1997年伽师震群中相邻正断层和走滑断层之间相互应力作用_张竹琪
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① 北京大学地球与空间科学学院地球物理系, 北京 100871; ② Department of Geology and Geophysics, Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA 02543, USA * 联系人, E-mail: johnyc@pku.edu.cn
Байду номын сангаас
断层面 长×宽 (km×km) 11.5×11.5 11.5×11.5 13.5×13.5 12.5×12.5 16.5×16.5 20×20 18.5×18.5
滑距 /m
0.2 0.2 0.065 0.17 0.13 0.23 0.067
参考
② ① ① ① ① ② ①
a) 走向倾角和滑动角参考: ① Harvard 大学 CMT 目录, ② 单新建等[12]. 震中位置和深度参考 Zhou 等[7]; M0 数据来自 Harvard 大 学 CMT 目录; 断层面积参考 Zhou 和 Xu[18]
序号
1 2 3 4 5 6 7
震中位置 东经/(º) 北纬/(º) 震级(MS)
震源深度 /km
77.09 39.51 6.4
17
77.06 39.59 6.3
15.5
76.97 39.72 6.0
20
77.04 39.56 6.3
26.5
77.11 39.51 6.4
21
77.06 39.65 6.6
334
中国科学 D 辑: 地球科学 2008 年 第 38 卷 第 3 期
为, 发生在伽师的地震震群与发生在天山褶皱带内 的地震在相当大的程度上受到同源力场的作用, 但 是断层结构以及活动方式十分不同. 根据伽师 1997~1998 年地震重定位结果, 这里可能发育多组 NW 向或 EW 向相互平行的断层, 尤其是 1997 年伽 师震群, 主震发生在至少两条呈雁形排列的 NW 向平 行破裂带上[7,13].
336
中国科学 D 辑: 地球科学 2008 年 第 38 卷 第 3 期
的伽师强震群的震源参数, 以及震区地壳岩石的弹 性属性, 我们建立了伽师震群的库仑破裂模型并对 之进行计算. 图 2 显示了计算结果. 图 2(a)~(f)的左上 角均给出了相应的接收断层的破裂机制, 源断层破 裂引起的相邻空间的应力变化张量都被映射到相应
的地震活动性[9]. 地震精定位结果还表明伽师震群主 要集中在东经 76º50′~77º10′、北纬 39º25′~39º45′窄带 状区域内. 短短 4 个月时间里, 在相对稳定的陆内盆 地中十分密集地发生 7 次 6 级以上地震比较少见.
对震区及附近地区的横波分裂研究[10]显示伽师 震区主压应立轴方向为近 NS 向, 而在类似柯坪断裂 带的盆地边缘褶皱带附近, 主压应力轴为近 EW 向. GPS 观测[11]也显示该地区地壳形变以南北向压缩为 主, 结果还显示震区内地壳应力场基本与天山造山 带相一致, 都是受印度-欧亚板块碰撞活动的控制. 根据地震机制解(Harvard CMT, 文献[12])和余震精 定位的结果[7], 推测 1997 年伽师地震主要发生在 NW 或 NE 向的断层上, 以右旋走滑或正断层倾滑机制为 主, 少数为有左旋分量的正断层破裂. 而发生在天山 褶皱带内的地震多以向南逆冲的断层为主. 可以认
23.5
77.02 39.69 6.3
18
走向 倾角 /(º) /(º)
4 50 315 75 180 80 161 78 253 43 240 37 170 66
滑动角 /(º)
−163 −177 −173
179 −36 −133 −162
地震矩 (1017 N·m)
7.74 − 3.35 7.73 10.5 20.6 6.56
从伽师强震群的震源机制上看(表 1), 地震以右 旋走滑机制为主, 同时以大约 10 km 的间隔发生有较 大正断层分量的倾滑或者正断层事件(图 1). Zhou 等[7] 通过地震重定位的结果推测伽师强震群发生在两条 呈雁形排列的走滑破裂上. 根据前人研究获得
表 1 1997 年伽师强震群震源 Ms≥6.0 参数 a)
本文主要关注在 1997 年伽师震群发生的过程中, 雁形构造中的正断层与走滑断层排列与地震引起的 震时库仑应力的变化是否起到了以及如何起到了关 键的地震相互触发作用.
