祝愛玉 張東寧 蔣長(zhǎng)勝

（中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所）

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川滇地塊東邊界中南段構(gòu)造應(yīng)力分布特征與歷史強(qiáng)震活動(dòng)關(guān)系的數(shù)值模擬

（中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所）

本文以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果、 巖石圈流變特性為約束， 采用摩擦接觸單元反映斷裂帶空間分段特征， 以最接近真實(shí)地下環(huán)境的非線性黏彈性材料為模型的本構(gòu)關(guān)系， 建立包括安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶的三維有限元模型， 模擬在速度邊界條件和重力勢(shì)能等動(dòng)力因素共同作用下的斷裂帶應(yīng)力分布特性． 研究結(jié)果表明， 模擬得到的斷裂帶現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與地震活動(dòng)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 應(yīng)力比較集中的區(qū)域， 如石棉、 西昌、 巧家、 東川附近， 極有可能是未來的地震危險(xiǎn)區(qū)域．

川滇地塊東邊界中南段 強(qiáng)震活動(dòng) 黏彈性本構(gòu)關(guān)系 庫侖應(yīng)力

引言

四川和云南地區(qū)是中國(guó)大陸強(qiáng)震多發(fā)地區(qū)． 近年來， 在中國(guó)地震局的年度地震趨勢(shì)會(huì)商會(huì)上， 有關(guān)專家多次將川滇菱形地塊及其部分鄰區(qū)劃定為地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)（聞學(xué)澤， 2000）． 鮮水河—安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶作為川滇活動(dòng)地塊的東邊界（（張培震等， 2003）， 是一條大型的左旋走滑活動(dòng)斷裂帶， 其強(qiáng)震活動(dòng)最為頻繁（圖1）， 在過去的300多年中曾發(fā)生過多次強(qiáng)震活動(dòng)， 其中多數(shù)發(fā)生在鮮水河斷裂上， 而安寧河斷裂、 則木河斷裂和小江斷裂自1833年后均未發(fā)生過M≥7強(qiáng)震． 因此， 針對(duì)川滇活動(dòng)地塊東邊界的中長(zhǎng)期大地震潛勢(shì)的研究， 對(duì)地震預(yù)測(cè)和防震減災(zāi)都具有非常重大的意義．

聞學(xué)澤等（2008）通過小震靜定位的時(shí)空分布特征， 結(jié)合已有的地震活動(dòng)性參數(shù)和形變測(cè)量分析結(jié)果， 探討了川西安寧河斷裂、 則木河斷裂地區(qū)最近30年來地震平靜的含義， 并估計(jì)了安寧河斷裂的兩個(gè)閉鎖段潛在地震的最大可能震級(jí)． 易桂喜等（2004）和朱艾斕等（2009）基于地震重定位結(jié)果， 沿鮮水河—安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶進(jìn)行b值和局部復(fù)發(fā)時(shí)間的空間掃描， 對(duì)該斷裂帶上現(xiàn)今應(yīng)力積累的閉鎖段位置進(jìn)行了推斷． 王輝等（2012）利用40多年的小震資料分析了川滇地區(qū)1981年以來的19次M≥6.5地震與b值的時(shí)空分布關(guān)系， 探討了該地區(qū)強(qiáng)震活動(dòng)與b值變化趨勢(shì)之間的關(guān)系．

圖1 川滇地區(qū)主要活動(dòng)斷裂和地震分布

上述研究均為通過地震精確定位、 地質(zhì)調(diào)查以及地震活動(dòng)參數(shù)來估計(jì)地震危險(xiǎn)性． 目前在對(duì)川滇地區(qū)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的數(shù)值模擬方面也開展了很多相關(guān)研究. 例如， 李玉江等（2009）模擬分析了云南地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的年變特征， 王輝等（2010）分析了斷層分布和幾何形態(tài)對(duì)川西及其鄰區(qū)應(yīng)變分配的影響， 陳連旺等（2011）討論了流變特性對(duì)青藏高原構(gòu)造變形的影響． 由于受模擬計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)限制或巨大重力作用可能造成有限元網(wǎng)格強(qiáng)烈坍塌變形等影響， 多數(shù)研究?jī)H簡(jiǎn)單假設(shè)地殼在長(zhǎng)期重力作用下巖體已基本處于重力均衡狀態(tài)， 計(jì)算時(shí)只考慮靜巖壓力之外的構(gòu)造應(yīng)力而忽略了重力作用（張東寧等， 2007； 陳連旺等， 2008； 王輝等， 2008； 張懷等， 2009）． 但是青藏高原高海拔地形蓄積的重力勢(shì)能， 是高原物質(zhì)側(cè)向擠出的重要?jiǎng)恿W(xué)因素， 同時(shí)也是控制川滇地區(qū)地殼水平向偏應(yīng)力（構(gòu)造應(yīng)力）和水平向偏應(yīng)變的重要地球動(dòng)力學(xué)因素之一（張健， 石耀霖， 2002； Yang， Liu， 2009）． 因此， 充分考慮青藏高原在重力作用影響下的地球動(dòng)力學(xué)特征是模擬地殼和上地幔構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)的重要前提（祝愛玉， 張東寧， 2014）．

