东昆仑活动断裂带大地震之间的黏弹性应力触发研究
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SHEN ZHENGKANG1 ,2 WAN YONGGE1 ,3 GAN WEIJUN1 ZENG YUEHUA4 REN QUN1
1 Institute of Geology , China Seismological Bureau , Beijing , 100029 , China 2 Dept of Earth and Space Sciences , University of California , Los Angeles , CA 9009521567 , USA 3 College of Disaster Prevention Technique , Yanjiao , Beijing , 101601 , China 4 Seismological Lab , University of Nevada , Reno , NV 89577 , USA
关键词 大地震 东昆仑断裂带 黏弹性 应力转移 应力触发
文章编号 0001 - 5733(2003) 06 - 0786 - 10 中图分类号 P541 收稿日期 2003 - 04 - 29 ,2003 - 08 - 03收修定稿
VISCOELASTIC TRIGGERING AMONG LARGE EARTHQUAKES ALONG THE EAST KUNL UN FAUL T SYSTEM
近年来 ,大震产生的库仑破裂应力变化对后续 中强震发生位置和时间的影响 ,成为国际地震学界 广泛关注的研究课题[4 ,5] . 越来越多的震例表明 , 大震产生的库仑破裂应力的增加明显有利于后续 中强地震的发生[6～9] . 因此 ,研究地震产生的库仑 破裂应力变化总和对后续中强地震发生位置的影 响并进而预测将来地震发生位置 ,从力学机制上为 地震危险性分析以至地震预报提供了一种具有潜 力的新途径. 如 Deng 等[7] 通过计算 1812～1995 年 发生在南加利福尼亚的中强地震在后续地震破裂 面上产生的库仑破裂应力变化总和 ,发现 95 %的 M ≥6 的地震均发生在库仑应力变化有助于断层破 裂的地区 (库仑应力增加区) ; 对 1932～1995 年间 M ≥5 的地震进行计算与统计 ,同样发现约 85 %的 地震发生在库仑应力增加区. 他们根据以上结果 对加利福尼亚未来地震危险性进行了评估. Stein 等[8] 研究了土耳其北安那托利亚断层 1939～1992 年间 10 个 M ≥6. 7 地震的应力转移情况 ,计算得 到 9 个地震在库仑破裂应力变化的“驱使”下发生 , 库仑破裂应力增加的典型值为 0. 1～1MPa ,相当于 3～30年的长期应力加载效果. Nalbant 等[9] 也研究
摘 要 对青藏高原北部东昆仑破裂带大地震之间的应力转移和断层相互作用进行研究. 考虑 1937 年以来沿此
破裂带发生的 5 个 M ≥7 的地震 :1937 年 M7. 5 花石峡地震 ,1963 年 MS7. 1 都兰地震 ,1973 年 MS7. 3 玛尼地震 ,1997 年 MW7. 5 玛尼地震和 2001 年 MW7. 8 可可西里地震 ,模拟了黏弹性成层介质中地震断层错动产生的应力演化过 程 ,并计算了在后续地震破裂面上产生的库仑破裂应力变化. 结果表明 ,前面 4 个地震均造成 2001 年可可西里地 震断层面上库仑破裂应力的增加 ,并且中地壳和下地壳的黏弹性松弛效应使得库仑破裂应力场随着时间的推移而 逐渐加强. 在计算过程中定量估计了可可西里地震发生时前面 4 个地震同震形变和黏弹性松弛导致可可西里地震 破裂面上库仑破裂应力变化之间的比值 ,发现前 3 个地震由黏弹性松弛造成的变化远远大于同震形变所造成的变 化. 可可西里地震之后应力场的模拟表明东昆仑断层中段的东大滩 - 西大滩断层段 (位于可可西里地震破裂以东 及都兰地震以西) 的库仑破裂应力显著增加 ,变化值达 0. 05～0. 1 MPa ,预示这一地区地震危险性的增加.
