引用本文
张群伟, 朱守彪. 华北地区主要断裂带上的库仑应力变化及地震活动性分析[J]. 地震地质, 2019,41(3): 649-669.
ZHANG Qun-wei, ZHU Shou-biao. THE COULOMB STRESS CHANGES AND SEISMICITY ON SOME MAJOR FAULTS IN NORTH CHINA[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(3): 649-669.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.03.008
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华北地区主要断裂带上的库仑应力变化及地震活动性分析
张群伟, 朱守彪*
中国地震局地壳应力研究所, 地壳动力学重点实验室, 北京 100085
*通讯作者: 朱守彪, 男, 研究员, 理学博士, 博士生导师, 现主要从事地球动力学、 地震活动性及地震预报方法研究, E-mail: zhusb@pku.edu.cn, zhushoubiao@gmail.com。

〔作者简介〕 张群伟, 男, 1991年生, 2019年于中国地震局地壳应力研究所获地球物理学专业硕士学位, 现主要从事地球动力学及地震活动性研究, E-mail: zhngqunwei@163.com。

收稿日期: 2018-01-03
基金项目: 北京市自然科学基金项目(8152034)、 国家自然科学基金项目(41574041)和中央级公益性科研院所基本科研业务专项(ZDJ2017-08)共同资助
摘要

华北地区活断层丰富、 地震频发。由于所处地理位置具有特殊性, 其频繁的地震活动备受关注。为此, 文中根据弹性位错理论和分层岩石圈模型, 计算了1820年以来华北地区中强地震( MS≥6.0)引起的同震及震后介质黏弹性松弛产生的库仑应力变化。计算结果显示, 自1888年渤海湾地震发生后的24个地震中, 共有19个落在了库仑应力变化的正值区域, 触发率达79%; 计算结果进一步表明, 宁河—新乡地震带的滦县-乐亭断裂、 潘庄西断裂、 东明-成武断裂、 郓城断裂、 隆尧断裂, 郯庐地震带的营口-潍坊断裂, 首都圈地区夏垫断裂, 黄庄-高丽营断裂带上的库仑应力变化增加, 其地震危险性相对较高, 仍需要进一步的深入研究。

关键词: 库仑应力变化; 介质黏弹性松弛; 地震危险性; 华北地区
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)03-0649-21
THE COULOMB STRESS CHANGES AND SEISMICITY ON SOME MAJOR FAULTS IN NORTH CHINA
ZHANG Qun-wei, ZHU Shou-biao
Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China
Abstract

In recent years, the Coulomb stress change induced by large earthquakes has attracted extensive attention in seismology. Many scientists at home and abroad have made remarkable achievements in the research on it. It is well known that North China is densely populated and industrially developed. More importantly, the Chinese capital city, Beijing, lies in the hinterland of North China. At the same time, there are abundant active faults and earthquakes in North China. The capital Beijing is China's political, economic, cultural, and transportation center. It is the center of all social activities and economic activities in the country, and is also a region where population, wealth, and information are highly concentrated. With the integration of Beijing-Tianjin-Hebei and the construction of Xiong'an New District, the consequences of big earthquake in Beijing and surrounding areas are unimaginable. Due to its special geographical location, frequent seismic activities in North China capture much attention. From the physical principle, the occurrence of earthquakes releases the accumulated stress, but the stress does not completely disappear. Some of the stresses are transmitted and transferred to other areas, resulting in stress concentration in some areas, which in turn affects the occurrence of earthquakes in the area. This is the idea of stress triggering of earthquakes. According to this hypothesis, the enhancement of Coulomb stress corresponds to the additional loading of the fault and promotes the occurrence of earthquakes; conversely, the weakening of the Coulomb stress in the stress shadow zone corresponds to partial unloading of the fault, which will delay the occurrence of the earthquake. In order to study the future seismic activity of North China, this paper estimates risks of future strong earthquakes in the region. To this end, we calculate the coseismic Coulomb stress changes and postseismic viscoelastic relaxation stresses of the events with MS≥6.0 that occurred in the North China region since 1820, using elastic dislocation theory and hierarchical lithosphere model, respectively, in order to examine whether the cumulative Coulomb stress change can explain the spatiotemporal pattern of large earthquakes. Also we project the Coulomb stress change onto the specific active faults in North China and assign the present and future Coulomb stress change state to the faults to provide a dynamics reference for analyzing whether the areas will be hit by strong earthquakes in the future. The simulated results show that the effect caused by the effective friction coefficient changes is not significant on the spatial distribution of Coulomb stress changes induced by coseismic and postseismic viscoelastic relaxation effect of the medium of earthquakes in the North China region. Although the variation of the effective friction coefficient has an impact on the Coulomb stresses for some sections of faults, the general pattern of the spatial distribution of the Coulomb stress changes keeps unchanged. Consequently, 19 of the 24 earthquakes since the 1888 Bohai Bay earthquake have fallen in the positive region of Coulomb stress changes, with a triggering rate of 79%. In particular, considering the seismogeological data and the Coulomb stress calculation results, we assume that Luanxian-Yueting Fault, Panzhuangxi Fault, Dongming-Chengwu Fault, Yuncheng Fault, Longyao Fault of Ninghe-Xinxiang seismic belt, the Yingkou-Weifang Fault of Tanlu seismic belt, the Xiadian Fault, and the Huangzhuang-Gaoliying Fault in the Capital area have higher seismic risk and deserve in-depth study.

