利用强震地震序列反演震区构造应力状态的方法研究

张永庆

(中国地震局地质研究所,北京 100029)

利用强震地震序列反演震区构造应力状态的方法研究

张永庆

(中国地震局地质研究所,北京 100029)

地壳的应力状态是地壳最重要的性质之一,地壳表面和内部发生的各种地质构造现象及其伴生的各种物理现象与化学现象都与地壳应力的作用密切相关。因此,了解大陆地壳应力分布状态,特别是地壳深部应力状态,是解决地球动力学有关科学问题的基础,同时也是探明深部资源、保护环境、减轻灾害所必需开展的基础性研究工作。

早期人们通过应力现场测量来获取地壳浅部的应力信息,后来随着地震双力偶模型的发展,人们开始利用地震活动来获取地壳深部的应力信息,发展了基于此原理的构造分析法、大地测量学方法、矩张量法等。这些方法获取的是不同深度地壳内的应力状态。对于深部应力状态尤其是应力大小的获取,仍然是应力场研究中的难点。

“复杂自然系统的科学发现过程往往就是理解它们生成的时空图像的过程”(计算物理指导委员会提交给美国科学基金会的报告)。大震或强震及其余震活动是震源区应力场在时间和空间上的一系列快速或慢速调整过程,因此,地震序列包含了来自孕震层处的很多重要信息,如震源区介质的应力-应变状态及其演化过程、介质的几何形态变化和本构关系变化形态等。

有关地震活动和破裂应力变化之间的关系已有很多相关研究,它们均指向地震活动受控于地震构造和应力环境这两个关键因素,但基于地震序列分析的构造应力场研究比较少。以地震活动和应力变化为中心主题,本文完成了3部分内容,包括利用强震地震序列反演构造应力场的方法、汶川地震震前震后应力转移、汶川地震序列时空特征所反映的震区应力场调整过程,下面分别介绍。

本文的第一部分内容是应力场研究,采用力学计算和统计相结合的办法,通过评估破裂应力变化与地震活动空间图像的相似性,反演震源区构造应力状态参数,得到如下结论:

(1)地震序列中蕴含大地震孕育的应力环境信息,通过分析地震序列图像能够获得震源区构造应力场参数。利用强震地震序列反演构造应力状态参数的方法是:以强震的地震序列和震源模型为输入,采用位错模型计算每个地震的破裂应力变化(本文中所指的破裂应力是指优势破裂面上的库仑破裂应力,第二章附录有推导过程),评估强震前后这些地震的破裂应力变化与地震活动的空间分布图像的相似性,利用遗传算法逐步调整应力参数使得应力-地震活动的空间相关性最大,如此反复多次得到最佳应力状态参数。该方法获得的应力值为孕震层处的应力参数,同时获得了有效摩擦系数,这在一定程度上考虑了正应力对于余震空间分布的影响,避免了震源机制解反演应力场的摩擦系数为零的假设,正应力在余震空间分布中的作用得以体现,这与观测结果更为接近。

(2)通过丽江地震、Hector M ine地震和汶川地震3个地震的研究,认识到利用强震地震序列反演应力状态的方法适用于各种主余型地震。反演可获得震源区应力状态的8个参数,包括主应力大小、方向、应力形因子、有效摩擦系数、应力梯度参考量等。上述参数中的方向性参数与震源机制反演结果一致性较好。

(3)汶川地震所在震源区的构造应力状态参数为:最大主应力方位角295°、倾角5°、大小为75 M Pa、有效摩擦系数0.7、应力形因子0.6、应力梯度因子2 g/cm3、最小主应力和中等主应力之比为0.7左右。

本文的第二部分内容是汶川地震前后破裂应力变化的时空图像分析,采用多种时间和空间范围上破裂应力变化图像的叠加方法研究其时间和空间演化规律,得到如下结论:

(1)汶川地震的震后不同时间段内的破裂应力变化有着显著的差异,以汶川地震后13天的青川MS6.4级地震为界,青川地震之前的破裂应力变化处在快速变化过程中,地震主要活动集中在断层面附近,青川地震之后破裂应力变化逐步扩散到断层以外,应力变化的分区格局就此形成,之后再无大的变化。

(2)汶川破裂应力变化在深度上有很显著的变化,文县断裂所在地区0～5 km深度上的破裂应力变化为正,5 km以下则为负,汶川震中西北方向上的破裂应力变化也有同样的现象,这种情况反映了倾滑地震断层的断层面倾角对破裂应力变化空间分布的控制性作用。

(3)汶川断层面上的破裂应力变化也呈现显著空间差异,以主震震中为参考点,主震震中倾向方向向上30 km以及青川震中以下出现了两个显著的破裂应力变化为负的区域,分别对应着M≥4.5余震较少的区域。

