2014年2月12日Mw6.9于田地震震源破裂过程及对周围断层的应力影响

2015-12-12周云王卫民熊林何建坤

地球物理学报 2015年1期

周云，王卫民，熊林，何建坤

中国科学院青藏高原研究所，大陆碰撞与高原隆升重点实验室，北京 100101

1 引言

2014年2月12日，在青藏高原北缘发生里氏7.3级的地震（图1）.该地震发生在高原平均海拔约5000m的人口稀少地区，地震发生后震中近场地区仅10天内余震就达4000多次.

地震应力触发理论认为，当一个地震发生后它将改变其周边活动断裂的应力状态（Deng and Sykes，1997；Lin and Stein，2004；单斌等，2009；He and Peltzer，2010），进而触发或抑制周边活动断裂潜在地震危险性.这一理论的提出，使人们意识到一些大地震之间可能存在内在联系，相互之间存在触发机制.于是，通过计算地震之后周边断层上应力加载卸载情况，可以评估地震潜在危险性，并在一定程度上预测地震可能发生区域.如1992年美国加州Mw7.3兰德斯地震，它使距震中约30km处圣安德列斯断层上应力值增加了0.3MPa，触发了3h后Mw6.3级大熊地震（King et al.，1994）.Stein等（1997）计算了土耳其North Anatolian断裂带10次M≥6.7级地震的同震应力变化，认为Izmit地区会有强震发生.1999年M7.4级Izmit地震发生，印证了Stein的预测.Izmit地震导致的断层应力变化，使距震中约110km处Duzce－Hendek断层地震危险性急剧升高（Barka，1999），三个月后M7.1级Duzce地震发生.2004年12月M9.1级苏门答腊地震发生后，McCloskey等（2005）计算了库仑应力分布，认为North Sumatra断层短期内发生大地震的危险性很高.2005年3月，苏门答腊北部发生M8.6级地震.2008年Mw7.9级汶川地震发生后，距震中约50km的雅安断裂上，库仑应力增加了近0.01MPa（Parsons et al.，2008），导致2013年的Mw6.6级芦山地震的提前发生（单斌等，2013；刘成利等，2013）.

青藏高原是我国活动断裂分布最广泛的地区之一（邓起东等，2002）.由于印度板块不断向欧亚板块俯冲，青藏高原开始对大陆岩石圈挤压，受到塔里木块体的阻挡，青藏高原急剧隆升，并形成了许多复杂的断裂构造.在2014年于田地震周边，分布有规模巨大的阿尔金断裂，以及普鲁断裂和康西瓦断裂等.这些断裂自第四纪以来的滑动速率均在几个mm·a－1到1cm·a－1间，具有强烈的地震活动性（Li et al.，2012；Mériaux et al.，2004；Shen et al.，2001）.本次地震是继2001年昆仑山口西8.1级地震、2008年于田7.3级地震之后，发生在青藏块体西部边缘的又一次7级以上地震（蒋廷臣等，2012；洪顺英等，2010）.近年来，在该地区的一些正倾滑活动断层上已经发生了2008年MS7.3级地震和2012年MS6.4级地震.历史地震记录表明，该地区具有强烈活动的阿尔金断裂、普鲁断裂和康西瓦断裂等在近百年内一直处于弹性应变的累积状态而没有强地震事件.2014年于田地震是否会影响这些活动断裂潜在的地震危险性？这是值得开展深入研究的课题.为此，本文利用远场体波地震资料反演了该地震的震源机制解和震源破裂过程.之后应用反演的地震滑动模型，根据弹性无限半空间位错理论计算了该地震在近场范围内活动断裂上的同震应力变化.其目的在于讨论于田地震引起的附近断裂上的库仑应力变化及其这些活动断裂可能潜在的地震危险性.

图1 于田地震区域构造与地震活动性黑色粗线条为主要断裂，黑色细线条为小断裂；绿色圆圈为1900年以来6级以上地震；两个蓝色震源机制为2008年M7.3和2012年M6.2地震（GlobalCMT）；红色震源机制为我们的反演结果；小圆圈为2014年于田地震引发的余震（余震信息来自中国地震台网）.图中断层信息引自万永革（2010）.Fig.1 Tectonic structure and seismic activity in Yutian earthquake zoneBlack and thin lines denotes major and small faults，respectively.Green circles mean M＞6earthquakes after 1900.Two blue focal mechanisms mean 2008 M7.3and 2012 M6.2 （Global CMT）.Red focal mechanism is our result.Small circles represent aftershocks caused by 2014Yutian earthquakes（from CSN）.Faults information is from Wan et al.，2010.