Keyword: Coulomb stress change; viscoelastic relaxation; seismic risk; North China
0 引言

近年来, 由大地震产生的库仑破裂应力变化触发地震的相关问题受到地震学界的广泛关注。国内外很多科学工作者对此进行了研究, 取得了令人瞩目的成果(King et al., 1994; Harris, 1998; Stein, 1999; 石耀霖, 2001; Freed, 2005; Parsons et al., 2008; Toda et al., 2008; 张竹琪等, 2008; 朱守彪等, 2010, 2016; 缪淼等, 2012, 2016; Zhu et al., 2015)。特别是Stein等(1997)通过计算1939— 1992年发生在土耳其North Anatolian断裂带上的10个6.7级以上地震的库仑破裂应力变化, 发现其中90%的地震是被先前地震所触发, 从而成功地预测了1999年Izmit地区的强震。同样, Parsons等(2008)计算了2008年汶川地震产生的库仑应力变化, 发现雅安地区为库仑应力增加的区域, 认为该区域为地震危险区。果然, 雅安地区于2013年发生了芦山MS7.0地震, 这进一步说明了库仑触发模型的有效性和可预测性(缪淼等, 2013)。以往对地震应力触发的研究大多基于弹性变形的模拟(Okada, 1992), 因此只能估计应力变化的弹性响应。这对于模拟地震之后相对较短时间间隔内的应力应变场是一种较好的近似, 但对于更长的时间间隔(如101~102a), 黏弹性松弛效应造成的长期应力变化则不可忽略。这种黏弹性松弛效应源于脆性上地壳与黏弹性下地壳以及上地幔的耦合作用(Nur et al., 1974; Rydelek et al., 1990)。Pollitz(1992)的研究表明, 同震应变一般大于震后形变, 但在数倍于弹性层厚度距离的区域和数倍于介质特征常数的时间范围内, 震后形变比同震形变大得多。如1995年日本神户M7.0地震可能是由于1944年和1946年2次几百km外的8级地震的应力松弛过程影响而提前发生(Pollitz et al., 1997)。基于黏弹性松弛模型, Ben-zion等(1993)也指出Parkfield地震被1857年San Andreas断层上发生的Fort Tejon地震产生的黏弹性应力转移所调制; 1999年Hector Mine地震受到1992年Landers地震震后黏弹性松弛效应的延迟触发(Freed et al., 2001); 2013年芦山7.0级地震受到2008年汶川8.0级地震的触发(徐晶等, 2017)。所有这些结果均表明黏弹性应力松弛在地震应力转移的应力触发研究乃至地震危险性估计过程中的重要性。

