2008年汶川地震前震源区的异常应力状态

王凯英 Yu.Rebetsky 刁桂苓 马胜利 马 瑾

1)地震动力学国家重点实验室，中国地震局地质研究所，北京 100029

2)Schmidt Joint Institute of Physics of the Earth，Russian Academy of Sciences，Moscow 123810

3)河北省地震局，石家庄 050021

2008年汶川地震前震源区的异常应力状态

王凯英1)Yu.Rebetsky2)刁桂苓3)马胜利1)马 瑾1)

1)地震动力学国家重点实验室，中国地震局地质研究所，北京 100029

2)Schmidt Joint Institute of Physics of the Earth，Russian Academy of Sciences，Moscow 123810

3)河北省地震局，石家庄 050021

我们收集了紫坪铺水库区域台网记录到的2004年8月16日至2008年5月12日汶川地震前发生在震中区及附近区域的486个小震震源机制资料，运用碎裂分析法对这些震源机制数据进行分析，获得了汶川地震前3年多时间内震源区应力水平随时间的演化过程。结果显示，强震发生前震源及附近区域约在2007年6月发生了应力突变，出现了2个应力异常高值区，其形成过程同时伴随着龙门山中央断裂的应力水平降低，最终强震发生在高应力区和低应力区之间的应力梯度带上。汶川地震前应力状态的演化过程，类似于实验研究中出现的非均匀断层失稳前的地震成核现象，符合地震成核的宏观表现。巴颜喀拉块体的南边界-鲜水河断裂的短基线测量也显示出，在同一时间段鲜水河断裂南段由左旋滑动转为异常的右旋错动，反映了汶川强震前整个巴颜喀拉块体有向东加速运动的异常过程。

震源机制 碎裂分析方法 汶川强震 震前应力异常

0 引言

地应力是导致各种构造变形的力学因素，如何测定其方向和强度，研究其空间分布及随时间的变化，对于探索地震的孕育及发生是非常必要的。震源机制分析是目前了解地壳深部现今应力状态最有效最直接的方法之一。多年来，人们用获得的强震震源机制解的P，T，B轴代表地应力的主轴来推断震源处的应力方向。然而，更经常发生的中小地震所显示的截面及应力轴通常表现出无明显特征的随机状态，并且震源机制信息也不直接提供发震构造的应力大小;一些实地应力测量手段虽然能获得主应力的大小和方向，但是所能达到的深度较浅，想要探测震源深度上的应力状态是非常困难的。

近年来俄罗斯科学院大地物理所构造物理实验室基于震源机制资料、岩石破裂实验结果、强震区的地形和应力降等资料，开发了评价地震危险区应力状态参数的碎裂分析方法(Cataclastic Analysis Method，简称CAM)(Rebetsky，1997a，b;2003)。该方法主要包括以下几个步骤:

(1)基于塑性理论的能量准则对震源机制数据进行分区，获得应力“同源”分区及各区的应力主轴方向和应力张量形状系数。假定在应力同源区中每个地震造成的残余应变增量由发震断层的面积和沿断层的平均位移量所决定，并将每次地震发生时应力“同源”区内部弹性能减少这一基本假定通过使用塑性理论的能量准则来描述。

(2)在第1步骤获得3个主应力轴的方位以及偏应力椭球形状Lode-nadai系数后，根据岩石脆性行为的摩尔库仑定律，将第1步获得的结果结合摩尔圆图解的几何关系，可计算出有效压力和最大剪应力相对未知的岩石内聚力τf的归一化值。

(3)通过区域强震矩张量信息，可估算出岩石内聚力τf并进而获得最大剪应力和有效压力的绝对值;在获取区域地形和岩石密度的基础上，可进一步得到区域孔隙压力的分布。

相比现有的一些运用小震震源机制数据推断区域应力主轴的方法，该方法对于构造应力“同源”区域的判断和选择避免了应力分区的主观性，而且该方法不仅能够获得主应力轴的方向、应力张量的形状系数等，还可以在此基础上进一步确定区域岩石内聚力、有效应力、最大剪应力等应力参数的定量化分布。利用此方法曾经完成过大量地震活动区的应力状态重建，如地中海东部、阿拉伯地区、太平洋的西北侧、森他弧西侧、加利福尼亚北部等，应力重建结果显示了地壳中偏应力量、平均构造应力和流体应力的分布以及岩体的有效强度依赖于构造类型和构造应力等。该方法所获得的应力定量数据不仅能够对地球动力学相关问题的研究给予可能的约束，而且对强震前地壳应力分布的研究有助于探索强震的孕育过程。

