根据中国地震台网中心(http://www.ceic.ac.cn/)测定, 2015年7月3日当地时间9时7分, 新疆维吾尔自治区和田地区皮山县(37.6° N, 78.2° E)发生M_W6.4地震。震中距皮山县城以西约7km。

该地震发生在距印度板块和欧亚板块碰撞带数百km的青藏高原北缘, 位于EW向的西昆仑山前断裂附近, 属于青藏断块区西北角的西昆仑Ⅱ 级断块, 地质构造较为复杂。 西昆仑断块位于喜马拉雅西构造结以东, 发育NW向右旋走滑断裂, 向北在兴都库什地区转为近EW向逆断裂, 它们反映了喜马拉雅西构造结和兴都库什地区印度板块向N的强烈挤压作用(邓起东等, 2002)。青藏高原北部地震发生处既有走滑又有逆冲, 逆冲型地震的发生造成青藏高原北部较大的地形差距, 而此次皮山地震就是逆冲型地震, 因此研究该地震对进一步理解青藏高原内部的地震危险性有重要意义。

前人大量的研究表明, 通过计算地震引起的库仑应力变化可以发现, 地震之间存在相互作用, 这对后续地震发生的地点和时间都有一定影响(Harris, 1998; Stein, 1999; Freed, 2005)。Stein等(1983)对1979年发生的Homestead Valley地震序列进行了分析, 研究后发现余震丛集基本上都发生在应力增加区。万永革等(2000)研究发现, 中国大陆4个大地震中第1次子破裂事件所产生的静态库仑应力变化均对后续的子破裂事件有触发作用。沈正康等(2003a)采用更加接近真实岩石圈状况的黏弹性成层介质模型, 研究发现东昆仑断裂带上之前发生的地震对其后续地震和余震有触发关系。Robinson等(2005)的研究发现, 如果已知周围的断层滑动习性, 就可以对大的余震的发生地点进行预测。McCloskey等(2005)研究了2004年苏门答腊地震周围断层的库仑应力变化, 发现Nias-Simeulue断层上的库仑应力显著增加, 随后便有1个8.7级大地震发生在该断层上。汶川地震发生后, Parsons等(2008)、 万永革等(2009, 2010)分别给出了2008年汶川M_W7.9地震和于田7.3级地震在周围断层的不同断层段上产生的库仑应力变化, 并指出部分断层上大震的发震被提前或滞后, 2013年4月20日发生在汶川地震南部的芦山7.0级地震和2014年2月12日发生在2008年于田地震震中东北部的7.3级地震就验证了他们的研究成果。在2015年尼泊尔地震后, 盛书中等(2015)计算了尼泊尔地震对中国大陆地区的静态应力触发情况, 发现尼泊尔地震对中国大陆产生的应力变化量值很小, 其产生的应力加载主要集中在其邻近的西藏和新疆地区的部分断层上。万永革等(2015)基于破裂模型及均匀弹性半空间模型, 分别计算了尼泊尔强震序列在中国大陆及其附近主要断层上产生的库仑应力变化和水平应力变化。

本文首先利用根据皮山地震周围的断层几何形状和滑动习性, 使用张勇给出的破裂模型参数, 采用Okada给出的适用于各种类型断层的解析表达式, 计算地震在周围断层面上产生的库仑破裂应力变化。其次, 使用Wells等(1994)给出的主震破裂模型计算了主震在其附近区域产生的库仑应力分布, 并对主震后的487个余震精定位结果进行统计分析主震对余震的应力触发。最后, 计算主震产生的水平应力对周围地区的影响。本文综合上述分析皮山地震的静态应力对周围断层和地区产生的影响。

地震是由地下岩石错动造成地球表层的快速运动而产生的自然现象, 地壳快速释放能量, 地震后主要的物理过程都在释放弹性能, 可以把地球中各种固态、 液态等介质一阶近似为半无限空间内均匀各向同性完全弹性体。如果已知断层面的几何参数和错动量, 则可严格地算出弹性体内部产生的位移场和应变场(Chinnery, 1963; 陈运泰等, 1975; Okada, 1992)。本文根据邓起东等(2002)得到的皮山地震周围的断层几何形状和滑动习性, 使用张勇等给出的破裂模型参数(http://www.cea.gov.cn/publish/dizhenj/468/553/101527/101538/-20150703180157000345450/index.html), 采用Okada(1992)给出的适用于各种类型断层的解析表达式, 计算地震在断层面上和对周围地区产生的库仑破裂应力变化。以此来研究该次地震的发生对周围地震活动性和危险性的影响。