华北地区人口稠密、 工业发达, 特别是首都北京位于华北腹地, 而北京及附近地区强震时有发生。1679年京东三河— 平谷发生了8.0级特大地震, 其震中距北京市中心地区仅60多km, 地震造成了巨大损失。自20世纪60年代以来, 北京周边地区破坏性强震频繁发生, 例如1966年在北京西南 280km处发生的邢台地震(6.8级与7.2级2次地震)造成8千多人死亡, 1万多人受伤; 1967年在北京正南方150km的河北河间发生6.3级地震, 造成严重损失; 1976年北京以东160km的唐山发生的7.8级地震造成24万人死亡; 1998年北京西北 210km处张北-尚义的6.2级地震, 造成49人死亡, 受灾人口近17万。

21世纪, 2006年7月4日在北京正南方约110km的河北文安发生了5.1级地震。此外, 华北地区7级以上大震的平静期已超越正常范围, 由此可见, 华北地区的地震形势非常严峻。北京是中国政治、 经济、 文化、 交通中心, 是中国所有社会活动和经济活动的神经中枢, 又是人口、 财富和信息高度集聚的地区; 随着京津冀一体化及雄安新区建设进程的加快, 北京及周边地区一旦发生大地震, 其后果无法想象。

为研究华北地区未来的地震活动性, 并对该地区未来发生强震的风险进行估计, 本研究利用弹性位错理论和分层岩石圈模型, 计算1820年以来华北地区发生的MS≥ 6.0地震引起的同震及震后黏弹松弛效应产生的库仑应力场变化, 检验累积库仑应力能否解释大地震发生的时空模式, 并将库仑破裂应力的变化投影到华北地区具体的活动断层上, 给出现今及未来断层上的应力变化状态, 为分析未来可能发生强震的区域提供力学参考。

1 计算方法和地壳模型
1.1 计算方法

从物理原理来说, 地震的发生释放了聚集的应力, 但应力并不会完全消失, 部分应力通过传输转移至其他区域, 导致部分地区应力集中, 进而影响该区域地震的发生, 这就是地震的应力触发思想(Stein, 1999)。根据该假设, 库仑应力的增强相当于断层受到额外加载, 促进地震的发生; 反之, 应力影区的库仑应力减弱相当于断层受到部分卸载, 将推迟地震的发生。通常, 利用如下公式(Harris, 1998)来计算断层面上的库仑破裂应力变化(Δ CFS):

ΔCFS=Δτ-μ'Δσn(1)

其中τ 、 σ n、 μ '分别表示断层面上的剪应力、 正应力(以压应力为正)以及有效摩擦系数。参照前人的做法, 本研究中有效摩擦系数取中间值0.4。

本文根据华北地区地震的同震破裂模型以及岩石圈分层结构模型, 运用PSGRN/PSCMP软件(Wang et al., 2006)计算华北地区地震产生的同震库仑应力变化以及介质黏弹性松弛造成的应力场变化, 并将库仑应力变化投影到华北地区主要活动断层面上, 探讨华北地区主要断裂带上发生地震的风险。

1.2 地壳模型

选取Maxwell体模型模拟下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应, 其中速度和密度结构参数采用冯锐等(1981)的面波频散反演结果(沈正康等, 2004)。黏滞系数采用孙荀英等(1994)运用三维有限元方法反演震后形变的结果, 下地壳和上地幔的黏度分别取7.1× 1018Pa· s和2.1× 1019Pa· s。上地壳为孕震层, 黏度不可能太低, 本研究采用的黏度量级为1021~1022 Pa· s。华北地区详细的地壳分层速度结构和黏度结构以及其他介质参数见表1。尽管黏滞系数的不确定性会影响下地壳及地幔应力的释放速率, 但对应力场分布及变化趋势影响较小(Xiong et al., 2017)。

表1 研究中所用的介质模型参数(沈正康等, 2004) Table1 Parameters of the medium models used in this study(after SHEN Zheng-kang et al., 2004)
1.3 典型地震的库仑应力变化

为大体了解黏弹性松弛效应对计算库仑应力变化的影响, 图 1给出了华北地区1个典型的走滑型MW7.5地震(走向40° , 倾角90° , 滑动角180° , 有效摩擦系数0.4, 震源深度15km, 破裂面长度与宽度由经验公式(Wells et al., 1994)给出)引起的同震库仑应力变化空间分布及其随时间的演化。

图 1 典型MW7.5右旋走滑地震的同震和震后黏弹性松弛引起的库仑应力变化
a 同震库仑应力变化的空间分布; b 地震50a后的库仑应力变化; c 地震100a后的库仑应力变化空间分布; d 点A处库仑应力变化随时间的演化曲线Fig. 1 Coulomb stress changes induced by coseismic and postseismic viscoelastic relaxation of a typical MW7.5 right-lateral strike-slip earthquake.

