王 俊,孙业君,詹小艳,霍祝青,阮 祥,郑江蓉

(1.江苏省地震局,南京 210014;2.四川省地震局,成都 610041)

2005年江西九江—瑞昌MS5.7地震破裂参数及余震静态应力触发研究＊

王 俊1,孙业君1,詹小艳1,霍祝青1,阮 祥2,郑江蓉2

(1.江苏省地震局,南京 210014;2.四川省地震局,成都 610041)

根据地震破裂过程中的多普勒效应,利用多台波谱参数推算九江—瑞昌MS5.7地震的震源破裂参数,得到主震的破裂方位角φ0≈319.6°,破裂速度约为 2.3 km/s,用最小二乘法拟合的相关系数极值约为 0.80。在此基础上,分别计算了主震在 4.8级强余震的两个节面上的静态库仑应力变化量,结果显示:主震在 4.8级余震节面Ⅰ、Ⅱ上的静态库仑应力变化均为正值,分别为 0.48 MPa和 0.02 MPa。主震在节面Ⅰ、Ⅱ上产生的静态库仑应力的变化十分接近。应力增加的区域主要位于主震断层的右侧,应力减小的区域主要分布在震中南部。统计显示:绝大部分余震均发生在静态库仑应力增加的区域内,尤其是在节面Ⅰ上,表明主震破裂产生的库仑破裂应力变化对 4.8级余震的发生有重要的触发作用,同时也有利于大多数余震的发生。

九江—瑞昌MS5.7地震;震源破裂参数;静态库仑应力;余震触发

0 引言

测定地震震源的破裂参数是震源机制研究的重要内容之一。对于中强地震,可以综合震源机制解、余震的分布以及地表破裂带等来推测其破裂参数。对于中小地震主破裂面的确定则比较困难,但国内外均有研究。Frankel等(1986)利用震源时间函数的方向性变化,来确定美国南加州地区ML3.0地震的破裂面;Badawy和 Abbdel-Fattah(2001)、Abbdel-Fattah(2003)根据震源时间函数宽度和强度的方向性来确定中小震源的破裂方向;陈学忠等(2005)根据地震多普勒效应及单侧破裂模型,利用最小二乘法确定了 1995年河北沙城ML4.1地震的破裂参数。

震源破裂参数的计算只能反应单个地震的具体破裂过程。然而,主震破裂与后续余震之间是怎样的一种关系,它们以何种方式相互作用?这是当前地震学界比较关注的问题之一。诸多的观测和研究结果均表明地震应力触发的存在,其互相影响的机制之一就是应力的相互作用(Reasenberg,S impson,1992;Kinget al,1994)。Harris(1998)认为断层永久位移产生的静态应力变化,可以改变附近断层上发生地震的可能性,或可说触发地震。近年来,有学者曾对国内几次强烈地震及其余震的库仑应力触发问题进行过详细的研究(刘桂萍,傅征祥,2000;万永革等,2002)。

2005年11月 26日发生在江西九江—瑞昌的MS5.7地震,是华东、华中地区近 30年来最强烈的一次地震。该次地震后还发生了大量的余震,其中最大的一次余震为 4.8级,对瑞昌市和九江县造成了严重的毁坏和人员伤亡。江西属于地震活动比较弱的地区,历史上很少发生破坏性地震。本次地震发生后,众多学者对其发震构造的认定一直存在不同的观点。因此,为了能对此次地震的破裂过程及其对后续余震的影响有较为清楚的认识,笔者首先根据地震多普勒效应,利用多台的波谱参数推算主震的震源破裂参数,并进一步探讨其余震的静态库仑应力触发问题,尤其是对4.8级余震的触发作用。

1 利用波谱参数推算震源的破裂参数

1.1 基本原理

由于地震破裂时所产生的地震波频率存在方位变化,从而引起拐角频率的方向性,因而可以利用 P波或 S波拐角频率的方向性变化来确定地震破裂面(Badawy,Abbdel-Fattah,2001;Abdel-Fattah,2003)。在一维有限移动震源模型下,单侧破裂的震源断层产生的地震波远场位移谱可表示为(徐果明,周惠兰,1982)

