王茗冊 何仲秋 陳 庭,3

1 武漢大學測繪學院，武漢市珞喻路129號，430079 2 南方科技大學理學院，深圳市學苑大道1088號，518055 3 武漢大學地球空間環(huán)境與大地測量教育部重點實驗室，武漢市珞喻路129號，430079

東安納托利亞左旋走滑斷裂帶(east Anatolian fault zone, EAFZ)是東地中海地區(qū)主要的陸內轉換斷裂之一，與北安納托利亞右旋斷裂帶(north Anatolian fault zone, NAFZ)共同容納了安納托利亞板塊的西向擠壓構造運動，該斷裂帶同時也受阿拉伯板塊西北向俯沖作用控制[1-3]。東安納托利亞斷裂帶起于西南的哈塔伊(Hatay)，終止于東北的Karliova三聯(lián)結點位置，即北安納托利亞斷裂帶和東安納托利亞斷裂帶的交會處(圖1)。

灰線表示活動斷裂；紅線表示主要斷層段；子圖中K為卡利若瓦(Karliova)三聯(lián)結點位置圖1 研究區(qū)構造背景及1822年來6級以上地震震源機制Fig.1 Regional tectonic background in study area and focal mechanism of the historical M>6 earthquakes since 1822

東安納托利亞斷裂帶地震活動頻繁，20世紀以來多次發(fā)生6級以上強震[4]。2020-01-24土耳其東部埃拉澤(Elaz)地區(qū)發(fā)生MW6.8地震，震中位置(39.070°E, 38.407°N)，震源深度12 km，總體走向244°N，呈左旋走滑性質，破裂長度約75 km[5]。此次地震發(fā)生于Pütürge斷層段東北部區(qū)域，而該區(qū)域在這次事件之前被認為是一個地震空區(qū)[2]。

東安納托利亞斷裂帶上較為完整的歷史地震記錄為研究該區(qū)域應力演化以及地震間的應力觸發(fā)關系提供了良好的條件。已有的研究表明，該斷裂帶區(qū)域存在強震間的應力觸發(fā)作用[6-8]。本文以1822年為起始時間點，計算東安納托利亞斷裂帶附近區(qū)域6級以上歷史強震在2020年埃拉澤MW6.8地震震中位置由同震位錯以及震后粘彈松弛效應產(chǎn)生的庫侖應力變化，同時考慮震間構造加載的影響，研究此次地震與整個斷裂帶應力演化的關系，并分析東安納托利亞斷裂帶附近各斷層段的應力積累情況。

1 模型與方法

1.1 庫侖應力模型

庫侖破裂準則認為，斷層面的脆性破裂是正應力和剪切應力的共同作用，當斷層面受到的庫侖應力變化為正時斷層趨向于錯動，為負時則相反。通常用庫侖破裂應力的變化量(ΔCFS)描述斷層破裂的可能性[9-10]：

ΔCFS=Δτ+μ′Δσn

(1)

式中，Δτ為斷層面上剪切應力變化量，Δσn為正應力變化量，μ′為有效摩擦系數(shù)，一般取0.2～0.8。本文分別計算μ′=0.2、0.4、0.6時的結果，最終選定μ′=0.4。

同震庫侖應力變化是由地震斷層在同震階段短時間內的錯動引起的[11-12]，地震發(fā)生后下地殼和上地幔的粘彈性介質由于震后松弛效應會使地震活動斷層的應力水平顯著抬升[13]，震間階段由于斷層非震滑動產(chǎn)生的構造應力加載也會對斷層的應力積累狀態(tài)造成影響[14-16]。本文基于研究區(qū)域內M>6強震的震源位錯模型和斷層分段模型，同時考慮同震、震后和震間效應，采用Wang等[17]開發(fā)的PSGRN/PSCMP程序計算庫侖應力變化。

1.2 地球分層介質模型

根據(jù)Crust1.0模型[18]參數(shù)，參考Sunbul等[19]的研究結果，采用Maxwell體模型模擬中下地殼的流變性質，建立分層介質模型(表1)。由于東安納托利亞斷裂帶位于板塊推擠形成的復雜構造體系之間的過渡區(qū)，因此本文還選取不同的粘滯系數(shù)來探討其對應力演化結果的影響。