从图1a中可以看出, 大地震同震库仑应力变化的正值区域较小, 但随着时间的推移, 由于下地壳和上地幔黏弹性松弛的影响, 正值区域不断增大(图1b, c)。通过图1d的曲线可以看出库仑应力的变化速度随着时间的推移呈指数衰减, 在地震发生后约200a库仑应力的变化基本达到稳态, 随时间的变化量很小。

2 计算结果
2.1 华北地区历史地震及其触发关系

由于在地震200a之后库仑应力的变化趋于稳定, 故选择华北地区近200a来发生的地震(Verdecchia et al., 2015; Xiong et al., 2017)进行研究, 计算其库仑应力变化及其与之后地震的触发关系。图 2是华北地区200a来发生的MS≥ 6.0地震的震中分布图。从图中可见, 华北地区中强地震发生频繁且以走滑型地震为主。

图 2 华北地区200a BP以来的MS≥ 6.0地震震中分布图Fig. 2 Epicenter distribution of MS≥ 6.0 earthquakes in North China in the past 200a.

要计算地震引起的库仑应力变化, 首先需核定华北地区每个历史地震的震源参数。由于华北地区的大部分断层为较厚的沉积层所覆盖, 甚至一些大地震的断层破裂也没有出露至地表, 因此很难获得历史地震确切的断层走向和倾角。本研究采用李铁明等(2007)利用烈度Ⅷ 度区长度与余震区长度的统计关系得到的经验公式来计算断层的破裂长度, 根据地质调查(如探槽、 地质剖面)和近年来地震勘探剖面(张先康等, 2002)给出的发震断层位置、 走向和倾角, 对于没有地质调查结果的地震, 其发震断层的走向和倾角按照与其距离最近地震的断层走向和倾角来选取。但是, 由于地质调查很难估计地震错动的滑动角, 故本研究采用沈正康等(2004)根据现代构造应力场方向(杜兴信等, 1999)和地质调查得到的断层方位(走向和倾角)确定的断层滑动角。对于唐山地震, 采用万永革等(2008)得到的地震断层面走向、 倾角、 滑动角和位置参数, 而滑动量的大小则采用了Huang等(1997)提出的主震两段模型的地震矩; 唐山地震之后发生的滦县地震和宁河西地震, 采用Huang等(1997)给出的断层面参数。表2详细列举了研究中所选取地震的地震参数以及该地震发生前所有历史地震在其震中位置产生的累积库仑应力变化以及地震破裂面上的库仑应力变化的最大值。

表2 地震震源参数和地震发生前震源处的Δ CFS以及破裂面上的最大Δ CFS Table2 Earthquake source parameters, and Δ CFS at the source before the earthquake and the largest Δ CFS on the rupture surface

计算结果显示, 1922年渤海, 1945年河北滦县, 1966年河北隆尧东、 河北宁晋东南、 河北束鹿南, 1969年渤海, 1976年天津汉沽、 宁河西、 河北滦县, 1983年山东菏泽等一系列地震的库仑应力变化都达到了0.1bar(即0.01MPa)的触发阈值, 说明这些地震都是由其之前的地震触发产生的。唐山地震是距今最近的一次特大地震, 唐山地震之前的地震在唐山地震震源处的库仑应力变化值为-0.05bar和0.06bar, 但破裂面上的最大库仑应力变化为0.1bar和0.17bar, 同样达到了触发阈值。而在唐山地震发生后的当天发生的天津汉沽地震及河北滦县地震的库仑应力变化分别为0.74bar和2.27bar, 则说明这2个地震明显是被唐山地震所触发。对表2作进一步分析后发现, 对于1888年渤海湾地震以前的地震, 之前的地震对后续地震的触发效应不佳, 其原因一方面可能是选取的地震时段短, 另一方面也受到历史地震的震源机制不明的影响。但对于1888年之后的24个地震, 共有17个落在了前面地震引起的库仑应力变化的正值区域, 触发率达70.8%。同时还发现, 若以地震破裂面上的库仑应力变化最大值来计算, 则有19个地震为正的库仑应力变化, 触发率高达79.2%。因此, 本文的计算结果与沈正康等(2004)利用华北地区700a BP以来的地震资料计算的前震对后续地震的触发效果基本上是一致的。由此进一步说明, 尽管本文与沈正康等(2004)所用计算方法不同, 但所得结果以及地震触发关系是相同的。