鑒于此， 本文采用三維有限元數(shù)值模擬方法， 以最新的川滇地區(qū)深部結(jié)構(gòu)、 巖石圈流變特性、 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)以及GPS觀測(cè)給出的地塊運(yùn)動(dòng)為約束， 建立了包括川滇地塊東邊界中南段（即安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶）的三維有限元數(shù)值模型， 研究在速度邊界條件和重力勢(shì)能等動(dòng)力因素共同作用下該斷裂帶的應(yīng)力分布特性， 探索該斷裂帶現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)及其與地震活動(dòng)的關(guān)系， 同時(shí)給出強(qiáng)震活動(dòng)的主要控制因素以及未來可能的強(qiáng)震危險(xiǎn)區(qū)．

1 三維黏彈性模型

1.1 三維有限元模型的建立

利用已有的探測(cè)結(jié)果以及最新的南北地震帶地區(qū)地殼上地幔三維高精度速度結(jié)構(gòu)模型和物性參數(shù)， 根據(jù)地質(zhì)、 地應(yīng)力、 地形變資料確定的區(qū)域內(nèi)及周邊構(gòu)造地塊間的相互作用形式， 本文建立了包括安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶及其鄰區(qū)的三維精細(xì)黏彈性有限元實(shí)體模型（圖2）， 其范圍為101°E—104°E、 24°N—30°N． 該模型考慮了研究范圍內(nèi)的主要活動(dòng)斷裂： 小江斷裂、 則木河斷裂、 安寧河斷裂、 大涼山斷裂和麗江—小金河斷裂（鄧起東等， 2002）． 由于本文重點(diǎn)研究安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶上的應(yīng)力狀態(tài)， 所以在該斷裂帶上采用多種尺寸的摩擦接觸單元來反映斷層， 而在麗江—小金河斷裂和大涼山斷裂則采用一定寬度的特定材料參數(shù)單元模擬活動(dòng)斷裂（軟弱單元）． 與軟弱單元相比， 摩擦接觸單元所模擬的活動(dòng)斷裂更能接近真實(shí)， 但其收斂比較困難． 模型中包括了安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶東西兩邊的華南地塊和川滇地塊．

圖2 川滇地塊東邊界中南段斷裂帶地區(qū)的三維有限元模型

如圖2所示， 該模型深度為200 km， 分為地表、 上地殼、 中地殼、 下地殼、 地幔頂層（巖石圈深度）和上地幔（軟流圈部分）等6個(gè)分層． 采用美國(guó)地球物理中心發(fā)布的ETOPO1地形高程數(shù)據(jù)， 其分辨率為1 s （National Oceanic and Atmospheric Administration， 2014）; 上地殼、 中地殼和下地殼分層數(shù)據(jù)引自Stolk等（2013）最新結(jié)果; 巖石圈深度結(jié)果引自安美建和石耀霖（2007）的結(jié)果． 用六面體單元對(duì)本文模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 橫向和地殼深度的單元網(wǎng)格大小均為5 km， 地幔深度的單元網(wǎng)格尺寸為10 km， 共劃分約30萬個(gè)單元．

1.2 材料參數(shù)

人工地震測(cè)深和天然地震觀測(cè)研究表明， 川滇地區(qū)的地殼厚度變化劇烈， 速度結(jié)構(gòu)橫向不均勻性較強(qiáng)． 本文參考吳建平等（2006）和王椿鏞等（2008）的波速結(jié)果， 得到了研究區(qū)的彈性模量， 如表1所示． 其具體計(jì)算公式為

（1）

（2）

式中，ν為泊松比，vP和vS分別為地殼某一層的P波和S波速度，E為彈性模量.