2 震源过程反演

使用有限断层反演方法（姚振兴和纪晨等，1997；王卫民等，2008；郝金来等，2011），反演了2014年于田地震的震源破裂过程.地震发生后，从国际地震学联合会（IRIS）地震数据中心下载了地震波形记录，采用张光伟等（2014）重定位研究得到的震中位置（82.56°E，36.04°N），来研究地震震源机制和震源破裂过程.由于发震区域海拔很高，缺乏近场资料，在计算中我们只用了远场波形记录.

我们利用远场P波反演获得的这次地震的震源机制解，震源深度10km.反演得到节面1的走向240°，倾角71.9°，滑动角－2.2°；节面2的走向330.6°，倾角87.9°，滑动角－177.8°（图2）.节面1的走向、倾角与实际贡嘎断裂最为接近，判定节面1为断层破裂面.破裂过程模型计算的理论地震图与观测波形资料进行拟合，波形相关性较好（图3）.依据点源模型确定的断层深度、走向和倾角，用一条沿走向长85km，沿倾向宽21km的断层模拟破裂面，将之剖分成5km×3km的119个子断层.使用P波垂向和SH波切向波形记录，反演得到断层面上滑动分布（图4）.

图5给出了在空间上于田地震破裂随时间的扩展过程.可以看到，整个破裂持续了18～20s，在6～8s时破裂达到了最大值.

结果表明，于田地震是以左旋走滑为主并具有正倾滑分量的地震，破裂在断层面上的分布比较集中.地震矩为2.91×1019N·m，地震震级为Mw＝6.9，最大滑动210cm.

于田地震发生后，不同研究机构迅速给出了各自的反演结果（表1）.可以看到，本研究得到的各个断层参数与USGS和Harvard CMT的结果都较为一致.

图2 2014年M7.3于田地震震源机制解采用下半球投影，同时给出了点源模型的P波垂向位移理论图（红线）与资料（黑线）的拟合情况.图形下方给出了两组节面解（左下，λ，δ，θ，h分别表示断层滑动角、断层倾角、断层走向、震源深度）和点源模型的震源时间函数（右下）.“＋”（绿）和“－”（蓝）圆圈表示P波初动极性.Fig.2 Focal mechanism of 2014 M7.3Yutian earthquakeLower hemisphere projection is used here.The observed P wave records（black line）and synthetic seismogram （red line）based on the simple point model are compared.The parameters of two possible fault planes are listed also，withλ，δ，θ，hindicating the rake angle，dip angle，strike direction and source depth respectively.The obtained source time function are plotted.Green and blue circles indicate“＋”and“－”，respectively.

图3 远场台站分布（a）和有限断层模型的远场波形拟合（b）（a）中黑色三角为P波记录的台站，蓝色圆圈为SH波记录的台站，红色圆圈为震中位置.（b）左列为P波垂向位移理论图（红线）与记录（黑线）的对比；右列为SH波切向位移理论图（红线）与记录（黑线）的对比；并给出每个记录的方位角（左上）、震中距（左下）、振幅比（上）和台站名（右）.Fig.3 Distribution of teleseismic stations（a），comparison of observed records with synthetic waveforms（b）Station distribution （a），black triangles show stations of P wave，blue circles show stations of SH wave，red circle is epicenter.Comparison of observed （red）and synthetic waveforms （black）for P vertical components，and SH waveforms （b）are shown in the panel，the azimuth，epicentral distance，amplitude ratio and stations name are also indicated.

表1 不同机构的震源及断层参数Table 1 Source and fault parameter from different research group

图4 地震断层面上的滑动分布（c），图中分别给出了地震断层滑动分布投影（a）和断层面滑动矢量特征（b）Fig.4 Inverted slip distribution on the fault（c），the projection of slip distribution on the ground（a）and slip vector character on fault（b）

图5 于田地震震源破裂过程（地表投影）Fig.5 Rupture process snapshots of Yutian earthquake

3 同震应力计算

根据库仑破裂定律

可以计算断层面上的库仑应力变化（King et al.，1994）.式中Δσf为断层面上库仑应力改变量，Δσn为正应力变化，Δτs为剪应力变化，μ为摩擦系数.摩擦系数无法直接观测，一般选取经验值.改变μ值对应力变化值有一定影响，对应力的空间分布影响较小（张国宏等，2008）.在本文的计算中，参照Stein（1992）和King（1994）的值，取摩擦系数μ＝0.4.