2.2 华北地区介质黏弹性效应对计算库仑应力变化的影响

按照前文所述的方法和资料, 计算华北地区自1820年以来因地震产生的累积库仑应力变化(Δ CFS)的空间分布。

首先假定华北地区的岩石圈为各向均匀同性的线弹性体, 采用均匀各向同性的线弹性位错模型(Okada, 1992)来计算。计算近200a以来6级以上地震产生的累积库仑应力的变化, 然后投影到华北地区优势断层面方向, 即走向40° 、 倾角90° 、 滑动角180° (沈正康等, 2004), 计算深度为华北地区地震的典型深度, 取15km。计算结果由图3a所示。图中显示库仑应力变化增强区主要位于沿地震破裂面两端的延伸方向以及破裂面的两侧, 而地震破裂面上由于应力释放故为库仑应力减小的区域, 即负值区。此外, 震级越大, 库仑应力变化正值区域的范围越大, 体现了震级对区域应力场明显的调控作用; 而震级相对较小的地震, 其库仑应力变化的正值区域范围也较小, 体现了较小地震对局部应力场的微调作用。但从总体上看, 同震库仑应力变化正值区域的范围明显小于库仑应力变化的负值区域。

图 3 华北地区1820年以来累积库仑应力变化的空间分布
a 同震静态库仑应力变化分布; b 考虑震后介质黏弹性松弛效应引起的库仑应力变化; c 综合考虑同震以及震后黏弹性松弛效应共同作用引起的现今库仑应力变化。灰色实线表示地震破裂面, 有效摩擦系数取0.4, 计算深度为华北地区地震的典型深度15km, 投影方向为华北地区优势断层面方向(走向40° 、 倾角90° 、 滑动角180° )Fig. 3 Spatial distribution of cumulative Coulomb stress changes since 1820 in North China.

下地壳和上地幔的流变性引起的震后介质的黏弹性松弛效应使得应力传递到上地壳的孕震层, 从而影响地震的发生。介质的黏弹性松弛效应在震后形变演化过程中起着重要作用, 并影响后续地震发生的时间(Deng et al., 1998; Freed et al., 2001)。图3b为震后介质黏弹性松弛效应的影响。与图3a对比可以看出, 在沿地震破裂面延伸方向以及破裂面的两侧, 正的库仑破裂应力变化区域明显增大, 并且幅值也很大, 甚至与同震库仑应力变化的幅度相当, 说明介质的黏弹性松弛效应影响显著, 在分析区域未来的地震危险性时不可忽略。

图3c为华北地区综合考虑历史地震的同震以及震后介质黏弹性松弛效应的共同影响产生的现今库仑应力变化情况。图中清楚地显示, 综合考虑同震及震后黏弹性松弛效应后, 与只考虑同震的影响相比, 库仑应力变化的正值区域明显增大。

