龙门山和鲜水河断裂带对区域构造加载作用的动态响应

王晓芳， 肖捷， 许鹤华， 何建坤

1 边缘海地质重点实验室，中国科学院南海海洋研究所， 广州　510301 2 大陆碰撞与隆升重点实验室，中国科学院青藏高原研究所， 北京　100101

龙门山和鲜水河断裂带对区域构造加载作用的动态响应

王晓芳1， 肖捷2， 许鹤华1， 何建坤2

1 边缘海地质重点实验室，中国科学院南海海洋研究所， 广州510301 2 大陆碰撞与隆升重点实验室，中国科学院青藏高原研究所， 北京100101

摘要为了研究汶川地震和鲜水河断裂带上的地震之间是否有触发作用及区域构造加载作用在这些地震发生过程中对应力场的影响.我们以汶川地震和鲜水河断裂带所在区域上的共7次地震为研究对象，区域构造加载作用由GPS速度边界近似，用分裂节点技术模拟上地壳地震的发生，并采用三维黏弹性有限元方法，模拟库仑应力的演化.研究结果表明：鲜水河断裂带上的地震震前积累的库仑应力的17%～38%来自区域构造加载的持续作用,其他的地震形变引起的库仑应力的积累约占49%～67%，故地震触发作用明显(除1948年理塘地震和1973年炉霍地震外)；而汶川地震震前1893—1981年发生的地震释放了该区部分库仑应力,不可能对汶川地震有触发作用.汶川地震的库仑应力积累可能主要来自区域构造加载作用，地震发生以后几乎释放了所在区域的所有库仑应力，形成新的格局.关键词汶川地震； 龙门山断裂带； 鲜水河断裂带； 破裂库仑应力； 有限元方法

1引言

图1　鲜水河断裂带和龙门山断裂带的构造格局LMF，龙门山断裂带； XSHF，鲜水河断裂带； STP，青藏高原东南部； ANF，安宁河断裂带； ZMF，则木河断裂带； LTF，理塘断裂带； JSF，金沙江断裂带； GZ-YSF，甘孜—玉树断裂带； NJF，怒江断裂带； ESH，喜马拉雅东部构造.Fig.1　Sketch map of tectonics background of Xianshuihe fault zone and Longmenshan fault zoneLMF，Longmenshan fault zones; XSHF，Xianshuihe fault zones; STP，southeastern Tibetan plateau; ANF，Anninghe fault; ZMF， Zemuhe fault; LTF，Litang fault; JSF，Jinshajiang fault; GZ-YSF，Garzê-Yushu fault； NJF，Nujiang fault； ESH，Eastern Himalayan Syntaxis.

鲜水河断裂带又称为鲜水河地震带，位于青藏高原东南缘的四川省西部地区，是一条北西走向的弧形左旋走滑断裂带(图1).该断裂带历史上发生过多次强震，自1700年以来经历了两个地震活跃期，分别为1700—1816年和1893年—至今. 为了研究地震形变引起的应力场的改变，前人做了很多工作，Papadimitriou等(2004)用弹性介质研究了整个鲜水河断裂带1700—1981年发生的6.5

龙门山断裂带位于青藏高原东缘，是青藏高原与四川盆地交汇之处，与鲜水河断裂带相交成近90°的交角.地形起伏的龙门山断裂带与左旋走滑的鲜水河断裂带交汇在一起，形成比较复杂的地质构造结构，但之前的地震记录多在鲜水河断裂带上，而龙门山断裂带确很少见，2008年5月12日汶川发生MS7.9地震和2013年4月20日芦山发生的MS6.7地震，打破了人们只对鲜水河断裂带研究的局限.Toda等(2008)用弹性半空间和可变滑动代码计算了汶川地震、鲜水河和闽江断裂带的破裂库仑应力，并对地震概率进行了评估；王卫民等(2008)利用远场体波波形记录，结合近场同震位移数据，根据地质资料和地震形成的地表破裂轨迹, 构造了一个双“铲状”有限地震断层模型, 利用反演技术重建地震的破裂过程; Shan等(2009)根据野外观测和地震学研究结果, 使用嵌入在混合弹性/无弹性层状半空间位错源的模型,研究了2008年MS7.9汶川地震对断层的库仑应力的改变；He等(2011)采用分裂节点技术系统地研究了鲜水河下游的小江断裂带，得到了小江断裂带上大、中、小地震的库仑应力积累关系；Hu等(2012)用准静态的有限元模型研究了黏性松弛的效果和构造加载作用对汶川地震的影响；Shan等(2013)研究了自1713年以来，沿鲜水河—小江断裂带的库仑应力的演化及其与汶川地震的相互作用.

