王 俊,孫業(yè)君,詹小艷,霍祝青,阮 祥,鄭江蓉
(1.江蘇省地震局,南京 210014;2.四川省地震局,成都 610041)
2005年江西九江—瑞昌MS5.7地震破裂參數(shù)及余震靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)研究*
王 俊1,孫業(yè)君1,詹小艷1,霍祝青1,阮 祥2,鄭江蓉2
(1.江蘇省地震局,南京 210014;2.四川省地震局,成都 610041)
根據(jù)地震破裂過程中的多普勒效應(yīng),利用多臺(tái)波譜參數(shù)推算九江—瑞昌MS5.7地震的震源破裂參數(shù),得到主震的破裂方位角φ0≈319.6°,破裂速度約為 2.3 km/s,用最小二乘法擬合的相關(guān)系數(shù)極值約為 0.80。在此基礎(chǔ)上,分別計(jì)算了主震在 4.8級(jí)強(qiáng)余震的兩個(gè)節(jié)面上的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化量,結(jié)果顯示:主震在 4.8級(jí)余震節(jié)面Ⅰ、Ⅱ上的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化均為正值,分別為 0.48 MPa和 0.02 MPa。主震在節(jié)面Ⅰ、Ⅱ上產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖應(yīng)力的變化十分接近。應(yīng)力增加的區(qū)域主要位于主震斷層的右側(cè),應(yīng)力減小的區(qū)域主要分布在震中南部。統(tǒng)計(jì)顯示:絕大部分余震均發(fā)生在靜態(tài)庫侖應(yīng)力增加的區(qū)域內(nèi),尤其是在節(jié)面Ⅰ上,表明主震破裂產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化對(duì) 4.8級(jí)余震的發(fā)生有重要的觸發(fā)作用,同時(shí)也有利于大多數(shù)余震的發(fā)生。
九江—瑞昌MS5.7地震;震源破裂參數(shù);靜態(tài)庫侖應(yīng)力;余震觸發(fā)
測(cè)定地震震源的破裂參數(shù)是震源機(jī)制研究的重要內(nèi)容之一。對(duì)于中強(qiáng)地震,可以綜合震源機(jī)制解、余震的分布以及地表破裂帶等來推測(cè)其破裂參數(shù)。對(duì)于中小地震主破裂面的確定則比較困難,但國內(nèi)外均有研究。Frankel等(1986)利用震源時(shí)間函數(shù)的方向性變化,來確定美國南加州地區(qū)ML3.0地震的破裂面;Badawy和 Abbdel-Fattah(2001)、Abbdel-Fattah(2003)根據(jù)震源時(shí)間函數(shù)寬度和強(qiáng)度的方向性來確定中小震源的破裂方向;陳學(xué)忠等(2005)根據(jù)地震多普勒效應(yīng)及單側(cè)破裂模型,利用最小二乘法確定了 1995年河北沙城ML4.1地震的破裂參數(shù)。
震源破裂參數(shù)的計(jì)算只能反應(yīng)單個(gè)地震的具體破裂過程。然而,主震破裂與后續(xù)余震之間是怎樣的一種關(guān)系,它們以何種方式相互作用?這是當(dāng)前地震學(xué)界比較關(guān)注的問題之一。諸多的觀測(cè)和研究結(jié)果均表明地震應(yīng)力觸發(fā)的存在,其互相影響的機(jī)制之一就是應(yīng)力的相互作用(Reasenberg,S impson,1992;Kinget al,1994)。Harris(1998)認(rèn)為斷層永久位移產(chǎn)生的靜態(tài)應(yīng)力變化,可以改變附近斷層上發(fā)生地震的可能性,或可說觸發(fā)地震。近年來,有學(xué)者曾對(duì)國內(nèi)幾次強(qiáng)烈地震及其余震的庫侖應(yīng)力觸發(fā)問題進(jìn)行過詳細(xì)的研究(劉桂萍,傅征祥,2000;萬永革等,2002)。