表1 分層介質模型Tab.1 The stratified medium model

1.3 研究區(qū)域大于6級歷史強震破裂模型

本文主要參考前人[4-7,19-23]總結的1822年以來東安納托利亞斷裂帶附近17次M> 6強震的震源滑動模型(表2)。全球GMT目錄(http:∥globalcmt.org)顯示，東安納托利亞斷裂帶區(qū)域地震震源主要位于5～15 km深度，因此本文以10 km作為計算深度。根據(jù)分層介質模型，粘彈性作用從上地殼底部18.5 km的深度開始，地震震源集中在孕震層位錯深度的中間區(qū)域，故位錯深度設定為18.5 km。

表2 東安納托利亞斷裂帶附近1822年以來6級以上歷史地震的破裂參數(shù)Tab.2 Rupture parameters of M>6 earthquakes near EAFZ since 1822

1.4 斷層分段模型

參考已有的斷層段劃分和滑移速率研究結果[2,6-7,24]，結合歐洲孕震斷層數(shù)據(jù)庫(http:∥diss.rm.ingv.it/share-edsf/index)，將東安納托利亞斷裂帶以及北安納托利亞斷裂帶東端部分劃分為6個斷層段(圖1)，并給出各段平均滑移速率(表3)。斷層的閉鎖深度設置為18.5 km，即上地殼底部深度，與Reilinger等[1]和Bletery等[25]使用GPS的研究結果相對應。

表3 東安納托利亞斷裂帶附近斷層分段參數(shù)[2,6-7,24]Tab.3 Parameters of main fault segmentations near EAFZ

2 計算結果及分析

2.1 同震庫侖應力變化

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，計算每一次地震對2020年埃拉澤MW6.8地震(接收斷層)的應力觸發(fā)影響，得到圖2?？梢钥闯觯?822年M7.5、1875年M6.7和1992年M6.8地震在2020年MW6.8地震處激發(fā)的同震庫侖應力為負外，其余歷史地震引起的同震庫侖應力變化都為正。表4顯示，1874年M7.1、1893年M7.1、1905年M6.8以及1939年M7.8地震分別造成了0.964bar、0.207 bar、0.624bar和0.180bar的同震庫侖應力增加，超過了理論地震觸發(fā)閾值0.1 bar；而1875年M6.7地震產(chǎn)生了5.074 bar的應力卸載。多數(shù)地震沒有造成明顯的促進或抑制作用，庫侖應力變化低于0.1 bar，這是由于同震庫侖應力變化的影響隨著距離的增加而迅速衰減，并與源斷層的破裂程度有關。由于1875年M6.7地震對應力的卸載，導致歷史地震激發(fā)的同震庫侖應力變化累積為負，因此認為同震應力的觸發(fā)作用不明顯。

綠色震源球表示各個歷史地震(源斷層)震源機制；紅色和藍色震源球分別代表2020年埃拉澤MW6.8地震(接收斷層)震中位置庫侖應力變化為正值和負值圖2 1822年以來東安納托利亞斷裂帶附近6級以上歷史地震破裂引起的同震庫侖應力變化Fig.2 Coseismic Coulomb failure stress changes caused by ruptures of M>6 earthquakes near EAFZ since 1822

表4 1822年以來6級以上地震在2020年埃拉澤MW6.8地震震源處的庫侖應力變化Tab.4 Coulomb failure stress changes at the epicenter of 2020 Elazl MW6.8 earthquake caused by M>6 earthquakes since 1822

表4 1822年以來6級以上地震在2020年埃拉澤MW6.8地震震源處的庫侖應力變化Tab.4 Coulomb failure stress changes at the epicenter of 2020 Elazl MW6.8 earthquake caused by M>6 earthquakes since 1822