1 伽师震群和震源模型
1997 年伽师地震群震发生在 1996 年 3 月 19 日 阿图什 Ms6.9 地震以南约 30 km 处(见图 1(a)). 针对 1997 年伽师地震群进行观测的 13 个区域地震台站和 3 个临时台站主要分布在地震的偏西方向和北东方向 上, 南东和南西向分别有 1~2 个区域台站分布, 周仕 勇等人加入位于震区北边的 2 个吉尔吉思斯坦地震 台的记录后, 利用主事件地震重定位方法对 1997 年 伽师震群中 Ms≥3 级的地震进行了重新定位, 重定位
通过拟合全球数字地震台网的 P 波数据, 何玉梅 等[20]反演得到 1996 年阿图什强震破裂特征, 发现这 次地震是一次具有逆倾和较小走滑分量的由西向东 的单侧破裂事件, 断层面走向为 252°, 倾角 30°, 最大 滑动尺度达 1 m. 在本文中, 根据反演的位错分布结 果, 我们将断层面分成 7×15 块方形单元, 并假设每
个小单元内部的位移大小和方向都相同.
2 地震间库仑应力作用
为了研究伽师强震群中地震对相邻发震断层的 影响, 我们应用同震时静库仑应力计算方法[21,22]计 算由地震引起的库仑应力的变化. 根据库仑破裂准 则, 当源断层发生地震, 接收断层上发生的库仑破裂 应力的变化(∆σf)可以表达为∆σf=∆τs−µ ′·∆σn, 这里 ∆τs 和∆σn 分别是接收断层上剪应力和正应力的变化, µ ′为受孔隙压力影响的有效摩擦系数, 并定义正应 力为正值时为压应力[21]. 一般认为, 当地震引起接收 断层上库仑应力的增加, 则可能促进下一次地震的 发生, 反之, 将抑制接收断层的地震活动. 20 世纪 60 年代, 有科学家考虑并计算了地震引起的应力变化 对邻近断层活动的影响, 由于地震引起的静弹性库 仑应力变化相对于产生地震所需积累的应力很小, 而且限于计算条件, 这个方法当时没有被普遍接受 和应用. 随着计算方法和计算条件的改进, 最近十多 年来, 该方法得以被广泛应用, 研究结果表明静弹性 库仑应力变化会明显影响源地震附近短期内的地震 活动 性[23]. 至于能够触发临震状态的断层上发生 地震的库仑应力增加的临界值，现在还没有定论，但 以往的研究显示大于 0.1 bar 的静库仑应力增加起到 了明显的触发作用[23].
关键词
伽师震群 正断层 走滑断层 库仑应力变化 地震触发
1997 年新疆伽师地震群发震区位于印度与欧亚 板块喜马拉雅碰撞带的西端, 帕米尔构造弧束区、南 天山褶皱带与塔里木块体 3 个构造单元的交接地带. 板块间持续的南北向会聚作用青藏高原至天山宽达 上千公里的地壳缩短, 也导致了该地区破坏性地震 的频繁发生[1~5]. 地质学研究显示, 此交接地带构造 单元主要包括塔里木西缘麦盖提斜坡带、喀什凹陷以 及天山南脉新生代造山带的依什拉克喀拉乌尔-柯坪 塔格弧形推覆构造带、木什-喀什-阿图什弧形反冲褶 皱-逆断裂带[6]. 主地震精定位结果[7]和地壳三维 S 波 速度结构[8]显示 1997 年伽师震群主要位于麦盖提斜 坡带与喀什凹陷的过渡边界上, 这里的新生代沉积 可能超过 6000 m, 震群发生前后均未在地表发现与 地震相关的破裂[6], 而自 20 世纪 70 年代有地震记录 之后, 在 1997 年发生强震前伽师地区并未出现明显
