍然不能忽视。综合考虑累积库仑应力变化和历史地震情况, 认为鲜水河断裂带的八美段(S5)、 雅拉河段(S6)、 色拉哈段(S7)、 磨西段(S10), 安宁河断裂带冕宁— 西昌段(S12), 小江断裂带巧家— 东川段(S14)和建水段(S18)的强震危险性值得关注。

4 讨论

前人曾从复发间隔和破裂空段、 中小地震活动参数和图像、 断层闭锁等多个角度对川滇块体东边界的强震或大地震危险性做过分析。Wen等(2008)结合历史地震和现代地震数据以及地质调查建立了川滇块体东边界较为完整的大地震破裂历史, 通过分析各断层段的平均复发间隔和距离上一次大地震的离逝时间划分了4个地震空区, 分别为鲜水河断裂带中段的八美— 色拉哈一带(地震空区1)、 安宁河断裂带的石棉— 冕宁— 西昌一带(地震空区2)、 小江断裂带北段的巧家— 东川段(地震空区3)和最南端的建水段(地震空区4)。闻学泽等(2008)进一步通过综合分析区域地震活动图像随时间的演变、 沿断裂的历史强震背景以及精定位的小震时-空分布特征, 结合已有的地震活动性参数和形变测量分析结果, 认为安宁河地震空区的第1类地震空区背景与第2类空区的图像、 以及现代小震的深度分布特征等反映了该空区可能正趋于 “ 成熟” , 因而其强震或大地震的中-长期潜势值得重视。易桂喜等(2008)利用中国地震台网及四川区域地震台网1976— 2006年所记录的地震目录、 通过精细b值计算, 给出了川滇菱形块体东边界的应力空间分布, 结果显示, 小江断裂带主干断裂上的嵩明凹凸体及存在于主干断裂附近巧家与东川间以及嵩明NW的2个凹凸体、 存在于安宁河断裂冕宁附近和则木河断裂西昌附近的凹凸体以及位于鲜水河断裂带中南段道孚— 乾宁间大尺度的凹凸体将是川滇活动地块东边界未来强震或大地震的震源区。赵静等(2015)利用1999— 2007年和2009— 2013年中国大陆GPS速度场数据, 采用DEFNODE负位错反演程序估算了川滇菱形块体东边界在汶川地震前后的断层闭锁程度和滑动亏损空间分布特征, 给出了鲜水河断裂中南段、 安宁河断裂中段、 则木河断裂中北段、 小江断裂北段东川附近、 小江断裂南段等位置闭锁较强, 具有发生较大地震的危险。从地质尺度的断层地震空区(Wen et al., 2008)、 30a尺度的b值空间分布(易桂喜等, 2008)、 10a尺度的GPS速度场反演所得断层闭锁程度(赵静等, 2015)和断裂带上库仑应力演化结果存在着一定的可比性(图6)。

图6 川滇菱形块体东边界危险性分析相关研究结果对比示意图Fig. 6 The sketch map for the related research results about the seismic risk along the eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block.

截至2020年, 累积库仑应力显著增加的鲜水河断裂带中段和地震空区1、 道孚— 乾宁段低b值区、 强闭锁段相对应; 累积库仑应力变化较高的安宁河断裂带冕宁— 西昌段和地震空区2、 冕宁附近的低b值区、 安宁河断裂带中段的闭锁区有一定的对应; 累积库仑应力变化相对较高的小江断裂带北部巧家— 东川段与地震空区3、 巧家和东川之间的低b值区、 小江断裂带北段东川附近的闭锁区相对应; 而小江断裂带最南端的建水段则与地震空区4、 小江断裂带南段华宁— 建水一带的闭锁区相对应(图6)。此外, 累积库仑应力变化较高的鲜水河断裂带南段的磨西段仅与鲜水河断裂带南端的闭锁区相对应(图6), 累积库仑应力变化显著升高的原因可能是由于上一次大地震发生在1786年, 离逝时间较长, 受长期构造加载作用的影响该断层段积累了较高的库仑应力。

本文在计算过程中仍存在一些问题。前人研究认为, 静态库仑应力变化超过0.01MPa可能影响后续地震的时空分布, 然而单纯依靠触发阈值判断地震间的触发关系存在一定的问题, 首先库仑应力的增加并不代表一定触发地震, 其次是否存在低于触发阈值而触发地震的情况仍需后续震例的研究支持。强震位错模型、 分层介质模型、 断层分段等各参数设置是引起计算结果不确定性的因素。而本文尝试分析整个地震周期由应力应变积累到释放过程中的库仑应力变化, 使演化模型更为合理; 但是由于史料记载的限制, 受到历史地震参数、 强震完整性等因素的影响, 同时也增加了计算的不确定性。本文主要考虑川滇菱形块体东边界内部发生的强震和大地震对其自身的影响, 而周边断裂带上发生的强震和大地震也可能影响川滇菱形块体东边界的库仑应力变化, 尽管这种影响可能不如其内部发生的强震显著, 这部分内容可作为本研究的补充并在作者的其他文章中有所涉及(徐晶等, 2014)。此外, 在计算川滇菱形块体东边界各段的震间构造加载引起的库仑应力变化时, 各主断层段的设置较为重要, 参考已有研究结果给出的各断层段位置并不平滑, 因此计算结果在各断层段两端可能存在一定的端部效应, 而基于不同的断层分段模型研究川滇菱形块体东边界的库仑应力演化可以作为本研究的补充。另外, 本文在演化计算时, 假设川滇菱形块体东边界自最近1次强震起至2020年没有强震或大地震发生, 而随着时间的推移, 川滇菱形块体东边界可能还会有强震或大地震发生, 这些未来地震可能会影响累积库仑应力演化的结果, 需对各断裂带的危险性进行跟踪研究。

5 结论

本文考虑了川滇菱形块体东边界1480年以来34个强震和大地震的同震位错和震后黏滞松弛效应, 系统地研究了川滇菱形块体东边界鲜水河、 安宁河、 则木河、 小江断裂带先发生的强震对后发生的强震的可能作用; 进一步考虑了各断层段的震间长期构造加载作用, 计算了川滇菱形块体东边界18个断层段的断层面上的累积库仑应力变化随时间的演化。进一步基于断层面上的库仑应力变化计算结果分析各断层段的强震危险性。各断裂带各断层段上先发生的强震可能触发后发生的强震, 例如小江断裂带北段的1733年 7$\frac{3}{4}$级和中-南段的1789年2次7级大地震均使该断裂带中段库仑应力显著增加, 促进了1833年8级大地震的发生; 另外, 相邻断裂带上发生的强震之间也可能存在触发作用, 例如小江断裂带北段的1733年 7$\frac{3}{4}$级和中段的1833年8级大地震破裂均引起了则木河断裂带较显著的库仑应力正值变化, 触发了1850年则木河断裂带 7$\frac{1}{2}$级大地震。最终川滇菱形块体东边界各断层段上累积库仑应力变化随时间演化的计算结果显示, 鲜水河断裂带的中段及南部磨西段、 安宁河断裂带冕宁— 西昌段、 小江断裂带北部巧家— 东川段和南部建水段的库仑应力增加显著, 强震危险性值得关注。

The authors have declared that no competing interests exist.

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