日期同震庫侖應力/bar0.20.40.6(同震庫侖應力+震后粘彈性應力)/bar模型1模型20.20.40.60.20.40.61822-08-13-0.034-0.028-0.023-0.496-0.431-0.365-0.349-0.307-0.2651866-05-120.0250.0230.0220.2690.2660.2630.1550.1510.1461872-04-030.0020.0020.0010.0470.0390.0310.0290.0250.0201874-05-030.7520.9641.1772.3492.6332.9171.7962.0482.3011875-03-27-5.397-5.074-4.751-4.257-3.849-3.441-4.732-4.355-3.9781893-03-020.2290.2070.1850.8290.7730.7170.6070.6040.5991905-12-040.7060.6240.5411.5831.4111.2381.2301.1281.0261924-09-130.0010.0010.0000.0170.0160.0150.0090.0090.0081939-12-260.0880.1800.2710.1820.2780.3740.2010.3300.4591949-08-170.0170.0150.0120.0920.0810.0680.0470.0400.0321966-08-190.0010.0010.0010.0190.0190.0190.0080.0080.0091971-05-220.0060.0060.0060.0370.0380.0380.0140.0130.0111975-09-060.0000.0000.000-0.002-0.006-0.0100.000-0.001-0.0031983-10-300.0010.0010.0000.0120.0110.0100.0060.0060.0051992-03-13-0.011-0.010-0.009-0.036-0.038-0.040-0.019-0.018-0.0172003-05-010.0080.0080.0080.0360.0350.0340.0160.0160.0162010-03-080.0410.0400.0390.0900.0840.0780.0520.0500.048凈庫侖應力-3.565-3.040-2.5200.7711.3601.946-0.930-0.2530.417

注：0.2、0.4、0.6為有效摩擦系數(shù)。

2.2 震后粘彈性應力變化

歷史地震對2020年埃拉澤MW6.8地震產(chǎn)生的震后粘彈性應力變化及積累變化如圖3和圖4(b)所示?？梢钥闯?，1866年M7.2、1874年M7.1、1875年M6.7、1893年M7.1和1905年M6.8地震震后的粘滯松弛效應引起2020年埃拉澤MW6.8地震處的應力增加，且明顯超過地震觸發(fā)閾值，應力累積增加4.4 bar。綜合震后粘滯松弛效應與同震位錯共同引起的庫侖應力變化，得到1.36 bar的應力增加，反映出東安納托利亞斷裂帶附近的震后粘滯松弛效應對后續(xù)地震的觸發(fā)有重要影響(圖5)。

綠色震源球表示各個歷史地震(源斷層)震源機制；紅色和藍色震源球分別代表2020年埃拉澤MW6.8地震(接收斷層)震中位置庫侖應力變化為正值和負值圖3 1822年以來東安納托利亞斷裂帶附近6級以上歷史地震震后粘彈性松弛效應引起的庫侖應力變化Fig.3 Coulomb failure stress changes caused by postseismic viscoelastic relaxation of M>6 earthquakes near EAFZ since 1822

紅色和藍色震源球分別代表2020年埃拉澤MW6.8地震(接收斷層)震中位置庫侖應力變化為正值和負值；綠色五角星表示各個歷史地震；黑色矩形框表示1874年地震和1875年地震間的地震空區(qū)范圍圖4 東安納托利亞斷裂帶附近同震、震后以及震間作用下積累的庫侖應力變化Fig.4 Coulomb failure stress changes accumulated during coseismic, postseismic and interseismic interactions near EAFZ

紅線為同震庫侖應力變化；黃線和棕線分別為基于模型1和模型2計算得到的震后粘彈性庫侖應力變化圖5 2020年埃拉澤MW6.8地震震中庫侖應力積累隨強震時間變化趨勢Fig.5 Trends of Coulomb stress accumulation in the epicenter of the 2020 Elazl MW6.8 earthquake with the timing of historical events

2.3 震間構造加載

運用負位錯理論[15-16]計算震間構造加載應力[6,14]。圖4(c)顯示了東安納托利亞斷裂帶附近6個斷層段的震間構造加載作用引起的應力變化?？梢钥闯?，2020年埃拉澤MW6.8地震處的應力加載為0.037 6 bar/a。1822年以來，震間構造加載作用產(chǎn)生了7.444 bar的應力積累，抵消了1875年M6.7地震產(chǎn)生的同震應力卸載和1822年M7.5地震后的粘彈性應力卸載，對2020年埃拉澤MW6.8地震有顯著的促進作用。

