川滇块体东边界断裂带应力演化特征及地震危险性数值

李彦欣 董培育 赵 斌

1 中国地震局地震研究所,武汉市洪山侧路40号,430071

2 中国地震局地震大地测量重点实验室,武汉市洪山侧路40号,430071

川滇块体东边界主要由鲜水河断裂带、安宁河-则木河断裂带、大凉山断裂带等多条断裂带组成,是我国大陆内部构造活动性最强的大型左旋走滑断裂带系。1725年以来,该地区先后发生6级以上强震17次,其中7级以上破坏性强震8次[1]。与鲜水河断裂带交叉相邻的龙门山断裂带是一条巨型逆冲推覆构造带,在2008年和2013年相继发生MS8.0汶川地震和MS7.0芦山地震。这2条大型断裂带系构成一个“Y”字形,将青藏高原东南缘地区分割为川滇块体、巴颜喀拉块体和华南块体3大活动块体[2],如图1所示。

LMSF:龙门山断裂带;XSHF:鲜水河断裂带;LTF:理塘断裂带;ANHF:安宁河断裂带;ZMHF:则木河断裂带;DLSF:大凉山断裂带;LJ-XJHF:丽江-小金河断裂带;YLXF:玉龙希断裂带;蓝色震源球表示1893年以来发生在该区域的MS>6.5强震;红色震源球表示2022-09-05泸定MS6.8地震;黑线表示主要断裂;红色虚线椭圆区域表示安宁河-则木河断裂带上地震空区

2022-09-05研究区再次发生MS6.8地震,震中位于四川省泸定县(29.59°N,102.08°E),发震断层为鲜水河断裂带南段(磨西段)。此次地震为一次典型的左旋走滑型地震,走向、倾角和滑动角分别约为254°、73°和178°,破裂面总长度达40 km,最大滑动量约为1.83 m[3-4]。该地震破裂区内的前次地震发生于1786年,距今已超过200 a[1]。定量计算川滇块体东边界主要断裂带应力积累特征,尤其是泸定地震破裂区的应力特征,不仅有助于理解该区域地震孕育和发生的机理,同时可以为分析区域未来地震危险性提供定量参考依据。

应力场的演化主要受控于震间长期构造活动的加载和地震引起的同震及震后粘弹性松弛效应的扰动。对震间长期构造应力场积累过程的认识目前主要依赖于大地测量观测数据,通过解算断层滑动速率及闭锁程度等信息间接估算应力积累速率[5]。也可基于区域实际地质构造特征建立数值计算模型,在合理的边界条件约束下,直接进行定量模拟计算,获取研究区域各断层上应力积累速率值[6]。对于地震引起的同震和震后库仑应力变化,从物理上考虑,震源区断层破裂会对周边区域产生不同程度的应力加载或者卸载效应,从而导致后续地震提前或者延迟发生,即库仑破裂应力变化理论[7]。综合考虑震间长期构造应力积累和历史地震应力扰动效应,能够更全面地定量描述不同区域应力积累速率特征或断层各区段应力积累特征,从而进一步解释地震的孕育和发生[8-9]。

本文建立三维粘弹性有限元数值计算模型,以区域长期平均 GNSS速度场为约束,采用Pylith开源软件包进行计算。根据各断裂带不同的几何特征,模拟其震间长期平均构造应力积累速率,同时考虑周边历史强震对其造成的同震和震后库仑应力变化,定量描述构造应力场的演化过程,探究此次泸定地震的发震成因,并综合分析区域构造环境特征及未来强震危险性。

1 三维有限元数值计算模型

1.1 模型构建

结合研究区域活动断裂的空间分布和泸定地震的震中位置,确定研究区域范围为98°～106°E、26°～33°N,主要包含川滇块体、巴颜喀拉块体和华南块体3个活动块体。据此,建立区域三维粘弹性有限元模型(图2),纵向上分为4层,分别为上地壳、中地壳、下地壳和上地幔,其中断层深度约为20 km,均切穿上地壳。模型剖分为四面体单元,在断裂带附近单元尺寸约为3 km,在其他区域约为20～30 km,共划分413 401个单元。根据地震地质调查结果和前人研究成果,给出各断裂带的几何特征[10],如表1所示。