考虑到活动断层面上的库仑应力变化受到剪应力、 正应力和摩擦系数的影响, 库仑应力变化( Δσf)可表示为

Δσf=Δτ+μ'Δσ1

式(1)中, Δτ为断层面滑动方向上的剪切应力变化(当 Δτ和接收断层的滑动方向一致时为正); Δσ为断层面上的正应力变化(拉伸为正); μ'为视摩擦系数。 由于地下介质可能会包含孔隙流体, 那么, 如果考虑孔隙流体和断层面上的介质特性, 视摩擦系数 μ'通常会取0.2~0.8(Stein, 1999; Cotton et al., 1997), 本研究依据前人的经验(King et al., 1994; Wan et al., 2003, 2004)取 μ'=0.4。

如果计算得到该处库仑破裂应力变化为正值(负值), 则表明该处受之前地震的影响。 发生地震的时间将提前(或推迟), 并且大量的研究(Harris, 1998, 2000; Freed, 2005)认为, 当应力变化达到0.01MPa时就能有效地影响后续地震的发生, 为应力触发的阈值。

邓起东等(2002)整理了中国大陆主要活动断裂数据, 分析后得到了中国大陆活动构造的基本特征。沈正康等(2003b)指出由这些活断层数据可以解释中国大陆形变数据, 这就进一步验证了这些活断层数据集的可靠性。我们从中挑选了皮山地震周围的活动断层数据, 利用这些数据来研究皮山地震在这些活动断层上产生的库仑应力变化(图1)。

图1

Fig. 1

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	图1 2015年皮山地震深度10km处在周围主要活动断裂上产生的库仑破裂应力变化 断层所在位置填充的颜色表示投影在相应地震破裂面上的库仑应力变化, 其中蓝色表示库仑应力下降的绝对值的对数的负值, 红色表示库仑应力的增加值的对数; 断层特性用蓝色箭头表示, 其中指向断层的箭头表示为逆冲断层, 远离断层的箭头表示拉张断层, 与断层平行的箭头表示走滑断层上盘的运动方向; 断层在地表的出露迹线用黑粗线表示; 应力变化的单位为PaFig. 1 The Coulomb stress changes projected on the fault planes and slip directions of the surrounding active faults by the 2015 Pishan earthquake at the depth of 10km.

由图1可见: 皮山地震主要使西昆仑山前逆冲断裂西段和康西瓦断裂西段的库仑破裂应力有较大降低, 西昆仑山前逆冲断裂东段和康西瓦断裂中段的库仑破裂应力有所增加。

该地震导致西昆仑山前断裂西段、 康西瓦断裂西段西部、 米牙断裂南段、 柯坪断裂、 迈丹断裂带、 喀喇昆仑断裂北段南部、 喀喇昆仑断裂南段、 喜马拉雅断裂北段等活动断层的库仑破裂应力降低。其中, 西昆仑山前断裂西段库仑应力降低达9.5× 10³Pa(平均6.6× 10³Pa)、 康西瓦断裂西段西部达202Pa(平均133Pa)、 米牙断裂南段达180Pa(平均103Pa)。

该地震导致西昆仑山前断裂东段、 康西瓦断裂中段、 米牙断裂北段、 卡兹克阿尔特断裂南段、 普鲁断裂西段、 喀喇昆仑断裂北段北部、 龙木错-邦达错断裂西段、 贡嘎错断裂西南段等断层的库仑破裂应力增加。其中, 西昆仑山前断裂东段库仑应力增加达471Pa(平均320Pa)、 康西瓦断裂中段达562Pa(平均414Pa)、 喀喇昆仑断裂北段北部达128Pa(平均95Pa)。

