李玉江，邵志剛，胡幸平，石富強(qiáng)，劉皓晴，陳連旺

1 應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085 2 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036 3 陜西省地震局，西安 710068

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定，2021年3月19日在西藏那曲比如縣發(fā)生M6.1地震，震中位于92.74°E，31.94°N，震源深度10 km. 地震發(fā)生在印度板塊與歐亞板塊碰撞下的強(qiáng)烈變形地帶，區(qū)域內(nèi)活動(dòng)斷裂發(fā)育，歷史強(qiáng)震活躍(圖1)，曾發(fā)生1951年崩錯(cuò)M8.0和1952年當(dāng)雄北M7.5兩次強(qiáng)震(吳章明和鄧起東, 1989; 吳章明和曹忠權(quán), 1991). 那曲地震發(fā)生后，不同研究機(jī)構(gòu)利用全球或區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)反演給出此次地震的震源機(jī)制解(走向/傾角/滑動(dòng)角)(表1).多數(shù)研究結(jié)果顯示，該地震是發(fā)生在近北東走向斷層上的一次以正斷活動(dòng)為主兼左旋走滑運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的地震.

地震的活動(dòng)性質(zhì)與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)(Zoback, 1992; Hu et al., 2017; 李澤瀟等, 2020).程惠紅等(2014)利用有限元模型給出新疆于田地區(qū)的主應(yīng)力場(chǎng)特征，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的差異較好地解釋兩次不同類(lèi)型于田地震的發(fā)震機(jī)制.胡幸平等(2021)利用長(zhǎng)寧地區(qū)精細(xì)的地殼應(yīng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)，較好地解釋區(qū)域內(nèi)中強(qiáng)震震源機(jī)制的空間差異. 世界應(yīng)力圖項(xiàng)目綜合各類(lèi)地應(yīng)力數(shù)據(jù)，給出全球范圍內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)(Heidbach et al., 2018)，為理解不同構(gòu)造部位強(qiáng)震發(fā)生的動(dòng)力學(xué)過(guò)程提供力學(xué)依據(jù).那么，那曲地震震中區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)如何分布以及它是如何控制那曲地震以正斷運(yùn)動(dòng)為主的活動(dòng)性質(zhì)？亟待深入研究.

表1 那曲地震震源機(jī)制解Table 1 Focal mechanism solution of Nakchu earthquake

地震的發(fā)生除受到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制外(Heidbach and Ben-Avraham, 2007)，還會(huì)受到周邊強(qiáng)震的影響(Harris, 1998; 石耀霖和曹建玲, 2010; He et al., 2011; Wang et al., 2014).從歷史強(qiáng)震活動(dòng)性來(lái)看，在那曲地震周邊曾發(fā)生過(guò)1411年當(dāng)雄M72/3、1934年申扎M7.0、1950年察隅M8.7等強(qiáng)震，包括在地理空間上距離較近的1951年崩錯(cuò)M8.0和1952年當(dāng)雄北M7.5兩次強(qiáng)震.這些歷史強(qiáng)震的發(fā)生會(huì)對(duì)那曲地震產(chǎn)生什么樣的影響，值得深入分析.庫(kù)侖破裂應(yīng)力作為探討強(qiáng)震間相互作用機(jī)制的一種手段(Stein, 1999; He et al., 2011; Shan et al., 2013)，為認(rèn)識(shí)強(qiáng)震的發(fā)震機(jī)理提供理論依據(jù).

為認(rèn)識(shí)上述問(wèn)題，本文利用“中國(guó)大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)”中的應(yīng)力數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑計(jì)算分析，給出震中周邊構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)背景特征.基于球面小波多尺度方法，解算GPS數(shù)據(jù)獲得區(qū)域應(yīng)變率場(chǎng)特征.考慮周緣歷史強(qiáng)震的同震位錯(cuò)與震后黏彈性松弛效應(yīng)，分析那曲地震震源處應(yīng)力場(chǎng)演化與應(yīng)力變化.綜合應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)結(jié)果，探討那曲地震發(fā)生的力學(xué)環(huán)境與發(fā)震機(jī)理.

