发震构造呈复杂空间关系下相互影响发震的机理研究——以汶川地震为例①

郭安宁，郭增建，张 津，赵乘程，张炜超

（中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000）

0 引言

地震安全性评价是《中华人民共和国防震减灾法》确定的一项法律制度。国家标准（GB 17741－2005）《工程场地地震安全性评价》规范规定了其技术操作标准。在（GB 17741－2005）中，概率性地震危险性方法（PSHA）是规范所规定的确定各级地震安全评价，包括地震动参数区划图的基础方法。在其中国化后的概率性地震危险性方法（CPSHA）中，增加了地震带内各震级档对不同潜在震源采取不同概率赋值的方法，即考虑地震活动的空间不均匀性，具体方法是在地震带内最终归一概率的基础上，对各个不同潜在震源区赋予不同的概率发生值，而赋值依据则是基于多种地震预测方法和地震观测研究的结果作为综合因子来确定。认为危险性大的潜在震源，对其整个带的地震危险性的概率值贡献就大一些，反之则小一点。在综合因子指标判断中，地震带内发震构造发生大地震后，影响对方再发震的问题是需要考虑的因素之一［1－2］。

通常对大地震发生后对周边发震构造再发震的影响，从一个区域的能量释放角度出发都认为是减震作用。而笔者认为，一般大地震发生后对大区域是呈现减震的情况，但是当发震构造在近范围内相互影响时，且发震构造之间为复杂的几何关系时，一个地震发生后，相连两发震构造块体之间力的作用会呈复杂的空间作用关系，因而加与减震会呈现不同的情况。从力学机理上分析会呈现复杂的能量叠加与加减震关系。

本文以2008年5月12日汶川8级大震为例来讨论这个问题。以“垂震底继”的几何相互关系研究思路，对这次大地震前，几次发生在龙门山断裂带上的大地震影响汶川地震发生的关系进行了研究。

对汶川M8地震的发震有影响的周边大地震事件，一个是1933年8月25日 叠溪7．5级大震（发震构造是岷江断裂）和1976年8月16日和8月22日两次松潘7．2级地震（发震构造是虎牙断裂）。这两次地震的发震构造与龙门山断裂呈近似正交关系，从力学机理分析，这两次7级地震对龙门山断裂是施加的能量叠加作用，认为对汶川地震是加震作用，而不是减震作用。

另外，针对汶川地震的孕震模式，研究指出了某些研究者用巴颜喀拉块体东移造成汶川地震逆冲发震所包含的矛盾问题。具体就一些研究者鉴于2001年昆仑山口西发生的8．1级地震以走滑为主，向东错动的南盘重合于巴颜喀拉块体北缘，该块体向东南方向延伸其东边缘就是龙门山，于是认为汶川大震的逆冲性是巴颜喀拉块体向东南方向运动时受阻于四川稳定地块，从而积累了能量形成了汶川地震。然而这个解释会产生很多矛盾，最典型的即巴颜喀拉块体向东南方向整体运动后，就与巴颜喀拉块体西南缘的鲜水河断裂错动方向产生了矛盾。若巴颜喀拉整体向东南方向运动，其块体西南缘的鲜水河断裂必定是右旋，但实际观测结果却是左旋。本研究表明了汶川地震发震机理中存在着更复杂的机理。

1 大地震发生后对发震构造彼此影响机理及在CPSHA空间分布函数fi，mj的意义

概率地震危险性分析方法（Probabilisyic Seismic Hazard Analysis，PSHA）首先由美国人Cornell提出［3］，已成为世界上进行概率性分析地震危险性最常用的方法。而中国现今使用的概率地震危险性分析方法，是在Cornell提出的方法框架基础上，结合我国地震活动时空不均匀的特点，吸收我国中长期预测的大量科研成果，经过改进提出的称为“考虑地震时空不均匀性概率地震危险性分析方法”（CPSHA）［1－2］。中国的CPSHA 方法一个显著的特点就是对潜在震源区内对潜在震源的空间不均匀性进行了处理，引入了空间分布函数这一概念。在同一地震带内对不同震级档的地震再进行不均匀性加权处理，每一潜在震源对不同震级档的地震年平均发生率所得到的权重是有区别的。而这个权重是根据多种因素确定的，地震发生后对后续地震的作用是一项很重要的因素和考虑的指标。

在国内，首先提出大地震发生后对周边发震构造加与减震的研究观点见文献［4］，文中指出了两种断层呈不同几何形式后的加与减震的关系：当处于相互平行状况时，加与减震的情况要取决于两个断层的旋性。而对于相交汇几何关系呈的断层来说，一个相当于垂线，可称垂断层，另一个相当于底线，可称底断层。如果底断层发生了大震，则垂断层上就减震了，简称“底震垂减”；如果垂断层发生了大震，则底断层上可能还会相继发生大震，可称“垂震底继”。文中还总结了加与减震的定量关系，强震造成的减震距离，对于一个走滑震源断层，在其垂直方向上位移衰减至0．5m的距离为