后震源位置的水平与深度方向上的精度分别达到小 于 1.2 和 3.0 km[7]. 根据地震重定位结果, 主震震中 呈近南北走向的雁形排列, 推测走滑型主震发生在 至少两条北北西的平行破裂带上. 图 1(a)结合活动构 造调查[14]和油气勘探结果[6], 绘出伽师附近的主要断 层. 其中黑实线、点划线和虚线分别代表出露地表的 断层、隐伏断层和推测或存疑断层. 柯坪断裂为柯坪 断块和塔里木盆地间的分界线, 走向基本为东西方 向, 以 45°倾角倾向北西. 柯坪断裂以北震源机制基 本与南天山造山活动相关, 以近 EW 走向逆冲断层为 主, 1996 年阿图什 Ms6.9 地震就发生在柯坪断裂带的 哈帕雷克断层上. 柯坪断裂带南侧的塔里木盆地内, 地震机制多为 NW 走向的走滑断层或 EW 走向正断 层活动. 迈丹断裂西边的 NNW 走向的塔拉斯-费尔 干纳断裂是东、西天山的分界线, 该断裂北段(中国境 外)的右旋活动相对剧烈[15], GPS 测量显示在其南端 活动速率约有 2~3 mm/a[16], 对天山地区的地震精定 位结果也显示该断裂入境后没有明显的地震活动[17]. 在卫星影像上可见该断裂的南端(见图 1(a)该断裂虚 线开始的地方)已转向近东西方向, 表现为逆冲性质 而并没有穿过南天山的主脊线进入中国盆地[6]. 油气
收稿日期: 2007-05-09; 接受日期: 2007-12-03 国家自然科学基金项目(批准号: 40520120222, 40125011, 40521002)和美国国家基金项目(批准号: EAR-0003888)资助
摘要 自 1997 年 1 月 21 日开始, 在将近 4 个月的时间内, 位于塔里木盆地西北边缘的新疆 伽师地区发生了 7 次 Ms≥6.0 的大地震. 前人地震精定位结果显示这些地震发生在两条相邻的 破裂带上. 根据前人震源机制解和精定位结果, 计算了这 7 个大地震间库仑应力作用，还分析 了伽师震群附近的 1996 年阿图什地震对伽师地震群的影响. 计算结果显示第 4 个地震震源附 近的库仑应力受之前地震影响增加了 0.5 bar 左右, 而在第 2, 3, 5 和 6 个地震震源附近的库仑 应力均增加了约 0.8 bar. 研究表明通过改变邻区断层上库仑破裂应力状态, 1997 伽师震群中各 地震之间存在明显的应力触发作用. 而更重要的是伽师地区的正断层活动促进了雁形走滑断 层间发生地震的循环触发.
图 1 新疆伽师强震群区及相邻区域的主要构造图 335
张竹琪等: 1997 年伽师震群中相邻正断层和走滑断层之间相互应力作用
地震勘探剖面显示巴什托普北断裂可能穿过伽师震 群下方[6]. 为了更详细的反映 1997 伽师震群中各主 震间的库仑应力作用, 我们的计算区域主要集中在 图 1 中所示的黑色虚线方框内. 图 1(b)根据重定位结 果[7]给出伽师强震群震中分布略图, 可以清楚看到 7 个主震震中以雁列方式排列在至少两条 NW 向的破 裂带上, 地震最先发生在南部断裂上, 并且强震活动 很快转移至北部断裂, 然后回到南部断裂, 如此地震 活动循环迁移. 地震震源谱研究表明伽师地震 Ms≥ 6.0 震源的破裂范围约为 10~20 km, 而且地震的应力 降偏低, 约 0.1 MPa[18]. S 波速度成像研究表明伽师震 源地区处于 S 波低速带[8], 这与由 P 波波速[19]得到的 杨氏模量 E=7.2×104 MPa 偏低相一致. 利用全球数字 地震台网(GDSN)宽频带数字资料及区域台网资料反 演震源机制及破裂特征[12], 显示伽师强震群的破裂 过程相对简单, 破裂面略为方形. 综合 Harvard 大学 CMT 数据库提供的震源机制解和地震矩 M0, 我们可 以为每个震源建立一个简化的断层模型, 因为是没 有明显延展方向的小尺寸断层, 假设破裂面为正方 形, 断面内位错相同, 利用 M0 可以将平均位错值估 计出来, 各震源的断层参数见表 1. 由于对实际岩石 性质缺乏了解, 故泊松比和断层面的摩擦系数均取 常用参考值, 分别假设为 0.25 和 0.4.