1 計(jì)算方法與模型建立

1.1 計(jì)算方法

本文從“中國(guó)大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)”中搜集震中周邊區(qū)域的各類(lèi)地應(yīng)力數(shù)據(jù)，按照世界應(yīng)力圖的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)級(jí)(Heidbach et al., 2018)，從中挑選出質(zhì)量可靠的A-C級(jí)應(yīng)力數(shù)據(jù)，并依據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量賦予不同的質(zhì)量權(quán)重系數(shù)(A級(jí)1.0，B級(jí)0.75，C級(jí)0.5)，進(jìn)行應(yīng)力方向的平滑計(jì)算分析(Hansen and Mount, 1990; Heidbach et al, 2010)，給出區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的分布變化規(guī)律，具體平滑分析方法見(jiàn)Hu 等 (2017).

基于高斯差分的球面小波多尺度方法(Tape et al., 2009; Li et al., 2019)，解算震中周邊不同空間尺度的應(yīng)變率場(chǎng).該方法的優(yōu)點(diǎn)是，可以通過(guò)確定小波基函數(shù)的閾值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)根據(jù)GPS觀(guān)測(cè)點(diǎn)密度差異在不同區(qū)域使用不同的內(nèi)插尺度，獲得反映不同空間尺度下的地殼形變特征(蘇小寧等, 2016).高斯差分球面小波函數(shù)描述為，在半徑為1的單位球，球面上任何一點(diǎn)x處的小波函數(shù)表達(dá)式為

(1)

式中，γ為球面坐標(biāo)下，觀(guān)測(cè)點(diǎn)位矢量x與球面小波中心極之間的夾角，取值范圍為0≤γ≤180°；a=2-q，q表示尺度，值越大，尺度越小，q=0,1,2…；α>1，用于調(diào)節(jié)函數(shù)形狀.

基于庫(kù)侖破裂準(zhǔn)則的庫(kù)侖應(yīng)力變化的表達(dá)式為(King et al., 1994)

Δσf=Δτ+μ′Δσn,

(2)

式中，Δτ為斷層面上剪應(yīng)力變化，與斷層滑動(dòng)方向一致時(shí)為正；Δσn為斷層面上的正應(yīng)力變化，定義張性為正；μ′為斷層面介質(zhì)的有效摩擦系數(shù).如果Δσf>0，則有利于后續(xù)地震的提前發(fā)生.

參考前人的做法(King et al., 1994)，本研究中有效摩擦系數(shù)μ′取0.4.使用彈性位錯(cuò)模型計(jì)算同震庫(kù)侖應(yīng)力變化，同時(shí)考慮到Kelvin體和Maxwell體在表征瞬態(tài)變形和長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài)變形方面的缺陷，采用能夠綜合協(xié)調(diào)瞬態(tài)變形和長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài)變形的Burgers體來(lái)模擬震后黏彈性松弛效應(yīng)(Shao et al., 2016; Li et al., 2020a).Burgers體的本構(gòu)關(guān)系為

(3)

其中，σ和ε分別表示應(yīng)力和應(yīng)變；k1和k2分別為Kelvin體和Maxwell體的彈性模量；η1和η2分別表示瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)粘滯系數(shù).

采用基于分層黏彈性地球模型的PSGRN/PSCMP程序(Wang et al., 2006)，計(jì)算強(qiáng)震的同震位錯(cuò)與震后黏彈性松弛效應(yīng)引起的應(yīng)力變化.根據(jù)地震震源深度的結(jié)果(表1)，庫(kù)侖應(yīng)力變化計(jì)算深度為10 km.