2.4 東安納托利亞斷裂帶上的應力積累

圖4顯示了東安納托利亞斷裂帶上歷史地震同震位錯、震后粘滯松弛效應、斷層震間構造加載以及三者共同作用下積累的庫侖應力變化?？梢钥闯?，S1主要受同震位錯和震間構造加載效應的影響，應力積累狀態(tài)不明顯；S3和S5受同震位錯的影響，斷層上的應力被卸載，應力積累狀態(tài)較低；S2和S6上的應力增加顯著，與Nalbant等[6]和Sunbul[7]的研究結果大體一致。在S4段南部，即1874年地震和1875年地震間的地震空區(qū)

(圖4(d))，應力加載狀態(tài)明顯，而在前面的研究中這部分斷層的應力積累狀態(tài)不活躍。這是因為震間構造加載應力的計算差異所致，Nalbant等[6]只考慮到持續(xù)至2002年的震間構造加載效應，而Sunbul[7]則是通過地殼應變率場計算震間構造加載應力變化。

3 不同模型參數(shù)對計算結果的影響

3.1 下地殼與上地幔粘滯系數(shù)

庫侖應力的計算結果會因為選取的分層介質模型參數(shù)、有效摩擦系數(shù)等參數(shù)不同而發(fā)生變化。震后粘彈性應力變化對總庫侖應力變化的貢獻取決于地球分層介質的粘彈性結構。下地殼和上地幔的粘滯系數(shù)升高會減小震后粘彈性應力變化的幅度[26]。本文分別采用表1中2種模型進行計算，結果見圖5和表4?？梢钥闯觯Ｐ?中單個歷史地震對2020年埃拉澤MW6.8地震造成的震后粘彈性應力變化幅值比模型1小0～0.59 bar，累積的震后粘彈性應力變化小1.5～1.7 bar，因此不同粘滯系數(shù)造成的應力變化差異不能忽略。Keskin[27]的研究表明，土耳其東部的地幔巖石圈較弱，結合Sunbul等[19]的震后效應研究結果，本文認為該區(qū)域設置較低的粘滯系數(shù)(模型1)更合理。

3.2 有效摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)決定著剪切應力和正應力對斷層面的權重影響，一般認為較低的有效摩擦系數(shù)比較適用于走滑型斷層，傾滑斷層則應選擇較高的有效摩擦系數(shù)[11-12]。本文研究的地震大部分是走滑型地震，因此分別選取0.2、0.4和0.6作為有效摩擦系數(shù)進行計算并分析。從表4中看出，隨著有效摩擦系數(shù)的變化，模型1下歷史地震對2020年埃拉澤MW6.8地震引起的同震庫侖應力以及震后粘彈性應力變化的總體態(tài)勢均沒有改變，數(shù)值大小變化在0.3 bar以內，積累的同震和震后庫侖應力變化增加0.6 bar左右。考慮到東安納托利亞斷裂帶區(qū)域的斷層滑移速率水平，將有效摩擦系數(shù)設置為0.4較為合理。

3.3 地震斷層參數(shù)

地震震源機制解或斷層面參數(shù)具有不唯一性，意味著庫侖應力計算結果會受到震源位置、接收斷層參數(shù)的影響。對于相距較遠的地震，震源定位誤差對應力變化結果影響甚微，而對于1874年M7.1、1875年M6.7、1893年M7.1以及1905年M6.8這些距離相近的地震，震源定位誤差造成的應力誤差可能會被放大。2020年埃拉澤MW6.8地震發(fā)生在1875年地震引起的同震庫侖應力變化正負交界處，不排除震源定位不同在這樣變化劇烈的位置會造成較大應力結果誤差的可能性，需要在今后的研究中進一步探討。

4 結 語

1)共有14個歷史地震在2020年埃拉澤MW6.8地震處引起同震庫侖應力增加，其中4個地震增加值超過0.1 bar，1875年M6.7地震的同震位錯效應則釋放了5.074 bar的應力積累。

2)下地殼和上地幔粘彈性介質的震后松弛效應對2020年埃拉澤MW6.8地震震中處的應力增加有重要的貢獻。震后粘彈性應力的積累抵消了同震應力積累后對該區(qū)域的應力卸載作用，并造成了1.36 bar的應力積累。

3)斷層的震間構造加載作用對2020年埃拉澤MW6.8地震產(chǎn)生了7.444 bar的構造應力積累。Turkoglu、Lake Hazar和Yedisu段積累了同震、震后和震間3種效應下的庫侖應力，且包含歷史地震空區(qū)，未來地震活動危險性較高。