2005年11月 26日發(fā)生在江西九江—瑞昌的MS5.7地震,是華東、華中地區(qū)近 30年來最強(qiáng)烈的一次地震。該次地震后還發(fā)生了大量的余震,其中最大的一次余震為 4.8級(jí),對(duì)瑞昌市和九江縣造成了嚴(yán)重的毀壞和人員傷亡。江西屬于地震活動(dòng)比較弱的地區(qū),歷史上很少發(fā)生破壞性地震。本次地震發(fā)生后,眾多學(xué)者對(duì)其發(fā)震構(gòu)造的認(rèn)定一直存在不同的觀點(diǎn)。因此,為了能對(duì)此次地震的破裂過程及其對(duì)后續(xù)余震的影響有較為清楚的認(rèn)識(shí),筆者首先根據(jù)地震多普勒效應(yīng),利用多臺(tái)的波譜參數(shù)推算主震的震源破裂參數(shù),并進(jìn)一步探討其余震的靜態(tài)庫侖應(yīng)力觸發(fā)問題,尤其是對(duì)4.8級(jí)余震的觸發(fā)作用。
由于地震破裂時(shí)所產(chǎn)生的地震波頻率存在方位變化,從而引起拐角頻率的方向性,因而可以利用 P波或 S波拐角頻率的方向性變化來確定地震破裂面(Badawy,Abbdel-Fattah,2001;Abdel-Fattah,2003)。在一維有限移動(dòng)震源模型下,單側(cè)破裂的震源斷層產(chǎn)生的地震波遠(yuǎn)場(chǎng)位移譜可表示為(徐果明,周惠蘭,1982)
式中,M0是地震矩;?是輻射因子;G(ω)是震源時(shí)間函數(shù)的頻譜;c是地震波傳播速度;v是破裂傳播速度;L是斷層長(zhǎng)度;θ=φ0-φ,φ為臺(tái)站方位角;φ0為破裂方位角。
當(dāng)震源時(shí)間函數(shù)為階躍函數(shù) H(t)、ω=ω0時(shí),地震波遠(yuǎn)場(chǎng)輻射譜為零(即 1/X=1),則有
若令 ω0=2πf0,T0=1/f0,a=L/2v,b=L/2c,則有
式中 ,b1=bcosφ0,b2=bsinφ0。于是根據(jù)(4)式,當(dāng)已知 n個(gè)臺(tái)站的拐角頻率及其方位角φ時(shí),可以采用最小二乘法來求得系數(shù) a,b1和 b2(陳學(xué)忠等,2005)。最后再依據(jù)(5)、(6)式分別求出斷層破裂方位角φ0和地震馬赫數(shù),即破裂速度與波速的比值(陳學(xué)忠等,2005;)
具體的破裂方位角根據(jù) b1、b2的關(guān)系來確定,見表 1。
表1 破裂方位角與 b1、b2的關(guān)系表Tab.1 Relation be tween facture azimuth andb1,b2
計(jì)算震源譜的拐角頻率前,首先將各個(gè)臺(tái)站記錄的垂直向 P波段數(shù)字波形扣除儀器響應(yīng),并經(jīng)傅立葉變換得到速度譜,然后除以 2πf得到位移譜,表示為
式中,Oij(f)為震源譜;Gj(f)為場(chǎng)地響應(yīng);Pij(f)為地震波衰減項(xiàng),包括幾何衰減和非彈性衰減。Nakamura(1989)認(rèn)為垂直向 P波的場(chǎng)地響應(yīng)基本上不被放大,因此本文計(jì)算中未扣除。幾何衰減采用線性幾何衰減模型;九江—瑞昌震源區(qū)的非彈性衰減系數(shù),采用呂堅(jiān)等(2006)根據(jù)單次散射模型擬合得到的值 Q(f)=(77.5±15.6)f0.96。
根據(jù)上述結(jié)果對(duì)各臺(tái)站的位移譜進(jìn)行傳播路徑的校正后,得到相應(yīng)的震源譜,并采用通過遺傳算法求出的拐角頻率值 f0(劉杰等,2003)。
對(duì) 2005年11月 26日江西九江—瑞昌 MS5.7地震進(jìn)行精定位得到震中位置為 29.69°N,115.74°E,震源深度為 10.8 km(呂堅(jiān)等,2008)。江西地震臺(tái)網(wǎng)、安徽地震臺(tái)網(wǎng)和國家地震臺(tái)網(wǎng)均完整地記錄到此次地震。為了能真實(shí)地反映出震源譜在各個(gè)方位上的差異,從而提高擬合計(jì)算的精確度,要求震中周圍臺(tái)站分布要均勻。因此,筆者從上述 3個(gè)臺(tái)網(wǎng)選取 10個(gè)臺(tái)站的垂直向記錄資料(表 2,圖 1),如圖 1a所示,所選臺(tái)站基本均勻分布在震中四周,震中距平均約為 185 km。其中,江西、安徽及國家臺(tái)網(wǎng)采用的地震計(jì)類型分別為 FBS-3B、KS-2000、VBB,數(shù)據(jù)采集器的采樣率均為 50 Hz。
表2 臺(tái)站基本要素及震源譜拐角頻率表Tab.2 Seismic station's basic parameter and corner frequency of source spectrum