1.2 介質(zhì)模型

參考青藏高原地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)(滕吉文等, 2012)，以及2015年尼泊爾地震震源區(qū)下地殼和地幔巖石圈流變性質(zhì)的研究成果(Zhao et al., 2017; Wang and Fialko, 2015)，確定介質(zhì)模型的速度結(jié)構(gòu)與中-下地殼、上地幔黏滯系數(shù).選擇Burgers體模型模擬中-下地殼、上地幔的黏彈性流變特性(Pollitz et al., 2001; Wang et al., 2012).其中，上地殼為彈性介質(zhì)，深度為20 km；中、下地殼和上地幔為黏彈介質(zhì). 具體介質(zhì)參數(shù)見(jiàn)圖2.

1.3 震源模型

依據(jù)地震地質(zhì)、震源破裂過(guò)程反演等方面的研究結(jié)果(Armijo et al., 1989; 吳章明和鄧起東, 1989; 吳章明等, 1990; 吳章明和曹忠權(quán), 1991; Ambraseys and Douglas, 2004; Bilham, 2004;吳中海等, 2008; 張勇等, 2010; 李保昆等, 2014)，確定歷史強(qiáng)震的震源模型參數(shù).其中，1947年朗縣M7.7地震由于缺少直接的觀(guān)測(cè)與反演結(jié)果，其破裂長(zhǎng)度和滑動(dòng)量依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式給出(Wells and Coppersmith, 1994)；對(duì)于1950年察隅地震，基于余震分布和滑坡資料的研究認(rèn)為，此次地震存在兩個(gè)明顯的破裂面(Coudurier-Curveur et al., 2020)，本文依據(jù)其結(jié)果確定地震的震源機(jī)制參數(shù).同時(shí)在“討論”中對(duì)不同震源模型參數(shù)下的結(jié)果開(kāi)展對(duì)比分析(Ben-Menahem et al., 1974; 李保昆等, 2015).震源模型參數(shù)具體見(jiàn)表2.

圖2 黏彈性介質(zhì)分層模型參數(shù)VP表示P波速度，VS表示S波速度，ρ表示密度；η1、η2分別表示瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)粘滯系數(shù).Fig.2 The parameters of the stratified viscoelastic relaxation modelVP indicates the velocity of P wave, VS the velocity of S wave, and ρ the density; η1 and η2 represent the transient and steady-state viscosity coefficients, respectively.

表2 歷史強(qiáng)震震源模型參數(shù)Table 2 Parameters of source model for strong historic earthquakes

2 結(jié)果

2.1 區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變環(huán)境

圖3為本文從“中國(guó)大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)”中搜集出的震中及周邊的各類(lèi)應(yīng)力數(shù)據(jù)(圖3a)，以及考慮數(shù)據(jù)質(zhì)量及距離加權(quán)的水平最大主應(yīng)力方向平滑結(jié)果(圖3b).可以看出，由于地處青藏高原腹地，研究區(qū)內(nèi)應(yīng)力數(shù)據(jù)主要為震源機(jī)制解，這些震源機(jī)制解的水平最大主壓應(yīng)力方向具有較好的一致性，在研究區(qū)內(nèi)基本都呈現(xiàn)為北北東-南南西向.同時(shí)，利用搜集到的51個(gè)M≥4.3歷史地震的震源機(jī)制解結(jié)果，采用計(jì)算綜合震源機(jī)制解的方法(許忠淮等, 1983)，對(duì)該地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了反演，結(jié)果也表明區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的最大主壓應(yīng)力軸(σ1)方位為北北東-南南西向(圖3c).在此應(yīng)力控制下，對(duì)于走向?yàn)榻睎|-南西的發(fā)震斷層，具備了發(fā)生以正斷為主兼具左旋走滑運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征.結(jié)合不同研究機(jī)構(gòu)給出的那曲地震的震源機(jī)制解(表1)，可以看出，發(fā)震節(jié)面走向與最大主壓應(yīng)力軸方位近乎平行，以正斷性質(zhì)為主的那曲地震就是在這樣的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下發(fā)生.