西昆仑山前断裂在青藏高原和塔里木盆地的边界上, 初始滑移于25~20Ma, BP(Gao et al., 2000; Kao et al., 2001; Wittlinger et al., 2004), 地质和地貌测绘描述没有相互抵消的地貌特征(潘家伟等, 2007), 而且该断层在1853-2014年间也没有特别大的地震发生, 皮山地震的发生表明该处断裂的活动性可能在增强(Li et al., 2016)。

康西瓦断裂在阿尔金断裂的最西端, 是左旋走滑断层。 通过地貌位移数据、 GPS和INSAR数据得到, 该地区地震发生很频繁, 滑移率为5~22mm/a, 这就显示出该断裂有很强的活动性(Peltzer et al., 1989; Shen et al., 2001; Wright et al., 2004; Loveless et al., 2011; Li et al., 2012)。通过对皮山地震造成的库仑应力变化的计算得到, 西昆仑山前断裂东段和康西瓦断裂中段库仑应力增加的值虽然没有达到0.01MPa的阈值, 但按照Ziv等(2000)的研究, 小的变化也会对该地区的地震活动性产生一定的影响。尤其是康西瓦断裂的活动性一直很强。因此应该注意西昆仑山前断裂西段和康西瓦断裂西段西部断层的危险性。

本研究所用487个余震(Li et al., 2016)的时间范围为主震后至2015年7月7日。中国地震台网给出皮山地震的深度为10km, 而所用余震的平均深度为14.9km, 因此, 本文分别计算了主震在10km和14.9km的深度上, 主震破裂分布在震源区附近产生的静态库仑应力变化, 通过对不同深度上静态库仑应力变化的分析可知, 结果并无明显的区别。所以本文中只附上了深度在10km处的静态库仑应力变化图。

由于印度板块和欧亚板块的碰撞, 在晚新生代期间形成了西昆仑山脉, 该山脉沿塔里木盆地和青藏高原西北部之间的边界延伸(Sobel et al., 1997; Yin et al., 2002; Jiang et al., 2014)。西昆仑山脉北面是西昆仑山前断裂, 南面是康西瓦断裂(Lu et al., 2016), 有研究表明(Li et al., 2016), 皮山地震发生在西昆仑山前断裂的和田隐伏断层上, 和田隐伏断层(许志琴等, 2011)从普沙附近开始向E延伸, 到于田县城以东长为320km, 由呈雁行状排列的4-5条断裂组成(葛鸣等, 2014)。该断层的深度在7~15km之间(Lu et al., 2016), 皮山地震的深度(10km)也在此范围内。有研究(Lu et al., 2016)表明, 皮山地震所在隐伏断层的倾角为20° , 这与GCMT给出的皮山地震的节面Ⅰ 的倾角22° 很相近, 所以我们以GCMT目录中给出的主震震源机制(走向、 倾角和滑动角分别为109° 、 22° 和85° )作为区域的优势破裂机制, 并且取等效摩擦系数 μ'=0.4。使用Wells等(1994)给出的主震破裂模型计算了主震在其附近区域产生的库仑应力分布, 计算结果见图2。

图2

Fig. 2

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	图2 主震在深度10km处产生的库仑破裂应力分布 假定区域震源机制的走向/倾角/滑动角为: 109° /22° /85° ; 圆圈表示余震震中位置Fig. 2 The static Coulomb stress distribution at the depth of 10km generated by main shock.

经统计, 有约63.57%的余震落在库仑应力变化为正的区域, 说明大多数余震受到主震的触发作用。主震下方库仑应力的变化为正的区域余震比较集中, 同时可以看出, 该区域余震分布与节面Ⅰ 的倾角(109° )大致上是一致的。

图2中浅绿色的部分占比例较大, 但是从色标来看, 不太容易区分这一部分到底表示的是库仑应力增加还是减少, 所以我们分析了所有点处库仑应力的数据, 有约$\frac{2}{3}$的点处库仑应力的变化是正的, 约$\frac{1}{3}$点处的库仑应力变化是负的。但是63.57%的余震都落在了库仑应力增加的区域, 这是因为发生在库仑应力变化为负的区域上的余震和发生在库仑应力变化为正的区域上的余震并不是均匀的; 从图中也可以很明显地看出, 库仑应力变化为负的区域余震要相对稀疏一些, 而库仑应力变化为正的区域余震则相对集中很多。