viscoelastic relaxation gradually enhanced the Coulomb failure stress field as time elapsed. By evaluating the Coulomb failure stress changes produced by the coseismic rupture and viscoelastic relaxation of the 4 preceding large earthquakes , we find that the Coulomb failure stress changes produced by the viscoelastic relaxation are much more significant than that produced by the coseismic deformation in 3 of the 4 earthquakes. The stress field simulation indicates that after the Kokoxili earthquake the Coulomb failure stress in the Xidatan2Dongda2 tan segment (between the Kokoxili and Dulan segments) of the East Kunlun fault is increased as much as 0. 05 ～0. 10 MPa , implying increased probability of seismic hazard in this region. Key words Large earthquakes , East Kunlun fault system , Viscoelasticity , Stress transfer , Stress triggering.
1 引 言
2001 年 11 月 14 日 MS8. 1 ( MW7. 8) 可可西里 (又名库赛湖 、昆仑山和昆仑山口西) 地震发生于青 藏高 原 北 部 东 昆 仑 断 裂 带 , 是 1920 年 宁 夏 海 原 M 8. 5地震后发生在中国大陆震级最大的地震事 件[1] . 在该地震之前的近 70 年间 ,东昆仑断裂带上 还发生了 4 次 M ≥7. 0 的强震 ,依次为 1937 年花石 峡 M7. 5 地震 、1963 年都兰 MS7. 0 地震 、1973 年玛 尼 MS7. 3[2] 和 1997 年玛尼 MW7. 5 地震[3] . 这一系 列在不太长时期内发生于同一活动断裂带的大震事 件 ,为我们探讨大陆内部强震间的应力触发作用提 供了理想的实例.
基金项目 国家基础研究重大项目前期研究专项 (2002CCA04500) 和国家自然科学基金 (401wk.baidu.com4019) . 作者简介 沈正康 ,男 ,1953 年生 ,研究员. 1990 年获美国加州大学洛杉矶分校地球物理博士学位. 主要从事卫星大地测量 、地震学和地球动
力学方面研究. E2mail : zshen @ies. ac. cn
在地震应力触发研究中 ,传统方法主要基于弹 性介质模型[10] , 因此所得结果为应力场的弹性响 应. 模拟地震活动时 ,在主震刚结束时的短期时段 内 ,仅考虑应力场的弹性响应或许是一种较好的近 似. 但在 100 ～102 a 的时间尺度上 ,地震后黏弹性松 弛造成的长期应力场变化是不容忽视的. 这种黏弹 性松弛是由脆性地壳岩层和下伏的黏弹性软流层的 耦合产生的[11 ,12] . Pollitz[13] 的研究表明 ,在断层邻近 地区同震应变要比震后应变大 ;但在几倍于弹性岩 层厚度的更大距离内 ,在 1 至数倍特征时间常数的 时间范围内 ,震后应变一般比同震应变大得多. 例 如 ,有关研究表明 ,1995 年日本神户 M7. 0 地震就因 神户南部几百公里外的南海海沟 1944 年和 1946 年 两次 8 级大地震的应力扩散而明显提前[14] . Ben2 Zion等[15] 运用黏弹性模型也得出发生在圣安德烈斯 断层上的 1857 年 Fort Tejon 地震对 Parkfield 地震的 发震时间有调制作用. 特别令人注意的是 ,1999 年 南加州 Hector Mine MW7. 1 地震距 1992 年 Landers MW7. 3 地震震中仅约 20km ,并且有 7 年的时间间 隔. 如此之近的距离显然使人们很难怀疑它们之间 的相关性. USGS 的科学家们[16] 运用 Wald 等[17] 给出 的震源模型和弹性半空间地壳模型 ,计算了 Landers 地震在 Hector Mine 震中产生的静态库仑破裂应力 变化. 虽然得到的正应力变化使得 Hector Mine 地震 断层解锁 ,但库仑破裂应力变化为负 ,也就是说 ,同 震应力变化自身并不能满意地解释 Landers 地震对 Hector Mine 地震的触发作用. Freed 等[18] 和 Zeng[19]