同時(shí)，選取1991—2016年GPS觀(guān)測(cè)資料(Wang and Shen, 2020)，基于球面小波多尺度方法，選取q=2～7尺度因子，解算得到震中周邊最大剪應(yīng)變率、面應(yīng)變率和主應(yīng)變率方位(圖4).結(jié)果顯示，在2～7尺度因子下反演的速度場(chǎng)結(jié)果與GPS觀(guān)測(cè)結(jié)果較為吻合(圖4a)，兩者之間的速度場(chǎng)殘差絕大多數(shù)<1.0 mm·a-1(圖4b).震中區(qū)最大主壓應(yīng)變率的方位為北北東向，與最大主壓應(yīng)力軸方位基本一致(圖4c)，均和震源機(jī)制解顯示的發(fā)震節(jié)面近乎平行.同時(shí)，地震發(fā)生在最大剪應(yīng)變率的梯度帶上.

2.2 震源處應(yīng)力演化

基于強(qiáng)震同震位錯(cuò)模型和巖石圈分層模型，利用PSGRN/PSCMP程序(Wang et al., 2006)計(jì)算歷史強(qiáng)震的同震位錯(cuò)和震后黏彈性松弛效應(yīng)引起的應(yīng)力張量變化，并將應(yīng)力張量變化投影到那曲地震的發(fā)震斷層面上.由于地震的發(fā)震斷層面參數(shù)存在差異，本文選取5組以正斷性質(zhì)為主的震源機(jī)制解，對(duì)發(fā)震斷層面分別進(jìn)行應(yīng)力張量投影，給出μ′=0.4時(shí)震源處庫(kù)侖應(yīng)力演化和應(yīng)力變化.

圖3 那曲地震震中周邊構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境(a) 震中周邊應(yīng)力數(shù)據(jù)； (b) 平滑給出的水平最大主應(yīng)力方向； (c) 基于震中周邊歷史地震震源機(jī)制解的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果.Fig.3 Tectonic stress environment around the Nakchu earthquake epicenterPanels (a), (b) and (c) represent stress data around the epicenter, orientation of the horizontal maximum principal stress after smoothing, and the inversed regional stress field based on historical focal mechanism solution in surrounding areas, respectively.

計(jì)算結(jié)果顯示，使用5組震源機(jī)制參數(shù)分別進(jìn)行應(yīng)力張量投影，所計(jì)算出的庫(kù)侖應(yīng)力變化盡管存在微弱差異，但應(yīng)力變化的極性是穩(wěn)定的(圖5).以中國(guó)地震局地球物理研究所(IG)給出的震源機(jī)制參數(shù)為例(下同)，1411年當(dāng)雄南M72/3以來(lái)9次歷史強(qiáng)震的發(fā)生造成那曲地震震源處同震和累積庫(kù)侖應(yīng)力變化分別為1.63×104Pa和9.06×104Pa.其中，1950年察隅M8.7地震的發(fā)生造成那曲地震震源處明顯的庫(kù)侖應(yīng)力增加，同震和震后應(yīng)力變化分別為1.91×104Pa和8.27×104Pa.分析地震引起的斷層面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力變化可以看出，察隅地震的發(fā)生造成那曲地震震源處正應(yīng)力發(fā)生顯著的張性變化、剪應(yīng)力發(fā)生與斷層滑動(dòng)方向一致的變化(圖6a，6b)，進(jìn)而引起庫(kù)侖應(yīng)力的增加(圖6c).同時(shí)，來(lái)自中-下地殼、上地幔的震后黏彈性松弛效應(yīng)亦造成震源處正應(yīng)力、剪應(yīng)力和庫(kù)侖應(yīng)力的顯著增加(圖6e—6f).相對(duì)于察隅地震引起的較為明顯的庫(kù)侖應(yīng)力變化，其它歷史強(qiáng)震的影響相對(duì)較小，各歷史強(qiáng)震引起的那曲地震震源處同震和震后應(yīng)力變化具體見(jiàn)表3.