总结前人的研究成果发现，前人的工作多为研究地震之间的触发和黏性松弛对应力场演化的影响，而有关断裂带之间的相互作用和区域构造加载作用对鲜水河断裂带及龙门山断裂带的影响的研究并不多见.于是本文综合前人的研究方法,选取Papadimitriou等(2004)和王卫民等(2008)得到的鲜水河断裂带上的地震和汶川地震的同震位移数据，研究地震和区域加载作用对该区应力场的改变以及与下地壳的黏性变形的相互作用，即地震发生以后上地壳发生弹性变形，而下部黏性地壳的蠕变如何继续改变区域应力场，在应力积累和释放过程中，区域构造加载作用又是如何使库仑应力在断层上集中，才导致汶川地震破坏性如此之大；并对研究区域的地震活动性和危险性进行评价.

2模型与方法

2.1本构方程

三维模型的动量守恒方程为

(1)

这里σij是应力矢量, ρ是密度, gi是重力加速度.

几何方程为

(2)

本构方程为

(3)

E是弹性模量，v是泊松比.

求解方法是采用有限元数值计算的FEPG○C6.0(www.fe-gensoft.com)(Li et al.,2009).

2.2库仑应力变化的计算公式

断层破裂的临界库仑应力被定义为(Jaeger and Cook, 1979)

(4)

τ为断层面上的剪切应力，σn表示断层面上的正应力.

根据Freed(2005)和King等(1994)计算静态库仑应力变化可将公式(4)变为

(5)

u′称为有效摩擦系数，它既包括了孔隙流体的影响又包括了断层区介质性质的影响.在不同研究中取值有所差异，一般为0～0.8(Stein,1999)，本文取鲜水河断裂带应力触发研究中的最常用取值0.4(Papadimitriou et al., 2004;王辉等，2008;He et al.，2011).2.3分裂节点的计算方法

我们在三维黏弹性有限元模型中引入分裂节点技术(Melosh and Raefsky, 1981; He and Peltzer, 2010).在图4a中3—15和图4b中7表示的子单元上分别加载表1和王卫民等(2008)的同震位移.

2.4边界约束条件和模型参数

为了研究汶川地震和鲜水河断裂带上的地震之间的触发作用，将鲜水河断裂带和龙门山断裂带上的地震集中在研究区域中心，使边界效应的影响尽量减少.图2表示了地震的位置和地震类型.选择能提供良好的边界约束的GPS数据，如图3(Shen et al.，2005)，并用插值的方法近似区域构造加载作用，黏滞系数随深度变化在图5中红色和蓝色曲线之间(He et al., 2011)，由于同一深度的四川盆地的黏滞系数比青藏高原地区的黏滞系数大，所以在图4a中单独设定了材料参数(区域2).采取黏弹性有、无区域构造加载和弹性区域构造加载等不同类型的模型进行数值模拟，地壳厚度分2层，上层为约15 km的弹性地壳，下层为约45 km的黏性地壳，在60 km地壳范围内，上表面是自由边界，下表面是弹簧边界，上地壳和地幔的密度分别为2800 kg·m-3和3300 kg·m-3.我们通过用三维黏弹性有限元方法，研究1893—2008年近100多年来，鲜水河断裂带上一系列地震和汶川地震之间的相互触发关系、地震发生前后断层周边不同部位库仑应力的积累或释放以及区域构造加载作用、同震、震后效应和黏-弹松弛在这些地震发生过程中的不同动态响应.