MS5.7主震的震源區(qū)位于秦嶺—大別山造山帶與郯城—廬江斷裂帶的延伸匯聚部位,微觀震中位于瑞昌盆地內(nèi),震區(qū)附近有多條斷裂發(fā)育(圖1b)。大地構(gòu)造上,處于桐柏—大別塊隆、揚(yáng)子板塊中段的下?lián)P子隆陷帶與江南塊隆 3個(gè)二級(jí)單元的匯聚帶,構(gòu)造背景十分特殊(王椿鏞等,1997)。區(qū)域構(gòu)造環(huán)境表明震源區(qū)經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng),應(yīng)力場(chǎng)特征為近 EW向擠壓,近 NS向拉張,在新構(gòu)造上位于幕阜山—九嶺山斷塊隆起區(qū)與潘陽湖—安慶斷陷區(qū)的接壤部位;新構(gòu)造期以來,該區(qū)域以差異隆升運(yùn)動(dòng)為主(李傳友等,2008)。
根據(jù)(7)式求出各臺(tái)站震源譜的拐角頻率(表 2),并采用最小二乘法擬合求得(4)式中的系數(shù),分別為 a≈ 1.914 6、b1≈ 0.725,b2≈-0.241 9。最后由(5)式及表 1中的關(guān)系式可得破裂方位角 φ0≈ 319.6°,為 NWW 向破裂。由(6)式可計(jì)算出地震馬赫數(shù),它反映了地震破裂時(shí)破裂速度與 P波速度的關(guān)系,其值為 0.353。根據(jù)震區(qū)地殼模型(楊中書,曾文敬,2007),地殼厚度在10 km左右處的 P波波速約為 6.50 km/s,則可得破裂速度約為 2.3 km/s。(4)式中 T0與cosθ的線性相關(guān)系數(shù)會(huì)隨破裂方位角φ0的取值而變化,利用最小二乘法擬合時(shí),應(yīng)取極小值(陳學(xué)忠等,2005)。圖 2中箭頭所指處為相關(guān)系數(shù)達(dá)到極小值,表示φ0值的擬合結(jié)果在此處達(dá)到最佳。相關(guān)系數(shù)極值的數(shù)值大小是反映擬合的線性趨勢(shì)和離散狀況的,本文的擬合結(jié)果數(shù)值約為 0.80,表明此次擬合結(jié)果的離散狀況較小,具有很好的線性趨勢(shì)。
圖1 MS5.7主震與記錄臺(tái)站分布圖(a)和震源區(qū)(圖 1a中方框內(nèi)區(qū)域)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖(b)Fig.1 Distribution of theMS5.7 earthquake and recording stations(a)and focal area's(in the box of fig.1 a)geological structure diagram(b)
呂堅(jiān)等(2008)采用 CAP方法反演得到此次主震的震源機(jī)制解,并認(rèn)為NW向的洋雞山—武山—通江嶺斷裂(F5)可能是此次地震的發(fā)震構(gòu)造。節(jié)面 Ⅰ:走向 223°,傾角 75°,滑動(dòng)角 144°;節(jié)面Ⅱ:走向 324°,傾角 55°,滑動(dòng)角 18°??梢钥闯龉?jié)面Ⅱ的走向與本文計(jì)算的破裂方位角結(jié)果十分接近,相差僅約為 5°左右。此外,楊中書和曾文敬(2007)對(duì)ML≥1.0余震精定位的結(jié)果顯示,余震在NW向具有整體的優(yōu)勢(shì)分布特征。因此,綜合認(rèn)為此次主震很可能是以約 2.3 km/s的速度沿NWW向破裂。
圖2 擬合相關(guān)系數(shù)隨破裂方位角的變化Fig.2 Variation of the fitted correlation coefficient with the rupture azimuth
在計(jì)算斷層的破裂長(zhǎng)度時(shí)分別根據(jù)公式:MS=3.54+2.08lgL(環(huán)文林等,1990)和 MS=3.96+2.0lgL(陳培善,白彤霞,1991)。結(jié)果分別為L(zhǎng)≈9.6 km和 7.4 km,筆者取兩次計(jì)算的平均值8.5 km為此次主震的斷層破裂長(zhǎng)度。
斷層的破裂長(zhǎng)度 L、寬度W和平均位錯(cuò) D存在相似性,ε=D/L是平均線應(yīng)變,W/L為斷層面寬長(zhǎng)比,均可視為常數(shù),取(W/L)=0.23,ε=2.82×10-5(丁國瑜等,1993)。于是可求得斷層的破裂寬度W≈2.0 km、平均位錯(cuò) D≈0.24 m。綜上所述,得到此次主震震源的相關(guān)破裂參數(shù),見表3。