式中R为减震距离；D为断层错动位移。

文献［5－7］又深入研究减震关系，对减震关系的公式进行了简化。得到以下公式［5］：

式中R为减震距离，单位：km；MS为震级。以此式得以下数据：

表1 不同震级地震与减震距离的关系Table 1 Different earthquake magnitude and earthquake reduction distance relationship

作为法规教材的文献［2］中指出，在近场强震分析中必须要考虑大地震减震作用的影响，以此作为各震级档地震的空间函数赋值依据。要求在近场区内有M＞7历史大地震发生的，则应分析是否可能有大地震的减震作用，因为这对近场地震危险性评价有较大影响。鄢家全［8］总结了我国华北地区1303年以来发生的8级、7级和6级地震的减震作用，研究结果表明：

（1）对于震级大小不同的地震，减震作用的范围也是不同的。在相似的情况下，8级地震的减震范围比7级和6级地震的减震作用范围大。这个减震作用范围既包括了时间的含义，也包括了空间的含义。时间间隔的长短和空间距离的远近是相互制约的，且具有互成反比的关系。

（2）对于7级和8级大地震来说，当不考虑晚期强余震时，在大地震发生后的短时间内（10～30年），6级以上的地震发生在距大地震较远的地方（100km以外）；在大地震发生后的较长时间内（100年以后），6级以上地震逐渐向大震震中靠近。仅从分布的密度看，大多数地震是发生在大震后50年之后，在距大震200km以远的地区。

7级以上地震发生后的100km范围内，50年内几乎不发生6．0级以上的强震，在100年内的发生情况也很少，随着时间的推移，7级以上强震的震中附近发生6级以上地震逐渐增多。

另外，雷建成等［9］按50年和50km为间隔得到了7级以上强地震发生后，地震带内各震级档地震续发的累积频率分布，其结果具有相似性。

鄢与雷的研究结果［8－9］与郭安宁等［4－7］的研究结果的区别是，除了研究时间的前后及选取研究地域的区别外，前者多从能量观点来研究地震发生后对区域能量释放来说减震作用；而后者则是通过对力学机理深入研究后表明，当断层处于复杂的几何关系时，其加与减震的作用是不一样。当两个断层呈基本正交的关系时，当垂断层发生大震后，底断层还处于能量累积方式，从而不仅不利于减震，而且还更利于积累能量而发生大地震。即“垂震底继”。

2 由复杂几何“垂震底继”关系对叠溪和松潘地震对汶川大震的能量叠加的分析

在行政辖属的四川省内，在大地震构造上属于巴颜喀拉地块内的东南部，在不到100年的时间内发生了三次著名地震，分别为1933年叠溪M7．5地震、1976年松潘MS7．2地震、2008年汶川8．0地震。

根据付碧宏等的研究［10］，1933年叠溪地震的发震构造——岷江断裂和1976年松潘大震的发震构造－虎牙断裂与2008年汶川大震的发震构造—龙门山断裂系之间的关系如图1所示。

根据图1，岷江断裂和虎牙断裂其东南端大致垂直于龙门山断裂系，基本呈正交的彼此关系，按照文献［4－5］的研究，符合于的“垂震底继”和“底震垂减”的几何与力学关系。龙门山断裂为底断层，岷江断裂和虎牙断裂为垂断层。闻学泽等［11］指出，图1中岷江断裂的南端是1933年叠溪大震的极震区。该极震区长轴为南偏东走向，向茂县地区延伸，也大致垂直于龙门山断裂系。另外文献［11］中还有1987年以来的弱震分布图，明显发映出1976年松潘大震极震区的弱震密集带，此带走向亦为南偏东，大致垂直于龙门山断裂带。

图1 岷江断裂和虎牙断裂与龙门山断裂的关系Fig．1 The relationship between the Minjiang fault，the Huya fault and the Longmen Mountain Fault．

通过岷江断裂和虎牙断裂与龙门山大断裂的近似呈正交的空间位置关系，就说明1933年叠溪M7．5地震、1976年松潘MS7．2地震，是把能量叠加给了龙门山孕震构造、也就是增加了龙门山大震断裂带的地震发生可能性，而不是降低。从加震的分析来说，只要垂断层上发生的大地震其震源断层端部距底断层的距离小于垂断层上大震断层长度L（km）的2～3倍，则就可能起加震作用。这是对加与减震量化的表述，震源断层长度L与震级M的关系式为

在这里就引出一个值得重视的问题，即一个地区在过去不长时间发生过几个大地震后，不要简单认为这个地区今后不致再发生大地震，而要具体根据发震构造之间几何关系研究后确定，可能会“加震”也会“减震”。

反过来，2008年汶川8级地震发生后，按“底震垂减”的关系，今后很长时间内岷江断裂和虎牙断裂东南端再不会发生大震了。按照文献［6］，不同震级减震范围R的公式为

据此式可以算得8．5级地震由发震断层向两侧各减162km，8级减93km，7．5级减54km，7级减31km。由于汶川地震是8．0级，由其地震断层向虎牙断裂和岷江断裂所在一侧减90km地段，今后很长时间在该地段内不会发生大震（指7级和7级以上）。