图2　主要地震的位置和地震类型Fig.2　Locations and types of major earthquakes

3数值计算结果

图6是在地壳深度7.25 km处,沿各地震破裂方向的库仑应力分布，分别显示了本文所研究的1893—2008年7次地震形变引起的库仑应力的重新分布.其中,图6a是投影到1893年八美地震破裂方向上的库仑应力的分布，图中区域1,2,3,4是地震形变引起的库仑应力的积累区域，而5,6,7,8是地震形变引起的库仑应力的释放区域.在这个过程中,区域构造加载作用不明显；图6b，6c是1923年炉霍—恰叫地震前、后，投影到1923年炉霍—恰叫地震破裂方向的库仑应力的分布，相比图6a明显有了区域构造加载的作用，而且处于1893年八美地震形变引起的库仑应力的积累区域3，说明1893年的八美地震在一定意义上加快了1923年的炉霍—恰叫地震的发生；图6d，6e是1948年理塘地震前、后投影到1948年理塘地震破裂方向的库仑应力的分布，将图6d，6c与图6e对比，发现1948年理塘地震中心处于1893年八美地震和1923年炉霍—恰叫地震形变引起的库仑应力的释放区域，说明1893年八美地震和1923年炉霍—恰叫地震在一定意义上推迟了1948年理塘地震的发生；图6f，6g是1955年康定—折多塘地震前、后,投影到1955年康定—折多塘地震破裂方向的库仑应力的分布，对比图6c和图6f可以看出,1955年的康定—折多塘地震处于1893年八美地震形变引起的库仑应力的积累区域,说明1893年八美地震在一定意义上触发了1955年康定—折多塘地震的发生；图6h，6i是1973年炉霍地震前、后投影到1973年炉霍地震破裂方向的库仑应力的分布，图6i，6j是1981年道孚地震前、后，投影到1981年道孚地震破裂方向的库仑应力的分布，而且1973年炉霍地震和1981年道孚地震都处于1923年炉霍—恰叫地震形变引起的库仑应力的积累区域, 说明1923年炉霍—恰叫地震在一定意义上触发了1981年道孚地震和1973年炉霍地震的发生；图6k，6l是2008年汶川地震前、后，投影到2008年汶川地震破裂方向的库仑应力的分布.2008年汶川地震明显不同，区域构造加载作用虽然没有鲜水河地震带上发生的地震的加载作用那么强烈，但库仑应力积累却主要来自区域构造加载的累计作用(见图6k和6i).

图3　研究区域的GPS数据和有限元模型的边界图中蓝色框代表图4的有限元模型边界. 黄色箭头代表现今地壳运动的GPS速度数据 (Shen et al.，2005). 红色球表示本文研究的7个地震位置.Fig.3　GPS data and boundaries of the finite element modelBlue frame is boundaries of the finite element model in Fig.4. Yellow arrow represents present-day motion of crust revealed by GPS measurements (Shen et al., 2005). Red ball represents 7 earthquakes location in this paper.

图4　不同材料参数的分布(a) 中2是四川盆地，黏滞系数相对其他区域较大，3—15表示的是发生地震的上地壳分裂节点的分区标号；(b) 是地震剖面，其中黄色图标7是汶川地震的110个子断层剖面.Fig.4　Distribution of different material parameters Icon No.2 on (a) denotes a large viscosity coefficient of Sichuan basin relative to other regions. Icons No.3—15 show the partition labels of seismogenic upper crust by split-node technique. (b) shows seismic section, where the yellow icon 7 is 110 sub fault profile of Wenchuan earthquake.