1 资料及结果分析

紫坪铺水库位于都江堰市区西北9km处的岷江上游干流处，周围的数字遥测台网对库区进行实时监测，自2004年8月16日开始运行至2008年5月12日汶川强震发生前，在102.5°～104.5°E、30.4°～32.0°N 范围内共记录到1.6 ～3.7 级地震625 次。运用 P 波、S 波垂直分量的振幅比，结合初动符号资料测定得到小震震源机制解共486个(张永久等，2010)(图1)。2008年汶川地震的微观震中(103°24'E，31°00'N)与紫坪铺库区的最近距离只有约6km，因此这批数据是研究汶川地震发震背景十分宝贵的资料。本文运用CAM法对这些数据进行了研究并获得了汶川震区的震前应力状态变化过程，计算过程中所需要的参数设置:静摩擦系数为0.5，有效内聚强度为 10MPa，岩石密度为 2.7g/cm3。

图1 紫坪铺台网记录到的汶川地震前的小震震源机制的震中分布Fig.1 The epicenter distribution of the focalmechanism of small earthquakes recorded by the earthquake monitoringnetwork of Zipingpu before the Wenchuan earthquake.

首先对资料按年份进行了分期计算，获得了2004年8月至2006年12月期间及2007年1月至2008年5月12日汶川地震发生前2个时间段的应力场分布结果。图2是这2个时间段的有效压力和最大剪应力相对岩石内聚力归一化值的分布图，从图中可以很清楚地看到后一时间段的区域应力水平显著高于前一时间段的应力水平，后一时间段的应力分布图显示了前山断裂和后山断裂分别有2个显著的应力增强区。

图2 2008年5月汶川地震前2个时间段紫坪铺区域的有效应力与剪应力相对岩石内聚力的归一化值的分布Fig.2 Distribution of the normalized value of the effective stress and shearing strength relative to rock cohesion of Zipingpu region before May 2008Wenchuan earthquake.

为了进一步了解这一重要应力突变现象的时间演化过程，本文对这批震源机制数据以大致一定的数目选取时间窗进行了重新扫描计算，其中有效应力归一化值分布结果显示 (图3)，研究区在2004年8月至2005年12月、2005年1月至2006年12月、2006年1月至2007年4月、2006年1月至2007年5月这4个时间段的应力水平非常平稳，与初始计算中 (图2)前一时间段的结果保持一致;而2006年1月至2007年6月时间段的计算结果却发生了上述应力突增，地点在后山汶川-茂县断层的拐折部位;临震前时间段2007年4月至2008年4月的计算结果显示了2个应力增强区，其中后出现的应力增强区在前山断裂的彭县附近。

通过对时间过程的扫描计算，能够明确地将发生应力突变的时间确定在2007年6月。这一认识与鲜水河断裂短基线测量结果不谋而合(与刘冠中的私人通讯):鲜水河断层南段从侏倭到折多塘布设了7个短基线观测点，观测数据显示鲜水河断层南段并非持续左旋走滑，而是在10a左右时间内出现过几次右旋走滑趋势，而最近的一次从左旋错动转为右旋错动的时间开始于2007年中期，与本文的关于2007年6月龙门山南段汶川及附近区域出现应力突变的时间一致。鲜水河断层和龙门山断层在同一时间段的异常活动反映了汶川强震前整个巴颜喀拉块体有向东加速运动的异常表现。汶川震区的应力随时间演化过程 (图3)还表明，2个应力高值区的形成过程伴随着龙门山中央断裂的应力水平降低，即发震断层在震前11个月左右出现了应力释放，同时应力弱化带外的区域应力显著增强，而最终强震发生在高应力区和低应力区之间的应力梯度带上。

图3 2008年5月汶川地震前6个时间段震区的CAM计算结果显示的有效应力归一化值分布Fig.3 The calculated results of the normalized effective stress of theWenchuan region using CAM before May 2008Wenchuan earthquake.