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
6 期 沈正康等 :东昆仑活动断裂带大地震之间的黏弹性应力触发研究
787
第 46 卷 第 6 期
地球物理学报
Vol. 46 , No. 6
2003 年 11 月
CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICS
Nov. , 2 0 0 3
东昆仑活动断裂带大地震之间的黏弹性 应力触发研究
沈正康1 ,2 万永革1 ,3 甘卫军1 曾跃华4 任 群1
1 中国地震局地质研究所 ,北京 100029 2 Dept of Earth and Space Sciences ,University of California , Los Angeles , CA 9009521567 , USA 3 中国地震局防灾技术高等专科学校 ,北京 101601 4 Seismological Lab , University of Nevada , Reno , NV 89577 , USA
了土耳其西北地区和北爱琴海地区的 29 个 MS ≥6 的地震 ,发现 16 个地震与前期地震产生的库仑破 裂应力变化有关 ,并判定 Izmit 为未来可能发生地 震的地区 ,结果大地震果然于 1999 年在该地区发 生. Papadimitriou 等[6] 研究了北爱琴海地区地震及 长期构造加载产生的库仑破裂应力变化 ,发现所有 地震均发生在库仑破裂应力增加区 ,并据此预测了 未来 20 年地震发生的可能位置.
Abstract We study the stress transfer and triggering of large earthquakes along the East Kunlun fault system , northern Tibet . Five M ≥7 earthquakes occurred along the fault zone during the past 70 years are considered : the M7. 5 Huashi Canyon earthquake , the 1963 MS 7. 1 Dulan earthquake , the 1973 MS7. 3 Manyi earth2 quake , the 1997 MS7. 5 Manyi earthquake , and the 2001 MW7. 8 Kokoxili earthquake. We simulate the stress evolution process produced by seismic dislocations in layered viscoelastic media , and calculate the Coulomb failure stress change on the fault plane of each subsequent earthquake. The result shows that the Coulomb fail2 ure stress on the fault plane of the Kokoxili earthquake was increased by the previous 4 earthquakes , and the
1 Institute of Geology , China Seismological Bureau , Beijing , 100029 , China 2 Dept of Earth and Space Sciences , University of California , Los Angeles , CA 9009521567 , USA 3 College of Disaster Prevention Technique , Yanjiao , Beijing , 101601 , China 4 Seismological Lab , University of Nevada , Reno , NV 89577 , USA
关键词 大地震 东昆仑断裂带 黏弹性 应力转移 应力触发
文章编号 0001 - 5733(2003) 06 - 0786 - 10 中图分类号 P541 收稿日期 2003 - 04 - 29 ,2003 - 08 - 03收修定稿
VISCOELASTIC TRIGGERING AMONG LARGE EARTHQUAKES ALONG THE EAST KUNL UN FAUL T SYSTEM