表3 歷史強(qiáng)震引起的那曲地震震源處庫(kù)侖應(yīng)力變化(以IG震源機(jī)制參數(shù)為例)Table 3 Coulomb stress change at the hypocenter of the Nakchu earthquake caused by historic strong earthquakes

圖4 那曲地震震中周邊應(yīng)變率場(chǎng)特征(a) 速度場(chǎng)實(shí)測(cè)值(箭頭)與模擬值(背景等值線(xiàn))； (b) 速度場(chǎng)殘差； (c) 最大剪應(yīng)變率與主應(yīng)變率(箭頭).Fig.4 Characteristics of the strain rates around the epicenter of the Nakchu earthquake(a) GPS velocity field (black arrows), the background contours show the magnitude of the modeled horizontal velocity; (b) the residual of velocities, and (c) the maximum shear strain rate and principal strain rate (black arrows).

圖5 不同震源機(jī)制參數(shù)下那曲地震震源處庫(kù)侖應(yīng)力演化(a) 同震庫(kù)侖應(yīng)力變化； (b) 累積庫(kù)侖應(yīng)力變化 (同震+震后).Fig.5 Coulomb stress evolution at the hypocenter of the Nakchu earthquake with different focal mechanism parametersPanel (a) denotes the co-seismic Coulomb stress change, while (b) the combined Coulomb stress change (co- and post-seismic).

圖6 察隅地震引起的同震與震后應(yīng)力變化(a)—(c)分別表示同震正應(yīng)力、剪應(yīng)力和庫(kù)侖應(yīng)力變化；(d)—(f)分別表示震后正應(yīng)力、剪應(yīng)力和庫(kù)侖應(yīng)力變化.Fig.6 Co- and post-seismic stress changes associated with the Chayu earthquakePanels (a)—(c) denote the co-seismic normal stress change, shear stress change, and the Coulomb stress change, respectively. Panels (d)—(f) denote the post-seismic normal stress change, shear stress change, and the Coulomb stress change, respectively.

3 討論

強(qiáng)震的孕育、發(fā)生和活動(dòng)性質(zhì)不僅受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)環(huán)境的控制(Heidbach et al., 2010)，也與斷裂帶應(yīng)力變化密切相關(guān)(Heidbach and Ben-Avraham, 2007; Shan et al., 2013)，而斷裂帶應(yīng)力變化的計(jì)算又受到震源破裂模型以及摩擦系數(shù)等參數(shù)的影響(Xiong et al., 2010; 徐杜遠(yuǎn)等, 2020).基于InSAR資料反演給出的那曲地震同震破裂模型的研究結(jié)果顯示，那曲地震的震源機(jī)制參數(shù)為237°/69°/-70°(走向/傾角/滑動(dòng)角)(李永生，個(gè)人通訊)，與CGMT、GFZ、中國(guó)地震局地球物理研究所等機(jī)構(gòu)給出的結(jié)果基本一致，均反映出該地震是一次以正斷活動(dòng)為主兼左旋走滑運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的地震.

3.1 震源參數(shù)差異對(duì)應(yīng)力變化的影響

1950年察隅地震發(fā)生在喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)地區(qū)，是有地震記錄以來(lái)中國(guó)大陸內(nèi)部最強(qiáng)的地震(Coudurier-Curveur et al., 2020).受當(dāng)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)和條件等限制，很難獲取準(zhǔn)確的斷層面解，造成此次地震的活動(dòng)機(jī)制存在右旋走滑型(Ben-Menahem et al., 1974)和低角度逆沖型(Chen and Molnar, 1977)兩種不同認(rèn)識(shí).基于P波初動(dòng)、余震重定位和地質(zhì)特征的研究結(jié)果顯示(李保昆等, 2015)，察隅地震的震源機(jī)制解與Ben-Menahem等(1974)的結(jié)果基本一致.而基于余震分布和滑坡資料的最新研究認(rèn)為，察隅地震是一次以逆沖為主兼具走滑性質(zhì)的地震(Coudurier-Curveur et al., 2020).為此，本文使用走滑型和逆沖兼走滑型兩組震源模型分別計(jì)算應(yīng)力變化，進(jìn)一步討論震源模型參數(shù)選取對(duì)應(yīng)力變化結(jié)果的影響.結(jié)果顯示，在察隅地震為右旋走滑型時(shí)，地震的同震與震后黏彈性松弛效應(yīng)則分別造成那曲地震震源處應(yīng)力減小1.03×104Pa和7.04×104Pa(圖7)，察隅地震引起的卸載效應(yīng)起到了延緩那曲地震發(fā)生的作用；而在察隅地震為低角度逆沖兼走滑型時(shí)，地震的同震與震后黏彈性松弛效應(yīng)則分別造成那曲地震震源處應(yīng)力增加1.91×104Pa和8.27×104Pa，察隅地震引起的加載效應(yīng)造成了那曲地震的提前發(fā)生.