历史上1933年叠溪大震和1976年松潘大震其间距已达60km，这也与上述减震距离相符。即松潘大震发生在叠溪大震的减震距离之外。因而1933年叠溪地震发生对1976年松潘地震的发生没有影响。

基于这三个震例的发震关系，证明了发震构造呈复杂空间关系下彼此影响对发震构造机理的多样性与复杂性。从而为概率危险性分析计算时空间函数的赋值的分配提供了一个考虑的物理因子。

3 关于巴颜喀拉地块东移与汶川大震的逆冲性的复杂机理

自2008年后巴颜喀拉块体发生了活跃性的变化，在块体边缘发生了一系列的强震，沿着这个块体不仅发生了2008年汶川地震，也发生了2010年青海玉树地震，其成因及预测问题成为研究的热点［12－14］。在一系列的研究中，汶川地震的力学成因是涉及到巴颜喀拉块体的。但更重要的是对于汶川地震的逆冲性有来自印度板块向北挤压青藏高原并在高原内部向东偏移施加来的EW向水平压力，也有青藏高原块体与四川盆地的垂直差异运动分量叠加［15］。

我们与其他研究者的研究都认为2001年昆仑口8．1级大震和2008年汶川8级地震都是青藏板块受印度板块挤压后的统一表现。现在尚无充分根据认为是其他的情况。这可由李延兴等的大地测量结果佐证［16］（图2）。图2中的2001年昆仑山口西8．1级地震的走滑错动符合速度矢量的后果。即与李延兴等所得速度矢量是一致的。其东端对应着汶川8级地震的那个长条形块体就是巴颜喀拉块体。该块体西南缘的东南段就是鲜水河断裂，该断裂是左旋走滑，它的巴颜喀拉地块一侧是向NW错动的，这与某些作者认为的汶川大震的逆冲错动与巴颜喀拉块体向SE方向移动产生了矛盾。换句话说，图2所示龙门山是受着青藏高原传来的近EW向的挤压，它既能形成2008年汶川大震的右旋走滑错动分量，也就不可能形成鲜水河断裂带的左旋走滑错动。但实际上鲜水河断裂带是呈左旋走滑的，这与作为巴颜喀拉块体东移（鲜水河断裂带的上盘东北盘即为巴颜喀拉块体）的运动方向产生了矛盾。

图2 1999－2007年期间青藏高原相对于华南块体的速度场Fig．2 The Velocity field of Tibetan Plateau relative to South China block in 1999－2007．

作为巴颜喀拉块体向东南方向受阻四川块体形成汶川地震的孕震模式的思路来源是鉴于2001年昆仑山口西发生的8．1级地震以走滑为主，向东错动的南盘重合于巴颜喀拉块体北缘，该块体向东南方向延伸其东边缘就是龙门山，于是认为汶川大震的逆冲性是巴颜喀拉块体向东南方向运动受阻于四川稳定地块形成的。然而这个解释与汶川大震的走滑分量相应于巴颜喀拉块体一侧是向NE方向错动相矛盾，且与作为巴颜喀拉块体西南缘的鲜水河断裂错动方向相矛盾。这个矛盾的出现，与文献［17］中所阐述的两种情况是需要思考的，即认为印度板块向NNE方向的挤压使中国地壳大范围受压，而这个大范围被压的区域内有许多大小不等、形状不一和物性各异的构造块体，它们是整体连结在一起传递应力供给震源能量，还是通过中间某个块体的运动来传递应力供给震源能量？对于后者必须在块体向前运动的两侧边界上有平行异旋的走滑错动（大震震源机制证明或地质构造指标的证明），对于巴颜喀拉块体实际情况却是平行同旋的走滑错动。这一矛盾，构成了巴颜喀拉块体作为孕震力源的复杂性所在，很可能存在深部复杂力源的作用。

4 结论

对发震构造呈复杂几何关系（发震构造在平面投影呈非平行关系）下的发震影响的机理进行了研究，研究表明，不能简单认为大震发生后对周边发震断裂都是“免疫”性的减震作用。在一些情况下的还是加震作用。

从发震的“垂震底继”影响关系研究了1933年叠溪M7．5地震和1976年松潘MS7．2地震对后来发生汶川M8地震的龙门山发震构造的孕震能量叠加的加震作用。同时也指出汶川8级地震对周边断裂的减震作用，相应计算并指出了其影响减震的距离。

强震本身样本少，尤其是具备彼此影响的发震构造关系中的强震样本更少，因而本文通过并不多见的三个发震构造能呈相互影响的强震实例，增加了一个研究样本的实例，同时也证明了发震构造呈复杂空间关系下，彼此影响对发震构造机理的多样性与复杂性。从而为概率危险性分析中计算时空间函数的赋值的分配提供了一个考虑的物理因子。

另外，研究与指出了某些作者用巴颜喀拉块体东移造成汶川大震逆冲分量的矛盾，从而表明汶川地震孕震的复杂性所在。为进一步深入研究提出了问题所在。

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