主震造成周围地区库仑引力增加的部分区域, 余震的分布也比较密集; 而主震造成的库仑应力减少的部分区域, 余震的分布就比较稀疏。这应该是由于库仑应力增加地区有些地震被提前, 库仑应力减少抑制了一些地震的发生造成的。

在计算库仑应力变化时, 需要知道该断层精确的几何形状和滑动性质。活动断层的走向可以在地表获得, 故走向的取值比较精确; 但是活动断层倾角的取值通常只能给出1个范围; 而对于滑动角, 通常也只能粗略地给出正(逆)断层或左(右)旋走滑断层这样的描述, 无法给出确切的取值。因此, 如果以上参数误差较大, 那么就会使投影到活动断层面和滑动方向上的库仑应力变化的误差也较大。此外, 在研究地震对周围地区的影响时, 还应考虑水平作用, 也就是在水平面内把应力变化张量表示出来。这样就可以直观地反映出来地震对周围介质产生的应力变化对地震附近区域的动力学过程产生的影响。本节讨论2015年皮山地震产生的水平应力对周围地区的影响。

为了表示皮山地震产生的水平分量, 将应力变化张量写成矩阵的形式:

σ=σxxσxyσyxσyy2

并且有:

σHmax=12[σxx+σyy+(σxx-σyy)2+4σxy2](3)

σHmin=12[σxx+σyy-(σxx-σyy)2+4σxy2](4)

式中, σHmax表示最大应力, σHmin表示最小应力, 则水平应力的面应力分量表示为

σHc=σHmax+σHmin5

式(5)中, σHc表示水平应力造成的该地区挤压和扩张。而最大应力 σHmax与x轴的夹角 θ可以由式(6)求得:

θ=12tan-12σxyσxx-σyy6

可以看到, 如果水平面应力> ⁰, 则表示该地区伸张, 反之, 水平面应力< ⁰则表示压缩。这样就可以在水平面内把应力变化张量表示出来, 并用此来分析地震对周围介质产生的应力变化对该地震附近区域的动力学过程产生的影响(万永革等, 2015)。

图 3

Fig. 3

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	图 3 2015年皮山地震在地表造成的水平应力变化 红色箭头和黑色箭头分别表示水平主压应力和水平主张应力; 底色表示水平面应力, 拉张为正Fig. 3 The horizontal stress changes at the ground surface generated by 2015 Pishan earthquake.

皮山地震对周围地区的水平应力分量的影响的计算结果如图3表示。由图3可见, 2015年皮山地震在附近产生了较大的水平面应力, 量值达兆Pa。并且水平面膨胀应力向NE-SW逐渐减弱, 到达北面的柯坪断裂和南面的喀喇昆仑断裂带北段处, 锐减为数千Pa, 天山南侧的迈丹断裂带、 北轮台断裂和兴地断裂, 喜马拉雅断裂北段和喀喇昆仑断裂带南段等具有百Pa的水平。在秋里塔格断裂仅为数十Pa至数Pa的水平。该地震在地震震中东西两侧产生了较大的水平面挤压应力, 其中, 震中东侧的水平挤压应力最大, 达10⁷Pa的量级, 沿着EW 2个方向扩展, 挤压应力逐渐减小, 至普鲁断裂西段和米牙断裂北段为数千Pa的量级, 而到达阿尔金断裂西段卡兹克阿尔特断裂仅有数百至数十Pa的量级。

从水平主压和主张应力方向来看, 震中区域的主压应力为近SN向, 主张应力方向为EW向。其主张应力近乎于以震中为圆心的同心圆。震中西侧的主压应力为北偏西, 震中东侧为北偏东, 水平应力在SN方向逐渐减小, 而EW方向衰减很快, 到达阿尔金断裂中段仅有数十Pa的水平。

本研究采用2015年皮山地震的破裂模型计算该地震周围地区断裂带的影响以及周围水平应力变化和位移场变化, 分析了该地震对周围断层和青藏高原内部的地震危险性, 得到如下几点认识:

(1)皮山地震造成西昆仑山前逆冲断裂西段和康西瓦断裂西段西部的库仑破裂应力有较大降低, 西昆仑山前逆冲断裂东段和康西瓦断裂中段的库仑破裂应力有较大增加。天山南北两侧和西藏东北部的库仑应力增加。新疆东部和西藏西北部的库仑应力变化可以忽略不计。

西昆仑山脉沿塔里木盆地和青藏高原西北部之间的边界延伸, 是在晚新生代期间, 由于印度板块和欧亚板块的碰撞形成的(Sobel et al., 1997; Yin et al., 2002; Jiang et al., 2014)。西昆仑山脉北面是西昆仑山前断裂, 南面是康西瓦断裂。西昆仑山前断裂在青藏高原和塔里木盆地的边界上, 初始滑移于25~20Ma, BP(Gao et al., 2000; Kao et al., 2001; Wittlinger et al., 2004), 地质和地貌测绘描述没有相互抵消的地貌特征(潘家伟等, 2007), 皮山地震的发生表明该处断裂的活动性可能在增强(Li et al., 2016)。

康西瓦断裂在阿尔金断裂的最西端, 是左旋走滑断层, 通过地貌位移数据、 GPS和INSAR数据得到, 该地区地震发生很频繁, 滑移速率为5~22mm/a, 这就显示出该断裂有很强的活动性(Peltzer et al., 1989; Shen et al., 2001; Wright et al., 2004; Loveless et al., 2011; Li et al., 2012)。通过对皮山地震造成的库仑应力变化的计算得到, 西昆仑山前断裂东段和康西瓦断裂中段库仑应力增加的值虽然没有达到0.01MPa的阈值, 但按照Ziv等(2000)的研究, 小的变化也会对该地区的地震活动性产生一定的影响。尤其是康西瓦断裂的活动性一直很强。因此, 应该注意西昆仑山前断裂东段和康西瓦断裂中段断层的危险性。

(2)本文选择主震在10km的深度上, 且与和田隐伏断层的倾角相近的GCMT目录中给出的主震震源机制(走向、 倾角和滑动角分别为109° 、 22° 和85° )作为区域的优势破裂机制, 使用Wells等(1994)给出的主震破裂模型, 并且取等效摩擦系数 μ'=0.4计算了主震破裂分布在震源区附近产生的静态库仑应力变化。经统计, 有约63.57%的余震落在库仑应力变化为正的区域, 说明主震对大部分余震的触发作用是比较明显的。主震下方库仑应力的变化为正的区域的余震比较集中, 并且该区域余震分布与节面Ⅰ 的倾角(109° )大致上是一致的, 这也表明, 大多数余震确实发生在主震所在破裂面上。

主震造成周围地区库仑应力增加的部分区域上, 余震的分布比较密集, 而主震造成的库仑应力减少的部分区域上, 余震的分布就比较稀疏。这应该是由于库仑应力增加地区有些地震被提前, 库仑应力减少抑制了一些地震的发生造成的。

(3)该地震造成的水平应力在皮山地震北侧的柴达木盆地大部和南侧的青藏高原西北部增加(拉张), 在地震东侧的青藏高原北部和西侧帕米尔高原东部降低(压缩)。从水平主压和主张应力方向来看, 震中区域的主压应力为近SN向, 主张应力方向为EW向。主压应力为以震中为中心的向外辐射状, 而主张应力近乎于以震中为圆心的同心圆。震中西侧的主压应力为NW向, 震中东侧为NE向, 应力的大小随着半径增加而逐渐衰减, 中心达10⁷Pa, 到达柴达布盆地北部的迈丹断裂仅有百Pa的水平, 最远处仅有数十Pa。

图3中的黑色箭头为水平主张应力, 但有少数点(比如: 81° E, 37° N等)的黑色箭头方向相对, 似乎应理解为压应力。事实上, 通过查询这些点处的数据发现, 出现这样的现象主要是因为这些点处的最大和最小应力都是负的, 所以产生了这样的现象。那么这个现象合理吗?从表示面膨胀(收缩)的底色中可以看出, 底色表示的面应力为收缩, 所以存在2个水平应力均为负的情况是合理的。