表3 主震震源的破裂參數(shù)Tab.3 Rupture parameters of the main earthquake source
當(dāng)一條斷層上發(fā)生強(qiáng)震并引起地表同震位錯(cuò)后,會(huì)在周圍彈性介質(zhì)中引起應(yīng)力變化(Okada,1992)。根據(jù)庫侖破裂準(zhǔn)則,假定內(nèi)摩擦系數(shù)和內(nèi)聚力強(qiáng)度或接觸面固有剪切強(qiáng)度 S是不隨時(shí)間變化的常數(shù),則定義庫侖破裂應(yīng)力的變化為(Reasenberg,Simpson,1992;Harris,1998):
式中,Δ τ是斷面滑動(dòng)方向上的剪應(yīng)力變化;Δ σ是斷面上正應(yīng)力的變化;μ′是接受點(diǎn)斷層面介質(zhì)的視摩擦系數(shù),μ′=μ (1-β);β是 Skempton系數(shù),其理論值范圍為 0~1.0。μ′值對(duì)庫侖破裂應(yīng)力變化的空間分布影響不大,但對(duì)應(yīng)力變化的大小有一定影響。本文參照 King等(1994)的做法,取μ′=0.4,切變模量取 3.0×1010Pa,泊松比取0.25。
根據(jù)Okada(1992)給出的公式先計(jì)算出斷層面破裂后周圍空間中任意一點(diǎn)的應(yīng)力,然后再計(jì)算周圍余震斷面上的庫侖破裂應(yīng)力變化Δ σf。若Δ σf>0表示斷面上被加載應(yīng)力(應(yīng)力加大),即前面地震產(chǎn)生的應(yīng)力變化促使斷層破裂,則有利于后續(xù)地震的發(fā)生;Δ σf<0表示被卸載(即應(yīng)力松弛),則斷層破裂被抑制,發(fā)生地震的可能性就降低。
根據(jù)庫侖破裂準(zhǔn)則,正靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化具有加速斷層滑動(dòng)破裂的作用,從而增加余震發(fā)生的可能性(Harris,1998)。King等(1994)、Hardebeck等(1998)研究表明,0.01 MPa以上的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化能夠影響余震的空間分布。
從 MS5.7主震發(fā)生后到 2006年1月 31日,江西地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的余震總數(shù)超過 1 750次,其中在當(dāng)日 12時(shí) 55分發(fā)生的 4.8級(jí)余震,是最大余震,并且其震源機(jī)制解與主震不完全一致(表 4)(呂堅(jiān)等,2008)。目前,依據(jù)現(xiàn)有資料無法準(zhǔn)確認(rèn)定余震震源機(jī)制解中哪一節(jié)面為震源的斷層面。因此筆者根據(jù)(8)式和表 3中的震源斷層模型,分別計(jì)算了主震在余震兩個(gè)節(jié)面上產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力變化。結(jié)果顯示:在兩個(gè)節(jié)面上產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力變化分布情況十分接近,但又不完全一致(圖 3),這是因?yàn)檎鹪礄C(jī)制解中的兩個(gè)節(jié)面是正交的。正靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化大于 0.02 MPa的區(qū)域主要分布在斷層的右側(cè),沿NW向展布;負(fù)靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化的區(qū)域主要分布在主震震中南部區(qū)域內(nèi)。兩節(jié)面上的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化的主要區(qū)別是,節(jié)面Ⅱ上位于主震西南區(qū)域的應(yīng)力增加值高于節(jié)面Ⅰ上的值。4.8級(jí)余震震源節(jié)面Ⅰ、節(jié)面Ⅱ上的庫侖破裂應(yīng)力變化均為正值,分別約為 0.48 MPa和0.02 MPa。這表明主震破裂產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化對(duì) 4.8級(jí)余震有觸發(fā)作用,是此次余震發(fā)生的重要原因。