中国科学 D 辑:地球科学 2008 年 第 38 卷 第 3 期: 334 ~ 342 www.scichina.com earth.scichina.com
《中国科学》杂志社
SCIENCE IN CHINA PRESS
1997 年伽师震群中相邻正断层和走滑断层之间 相互应力作用
张竹琪①, 陈永顺①*, 林间②
Байду номын сангаас
断层面 长×宽 (km×km) 11.5×11.5 11.5×11.5 13.5×13.5 12.5×12.5 16.5×16.5 20×20 18.5×18.5
滑距 /m
0.2 0.2 0.065 0.17 0.13 0.23 0.067
参考
② ① ① ① ① ② ①
a) 走向倾角和滑动角参考: ① Harvard 大学 CMT 目录, ② 单新建等[12]. 震中位置和深度参考 Zhou 等[7]; M0 数据来自 Harvard 大 学 CMT 目录; 断层面积参考 Zhou 和 Xu[18]
序号
1 2 3 4 5 6 7
震中位置 东经/(º) 北纬/(º) 震级(MS)
震源深度 /km
77.09 39.51 6.4
17
77.06 39.59 6.3
15.5
76.97 39.72 6.0
20
77.04 39.56 6.3
26.5
77.11 39.51 6.4
21
77.06 39.65 6.6
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中国科学 D 辑: 地球科学 2008 年 第 38 卷 第 3 期
为, 发生在伽师的地震震群与发生在天山褶皱带内 的地震在相当大的程度上受到同源力场的作用, 但 是断层结构以及活动方式十分不同. 根据伽师 1997~1998 年地震重定位结果, 这里可能发育多组 NW 向或 EW 向相互平行的断层, 尤其是 1997 年伽 师震群, 主震发生在至少两条呈雁形排列的 NW 向平 行破裂带上[7,13].
336
中国科学 D 辑: 地球科学 2008 年 第 38 卷 第 3 期
的伽师强震群的震源参数, 以及震区地壳岩石的弹 性属性, 我们建立了伽师震群的库仑破裂模型并对 之进行计算. 图 2 显示了计算结果. 图 2(a)~(f)的左上 角均给出了相应的接收断层的破裂机制, 源断层破 裂引起的相邻空间的应力变化张量都被映射到相应
的地震活动性[9]. 地震精定位结果还表明伽师震群主 要集中在东经 76º50′~77º10′、北纬 39º25′~39º45′窄带 状区域内. 短短 4 个月时间里, 在相对稳定的陆内盆 地中十分密集地发生 7 次 6 级以上地震比较少见.
对震区及附近地区的横波分裂研究[10]显示伽师 震区主压应立轴方向为近 NS 向, 而在类似柯坪断裂 带的盆地边缘褶皱带附近, 主压应力轴为近 EW 向. GPS 观测[11]也显示该地区地壳形变以南北向压缩为 主, 结果还显示震区内地壳应力场基本与天山造山 带相一致, 都是受印度-欧亚板块碰撞活动的控制. 根据地震机制解(Harvard CMT, 文献[12])和余震精 定位的结果[7], 推测 1997 年伽师地震主要发生在 NW 或 NE 向的断层上, 以右旋走滑或正断层倾滑机制为 主, 少数为有左旋分量的正断层破裂. 而发生在天山 褶皱带内的地震多以向南逆冲的断层为主. 可以认
23.5
77.02 39.69 6.3
18
走向 倾角 /(º) /(º)
4 50 315 75 180 80 161 78 253 43 240 37 170 66
滑动角 /(º)
−163 −177 −173
179 −36 −133 −162
地震矩 (1017 N·m)
7.74 − 3.35 7.73 10.5 20.6 6.56
从伽师强震群的震源机制上看(表 1), 地震以右 旋走滑机制为主, 同时以大约 10 km 的间隔发生有较 大正断层分量的倾滑或者正断层事件(图 1). Zhou 等[7] 通过地震重定位的结果推测伽师强震群发生在两条 呈雁形排列的走滑破裂上. 根据前人研究获得
表 1 1997 年伽师强震群震源 Ms≥6.0 参数 a)
本文主要关注在 1997 年伽师震群发生的过程中, 雁形构造中的正断层与走滑断层排列与地震引起的 震时库仑应力的变化是否起到了以及如何起到了关 键的地震相互触发作用.