表1 主要活动断裂的几何参数

图2 三维有限元模型

1.2 本构关系与介质参数

三维有限元数值计算模型中,上地壳设置为弹性材料。采用USTClith2.0模型给出的上地壳S波、P波速度及密度数据[11],为充分考虑其横向不均匀性,将其插值到模型上地壳不同网格中,计算弹性模量和泊松比等参数。弹性模量的变化范围为(7.5～9.8)×1010Pa,泊松比为0.20～0.29,其中华南块体内弹性模量最高。模型中下地壳及上地幔设置为粘弹性介质,采用线性Maxwell流变学模型来模拟岩石圈短期内的弹性效应和长期的粘滞性效应。参考前人研究成果,给出各块体不同圈层的介质参数信息(表2)。

表2 模型中介质参数

1.3 边界条件

使用Wang等[12]给出的中国大陆约30 a的平均GNSS速度场结果,将其插值到模型边界上,假设速度不随深度变化,作为模型边界条件(图3),设置模型表面自由、底部切向自由但垂向约束。已有研究证明,川滇地区软弱的中下地壳运动速度快于脆性上地壳[13],如果假定上地壳与中下地壳的运动速度无差异,则模拟速度值与观测值吻合度较低。为解决此问题,在二维平面模型中通常采用等效拖曳力的方法[14];三维模型中可以在下地壳侧边界上增大速度边界值[6]。参考前人做法,本文在川滇块体下地壳侧边界施加一个速度增量,通过试错法确定该增量为4 mm/a。

图3 模型边界条件设置

1.4 历史地震信息

本文主要选择MS>6.5的历史地震进行计算,但考虑到2014年鲜水河断裂带中段康定地区发生MS6.3地震,其震源区紧邻泸定地震震源区,可能对泸定地区产生一定影响,因此计算中包含该次地震。2008年汶川地震、2013年芦山地震和2022年泸定地震都有丰富的观测数据支撑,前人已通过各种反演方法给出这些地震的滑动模型[4,15-17]。而对于早期的地震,由于缺乏数据资料,多采用经验公式[18]估算其破裂信息(长度、宽度和滑动量)。具体历史地震信息如表3所示。

表3 参与计算的地震

2 计算结果

计算GNSS速度场约束下区域形变特征、各主要断层的震间应力积累速率和过去130 a研究区域9次历史强震同震和震后粘弹性松弛效应产生的应力变化,以定量描述研究区域主要断裂带的应力演化过程。

2.1 震间构造应力积累速率

将GNSS速度场边界条件加载下的模型运行至平衡状态,对比地表GNSS观测值与模拟值。设未经改正的速度边界条件的计算模型为M0,增加下地壳速度边界条件的模型为M1,二者的模拟值与观测值之间的RMS如表4所示(单位mm/a)。可以看出,M1模型精度优于M0模型。图4(a)显示,模拟速度值在方向和大小上与观测值拟合较好,残差基本小于2 mm/a,个别点位残差达到4～5 mm/a(图4(b)),主要集中在鲜水河断裂带和玉龙希断裂带围限区域,该区域是上下地壳速度差异最大的集中区,也是前人研究中加载拖曳力最大的区域[14]。本文通过试错法在该区域西侧的下地壳区域加大边界条件,结果得到有效改善,基本反映了现今构造变形特征,验证了模型的合理性。

表4 RMS结果对比

在M1模型的基础上计算构造加载作用下各断裂带的库仑应力积累速率。由于上地壳介质和边界条件的纵向均一性,计算结果在上地壳范围内是均匀分布的,故仅给出10 km深度处的数值,如图5所示。可以看出,鲜水河断裂带、理塘断裂带和大凉山断裂带南段的应力积累速率较高,达到1.0～1.5 kPa/a;安宁河断裂带、则木河断裂带和大凉山断裂带北段次之,约为0.5～1.0 kPa/a;龙门山断裂带、玉龙希断裂带和丽江-小金河断裂带震间应力积累速率低于0.5 kPa/a。

图5 主要断层库仑应力年积累速率

2.2 泸定地震同震库仑应力变化

基于2022年泸定地震同震破裂模型[4],计算其产生的同震应力变化张量,并投影到各断层上(几何参数见表1),得到此次地震产生的同震ΔCFS(图6)。结果显示,ΔCFS增加区域主要集中在震源破裂区四周,最大值可达 MPa量级。丽江-小金河断裂带、安宁河断裂带以及大凉山断裂带北段都有0.01～0.1 MPa量级的加载效应,超过应力触发效应的阈值(0.01 MPa),可能会增加这些地区的地震风险。此外,与鲜水河断裂带相交的龙门山断裂带西南段靠近破裂地区的ΔCFS有所减小,约为-0.5 MPa。