表4 4.8級(jí)余震破裂面上庫侖破裂應(yīng)力變化Tab.4 Variation of Coulomb failure stress on rupture surfaces ofMS4.8 aftershock
圖3 主震在 4.8級(jí)余震節(jié)面Ⅰ(a)和節(jié)面Ⅱ(b)上產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力變化Fig.3 Changes of static coulomb stress on nodalⅠ(a)and nodalⅡ(b)ofMS4.8 aftershock
從圖 3可看出,震源區(qū)(29.60°~29.80°N,115.65°~115.85°E)內(nèi) 139個(gè) ML≥1.5余震的精定位結(jié)果顯示,大部分余震均分布在正靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力變化的區(qū)域內(nèi);分別約有 92%和 78%的余震分布在節(jié)面Ⅰ和節(jié)面Ⅱ上的靜態(tài)庫侖應(yīng)力增加區(qū)域內(nèi)。同時(shí),對(duì)比圖 1b還發(fā)現(xiàn)震源區(qū)內(nèi) NE向丁家山—桂林橋—武寧斷裂(F2)北段和丁家山—獅子島斷裂(F6)北段均處在正靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化區(qū)域內(nèi),表明它們受到了應(yīng)力增加作用,有利于余震的發(fā)生。
負(fù)靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化具有延緩斷層破裂的作用,還可能使斷層上的應(yīng)力減小,延緩余震的發(fā)生。震中南部的負(fù)靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化區(qū)域內(nèi)有劉家—范家鋪—城門山斷裂(F1)橫穿,從圖 3可以看到只有少數(shù)余震分布在該區(qū)域內(nèi)。
筆者首先根據(jù)地震破裂過程中的多普勒效應(yīng),利用多臺(tái)的波譜參數(shù)推算了九江—瑞昌 MS5.7地震的震源破裂參數(shù),得到主震的破裂方位角φ≈319.6°,破裂速度約為 2.3 km/s。擬合的相關(guān)系數(shù)極小值約為 0.80,表現(xiàn)出很好的線性趨勢(shì)。得到的結(jié)果與前人對(duì)震源機(jī)制解和余震精定位的研究結(jié)果具有一致性(楊中書,曾文敬,2007;呂堅(jiān)等,2008),表明在震中周圍數(shù)字臺(tái)站分布均勻合理時(shí),運(yùn)用該方法來推算地震的主破裂面是有意義的。但需要說明的是筆者在計(jì)算中假定了震源時(shí)間函數(shù)為階躍函數(shù),模型的簡(jiǎn)化有可能會(huì)造成計(jì)算結(jié)果的一些誤差。
為了探討主震對(duì)其余震的靜態(tài)庫侖應(yīng)力觸發(fā)問題,尤其是對(duì) 4.8級(jí)余震的觸發(fā)作用,筆者分別計(jì)算主震在 4.8級(jí)余震兩個(gè)節(jié)面上的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化。結(jié)果顯示:4.8級(jí)余震處在靜態(tài)庫侖應(yīng)力增加區(qū)域內(nèi),兩個(gè)節(jié)面上的應(yīng)力增加分別為 0.48 MPa和 0.02 MPa。主震在節(jié)面Ⅰ、Ⅱ上產(chǎn)生的靜態(tài)庫侖應(yīng)力的變化十分接近,應(yīng)力增加的區(qū)域主要位于主震斷層的右側(cè),應(yīng)力減小的區(qū)域主要分布在震中南部。統(tǒng)計(jì)顯示絕大部分余震均發(fā)生在靜態(tài)庫侖應(yīng)力增加的區(qū)域內(nèi),尤其是在節(jié)面Ⅰ上,這表明主震破裂產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化對(duì) 4.8級(jí)余震的發(fā)生有重要的觸發(fā)作用,同時(shí)也有利于大多數(shù)余震的發(fā)生。
由圖 3還可看出,靜態(tài)庫侖破裂應(yīng)力的變化隨距離的增加衰減很快,因此影響范圍與破裂尺度有很大的相關(guān)性。大多數(shù)余震以及 4.8級(jí)余震與主震的距離均未超過主震的 1個(gè)破裂尺度:8.5 km,這與劉強(qiáng)等(2007)對(duì)寧洱 6.4級(jí)地震強(qiáng)余震庫侖破裂應(yīng)力觸發(fā)的研究結(jié)果相似。