從同震與震后位移場(chǎng)特征來(lái)看(圖8)，在察隅地震為低角度逆沖兼走滑型機(jī)制時(shí)(Coudurier-Curveur et al., 2020)，同震與震后附加位移場(chǎng)方向均為南東方向，與那曲地震發(fā)震節(jié)面的方向近垂直.這種附加位移場(chǎng)沿南東方向的逐漸增大，意味著那曲地震震源區(qū)受到南東優(yōu)勢(shì)方向上的拉張作用，有利于那曲地震的發(fā)震斷層發(fā)生正斷性質(zhì)的活動(dòng)，與庫(kù)侖應(yīng)力增加所反映的特征一致(圖7).而在察隅地震為右旋走滑型時(shí)(Ben-Menahem et al., 1974)，產(chǎn)生了近西向的同震位移場(chǎng)，且由東南向西北逐漸減小(圖8a)，意味著那曲震源區(qū)受到東西優(yōu)勢(shì)方向上的擠壓作用，對(duì)于走向?yàn)楸睎|的斷層而言，有利于發(fā)生右旋走滑運(yùn)動(dòng)，與那曲地震左旋走滑的發(fā)震機(jī)制相反，與同震庫(kù)侖應(yīng)力減小所反映的特征一致.同時(shí)，震后黏彈性松弛效應(yīng)引起的位移場(chǎng)方向?yàn)楸蔽飨?圖8b)，雖然也與那曲地震發(fā)震節(jié)面的方向近垂直，但是這種位移場(chǎng)在北西方向的減小意味著那曲地震震源區(qū)受到北西優(yōu)勢(shì)方向上的擠壓作用，不利于那曲地震的發(fā)震斷層發(fā)生正斷性質(zhì)的活動(dòng)，與庫(kù)侖應(yīng)力減小所反映的特征一致(圖7).

圖7 察隅地震發(fā)生引起的那曲地震震源處庫(kù)侖應(yīng)力演化Fig.7 Coulomb stress evolution at the hypocenter of the Nakchu earthquake caused by the Chayu earthquake

另外，對(duì)于1411年當(dāng)雄南等歷史強(qiáng)震，由于發(fā)震時(shí)間較早使得難以合理地回溯其破裂的基本參數(shù).為深入認(rèn)識(shí)震源模型參數(shù)的選取對(duì)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的影響，我們基于震級(jí)與破裂長(zhǎng)度、滑動(dòng)量之間的經(jīng)驗(yàn)公式(Wells and Coppersmith, 1994)，給出歷史強(qiáng)震的破裂長(zhǎng)度和滑動(dòng)量(表4)，并計(jì)算在新的震源參數(shù)下那曲地震震中的應(yīng)力演化(圖9).可以看出，兩組參數(shù)下震源區(qū)應(yīng)力演化的計(jì)算結(jié)果是穩(wěn)定的，但存在個(gè)別地震引起的應(yīng)力變化在總的應(yīng)力變化中的權(quán)重顯著增加或減小的現(xiàn)象.比如，在新的震源參數(shù)約束下，1951年崩錯(cuò)地震同震與震后效應(yīng)引起的應(yīng)力變化相對(duì)圖5中的結(jié)果明顯要大.因此，在計(jì)算斷裂帶應(yīng)力變化和探討強(qiáng)震間相互作用機(jī)理時(shí)，應(yīng)盡可能使用與實(shí)際接近的震源破裂模型.