图5　下地壳的流变分层 (He et al., 2011)Fig.5　Rheological stratification of lower crust (He et al., 2011)

年-月-日地点纬/经度(°)走向/倾角(°)长/深(km)MS走滑/倾滑位移(m)1893-08-29八美30.6/101.50322/8550/0～157.2+2.44/-0.561923-03-24炉霍—恰叫31.3/100.75306/9060/0～157.2+3.00/01948-05-25理塘29.5/100.5315/9060/0～157.3+3.00/01955-04-14康定—折多塘30.1/101.8340/9035/0～157.5+3.00/01973-02-06炉霍31.5/100.24125/87105/0～157.4+4.00/01981-01-23道孚31.0/101.1321/9044/0～156.5+0.50/0

图7显示的是每次地震发生之前，前面发生的地震和区域加载作用对该地震震中库仑应力的积累和释放的变化曲线，从图7可以看到，引发1923年炉霍—恰叫地震的库仑应力积累来自1893年八美地震形变引发的库仑应力的积累(大约0.2 MPa)和区域构造加载与震后黏弹松弛对库仑应力的积累(大约0.1 MPa)，其中地震形变引起的库仑应力积累大约占2/3；引发1948年理塘地震的库仑应力的积累是区域构造加载作用积累的库仑应力抵消了1893年八美地震形变引发的库仑应力释放(约-0.014 MPa，图7b)和1923年炉霍—恰叫地震形变引发的库仑应力释放(约-0.025 MPa，图7b)并增加到0.05 MPa，是1948年理塘地震主要库仑应力积累来源(图7b)；1955年康定—折多塘地震处于1893年八美地震(约0.17 MPa，图7c)和1923年炉霍—恰叫地震形变引发的库仑应力积累区域(约0.02 MPa，图7c)和区域构造加载作用引起的库仑应力的积累区域(大约0.12 MPa，图7c)，是2次地震形变和区域构造加载作用三者共同作用的结果，其中，地震形变引起的库仑应力的积累占主导；1973年炉霍地震处于1923年炉霍—恰叫地震形变引起的库仑应力的积累区域(约0.032 MPa，图7d)、1955年康定—折多塘地震形变引起库仑应力的释放区域(约-0.001 MPa，图7d)和区域构造加载作用引起的库仑应力的积累区域(大约0.15 MPa，图7d)，是三者共同作用的结果，其中,区域构造加载作用占主导；1981年道孚地震处于1893年八美地震形变引起的库仑应力的积累区域(约0.02 MPa，见图7e)、1923年炉霍—恰叫地震形变引起的库仑应力的积累区域(约0.37 MPa，见图7e)、1955年康定—折多塘地震形变引起的库仑应力的释放区域(约-0.006 MPa，图7e)、1973年炉霍地震形变引起的库仑应力的释放区域(约-0.19 MPa，图7e)和区域构造加载作用引起的库仑应力的积累区域(大约0.147 MPa，图7e)，是五部分共同作用的结果，其中, 地震形变引起的库仑应力的积累略占优势；2008年汶川地震中心处于1893年八美地震形变引发的库仑应力的释放区域(约-0.003 MPa，见图7f)、1923年炉霍—恰叫地震形变引发的库仑应力的释放区域(约-0.0014 MPa，见图7f)、1955年康定—折多塘地震形变引发的库仑应力的释放区域(约-0.003 MPa，图7f)、1973年炉霍地震形变引发的库仑应力的释放区域(约-0.003 MPa，图7f)、1981年道孚地震形变引发的库仑应力的积累区域和区域构造加载作用引发的库仑应力的积累区域(约0.035 MPa，图7f)，是六者共同作用的结果.

图6　深度7.25 km处的库仑应力演化 (μ′=0.4)Fig.6　Evolution of Coulomb stress at depth 7.25 km (μ′=0.4)

图7　每一次地震前震中的库仑应力演化实线、虚线和点线曲线分别是黏弹性带区域构造加载、弹性带区域构造加载和黏弹性无区域构造加载模型.Fig.7　Coulomb stress evolution before each earthquake Solid, dashed and dotted lines or curves are respectively the viscoelastic model with the regional tectonic loading, elastic model with the regional tectonic loading and without regional tectonic loading viscoelastic model.