本文計(jì)算所需的波形數(shù)據(jù)由江西省地震局呂堅(jiān)提供,在此表示感謝。
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Investigation on Rupture Parameters of the 2005 MS5.7 Jiujiang-Ruichang,Jiangxi Earthquake and Static Stress Triggering of Its Aftershocks
WANG Jun1,SUN Ye-jun1,ZHAN X iao-yan1,HUO Zhu-qing1,RUAN X iang2,ZHENG Jiang-rong1
(1.Earthquake Adm inistration of J iangsu Province,Nanjing210014,J iangsu,China)(2.Earthquake Adm inistration of Sichuan Province,Chengdu610041,Sichuan,China)
A ccording to the D oppler Effect in the earthquake rupture process,w e use the m ulti-station spectrum to calculate rupture param eters of the Jiujiang-Ruichang MS5.7earthquake in Jiangxi.W e get the results that the rupture azim uth is about319.6°,the rupture velocity is about2.3km/s,and the fitted m inim um correlation-coefficient is about0.80by m inim um squares.A nd on this basis,W e calculate the variation of static Coulom b stress separately in the tw o rupture planes of theMS4.8aftershock.The results show that the variation of the static Coulom b stress separately on tw o nodal planes are positive,the values are about0.48M Pa and0.02M Pa respectively.The variations of static Coulom b stress on nodalⅠand Ⅱ are very close.Stress-increasing area is m ainly located on the right of the m ain earthquake fault.Stress-reducing area is m ainly located to the south of the epicenter.M ost of the aftershocks occur in the static Coulom b stress-increasing region,especially on the nodal.This show s the Coulom b failure stress variation caused by the m ain shock has an important role in triggering of the MS4.8aftershock,and also conductive to m ajori aftershocks'occurrence.
Jiujiang-Ruichang MS5.7earthquake; source rupture param eters; static Coulom b failure stress; triggering of aftershocks
P315.3+3
A
1000-0666(2011)01-0052-07
2010-03-08.
中國地震局 2009年度 “三結(jié)合”課題(NO.09707)和中國地震局 “十一五”科技支撐計(jì)劃(2006BAC01B03-03-01)共同資助 .