表4 基于經(jīng)驗(yàn)公式的歷史強(qiáng)震震源模型參數(shù)

圖8 基于兩組不同震源機(jī)制解的同震與震后位移場(chǎng)其中，紅色和藍(lán)色箭頭分別表示察隅地震為右旋走滑型機(jī)制和低角度逆沖兼走滑型機(jī)制下產(chǎn)生的位移場(chǎng).(a) 同震位移場(chǎng)；(b) 震后黏彈性松弛效應(yīng)引起的位移場(chǎng).Fig.8 Co- and post-seismic displacement fields based on two different focal mechanism solutionsIn which, the red and blue arrows indicate the displacement fields generated by the dextral strike-slip and the lower-angle thrust with strike-slip motion of the Chayu earthquake, respectively. (a) Co-seismic displacement; (b) Displacement induced by post-seismic viscoelastic relaxation effect.

圖9 兩組震源模型下那曲地震震源處庫(kù)侖應(yīng)力演化其中，模型1中的參數(shù)見(jiàn)表2；模型2中的參數(shù)見(jiàn)表4.Fig.9 Coulomb stress evolution at the hypocenter of the Nakchu earthquake with two different source modelsIn which,source parameters in model 1 and model 2 are shown in Table 2 and Table 4, respectively.

3.2 摩擦系數(shù)選取對(duì)應(yīng)力變化的影響

庫(kù)侖應(yīng)力變化是研究強(qiáng)震間相互作用的重要參考，但其受斷層有效摩擦系數(shù)取值的影響(Xiong et al., 2010).由公式(2)可知，在庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算中，有效摩擦系數(shù)影響著正應(yīng)力與剪應(yīng)力的權(quán)重.為分析有效摩擦系數(shù)選取對(duì)庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的影響，以中國(guó)地震局地球物理研究所給出的震源機(jī)制參數(shù)(231°/55°/-65°)為例，選取不同的有效摩擦系數(shù)(μ′=0.0，0.2，0.4，0.6，0.8)，進(jìn)一步探討有效摩擦系數(shù)選取對(duì)震源處庫(kù)侖應(yīng)力變化計(jì)算結(jié)果的影響.由圖10可知，對(duì)于那曲地震而言，有效摩擦系數(shù)的取值會(huì)改變震源處庫(kù)侖應(yīng)力變化量的大小，但應(yīng)力變化的極性一致.在1950年察隅地震發(fā)生前，斷層面庫(kù)侖應(yīng)力變化隨著摩擦系數(shù)的增加而逐漸減小，意味著此次地震前歷史強(qiáng)震發(fā)生所產(chǎn)生的斷層面累積正應(yīng)力變化為負(fù)值，斷層區(qū)處于壓性應(yīng)力變化狀態(tài).而1950年察隅地震的發(fā)生，造成發(fā)震斷層面較強(qiáng)的張性正應(yīng)力變化.在此前提下，有效摩擦系數(shù)越大，有效正應(yīng)力權(quán)重越大，庫(kù)侖應(yīng)力變化量增加的越多.

圖10 不同有效摩擦系數(shù)下震源處累積庫(kù)侖應(yīng)力變化Fig.10 Cumulative Coulomb stress change at the hypocenter with different effective coefficients of friction