近年来 ,大震产生的库仑破裂应力变化对后续 中强震发生位置和时间的影响 ,成为国际地震学界 广泛关注的研究课题[4 ,5] . 越来越多的震例表明 , 大震产生的库仑破裂应力的增加明显有利于后续 中强地震的发生[6～9] . 因此 ,研究地震产生的库仑 破裂应力变化总和对后续中强地震发生位置的影 响并进而预测将来地震发生位置 ,从力学机制上为 地震危险性分析以至地震预报提供了一种具有潜 力的新途径. 如 Deng 等[7] 通过计算 1812～1995 年 发生在南加利福尼亚的中强地震在后续地震破裂 面上产生的库仑破裂应力变化总和 ,发现 95 %的 M ≥6 的地震均发生在库仑应力变化有助于断层破 裂的地区 (库仑应力增加区) ; 对 1932～1995 年间 M ≥5 的地震进行计算与统计 ,同样发现约 85 %的 地震发生在库仑应力增加区. 他们根据以上结果 对加利福尼亚未来地震危险性进行了评估. Stein 等[8] 研究了土耳其北安那托利亚断层 1939～1992 年间 10 个 M ≥6. 7 地震的应力转移情况 ,计算得 到 9 个地震在库仑破裂应力变化的“驱使”下发生 , 库仑破裂应力增加的典型值为 0. 1～1MPa ,相当于 3～30年的长期应力加载效果. Nalbant 等[9] 也研究
摘 要 对青藏高原北部东昆仑破裂带大地震之间的应力转移和断层相互作用进行研究. 考虑 1937 年以来沿此
破裂带发生的 5 个 M ≥7 的地震 :1937 年 M7. 5 花石峡地震 ,1963 年 MS7. 1 都兰地震 ,1973 年 MS7. 3 玛尼地震 ,1997 年 MW7. 5 玛尼地震和 2001 年 MW7. 8 可可西里地震 ,模拟了黏弹性成层介质中地震断层错动产生的应力演化过 程 ,并计算了在后续地震破裂面上产生的库仑破裂应力变化. 结果表明 ,前面 4 个地震均造成 2001 年可可西里地 震断层面上库仑破裂应力的增加 ,并且中地壳和下地壳的黏弹性松弛效应使得库仑破裂应力场随着时间的推移而 逐渐加强. 在计算过程中定量估计了可可西里地震发生时前面 4 个地震同震形变和黏弹性松弛导致可可西里地震 破裂面上库仑破裂应力变化之间的比值 ,发现前 3 个地震由黏弹性松弛造成的变化远远大于同震形变所造成的变 化. 可可西里地震之后应力场的模拟表明东昆仑断层中段的东大滩 - 西大滩断层段 (位于可可西里地震破裂以东 及都兰地震以西) 的库仑破裂应力显著增加 ,变化值达 0. 05～0. 1 MPa ,预示这一地区地震危险性的增加.
viscoelastic relaxation gradually enhanced the Coulomb failure stress field as time elapsed. By evaluating the Coulomb failure stress changes produced by the coseismic rupture and viscoelastic relaxation of the 4 preceding large earthquakes , we find that the Coulomb failure stress changes produced by the viscoelastic relaxation are much more significant than that produced by the coseismic deformation in 3 of the 4 earthquakes. The stress field simulation indicates that after the Kokoxili earthquake the Coulomb failure stress in the Xidatan2Dongda2 tan segment (between the Kokoxili and Dulan segments) of the East Kunlun fault is increased as much as 0. 05 ～0. 10 MPa , implying increased probability of seismic hazard in this region. Key words Large earthquakes , East Kunlun fault system , Viscoelasticity , Stress transfer , Stress triggering.
1 引 言
2001 年 11 月 14 日 MS8. 1 ( MW7. 8) 可可西里 (又名库赛湖 、昆仑山和昆仑山口西) 地震发生于青 藏高 原 北 部 东 昆 仑 断 裂 带 , 是 1920 年 宁 夏 海 原 M 8. 5地震后发生在中国大陆震级最大的地震事 件[1] . 在该地震之前的近 70 年间 ,东昆仑断裂带上 还发生了 4 次 M ≥7. 0 的强震 ,依次为 1937 年花石 峡 M7. 5 地震 、1963 年都兰 MS7. 0 地震 、1973 年玛 尼 MS7. 3[2] 和 1997 年玛尼 MW7. 5 地震[3] . 这一系 列在不太长时期内发生于同一活动断裂带的大震事 件 ,为我们探讨大陆内部强震间的应力触发作用提 供了理想的实例.