1 伽师震群和震源模型
1997 年伽师地震群震发生在 1996 年 3 月 19 日 阿图什 Ms6.9 地震以南约 30 km 处(见图 1(a)). 针对 1997 年伽师地震群进行观测的 13 个区域地震台站和 3 个临时台站主要分布在地震的偏西方向和北东方向 上, 南东和南西向分别有 1~2 个区域台站分布, 周仕 勇等人加入位于震区北边的 2 个吉尔吉思斯坦地震 台的记录后, 利用主事件地震重定位方法对 1997 年 伽师震群中 Ms≥3 级的地震进行了重新定位, 重定位
通过拟合全球数字地震台网的 P 波数据, 何玉梅 等[20]反演得到 1996 年阿图什强震破裂特征, 发现这 次地震是一次具有逆倾和较小走滑分量的由西向东 的单侧破裂事件, 断层面走向为 252°, 倾角 30°, 最大 滑动尺度达 1 m. 在本文中, 根据反演的位错分布结 果, 我们将断层面分成 7×15 块方形单元, 并假设每
个小单元内部的位移大小和方向都相同.
2 地震间库仑应力作用
为了研究伽师强震群中地震对相邻发震断层的 影响, 我们应用同震时静库仑应力计算方法[21,22]计 算由地震引起的库仑应力的变化. 根据库仑破裂准 则, 当源断层发生地震, 接收断层上发生的库仑破裂 应力的变化(∆σf)可以表达为∆σf=∆τs−µ ′·∆σn, 这里 ∆τs 和∆σn 分别是接收断层上剪应力和正应力的变化, µ ′为受孔隙压力影响的有效摩擦系数, 并定义正应 力为正值时为压应力[21]. 一般认为, 当地震引起接收 断层上库仑应力的增加, 则可能促进下一次地震的 发生, 反之, 将抑制接收断层的地震活动. 20 世纪 60 年代, 有科学家考虑并计算了地震引起的应力变化 对邻近断层活动的影响, 由于地震引起的静弹性库 仑应力变化相对于产生地震所需积累的应力很小, 而且限于计算条件, 这个方法当时没有被普遍接受 和应用. 随着计算方法和计算条件的改进, 最近十多 年来, 该方法得以被广泛应用, 研究结果表明静弹性 库仑应力变化会明显影响源地震附近短期内的地震 活动 性[23]. 至于能够触发临震状态的断层上发生 地震的库仑应力增加的临界值，现在还没有定论，但 以往的研究显示大于 0.1 bar 的静库仑应力增加起到 了明显的触发作用[23].
关键词
伽师震群 正断层 走滑断层 库仑应力变化 地震触发
1997 年新疆伽师地震群发震区位于印度与欧亚 板块喜马拉雅碰撞带的西端, 帕米尔构造弧束区、南 天山褶皱带与塔里木块体 3 个构造单元的交接地带. 板块间持续的南北向会聚作用青藏高原至天山宽达 上千公里的地壳缩短, 也导致了该地区破坏性地震 的频繁发生[1~5]. 地质学研究显示, 此交接地带构造 单元主要包括塔里木西缘麦盖提斜坡带、喀什凹陷以 及天山南脉新生代造山带的依什拉克喀拉乌尔-柯坪 塔格弧形推覆构造带、木什-喀什-阿图什弧形反冲褶 皱-逆断裂带[6]. 主地震精定位结果[7]和地壳三维 S 波 速度结构[8]显示 1997 年伽师震群主要位于麦盖提斜 坡带与喀什凹陷的过渡边界上, 这里的新生代沉积 可能超过 6000 m, 震群发生前后均未在地表发现与 地震相关的破裂[6], 而自 20 世纪 70 年代有地震记录 之后, 在 1997 年发生强震前伽师地区并未出现明显
后震源位置的水平与深度方向上的精度分别达到小 于 1.2 和 3.0 km[7]. 根据地震重定位结果, 主震震中 呈近南北走向的雁形排列, 推测走滑型主震发生在 至少两条北北西的平行破裂带上. 图 1(a)结合活动构 造调查[14]和油气勘探结果[6], 绘出伽师附近的主要断 层. 其中黑实线、点划线和虚线分别代表出露地表的 断层、隐伏断层和推测或存疑断层. 柯坪断裂为柯坪 断块和塔里木盆地间的分界线, 走向基本为东西方 向, 以 45°倾角倾向北西. 