3.3 那曲地震發(fā)震機(jī)理探討

在印度板塊與歐亞板塊的持續(xù)碰撞作用下，青藏高原內(nèi)部發(fā)生強(qiáng)烈的變形，并伴隨強(qiáng)震的發(fā)生(Li et al., 2018; Liu-Zeng et al., 2020; Wang and Shen, 2020).基于實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示青藏高原內(nèi)部最大水平主應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E-SW向(楊樹(shù)新等, 2012)，與歷史強(qiáng)震震源機(jī)制解反演的結(jié)果(Bai et al., 2017)和本文平滑計(jì)算后的主應(yīng)力方向結(jié)果基本一致(圖3).現(xiàn)今GPS觀(guān)測(cè)結(jié)果顯示，相對(duì)于穩(wěn)定的歐亞板塊，那曲地震震源區(qū)周邊速度場(chǎng)從NNE向逐漸向近EW向發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(Gan et al., 2007; Zheng et al., 2017)，最大主壓應(yīng)變率的方向也同時(shí)從NNE向轉(zhuǎn)變?yōu)榻麰W向(Allmendinger et al., 2007; Wang and Shen, 2020)，與本文利用1991—2016年較長(zhǎng)時(shí)間尺度GPS數(shù)據(jù)解算的結(jié)果一致(圖4).2015年尼泊爾M7.8地震的發(fā)生，造成震源區(qū)周邊應(yīng)力變化為-10～100 Pa(Zha and Dai, 2017)；2017米林M6.9的發(fā)生對(duì)震源區(qū)的影響可以忽略(尹鳳玲等, 2018)，這種較小的應(yīng)力變化與本文計(jì)算的結(jié)果基本一致(表3).從震源處應(yīng)力演化的結(jié)果來(lái)看(圖5)，1411年當(dāng)雄南M72/3以來(lái)9次歷史強(qiáng)震的發(fā)生造成那曲地震震源處累積庫(kù)侖應(yīng)力變化9.06×104Pa.

綜合上述分析，初步認(rèn)為2021年3月19日那曲M6.1地震是在印度板塊與歐亞板塊持續(xù)擠壓的動(dòng)力學(xué)背景下發(fā)生的，區(qū)域歷史強(qiáng)震活動(dòng)起到明顯的促進(jìn)作用.

4 結(jié)論

本文基于那曲震中周邊的應(yīng)力數(shù)據(jù)和GPS形變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變率場(chǎng)特征.采用黏彈性Burgers流變模型計(jì)算1411年當(dāng)雄地震以來(lái)9次歷史強(qiáng)震引起的那曲地震震源處同震、震后庫(kù)侖應(yīng)力演化和應(yīng)力變化.結(jié)果顯示：

(1) 在印度板塊與歐亞板塊持續(xù)碰撞的動(dòng)力學(xué)環(huán)境下，那曲地震震中區(qū)域最大主壓應(yīng)力軸的方位為北北東向，與發(fā)震斷層近北東-南西的走向近乎平行.該構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境控制著那曲地震以正斷為主兼具左旋走滑性質(zhì)的運(yùn)動(dòng).

(2) 震中區(qū)最大主壓應(yīng)變率的方位為北北東向，和最大主壓應(yīng)力方位基本一致，均與震源機(jī)制解顯示的發(fā)震節(jié)面近乎平行.同時(shí)，地震發(fā)生在最大剪應(yīng)變率的梯度帶上.

(3) 1411年當(dāng)雄南M72/3以來(lái)9次歷史強(qiáng)震的發(fā)生造成那曲地震震源處累積庫(kù)侖應(yīng)力變化9.06×104Pa.其中，1950年察隅M8.7地震的發(fā)生造成震源處同震和震后應(yīng)力變化分別為1.91×104Pa和8.27×104Pa，與同震和震后黏彈性松弛效應(yīng)引起的附加位移場(chǎng)所指示的震源處應(yīng)力加載效應(yīng)的結(jié)果一致.

(4) 綜合分析區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)與應(yīng)力變化的研究結(jié)果，初步認(rèn)為2021年3月19日那曲M6.1地震是在印度板塊對(duì)青藏高原北東向擠壓的動(dòng)力學(xué)背景下發(fā)生的，區(qū)域歷史強(qiáng)震促進(jìn)那曲地震的提前發(fā)生.該研究為認(rèn)識(shí)那曲地震的發(fā)震背景和動(dòng)力學(xué)機(jī)理提供理論依據(jù).

致謝在成文過(guò)程中，作者與崔效鋒研究員、孟令媛研究員、趙靜旸博士、李永生博士的有益交流和討論.圖件使用GMT軟件繪制(Wessel et al., 2013)，在此一并表示感謝.