2.3 华北地区主要断裂带的库仑应力变化

从大地构造角度看, 华北地区位于西太平洋地震构造带的西侧, 其北缘为阴山— 燕山纬向构造体系东段(张家口— 渤海构造带), 主要发育一系列NWW向和近EW向断裂, 如张家口断裂、 孙河南口断裂和宝坻断裂等, 断裂活动强烈; 西侧为祁吕贺兰山构造体系的东翼, 主要发育NNE和近SN向断裂, 如霍山山前断裂和五台山西北麓断裂等, 主要表现为正断层活动。研究区内部新华夏系构造广泛发育, 控制了一系列NNE向和NW向断裂的形成和发展, 新近纪以来, NNE、 NE向断裂及NW、 近EW向断裂活动强烈, 并控制了区域内众多断陷盆地, 断裂活动方式差异较大。研究表明, 华北平原内部NE向及其西侧断层主要为右旋张扭性的正断层, 如沧东断裂、 唐山断裂、 聊城-兰考断裂、 黄庄高丽营断裂、 太行山山前断裂及长治断裂等; 东部为郯庐断裂带, 这条NNE向活动断裂带具有明显的分段活动特征, 区内北段营口-潍坊断裂为具有张性的右旋走滑正断裂, 南段沂沭断裂为右旋走滑逆断裂; 南侧为河淮平原断块的北界, 发育新乡-商丘断裂和中牟断裂等NW向左旋走滑断裂(邓起东等, 2002)。华北地区主要活动断裂带分布如图 4所示, 断层活动性质见表3。

图 4 华北地区主要活动断层分布
ZJK 张家口断裂; YQ 延庆-矾山盆地北缘断裂; NK 南口山前断裂; XBA 新保安-沙城断裂带; SH 孙河-南口断裂; HZ 黄庄-高丽营断裂; XD 夏垫断裂; JYH 蓟运河断裂; TS 唐山断裂; NH 宁河-昌黎断裂; LX 滦县-乐亭断裂; PZX 潘庄西断裂; BZ 宝坻断裂; LLS 六棱山断裂; SZZ 孙庄子-乌龙沟断裂; ZJG 沿河城-紫荆关断裂; BPCY 北票-朝阳断裂; HC 海城断裂; JZ 金州断裂; ZH 庄河断裂; DYH 大洋河断裂; BH 渤海中断裂; YKWF 营口-潍坊断裂; THS 太行山山前断裂带, 石家庄-保定断裂; DC 大陈断裂; YM 沂沭断裂带; CZ 长治断裂; CX2 曹县断裂; MSSQ 蒙山山前断裂; ZM 中牟断裂; CY 长垣断裂; BTK白塘口西断裂; LCLK聊城-兰考断裂; YX 埕西断裂; XC 许昌-太康断裂; SS 双山-李家庄断裂; CD 磁县-大明断裂; HS 衡水断裂; XH 新河断裂; LY 隆尧断裂; MHZ 明化镇断裂; CX 沧西断裂; GZ广宗断裂; YC 郓城断裂; JX 嘉祥断裂; TYS 太行山山前断裂带, 元氏断裂; THD 太行山山前断裂带, 邯郸断裂; TTX 太行山山前断裂带, 汤西断裂Fig. 4 Distribution of major active faults in North China.

表3 研究区内主要活动断层特征参数(据邓起东等, 2002) Table3 The parameters of main active faults in the study area(after DENG Qi-dong et al., 2002)

将库仑应力变化投影至具体断层面, 可得到该断层受到的加、 卸载情况, 并判断其未来地震危险性(Nalbant et al., 1998; Toda et al., 2008)。由于震后介质黏弹松弛效应影响断层上的库仑应力变化随着时间而强烈变化, 故计算了华北地区主要活动断层上的库仑应力变化随时间的演化, 计算结果如图 5所示。图5a为华北地区近200a以来所有地震产生的同震以及介质黏弹性松弛效应造成的断层面上的库仑应力变化空间分布。可以看出, 在宁河— 新乡地震带的滦县-乐亭断裂、 蓟运河断裂东段、 潘庄西断裂、 白塘口西断裂、 衡水断裂东南段、 东明-成武断裂、 磁县-大明断裂东段、 隆尧断裂、 郓城断裂西段和聊城-兰考等活动断层, 库仑应力明显增加; 郯庐地震带的营口-潍坊断裂的渤海段以及辽宁段库仑应力增加, 而沂沭断裂带上的库仑应力减少。

图 5 华北地区主要活动断层上库仑引力变化的空间分布
综合考虑同震及震后黏弹性松弛的影响, 华北地区主要活动断层上现今的库仑应力变化分布(a), 以及未来5a(b)、 10a(c)和20a(d)的库仑应力变化的空间分布; e 库仑应力变化等价于构造加载的时间周期(a)。有效摩擦系数取0.4, 计算深度为15km(华北地区地震的典型深度)Fig. 5 The Coulomb stress change on the major active faults in North China.