图8显示了本文所研究的7次地震在深度7.25 km的库仑应力随时间的演化.结合区域构造加载在地震过程中的作用(图9),可以得到表2，从中可以看出，在鲜水河断裂带上，引发地震的库仑应力的49%～67%来自之前地震形变引起的库仑应力的积累(除1948年理塘地震和1973年炉霍地震外)，区域加载作用占17%～38%,黏弹性松弛对该地区的库仑应力有所释放,而在龙门山断裂带上,2008年汶川地震中，除北川附近由于之前地震形变积累库仑应力外，其他的区域(芦山地震附近，汶川地震震中和汶川地震北段)的库仑应力的积累主要来自区域加载作用，而且之前的地震形变和黏弹性松弛对该地区的库仑应力有所释放.

图8　鲜水河断层上的地震和汶川地震的库仑应力演化(μ′=0.4，深度7.25 km)实线、虚线和点线曲线与图7模型相同.Fig.8　Δσf evolution of earthquake on Xianshuihe fault and Wenchuan earthquake (at depth 7.25 km，μ′=0.4)Solid, dashed and dotted lines or curves are the same as models in Fig.7.

表2　区域构造加载、地震加载和黏弹性动态响应在每次地震中所起作用

注：2008f—2008i分别表示汶川地震发生的芦山地震附近、汶川震中、汶川北部和北川段库仑应力的演化.

4结论与讨论

4.1研究区域的7次地震之间的触发作用

本文采用三维黏弹性有限元数值模拟的方法和分裂节点技术，对发生在研究区域内的7个地震进行模拟，得到了地震形变引发的库仑应力的从新分配、区域构造加载作用对研究区域内的库仑应力的持续加载和7个地震的不同应力响应：鲜水河断裂带上的6个地震受区域构造加载的持续作用积累应力，从1923年炉霍—恰叫地震震前积累的库仑应力的17%增加到1981年道孚地震震前积累的库仑应力的37%.地震之间相互触发作用明显,例如，1923年炉霍—恰叫地震的库仑应力积累主要来自1893年八美地震形变引起的库仑应力积累(占57%)；1955年康定—折多塘地震的库仑应力积累的66.7%来自1893年八美地震形变和1923年炉霍—恰叫地震形变引起的库仑应力积累；1981年道孚地震前积累的库仑应力有49%来自1893年八美地震形变、1923年炉霍—恰叫地震形变和1973年炉霍地震形变引起的库仑应力积累.而鲜水河断裂带上的地震活动减少了2008年MS7.9汶川地震的库仑应力积累，这意味着鲜水河断裂带上地震活动可能不会直接触发汶川地震(Shan et al., 2013)，地震发生的库仑应力的积累主要来源于区域构造加载作用(见表2)，而下地壳的黏性松弛作用对地震发生具有较小影响，这与Hu等(2012)的结果一致，与He等(2011)和Xu等(2013)的结果相反.

4.2在过去100年时间里，区域构造加载在地震发生过程中的作用

从数值模拟结果上来看，区域构造加载作用越来越明显，在其持续作用下，库仑应力向青藏高原东南方向持续增加，由于受到四川盆地比较硬的地壳的阻挡，首先在汶川发生MS7.9地震，此次地震呈长条状向北东方向展布，并释放了已积累的大部分库仑应力，而鲜水河断裂带和龙门山断裂带交汇方向的库仑应力得到了积累，与Shan等(2013)中得到的由于汶川地震诱发的破裂库仑应力在康定城西北125 km的区域有所增加的结果一致.这也许是引发2013年4月20日芦山县(30.3°N,103.0°E)MS7.0地震和2014年11月22日康定县(30.3°N，101.7°E)MS6.3地震的原因之一.