图6 泸定地震引起的周边各断裂带库仑应力变化

2.3 历史大地震发展演化过程

2.3.1 历史地震引起的库仑应力变化

断层上库仑应力演化的另一个重要因素是历史地震破裂产生的同震和震后应力扰动效应。计算过去130 a鲜水河断裂带、龙门山断裂带发生的9次大地震导致的各断层累积ΔCFS,如图7所示。结果显示,鲜水河断裂带上1893年乾宁、1904年道孚、1923年仁达、1973年炉霍以及1981年道孚地震皆导致破裂区两端产生MPa量级的ΔCFS增量。其中,1955年康定地震在龙门山断裂带南部产生了显著的应力卸载效应,最大可达到-0.8 MPa(图7(d))。此后,鲜水河断裂带上1973年和1981年2次强震持续卸载了龙门山断裂带南端的库仑应力(图7(e)、7(f))。2008年汶川地震导致破裂区南北端ΔCFS加载约0.03～0.07 MPa,在龙门山断裂带南部,即2013年芦山地震附近也存在应力加载效应(图7(g)),表明其对芦山地震的触发作用。在2022年泸定地震发生前,9次历史地震在破裂区产生的总ΔCFS约为0.07 MPa(图7(j))。安宁河-则木河断裂带、理塘断裂带、丽江-小金河断裂带、玉龙希断裂带南段、大凉山断裂带等ΔCFS变化不大(图7(j)),表明其受9次历史地震的影响相对较小。

(a)～(i)为自1893年以来9次大地震依次破裂造成的累积ΔCFS;(j)为2022年泸定地震前各断层上ΔCFS;黑色线条为模拟地震的破裂位置

2.3.2 断层上总库仑应力演化

将震间构造加载与历史地震产生的应力变化相结合,得到川滇块体东边界区域主要断裂带的总ΔCFS演化结果(图8)。与单独考虑历史地震产生的应力扰动效应相比(图7(f)),2008年汶川地震震源区位于历史地震产生的应力影区,而考虑构造应力加载效应,震源区的应力积累状态在地震前是正值(图8(f))。在鲜水河断裂等应力积累较高的地区,震间构造应力积累有很大的贡献。从图8(b)～8(e)中可以看出,与强震的影响相比,1923年M7.3仁达、1955年M7.5康定、1973年M7.6炉霍地震的破裂段库仑应力有显著增长,这3次强震的破裂中心的库仑应力增加主要依赖于构造加载作用。但前序强震造成破裂段两侧库仑应力增加,从而导致的触发效应也十分显著,比如1904年M7.0道孚地震和1981年M6.9道孚地震皆发生在前序破裂导致的库仑应力增长区域。此外,在图7(j)中,安宁河-则木河断裂带、丽江-小金河断裂带北段、理塘断裂带以及大凉山断裂带应力变化不明显,但它们在图8(j)中表现出较高的应力积累量,分别约为0.04～0.08 MPa、0.05 MPa、0.12～0.19 MPa、0.10～0.15 MPa,说明这些区域的应力积累主要受构造应力加载作用。其中,鲜水河断裂带、理塘断裂带北段、大凉山断裂带南段在百年时间尺度内应力积累尤为显著(>0.1 MPa),可能有较大的地震活动潜力。

(a)～(i)为自1893年以来9次大地震依次破裂产生的总ΔCFS;(j)为2022年泸定地震前各断层上总ΔCFS

3 讨 论

3.1 泸定地震的发震成因

基于以上结果,进一步讨论前述9次历史地震和构造应力加载作用与2022年泸定地震之间的关系。震间构造应力积累速率的计算结果表明,泸定地震震源区库仑应力加载速率约为0.75 kPa/a(图5),该结果与Luo等[8]的计算结果(0.77～0.91 kPa/a)相近。基于本文计算结果,进一步计算百年时间范围内的构造应力积累量为0.097 MPa。历史地震记录显示,该地区上次强震发生于1786年,距离2022年泸定地震已有236 a,假设震间构造应力积累速率保持稳定,在泸定地震复发周期内应力积累量约为0.177 MPa。前序9次强震累积产生库仑应力增加量约为0.07 MPa(图7(j)和图9),其中1955年康定地震与破裂区距离较近,对其造成约0.047 MPa的库仑应力加载效应。历史地震在泸定地区产生的应力扰动量达到了理论地震触发阈值(0.01 MPa),说明附近历史地震对此次泸定地震起到了促进作用。基于本文计算结果认为,此次泸定地震的发生主要受构造应力加载作用驱动,但周围历史强震也对其有不可忽视的影响。