在首都圈附近, 夏垫断裂、 黄庄-高丽营断裂、 南口山前断裂、 延庆-矾山断裂、 沿城河-紫荆关断裂、 孙庄子-乌龙沟断裂和北票-朝阳断裂等的库仑应力也有所增加; 张家口— 渤海地震带上, 张家口断裂、 新保安断裂、 孙河-南口断裂以及宝衹断裂的大部分段落的库仑应力减小, 而蓟运河断裂和滦县-乐亭断裂等库仑应力增加; 唐山断裂及新河断裂等断裂由于地震发生, 库仑应力减小。

图5b— d分别为未来5a、 10a、 20a后华北地区主要断层面上的库仑应力变化分布。由图可见, 由于近20a来华北地区没有发生过6级以上的大地震, 黏弹性影响导致的库仑应力变化已经很小, 华北地区主要活动断层上库仑应力变化的空间分布随时间变化的幅度不大, 首都圈附近的夏垫断裂北端、 黄庄-高丽营断裂北端、 潘庄西断裂、 南口山前断裂及延庆-矾山断裂等的库仑应力随时间演化而逐渐增大, 并达到了0.1bar的阈值。而滦县乐亭断裂、 新保安断裂、 太行山山前断裂及新河断裂等的库仑应力变化随时间演化而稍有减小。

目前地震的应力触发研究经常忽略长期构造应力的加载, 而地壳形变观测数据表明通过地震释放的形变只是地壳形变中的一部分(Ward, 1998a, b), 长期构造应力加载在地震动力学研究中是相当重要的(Dragoni et al., 1992), 并且应在地震应力触发研究中给予足够的重视(石耀霖, 2001)。

本研究用库仑应力的变化除以每年因构造加载产生的库仑应力变化, 得到库仑应力变化促进或推迟地震发生的时间(Wan et al., 2010; Xiong et al., 2017), 计算结果如图5e所示。图中显示, 在库仑应力增加明显的磁县-大明断裂东段、 东明-成武断裂东段、 郓城断裂西段、 滦县-乐亭断裂、 渤海中断裂、 衡水断裂东段、 隆尧断裂、 太行山山前元氏断裂北段、 夏垫断裂北段、 潘庄西断裂、 黄庄-高丽营断裂北段、 庄河断裂北段和营口断裂北段等断层上的地震促进时间均超过100a, 即将发生地震的时间提前100a。同样, 在聊城-兰考断裂北段、 沧西断裂、 南口山前断裂、 延庆-矾山断裂、 孙庄子-乌龙沟断裂、 沿城河-紫荆关断裂及北票-朝阳断裂等库仑应力增加并不明显的断层上, 库仑应力的增加促进地震发生的时间也超过了10a; 而在发生过地震的唐山断裂、 新河断裂和磁县-大明断裂西段等断层上, 库仑应力变化为负值, 即推迟了地震的发生。由于华北地区地壳变形速率小, 库仑应力变化的影响较大, 在发震断层及其附近断层上, 地震产生的库仑应力变化导致地震的发生被提前或推迟了几十a到几百a。

3 问题讨论

根据公式(1), 有效摩擦系数的取值可能影响库仑应力变化的计算结果(朱守彪等, 2016), 为分析有效摩擦系数的选取对断层上库仑应力变化分布的影响, 分别取有效摩擦系数为0.2、 0.4和0.6, 计算不同情况下断层的库仑应力变化, 结果如图 6所示。

图 6 不同有效摩擦系数计算得到的断层库仑应力变化分布
a 有效摩擦系数取0.2; b有效摩擦系数取0.4; c有效摩擦系数取0.6Fig. 6 Coulomb stress change distribution on the fault with different effective friction coefficients.