基于以上反演得到的震源机制解和地震位错模型（图4），计算了于田地震产生的静态库仑应力变化.考虑到所研究断层面在不同深度，库仑应力变化量也不一样，而触发作用一般取决于最大库仑应力增量（Lin and Stein，2004；单斌等，2009）.在计算时，我们以5km为间隔，计算了0～20km的库仑应力分布，选择其中的最大值.计算过程中，相关断层参数如表2所示.

表2 研究区域内的断层信息（万永革等，2010）Table 2 Fault information of earthquake zone

图6给出了于田地震在邻近断层（阿尔金断裂、普鲁断裂、贡嘎错断裂、康西瓦断裂和龙木错—邦达错断裂）上的库仑应力变化和余震分布情况.余震主要分布在三个区域内：普鲁断裂北部（塔里木块体内）、康西瓦断裂东部和贡嘎错断裂中部.可以看出，绝大多数余震位于断层应力增强区周边.距离于田地震震中较近的断层，库仑应力变化很大，发生的余震也多；而较远处断层上的库仑应力则很快衰减，余震一般也较少.

阿尔金断裂位于震中东北方向，距离震中超过了100km，库仑应力增量不超过5kPa，低于一般意义上的应力触发值0.01MPa（Harris and Simpson，1998）.然而，当应力增加低于0.01MPa时，也可能触发地震（Ziv and Rubin，2000）.所以阿尔金断裂的地震危险性，还需要继续研究.余震在阿尔金断裂上分布很少.

普鲁断裂东部应力增强，最大值达到了0.015MPa；断层中部达到0.02MPa以上，有助于断层发生破裂；断层西部应力变化不大.从余震分布来看，断层北部为一个余震密集区.相对于另外两个区域，该区域与主震震中位置较远，余震如此集中比较反常.然而，在计算过程中，我们发现，于田地震在周边区域，产生的应力增强区，有两个位于破裂断层北部和南部.发生在塔里木块体内的余震，80%以上发生在北部的应力增强区内，与应力分布有很好的相关性.所以，该余震集中区域，可以用地震静态触发理论解释.

图6 于田地震引起的周边区域（a）及主要断层上（b）的库仑应力变化（a）于田地震在周边区域导致的应力变化，小圆圈表示余震（余震信息来自中国地震台网），灰色区域为断层破裂面在地表投影；（b）于田地震在周边断层上引起的应力变化.红色五角星表示2014年于田地震，两个蓝色震源球表示2008年M7.3和2012年M6.2.Fig.6 Coulomb stress change in nearby zone and major faults caused by Yutian earthquakeStress change caused by Yutian earthquake in nearby area （a），small circles denote aftershocks （information is from CSN），the gray rectangular region is projection of fault rupture on surface.Stress change on major faults is showed in Fig.b，red star denotes 2014 Yutian earthquake，two blue focal mechanisms indicate 2008 M7.3and 2012 M6.2.

贡嘎错断裂由于靠近于田地震震中位置，应力变化很复杂，主要以增加为主.沿着断层走向，断层北缘应力变化不大，之后迅速增大，达到了0.04MPa；然后是应力影区，卸载了0.05MPa；之后应力增加，达到0.02MPa；最后在断层西南部，由于离震中较远，应力增量逐渐减小.断层面附近的余震一部分位于应力增强区内，在2012年Mw6.2地震的震中位置，可能与该地震相关；另一部分位于应力减弱区内，可能与地震动态触发效应有关（Gonzalez－Huizar and Velasco，2011）.

（二）钟表教学。钟表上两个数字之间表示五分钟，那么就可以用来背诵和5有关的口诀，比如看到数字4，很容易想起四五二十，因为4在钟表上可以表示20分钟，利用生活经验，把口诀读出。

康西瓦断裂东部库仑应力以增加为主，最大值超过了0.05MPa，大大增强了断层上发生地震的可能性；断裂西部库仑应力变化不大.此处也有一个余震聚集区，位于库仑应力增加的区域.