柯坪断裂以北震源机制基 本与南天山造山活动相关, 以近 EW 走向逆冲断层为 主, 1996 年阿图什 Ms6.9 地震就发生在柯坪断裂带的 哈帕雷克断层上. 柯坪断裂带南侧的塔里木盆地内, 地震机制多为 NW 走向的走滑断层或 EW 走向正断 层活动. 迈丹断裂西边的 NNW 走向的塔拉斯-费尔 干纳断裂是东、西天山的分界线, 该断裂北段(中国境 外)的右旋活动相对剧烈[15], GPS 测量显示在其南端 活动速率约有 2~3 mm/a[16], 对天山地区的地震精定 位结果也显示该断裂入境后没有明显的地震活动[17]. 在卫星影像上可见该断裂的南端(见图 1(a)该断裂虚 线开始的地方)已转向近东西方向, 表现为逆冲性质 而并没有穿过南天山的主脊线进入中国盆地[6]. 油气
收稿日期: 2007-05-09; 接受日期: 2007-12-03 国家自然科学基金项目(批准号: 40520120222, 40125011, 40521002)和美国国家基金项目(批准号: EAR-0003888)资助
摘要 自 1997 年 1 月 21 日开始, 在将近 4 个月的时间内, 位于塔里木盆地西北边缘的新疆 伽师地区发生了 7 次 Ms≥6.0 的大地震. 前人地震精定位结果显示这些地震发生在两条相邻的 破裂带上. 根据前人震源机制解和精定位结果, 计算了这 7 个大地震间库仑应力作用，还分析 了伽师震群附近的 1996 年阿图什地震对伽师地震群的影响. 计算结果显示第 4 个地震震源附 近的库仑应力受之前地震影响增加了 0.5 bar 左右, 而在第 2, 3, 5 和 6 个地震震源附近的库仑 应力均增加了约 0.8 bar. 研究表明通过改变邻区断层上库仑破裂应力状态, 1997 伽师震群中各 地震之间存在明显的应力触发作用. 而更重要的是伽师地区的正断层活动促进了雁形走滑断 层间发生地震的循环触发.
图 1 新疆伽师强震群区及相邻区域的主要构造图 335
张竹琪等: 1997 年伽师震群中相邻正断层和走滑断层之间相互应力作用
地震勘探剖面显示巴什托普北断裂可能穿过伽师震 群下方[6]. 为了更详细的反映 1997 伽师震群中各主 震间的库仑应力作用, 我们的计算区域主要集中在 图 1 中所示的黑色虚线方框内. 图 1(b)根据重定位结 果[7]给出伽师强震群震中分布略图, 可以清楚看到 7 个主震震中以雁列方式排列在至少两条 NW 向的破 裂带上, 地震最先发生在南部断裂上, 并且强震活动 很快转移至北部断裂, 然后回到南部断裂, 如此地震 活动循环迁移. 地震震源谱研究表明伽师地震 Ms≥ 6.0 震源的破裂范围约为 10~20 km, 而且地震的应力 降偏低, 约 0.1 MPa[18]. S 波速度成像研究表明伽师震 源地区处于 S 波低速带[8], 这与由 P 波波速[19]得到的 杨氏模量 E=7.2×104 MPa 偏低相一致. 利用全球数字 地震台网(GDSN)宽频带数字资料及区域台网资料反 演震源机制及破裂特征[12], 显示伽师强震群的破裂 过程相对简单, 破裂面略为方形. 综合 Harvard 大学 CMT 数据库提供的震源机制解和地震矩 M0, 我们可 以为每个震源建立一个简化的断层模型, 因为是没 有明显延展方向的小尺寸断层, 假设破裂面为正方 形, 断面内位错相同, 利用 M0 可以将平均位错值估 计出来, 各震源的断层参数见表 1. 由于对实际岩石 性质缺乏了解, 故泊松比和断层面的摩擦系数均取 常用参考值, 分别假设为 0.25 和 0.4.
中国科学 D 辑:地球科学 2008 年 第 38 卷 第 3 期: 334 ~ 342 www.scichina.com earth.scichina.com
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1997 年伽师震群中相邻正断层和走滑断层之间 相互应力作用
张竹琪①, 陈永顺①*, 林间②