式中,M0是地震矩;ℜ是辐射因子;G(ω)是震源时间函数的频谱;c是地震波传播速度;v是破裂传播速度;L是断层长度;θ=φ0-φ,φ为台站方位角;φ0为破裂方位角。

当震源时间函数为阶跃函数 H(t)、ω=ω0时,地震波远场辐射谱为零(即 1/X=1),则有

若令 ω0=2πf0,T0=1/f0,a=L/2v,b=L/2c,则有

式中 ,b1=bcosφ0,b2=bsinφ0。于是根据(4)式,当已知 n个台站的拐角频率及其方位角φ时,可以采用最小二乘法来求得系数 a,b1和 b2(陈学忠等,2005)。最后再依据(5)、(6)式分别求出断层破裂方位角φ0和地震马赫数,即破裂速度与波速的比值(陈学忠等,2005;)

具体的破裂方位角根据 b1、b2的关系来确定,见表 1。

表1 破裂方位角与 b1、b2的关系表Tab.1 Relation be tween facture azimuth andb1,b2

1.2 拐角频率的计算

计算震源谱的拐角频率前,首先将各个台站记录的垂直向 P波段数字波形扣除仪器响应,并经傅立叶变换得到速度谱,然后除以 2πf得到位移谱,表示为

式中,Oij(f)为震源谱;Gj(f)为场地响应;Pij(f)为地震波衰减项,包括几何衰减和非弹性衰减。Nakamura(1989)认为垂直向 P波的场地响应基本上不被放大,因此本文计算中未扣除。几何衰减采用线性几何衰减模型;九江—瑞昌震源区的非弹性衰减系数,采用吕坚等(2006)根据单次散射模型拟合得到的值 Q(f)=(77.5±15.6)f0.96。

根据上述结果对各台站的位移谱进行传播路径的校正后,得到相应的震源谱,并采用通过遗传算法求出的拐角频率值 f0(刘杰等,2003)。

2 资料选取与震源区构造背景

2.1 资料选取

对 2005年11月 26日江西九江—瑞昌 MS5.7地震进行精定位得到震中位置为 29.69°N,115.74°E,震源深度为 10.8 km(吕坚等,2008)。江西地震台网、安徽地震台网和国家地震台网均完整地记录到此次地震。为了能真实地反映出震源谱在各个方位上的差异,从而提高拟合计算的精确度,要求震中周围台站分布要均匀。因此,笔者从上述 3个台网选取 10个台站的垂直向记录资料(表 2,图 1),如图 1a所示,所选台站基本均匀分布在震中四周,震中距平均约为 185 km。其中,江西、安徽及国家台网采用的地震计类型分别为 FBS-3B、KS-2000、VBB,数据采集器的采样率均为 50 Hz。

表2 台站基本要素及震源谱拐角频率表Tab.2 Seismic station's basic parameter and corner frequency of source spectrum

2.2 震源区构造背景

MS5.7主震的震源区位于秦岭—大别山造山带与郯城—庐江断裂带的延伸汇聚部位,微观震中位于瑞昌盆地内,震区附近有多条断裂发育(图1b)。大地构造上,处于桐柏—大别块隆、扬子板块中段的下扬子隆陷带与江南块隆 3个二级单元的汇聚带,构造背景十分特殊(王椿镛等,1997)。区域构造环境表明震源区经历了多次构造运动,应力场特征为近 EW向挤压,近 NS向拉张,在新构造上位于幕阜山—九岭山断块隆起区与潘阳湖—安庆断陷区的接壤部位;新构造期以来,该区域以差异隆升运动为主(李传友等,2008)。

3 主震震源的破裂参数

根据(7)式求出各台站震源谱的拐角频率(表 2),并采用最小二乘法拟合求得(4)式中的系数,分别为 a≈ 1.914 6、b1≈ 0.725,b2≈-0.241 9。最后由(5)式及表 1中的关系式可得破裂方位角 φ0≈ 319.6°,为 NWW 向破裂。由(6)式可计算出地震马赫数,它反映了地震破裂时破裂速度与 P波速度的关系,其值为 0.353。根据震区地壳模型(杨中书,曾文敬,2007),地壳厚度在10 km左右处的 P波波速约为 6.50 km/s,则可得破裂速度约为 2.3 km/s。(4)式中 T0与cosθ的线性相关系数会随破裂方位角φ0的取值而变化,利用最小二乘法拟合时,应取极小值(陈学忠等,2005)。图 2中箭头所指处为相关系数达到极小值,表示φ0值的拟合结果在此处达到最佳。相关系数极值的数值大小是反映拟合的线性趋势和离散状况的,本文的拟合结果数值约为 0.80,表明此次拟合结果的离散状况较小,具有很好的线性趋势。