龙木错—邦达错断裂由于距离震中较远，库仑应力变化不大，断层中部应力稍微增加，该断裂周边，基本上没有余震的发生.

4 结论与讨论

通过远场地震波形反演，结合弹性无限半空间位错理论的静态库仑应力计算，就2014年2月12日于田地震有以下主要结论：

（1）于田地震为震级Mw6.9，震源深度10km，以左旋走滑为主并具有正倾滑分量的地震，破裂在断层面上的分布比较集中，最大滑动210cm.地震能量主要在前15s内释放.断层走向240°，倾角72°，地震矩为2.91×1019N·m.

（2）于田地震显著增加了普鲁断裂中部、康西瓦断裂东部、贡嘎错断裂北部和中部的应力积累，大大提升了这些断层上地震发生的概率.其中以康西瓦断裂东部和贡嘎错断裂中部应力增量为最大，分别达到了0.05MPa和0.04MPa.

（3）于田地震引发的余震，大致分布在三个区域内：普鲁断裂北部、康西瓦断裂东部和贡嘎错断裂中部.前两个区域均为应力增强区，与于田地震破裂所导致的静态库仑应力触发有关.

Stein等（1994）与Chan和Stein（2009）认为，当断层上库仑应力增加超过0.01MPa，就可能会触发地震.在本事例中，绝大多数断裂已经达到了这个值.2008年于田地震之后，万永革等（2010）研究发现，于田地震普遍增强了附近大断裂上的库仑应力值.两次地震增加的库仑应力，对周边断裂的地震已经具有了触发意义.这些断裂大多是活动断裂，走滑速率很大.康西瓦断裂的活动速率为7±3mm·a－1，阿尔金的活动速率可以达到9mm·a－1（Mériaux et al.，2004；He et al.，2013）.活动断裂的特征地震具有一定的旋回性（Shimazaki and Nakata，1980；Segall and Harris，1987），自1924年M7.1级地震（图1），至2007年的近百年时间里，该区域没有发生过7级以上的大地震，这些断裂一直处于弹性应变的累积状态.增加0.01～0.05MPa的库仑应力，有利于使这些断裂的某些段落接近破裂邻近状态所需时间提前.因此于田地震后本区的潜在地震危险性研究要引起重视.图6显示，有部分余震位于断层应力减弱区内，这可能有以下几个原因：（1）余震的震源机制尚不清楚.计算中我们选择主震破裂面的走向、倾向和倾角作为参数，如果考虑余震震源机制，结果可能会有变化.（2）动态触发的作用没有考虑.此例中我们只考虑静态应力的因素.（3）地壳中流体作用也会对余震分布有影响.所以，于田地震余震的分布，还有待深入研究.

上述研究表明，2014Mw6.9级地震是发生在阿尔金断裂西段走向发生明显变化的贡嘎错断裂上（图6）.这一空间关系与2001年昆仑山Mw7.8大地震有相似性，该地震首先在其西端太阳湖次级断裂上发生走滑破裂（Lasserre et al.，2005；Robinson et al.，2006），之后以超剪切速度破裂沿东昆仑断裂向东扩展达300余公里.2014Mw6.9走滑为主的地震至少使阿尔金大型走滑断裂在其100km长的段落上增加了5kPa的库仑应力.该应力显然小于前人认为的地震触发阈值（Stein et al.，1994），但数值模拟结果显示（He and Chéry，2008），阿尔金断裂的强度可能很小（摩擦系数小于0.1），因此2014Mw6.9级于田地震后阿尔金断裂的地震潜在危险性必须引起足够的重视.

2008年以来，该区已经发生了2008Mw7.3、2012Mw6.2和2014Mw6.9级地震.从空间上看，这些地震基本上是沿着贡嘎错断裂，从南西向北东迁移.前两个地震以正倾滑型为主，到了最后一个则是以走滑型为主（图1）.这些地震的空间距离在50～100km之间，那么，根据地震触发理论，这些地震是否是一个早期地震导致的库仑应力变化后的连续触发？在触发过程中为什么会有这样的时间跨度？这是否意味着有黏－弹性应力转变（Savage，2000；Johnson et al.，2005；Jia et al.，2012）？这些问题有待于我们以后进一步深入研究.

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