2 结论和讨论

汶川强震前震源及附近区域应力演化过程显示，强震发生前区域应力水平有明显的调整过程，局部应力显著增强，而最终的震源并不出现在高应力部位，而是在附近的应力梯度带上。实验研究表明(Byerlee，1967)，在中等偏应力条件下，脆性破裂是消耗内部弹性能量的有效机制。按照库仑定律，岩石在较高的有效围压下克服断层面上的内摩擦要消耗更大的能量(Rice，1980);理论研究结果认为，高应力水平下地震效率低，强震易发生在应力梯度带上并开始于最大应力梯度带向较低有效围压的区域发展，高应力梯度带可被视为敏感的地震触发带，随应力梯度水平的提高，其引起强烈地震的危险程度增加(Rebetsky，2006a，b)。这些研究结果在理论及物理机制两方面支持了本文关于汶川强震的发生地点与震源及邻近区域的震前应力场演化之间的关系。

不仅如此，上述汶川震区的震前应力随时间的演化过程在很大程度上和地震成核现象有相似之处:Ohnaka(1990)等的研究表明，黏滑失稳前预滑出现在断层的某个区域即成核带内，引起带内剪应力下降，而成核带外剪应力增加。当成核带超过某一临界尺度时，断层带发生动态滑动。双剪摩擦实验结果(马胜利等，2002)也显示了宏观非均匀断层在摩擦滑动失稳前存在2种不同特征的伴随应力释放的成核相。从本文的研究结果来看，龙门山中央断裂在震前经历了应力释放，邻近的前山和后山断裂相应地出现了应力集中，而在经历了应力释放的中央断裂最终发生了强震，同时鲜水河断裂的跨断层位移观测也在一定程度上支持巴颜喀拉块体在同时期发生了异常活动，这些资料表明汶川地震前出现了在宏观上类似于实验研究中非均匀断层失稳前的地震成核现象。

从地震预测角度来看，单纯地从某些监测手段如断层位移、小震活动等的观测资料来判断研究区未来的地震危险性，而忽视研究区的应力背景及应力水平，就会陷入对观测数据的主观评判。从本文的研究来看，强震的孕育和发生必然伴随着区域应力状态的显著调整，未来如果能在基于应力状态演化的物理背景下结合其他观测手段去进行地震预报和预测，将会更加行之有效。

致谢 四川省地震局张永久提供了本文所需的紫坪铺库区震源机制资料，中国地震局地壳应力研究所刘冠中和本文作者交流了短基线测量观测结果，审稿人提出了很好的建议，在此一并致谢。

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STRESS STATE OFWENCHUAN AREA BEFORE THE 2008 STRONG EARTHQUAKE

WANG Kai-ying1)Yu.Rebetsky2)DIAO Gui-ling3)MA Sheng-li1)MA Jin1)

1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)Schmidt Joint Institute of Physics of the Earth，Russian Academy of Sciences，Moscow 123810，Russia
3)Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050012，China

Using the cataclastic analysismethod，this paper tries tomake an analysis on the focalmechanism data of 486 small earthquakes that occurred at the epicenter of theWenchuan earthquake and its surrounding areas in more than three years before the 2008Wenchuan earthquake.The result shows that obvious stress change occurred at the seismic source and its surrounding areas around June 2007 before theWenchuan earthquake，manifested in two high numerical value areas of abnormal stress state.Meanwhile，the formation process of the above areaswas accompanied by the drop of stress level of the Longmenshan central fault.The ultimate strong earthquake occurred on the stress gradientbeltbetween the high stress area and the low stress area.The evolution process of stress level before theWenchuan earthquake indicates that earthquake nucleation phenomenon turned up before the strong earthquake.One result can be inferred that there was an abnormal process of accelerated movement of the whole Bayankala block before the Wenchuan strong earthquake.

focalmechanism，the cataclastic analysis method，Wenchuan strong earthquake，stress state

P315.1

A

0253-4967(2012)01-0011-06

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.002

2011-08-18收稿，2011-09-04改回。

国家自然科学基金(40404016)、地震动力学国家重点实验室项目(LED2009A04)和地震行业专项(20080811)共同资助。

王凯英，女，1976年生，助研，主要从事构造物理实验、数值模拟、地震断层力学等相关研究，电话:010-62009112，E-mail:wangkysohu@sohu.com。