图1 MS5.7主震与记录台站分布图(a)和震源区(图 1a中方框内区域)地质构造简图(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)

吕坚等(2008)采用 CAP方法反演得到此次主震的震源机制解,并认为NW向的洋鸡山—武山—通江岭断裂(F5)可能是此次地震的发震构造。节面 Ⅰ:走向 223°,倾角 75°,滑动角 144°;节面Ⅱ:走向 324°,倾角 55°,滑动角 18°。可以看出节面Ⅱ的走向与本文计算的破裂方位角结果十分接近,相差仅约为 5°左右。此外,杨中书和曾文敬(2007)对ML≥1.0余震精定位的结果显示,余震在NW向具有整体的优势分布特征。因此,综合认为此次主震很可能是以约 2.3 km/s的速度沿NWW向破裂。

图2 拟合相关系数随破裂方位角的变化Fig.2 Variation of the fitted correlation coefficient with the rupture azimuth

在计算断层的破裂长度时分别根据公式:MS=3.54+2.08lgL(环文林等,1990)和 MS=3.96+2.0lgL(陈培善,白彤霞,1991)。结果分别为L≈9.6 km和 7.4 km,笔者取两次计算的平均值8.5 km为此次主震的断层破裂长度。

断层的破裂长度 L、宽度W和平均位错 D存在相似性,ε=D/L是平均线应变,W/L为断层面宽长比,均可视为常数,取(W/L)=0.23,ε=2.82×10-5(丁国瑜等,1993)。于是可求得断层的破裂宽度W≈2.0 km、平均位错 D≈0.24 m。综上所述,得到此次主震震源的相关破裂参数,见表3。

表3 主震震源的破裂参数Tab.3 Rupture parameters of the main earthquake source

4 余震的静态应力触发研究

4.1 库仑破裂应力计算的原理

当一条断层上发生强震并引起地表同震位错后,会在周围弹性介质中引起应力变化(Okada,1992)。根据库仑破裂准则,假定内摩擦系数和内聚力强度或接触面固有剪切强度 S是不随时间变化的常数,则定义库仑破裂应力的变化为(Reasenberg,Simpson,1992;Harris,1998):

式中,Δ τ是断面滑动方向上的剪应力变化;Δ σ是断面上正应力的变化;μ′是接受点断层面介质的视摩擦系数,μ′=μ (1-β);β是 Skempton系数,其理论值范围为 0～1.0。μ′值对库仑破裂应力变化的空间分布影响不大,但对应力变化的大小有一定影响。本文参照 King等(1994)的做法,取μ′=0.4,切变模量取 3.0×1010Pa,泊松比取0.25。

根据Okada(1992)给出的公式先计算出断层面破裂后周围空间中任意一点的应力,然后再计算周围余震断面上的库仑破裂应力变化Δ σf。若Δ σf＞0表示断面上被加载应力(应力加大),即前面地震产生的应力变化促使断层破裂,则有利于后续地震的发生;Δ σf＜0表示被卸载(即应力松弛),则断层破裂被抑制,发生地震的可能性就降低。

4.2 余震静态库仑应力触发

根据库仑破裂准则,正静态库仑应力变化具有加速断层滑动破裂的作用,从而增加余震发生的可能性(Harris,1998)。King等(1994)、Hardebeck等(1998)研究表明,0.01 MPa以上的静态库仑应力变化能够影响余震的空间分布。