(4)震源模型的参数对破裂应力变化的空间分布有较为强烈的控制作用,该参数和构造应力场方向及有效摩擦系数等,都是影响破裂应力变化计算的关键参数,因此对应力变化的讨论必须建立在上述条件之上,单纯的应力图像比较可能会产生误导。

(5)汶川地震震前的破裂应力变化在1992—2008年间基本格局没有显著变化,只是在鲜水河中部与龙门山南部与安宁河向西南突出的三角区域出现反复的应力调整,破裂应力变化正区与负区交替出现或者混杂在一起,这种现象可能反映的是该区域应力场交汇处的特点。

本文的第三部分内容是采用余震序列、中小震应变能密度、b值及震源机制解综合分析的方法研究汶川震源区应力场的调整过程,取得了如下结论:

(1)汶川地震序列的衰减符合修改的大森规律,p值和c值随时间延伸呈同步上升的趋势,以震级下限2.0为例,2008年11月至今,p值由0.94逐步升为1.01,而c值则由8上升为12;拟合结果与震级下限有关,震级下限为M 3.0的余震序列拟合结果是p=1.33。

(2)汶川地震序列的发震时刻分析表明汶川余震活动的优势分布时刻为0—7点和14—19点,结合b值的时间分布,本文认为在大地震后应力场经历剧烈变化—快速变化—逐渐平静3个过程,这意味着应力场变化和地震应变能释放(或地震活动)一样可能是一种非平稳周期性波动、衰减过程。

(3)b值和震源机制解的分析表明,汶川地震序列无论从力学机制还是从活动习性上都存在强烈的空间不均匀性,平面上大体分为西南段、中段和东北段。地震破裂始于高应力区,向东北向穿越低应力区,终止于高应力区,地震活动的活动中心随时间也由西南向东北迁移,分别对应于不同的逆冲、逆冲兼走滑、走滑兼逆冲和走滑等几种应力状态分区。深度上,较大余震发生在深度较深和应力较大区域,显示出震级和深度的对应关系,因为b值反映的是地震活动的震级结构,所以余震活动在深度上分布的这一趋势表明余震有分层活动的特点,该特点是由孕震应力环境决定的。b值的空间分布特点一方面反映了孕震区介质的分段、分层特性,同时也显示了应力状态的局部化特征对地震活动的强烈控制作用。

在对汶川地震序列时空特征的研究过程中,建立了以断层为统计中心的统计模型,并以此研究了汶川地震序列的空间变化特征,并与以主震震中为统计中心的研究结果进行了对比,得到如下结论:

(1)以断层线为统计中心的统计模型得到的统计结果表明,该模型展示的汶川余震活动空间各向异性较强。99.9%以上的地震活动都分布在与断层所成俯角50°～120°和240°～310°的方位上,呈现出显著的优势方位分布和端部不对称集中;98%以上的地震活动都分布在距离断层100 km的空间范围内,地震活动频次呈指数衰减。

(2)上述结果表明,断层的几何特征对于中小地震活动空间分布具有强烈的控制作用,其中所用统计方法使得我们对地震活动空间各向异性的认识更加直观,这一统计思路可用于未来利用地震活动反演应力状态方法中统计模型的改进。

本研究的创新之处可以归纳为以下几点:

(1)首次在国内采用力学计算与统计相结合的方法,利用地震目录和震源参数反演计算了丽江地震、Hecto r M ine地震、汶川地震的震源区构造应力状态参数,获得了构造应力场的方向性参数和大小、摩擦系数、应力梯度等其他参数。

(2)采用多种时间和空间范围上破裂应力变化图像叠加的方法研究其时间和空间演化规律,同时也探索了应力变化随深度的变化以及在断层面上的分布。

(3)采用余震序列、b值及震源机制解综合分析的方法研究汶川震源区应力场的调整过程,认识到汶川地震序列无论从力学机制还是从活动习性上都存在强烈的空间不均匀性,主要表现在:在平面上的分段性,在深度上,较大余震发生在深度较深和应力较大(b值较小)区域,显示出震级和应力强度的对应关系,具有显著的分层特征。

(4)结合汶川地震序列的发震时刻与b值的时间分布,研究了应力场随时间变化的规律,获知汶川余震活动有两个优势分布时刻,认为在大地震发生后应力场经历剧烈变化—快速变化—逐渐平静3个过程,可能意味着应力场变化和地震应变能释放(或地震活动)一样,是一种非平稳周期性波动、衰减过程。

利用大震前后的地震活动反演震区构造应力状态,并延伸应用于破裂应力变化的时空演化特征,国内尚无类似研究成果。本文在这个方向上的探索取得了一些有价值的结果,对于促进国内构造应力场研究、应力转移现象等研究具有重要意义。

地震序列;应力状态;破裂应力变化;时空演化;汶川地震

P315.72+7;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.07.011

(作者电子信箱,张永庆:w hyzyq@yahoo.com.cn)