4.3研究区域的地震危险性评估

数值模拟的结果(图6a—6j)表明，鲜水河断裂带上的地震首先沿断层积累库仑应力，断层两侧释放库仑应力(图6a—6c)，随着后续地震的密集，断层积累的库仑应力逐渐释放(图6j)，断层两端库仑应力增强(1973年炉霍地震北侧和1955年康定—折多塘地震的东南方向)，同时区域构造加载作用积累的库仑应力也逐渐增强，主要积累在鲜水河断裂带的北东向和龙门山断裂带的西南向以及鲜水河断层的南向(见图6h—6j红色区域).汶川地震所在的龙门山断裂带处于鲜水河断裂带上的地震的库仑应力的释放区域，其库仑应力积累主要来源区域构造加载作用(见表2)，积累的库仑应力的值比较小，几乎看不出具有孕震危险性(见图6k)，所以汶川地震的引发可能与区域构造加载的持续作用导致的断层的缓慢滑移(Zhang, 2013)、地震发生的深层过程和动力学响应(滕吉文等,2008)或者与地壳内极高压甲烷天然气团(岳中琦，2013)等其他地震机理有关.汶川地震的爆发致使龙门山断裂带和两侧的大部分地区库仑应力得到全部释放(见图6l)，而龙门山断裂带的两端库仑应力积累最多，特别是汶川西南部，这可能是2013年雅安地震库仑应力积累的主要来源.

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附中文参考文献

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(本文编辑何燕)

Dynamic responses of the Xianshuihe and Longmenshan fault zones to regional tectonic loading

WANG Xiao-Fang1, XIAO Jie2, XU He-Hua1, HE Jian-Kun2

1KeyLaboratoryoftheMarginalSeaGeology,SouthChinaSeaInstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510301,China2KeyLaboratoryofContinentalCollisionandPlateauUplift,InstituteofTibetanPlateauResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

AbstractIn order to study the trigger interaction between the Wenchuan earthquake and the earthquakes on the Xianshuihe fault zone as well as the stress changing with the effect of regional tectonic loading, we have studied the seven major earthquakes in the Xianshuihe and Longmenshan fault zones.

The regional tectonic loading is approximated by velocity boundaries from GPS data. The split-node technique was used to simulate the earthquakes in upper crust. With the three-dimensional viscoelastic finite element code we simulated the evolution of Coulomb stress.

The results show that the trigger interaction between the Wenchuan earthquake and the earthquakes on Xianshuihe fault zone is different. The trigger interaction is obvious on the Xianshuihe fault zone (except the Litang earthquake in 1948 and the Luhuo earthquake in 1973), as 17 to 38 percentages′ Coulomb stress increasing was caused by regional tectonic loading, other 49 to 67 percentages of stress was contributed by earthquake deformation. However, part of the Coulomb stress was released by the earthquakes that happened from 1893 to 1981. So it is impossible that the Wenchuan earthquake was triggered by the earthquakes in the past. The Coulomb stress in the Wenchuan earthquake was mainly increased from regional tectonic loading. With occurrence of this earthquake, the certain region released almost all the Coulomb stress and became into a new condition.

KeywordsWenchuan earthquake; Longmenshan fault zone; Xianshuihe fault zone; Coulomb failure stress; Finite element modeling

基金项目中国科学院南海海洋研究所青年人才领域前沿项目(SQ201211)资助.

作者简介王晓芳，女，1978年生，助理研究员，主要从事地球动力学数值模拟方面的研究.E-mail:wangxf@scsio.ac.cn

doi:10.6038/cjg20160421 中图分类号P315

收稿日期2015-02-21，2016-01-12收修定稿

王晓芳， 肖捷， 许鹤华等. 2016. 龙门山和鲜水河断裂带对区域构造加载作用的动态响应.地球物理学报，59(4):1403-1413,doi:10.6038/cjg20160421.

Wang X F, Xiao J, Xu H H, et al. 2016. Dynamic responses of the Xianshuihe and Longmenshan fault zones to regional tectonic loading.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(4):1403-1413,doi:10.6038/cjg20160421.