本文使用的是均匀模型, 因此相邻点的结果不应有本质差异, 但图3中有些点处黑色箭头几乎为零(比如: 82° E, 37° N等), 而相邻的其他点甚至更远点的黑色箭头明显不为零。通过仔细分析, 出现这样的现象原因有2个: 一是通过查询该点的数据, 发现该点的值确实很小, 画在图中就不明显了; 二是应力场是3维的, 而这里只表示了水平面分布的应力场, 对于连续变化的3维应力场, 黑色箭头所表示的轴接近垂直, 在前面1个点不垂直指向了一侧, 在当前点基本垂直, 黑色箭头基本看不见了, 而在下1个点, 则黑色箭头指向了与前面2个点的相反一侧, 虽然应力场是连续的, 但表现为中间1个点黑色箭头看不到, 之前和之后点的黑色箭头能够看到的现象, 其实这里的3维应力场的方向是连续的。

本文在研究地震对周围活动断层的影响, 并估计周围地区产生的水平应力和该地震造成的位移场时, 采用了较为简单的弹性半空间模型。根据皮山地震的震源破裂模型(张勇等给出的模型)计算了皮山地震在周围断层上产生的库仑应力变化。结果表明, 该地震使得西昆仑山前断裂西段、 康西瓦断裂西段、 米牙断裂南段、 柯坪断裂、 迈丹断裂带、 喀喇昆仑断裂北段南部、 喀喇昆仑断裂南段、 喜马拉雅断裂北段松弛, 使得西昆仑山前断裂东段、 康西瓦断裂中段、 米牙断裂北段、 卡兹克阿尔特断裂南段、 普鲁断裂西段、 喀喇昆仑断裂北段北部、 龙木错-邦达错断裂西段、 贡嘎错断裂西南段加载。

与皮山地震距离较近的断层(西昆仑山前断裂、 康西瓦断裂)库仑破裂应力变化绝对值较大, 尤其是西昆仑山前断裂西段应力卸载达到0.009, 5MPa, 西昆仑山前断裂东段应力加载达到471Pa, 康西瓦断裂中段的应力加载也达到了563Pa, 由于康西瓦断裂是非常活跃的断层, 虽然该处应力加载并没有达到阈值, 也应该注意该处发生地震的可能性。因此由于皮山地震的发生, 应注意西昆仑山前东段断裂和康西瓦断裂中段的危险性。除西昆仑山前断裂、 康西瓦断裂以外, 其余断层处的库仑应力变化量较小, 虽然其余断裂处库仑应力变化量较小, 但按照Ziv等(2000)的研究, 库仑应力变化量较小的断层也会对该断层的地震活动性产生一定的影响。

通过主震对余震的触发作用分析可知, 该地震的大部分余震发生在库仑应力增加的位置, 并且文中所考虑的余震中的一大部分在深度上也分布在主震所在断层的周围, 这也说明了主震的发生对主震所在断层发生的余震有很强的触发作用, 不排除会有其他强震的发生。因此本文的结果对皮山地区, 特别是西昆仑山前断裂附近地区的危险性分析具有一定的参考意义。

本研究采用的破裂模型(张勇等的模型)为较简单的弹性半空间模型, 但是实际上地球介质是不均匀的, 对计算结果会有一定的影响。另外, 大地震后地球的黏弹性松弛效应会产生应变的扩散(Robinson et al., 2005; 万永革等, 2007, 2008), 这些效应也会对位移场的计算结果产生一定的影响, 需要说明的是, 黏弹性效应对于发生时间较短的时段内的位移计算是可以忽略不计的。采用这些精细地壳模型估计今后较长时段皮山地震对西昆仑山前断裂和康西瓦断裂的影响是值得继续注意的。

致谢 图件是利用Generic Mapping Tools(Wessel et al., 1995)绘制的。审稿专家提出的意见使得本文有很大的提升; 对审稿专家和盛书中老师提出的宝贵意见, 对张勇老师提供地震破裂模型和房立华老师提供余震精定位结果一并表示感谢。