当有效摩擦系数不同时, 计算给出的断层上的库仑应力变化分布如图 6所示。总体上看, 有效摩擦系数的变化对库仑应力变化的影响不显著。但也有一些断层, 有效摩擦系数的变化对库仑应力变化的影响较大, 甚至会使库仑应力变化由负值向正值转变, 如在夏垫断裂、 黄庄-高丽营断裂、 南口山前断裂、 延庆-矾山断裂、 沿城河-紫荆关断裂、 孙庄子-乌龙沟断裂、 白塘口西断裂及营口-潍坊断裂等断层上, 库仑应力变化增大的区域随有效摩擦系数的增大逐渐增大, 部分区域由库仑应力减小变化为库仑应力增大。整体来看, 库仑应力变化的幅值随有效摩擦系数的增大而有所增加, 但大多数断层的库仑应力变化的性质基本不会改变, 即库仑应力增加仍为增加, 库仑应力减少仍为减少, 对计算结果影响不大。所以前人在计算库仑应力时均取有效摩擦系数为0.4是合理的(沈正康等, 2004; Wan et al., 2010; Verdecchia et al., 2015; Xiong et al., 2017)。

由于无法获得断层的初始应力场, 古地震的震源参数和断层的详细性质等存在着不确定性, 因此对库仑应力的计算还比较粗糙, 要对华北地区未来的地震危险性作出分析, 还需要综合地震地质调查结果、 古地震以及大地测量等资料(邓起东等, 2002; 郭良迁等, 2007; 徐锡伟等, 2017)。一般认为, 库仑应力显著增加的各断层段的发震紧迫性有所增强。 张家口— 渤海隐伏构造带的宝衹断裂东端及蓟运河断裂库仑应力增加, 则地震危险性将增加; 西北部的张家口断裂、 新保安断裂及孙河-南口断裂库仑应力减小, 则地震危险性将降低。首都圈附近的夏垫断裂、 黄庄-高丽营断裂、 南口山前断裂、 延庆-矾山断裂、 孙庄子-乌龙沟断裂北段和沿城河-紫荆关断裂等累积的库仑应力较小, 但随着时间的演化而逐渐增加, 并且都达到了0.1bar的触发阈值, 夏垫断裂在1679年曾发生MS8.0大地震, 存在发生大地震的可能性; 郯庐地震带营口— 潍坊段的渤海段及北部营口段库仑应力有所增加, 地震危险性增高。而沂沭断裂带库仑应力变化减少, 但1668年7月25日山东郯城曾发生MS8.5地震, 其后发生了一系列余震, 并持续至今, 其断层上库仑应力变化虽然为负值, 也只是表明地震被推迟。

4 结论

本研究基于分层黏弹介质模型, 综合考虑同震和震后效应, 计算了华北地区主要活动断层上的库仑应力变化以及库仑应力变化随时间的演化, 并扼要讨论了主要断裂带库仑应力变化的空间分布及其地震危险性, 得到的初步结论如下:

有效摩擦系数的变化对华北地区地震产生的同震及震后介质黏弹性松弛效应造成的库仑应力变化空间分布的影响不显著。有效摩擦系数的变化尽管对部分断层区段的库仑应力有影响, 但库仑应力整体格局的空间分布几乎没有发生变化。故前人在计算库仑应力时均将有效摩擦系数取为0.4有其合理性。

华北地区自100a BP以来, 特别是自1888年渤海湾地震以来发生的24个地震中, 有19个都落在了此前地震产生的库仑应力变化的正值区域, 触发率达79%。

对华北地区地震产生的同震及震后介质黏弹性松弛效应造成的库仑应力变化的计算结果表明, 宁河— 新乡地震带的滦县-乐亭断裂、 潘庄西断裂、 东明-成武断裂、 郓城断裂和隆尧断裂, 郯庐地震带的营口-潍坊断裂, 首都圈地区夏垫断裂及黄庄-高丽营断裂带上的库仑应力变化增加, 其地震危险性相对较高, 值得进一步深入研究。

本文所给出的库仑应力增加的结果意味着断层更趋于破裂, 有可能触发地震, 而库仑应力降低仅意味着这些断层的发震时间被延迟了, 但不能完全否定其地震危险性, 应力增加只是触发地震的因素之一。判断断层能否发生地震, 其所处的孕震阶段十分重要, 因此还需要结合已有的大地震危险性分析的研究结果, 综合探讨各主要断裂带发震的紧迫性。

致谢 审稿专家对本文提出了宝贵的修改意见, 在此表示衷心感谢!

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