基金项目 国家基础研究重大项目前期研究专项 (2002CCA04500) 和国家自然科学基金 (401wk.baidu.com4019) . 作者简介 沈正康 ,男 ,1953 年生 ,研究员. 1990 年获美国加州大学洛杉矶分校地球物理博士学位. 主要从事卫星大地测量 、地震学和地球动
力学方面研究. E2mail : zshen @ies. ac. cn
在地震应力触发研究中 ,传统方法主要基于弹 性介质模型[10] , 因此所得结果为应力场的弹性响 应. 模拟地震活动时 ,在主震刚结束时的短期时段 内 ,仅考虑应力场的弹性响应或许是一种较好的近 似. 但在 100 ～102 a 的时间尺度上 ,地震后黏弹性松 弛造成的长期应力场变化是不容忽视的. 这种黏弹 性松弛是由脆性地壳岩层和下伏的黏弹性软流层的 耦合产生的[11 ,12] . Pollitz[13] 的研究表明 ,在断层邻近 地区同震应变要比震后应变大 ;但在几倍于弹性岩 层厚度的更大距离内 ,在 1 至数倍特征时间常数的 时间范围内 ,震后应变一般比同震应变大得多. 例 如 ,有关研究表明 ,1995 年日本神户 M7. 0 地震就因 神户南部几百公里外的南海海沟 1944 年和 1946 年 两次 8 级大地震的应力扩散而明显提前[14] . Ben2 Zion等[15] 运用黏弹性模型也得出发生在圣安德烈斯 断层上的 1857 年 Fort Tejon 地震对 Parkfield 地震的 发震时间有调制作用. 特别令人注意的是 ,1999 年 南加州 Hector Mine MW7. 1 地震距 1992 年 Landers MW7. 3 地震震中仅约 20km ,并且有 7 年的时间间 隔. 如此之近的距离显然使人们很难怀疑它们之间 的相关性. USGS 的科学家们[16] 运用 Wald 等[17] 给出 的震源模型和弹性半空间地壳模型 ,计算了 Landers 地震在 Hector Mine 震中产生的静态库仑破裂应力 变化. 虽然得到的正应力变化使得 Hector Mine 地震 断层解锁 ,但库仑破裂应力变化为负 ,也就是说 ,同 震应力变化自身并不能满意地解释 Landers 地震对 Hector Mine 地震的触发作用. Freed 等[18] 和 Zeng[19]
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
6 期 沈正康等 :东昆仑活动断裂带大地震之间的黏弹性应力触发研究
787
第 46 卷 第 6 期
地球物理学报
Vol. 46 , No. 6
2003 年 11 月
CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICS
Nov. , 2 0 0 3
东昆仑活动断裂带大地震之间的黏弹性 应力触发研究
沈正康1 ,2 万永革1 ,3 甘卫军1 曾跃华4 任 群1
1 中国地震局地质研究所 ,北京 100029 2 Dept of Earth and Space Sciences ,University of California , Los Angeles , CA 9009521567 , USA 3 中国地震局防灾技术高等专科学校 ,北京 101601 4 Seismological Lab , University of Nevada , Reno , NV 89577 , USA
了土耳其西北地区和北爱琴海地区的 29 个 MS ≥6 的地震 ,发现 16 个地震与前期地震产生的库仑破 裂应力变化有关 ,并判定 Izmit 为未来可能发生地 震的地区 ,结果大地震果然于 1999 年在该地区发 生. Papadimitriou 等[6] 研究了北爱琴海地区地震及 长期构造加载产生的库仑破裂应力变化 ,发现所有 地震均发生在库仑破裂应力增加区 ,并据此预测了 未来 20 年地震发生的可能位置.
Abstract We study the stress transfer and triggering of large earthquakes along the East Kunlun fault system , northern Tibet . Five M ≥7 earthquakes occurred along the fault zone during the past 70 years are considered : the M7. 5 Huashi Canyon earthquake , the 1963 MS 7. 1 Dulan earthquake , the 1973 MS7. 3 Manyi earth2 quake , the 1997 MS7. 5 Manyi earthquake , and the 2001 MW7. 8 Kokoxili earthquake. We simulate the stress evolution process produced by seismic dislocations in layered viscoelastic media , and calculate the Coulomb failure stress change on the fault plane of each subsequent earthquake. The result shows that the Coulomb fail2 ure stress on the fault plane of the Kokoxili earthquake was increased by the previous 4 earthquakes , and the