从 MS5.7主震发生后到 2006年1月 31日,江西地震台网记录到的余震总数超过 1 750次,其中在当日 12时 55分发生的 4.8级余震,是最大余震,并且其震源机制解与主震不完全一致(表 4)(吕坚等,2008)。目前,依据现有资料无法准确认定余震震源机制解中哪一节面为震源的断层面。因此笔者根据(8)式和表 3中的震源断层模型,分别计算了主震在余震两个节面上产生的静态库仑破裂应力变化。结果显示:在两个节面上产生的静态库仑破裂应力变化分布情况十分接近,但又不完全一致(图 3),这是因为震源机制解中的两个节面是正交的。正静态库仑应力变化大于 0.02 MPa的区域主要分布在断层的右侧,沿NW向展布;负静态库仑应力变化的区域主要分布在主震震中南部区域内。两节面上的静态库仑应力变化的主要区别是,节面Ⅱ上位于主震西南区域的应力增加值高于节面Ⅰ上的值。4.8级余震震源节面Ⅰ、节面Ⅱ上的库仑破裂应力变化均为正值,分别约为 0.48 MPa和0.02 MPa。这表明主震破裂产生的库仑破裂应力变化对 4.8级余震有触发作用,是此次余震发生的重要原因。

表4 4.8级余震破裂面上库仑破裂应力变化Tab.4 Variation of Coulomb failure stress on rupture surfaces ofMS4.8 aftershock

图3 主震在 4.8级余震节面Ⅰ(a)和节面Ⅱ(b)上产生的静态库仑破裂应力变化Fig.3 Changes of static coulomb stress on nodalⅠ(a)and nodalⅡ(b)ofMS4.8 aftershock

从图 3可看出,震源区(29.60°～29.80°N,115.65°～115.85°E)内 139个 ML≥1.5余震的精定位结果显示,大部分余震均分布在正静态库仑破裂应力变化的区域内;分别约有 92%和 78%的余震分布在节面Ⅰ和节面Ⅱ上的静态库仑应力增加区域内。同时,对比图 1b还发现震源区内 NE向丁家山—桂林桥—武宁断裂(F2)北段和丁家山—狮子岛断裂(F6)北段均处在正静态库仑应力变化区域内,表明它们受到了应力增加作用,有利于余震的发生。

负静态库仑应力变化具有延缓断层破裂的作用,还可能使断层上的应力减小,延缓余震的发生。震中南部的负静态库仑应力变化区域内有刘家—范家铺—城门山断裂(F1)横穿,从图 3可以看到只有少数余震分布在该区域内。

5 结论与讨论

笔者首先根据地震破裂过程中的多普勒效应,利用多台的波谱参数推算了九江—瑞昌 MS5.7地震的震源破裂参数,得到主震的破裂方位角φ≈319.6°,破裂速度约为 2.3 km/s。拟合的相关系数极小值约为 0.80,表现出很好的线性趋势。得到的结果与前人对震源机制解和余震精定位的研究结果具有一致性(杨中书,曾文敬,2007;吕坚等,2008),表明在震中周围数字台站分布均匀合理时,运用该方法来推算地震的主破裂面是有意义的。但需要说明的是笔者在计算中假定了震源时间函数为阶跃函数,模型的简化有可能会造成计算结果的一些误差。

为了探讨主震对其余震的静态库仑应力触发问题,尤其是对 4.8级余震的触发作用,笔者分别计算主震在 4.8级余震两个节面上的静态库仑应力变化。结果显示:4.8级余震处在静态库仑应力增加区域内,两个节面上的应力增加分别为 0.48 MPa和 0.02 MPa。主震在节面Ⅰ、Ⅱ上产生的静态库仑应力的变化十分接近,应力增加的区域主要位于主震断层的右侧,应力减小的区域主要分布在震中南部。统计显示绝大部分余震均发生在静态库仑应力增加的区域内,尤其是在节面Ⅰ上,这表明主震破裂产生的库仑破裂应力变化对 4.8级余震的发生有重要的触发作用,同时也有利于大多数余震的发生。

由图 3还可看出,静态库仑破裂应力的变化随距离的增加衰减很快,因此影响范围与破裂尺度有很大的相关性。大多数余震以及 4.8级余震与主震的距离均未超过主震的 1个破裂尺度:8.5 km,这与刘强等(2007)对宁洱 6.4级地震强余震库仑破裂应力触发的研究结果相似。

本文计算所需的波形数据由江西省地震局吕坚提供,在此表示感谢。

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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.

中国地震局 2009年度 “三结合”课题(NO.09707)和中国地震局 “十一五”科技支撑计划(2006BAC01B03-03-01)共同资助 .