图9 泸定地震震源区库仑应力变化

3.2 区域未来地震危险性

鲜水河断裂带上地震活跃,而安宁河-则木河断裂带相对平静,其中安宁河段M≥7历史地震的离逝时间已有487 a,则木河段为170 a[1]。前人根据地震活动图像、小震精定位信息及其他形变测量数据等综合分析认为,安宁河-则木河断裂带存在2个典型的地震空区(图1中红色虚线椭圆围限区域),位于27.5°～28.9°N(冕宁-西昌段),长度约为140 km,估计潜在地震震级为7.4级[1]。汶川地震后,GNSS观测数据揭示安宁河-则木河断裂带和大凉山断裂带中南段完全闭锁,在安宁河-则木河地震空区段存在MW6.8～7.5的强震风险[19-20]。基于本文计算的构造应力增长速率(约0.5～0.7 kPa/a),在空区1(安宁河断裂)487 a构造应力积累量约为300 kPa,空区2(则木河断裂)170 a构造应力积累量约为87 kPa。历史地震在这2个空区产生的应力积累量较小,约为数个kPa。在地震复发周期内的总应力积累量分别为310 kPa和83 kPa。未来应进一步关注该区域发生地震的可能性,尤其在安宁河断裂空区段可能具有较大的地震危险性。

尽管大凉山断裂带受历史地震应力扰动效应不明显,且其受到2008年汶川地震和2013年芦山地震的微弱卸载效应(图7),然而据本文计算,大凉山南北段震间平均构造应力增长速率分别约为0.6 kPa/a和1.0 kPa/a,其中南段最近一次历史强震离逝时间已有千年[21],构造应力积累量约为1.0 MPa。汶川地震后的GNSS观测数据反演结果表明,该段完全闭锁,有MW7.5强震风险[20],其较高的构造应力积累速率表明该断裂带的地震危险性值得关注。

4 结 语

综合考虑地质、地球物理等基础资料,建立川滇块体东边界三维粘弹性有限元模型,以GNSS速度场为模型约束边界条件,计算不同断裂带构造应力积累速率,并同时考虑周边1893年以来9次历史强震造成的同震和震后库仑应力变化,综合分析研究区域各主要断裂带应力演化特征。结果表明:

1)鲜水河断裂带、理塘断裂带和大凉山断裂带南段的应力积累速率较高,可达到1.0～1.5 kPa/a;安宁河断裂带、则木河断裂带和大凉山断裂带北段应力积累速率次之,约为0.5～1.0 kPa/a;龙门山断裂带、玉龙希断裂带和丽江-小金河断裂带震间库仑应力积累速率低于0.5 kPa/a。

2)泸定地震除造成鲜水河断裂带震源破裂区附近库仑应力显著增加外,同时造成丽江-小金河断裂带以及大凉山断裂带北端0.01～0.1 MPa量级的应力加载效应;与鲜水河断裂带交界处的龙门山断裂带西南段库仑应力减小约0.5 MPa。泸定地震震源区在地震复发周期内积累的构造应力加载约为0.177 MPa,9次历史地震产生的应力扰动效应约为0.07 MPa。据此认为,泸定地震的发生主要受控于构造应力的加载驱动,同时也受到周边历史强震的触发效应影响。

3)青藏高原东南缘主要断裂带的总库仑应力演化结果表明,鲜水河断裂带应力积累速率高,震间应力积累效应显著,但其中一些强震破裂区的库仑应力变化也很大程度上受同震或震后的影响。安宁河-则木河断裂带、丽江-小金河断裂带北段、理塘断裂带、大凉山断裂带以及玉龙希断裂带南段主要受构造应力加载作用,其中安宁河断裂带地震空区在前次地震离逝时间(约487 a)内的总应力积累量约为0.3 MPa,大凉山断裂带南段和理塘断裂带历史地震离逝时间均为千年左右,总应力积累量分别约为1.0 MPa和1.0～1.5 MPa,可能有较大的地震危险性。