利用軟弱夾層斷裂材料表示大涼山斷裂、 麗江—小金河斷裂． 軟弱夾層斷裂材料的彈性模量設(shè)置得明顯低于周圍地塊介質(zhì)， 其泊松比大于周圍地塊介質(zhì)． 該泊松比的設(shè)定， 除通過地震波進(jìn)行計(jì)算外， 還參考了以往的數(shù)值模擬工作， 最終設(shè)置的泊松比較地震波計(jì)算結(jié)果偏大， 主要是為了體現(xiàn)長(zhǎng)期地質(zhì)演化過程中巖石圈介質(zhì)更傾向于流變性． 根據(jù)該區(qū)域相對(duì)偏高的平均大地?zé)崃髦担?可推測(cè)川滇菱形地塊的下地殼介質(zhì)強(qiáng)度較低、 相對(duì)較軟， 而菱形地塊東邊的華南地塊和四川盆地的地殼介質(zhì)則相對(duì)較硬（石耀霖， 曹建玲， 2008）． 有限元模型介質(zhì)的黏滯系數(shù)也列于表1．

表1 本文有限元模型的材料參數(shù)Table 1 Material parameters of the finite-element model built up in this paper

1.3 初始條件和邊界條件

初始條件是地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬中最為困難的問題． 就現(xiàn)有的觀測(cè)手段而言， 初始地應(yīng)力場(chǎng)不能直接獲得， 只能借助于反演等手段來得到， 但是這種地應(yīng)力狀態(tài)不具有唯一性， 因此本文在模型中加入重力作用. 由于巖石圈的長(zhǎng)期流變性質(zhì)， 其應(yīng)力狀態(tài)趨向于“靜巖壓力”應(yīng)力狀態(tài)， 即重力均衡狀態(tài)， 以此作為初始條件， 然后施加邊界條件． 本文對(duì)青藏高原東南緣現(xiàn)今地殼形變的GPS觀測(cè)結(jié)果（王敏等， 2008）進(jìn)行插值， 給出了研究區(qū)各段邊界的速度值． 模型的水平位移約束條件為該速度值與計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)（100年）的乘積， 垂直方向位移保持自由; 模型的上表面為自由表面． 為簡(jiǎn)化模型， 將模型底部所有節(jié)點(diǎn)垂直方向（z方向）上的位移約束為0， 但可以在水平方向上運(yùn)動(dòng)．

2 模型檢驗(yàn)

本文在考慮重力勢(shì)能作用的條件下， 將模型趨于重力均衡的狀態(tài)作為模型的初始應(yīng)力狀態(tài)， 然后施加邊界條件． 經(jīng)過100個(gè)時(shí)間步（時(shí)間步長(zhǎng)為100年）， 即1萬年的加載作用， 以最終得到的穩(wěn)定地殼構(gòu)造應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)作為研究地區(qū)的背景力學(xué)環(huán)境， 來計(jì)算此后模型的應(yīng)力應(yīng)變以及主要斷層的應(yīng)力狀態(tài)． 模擬實(shí)驗(yàn)過程中， 依據(jù)安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶地區(qū)的現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、 地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、 斷層滑動(dòng)速率以及在該邊界條件和重力作用下該地區(qū)的地殼隆升和沉降特征等方面對(duì)計(jì)算結(jié)果的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)．

2.1 水平方向地殼形變特征

近年來， GPS觀測(cè)結(jié)果提供了高精度的中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)定量數(shù)據(jù)， 并且取得了一批基于GPS觀測(cè)結(jié)果的研究成果（王琪等， 2002； 王敏等， 2008）． GPS觀測(cè)結(jié)果顯示， 川滇活動(dòng)地塊的主要運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镾E150°—160°， 北部的鮮水河附近區(qū)域的運(yùn)動(dòng)方向約為SE120°， 而南部的安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶運(yùn)動(dòng)方向變?yōu)镾E165°． 華南地塊相對(duì)川滇地塊比較穩(wěn)定， 其內(nèi)部沒有明顯的褶皺和活動(dòng)斷裂， 地震活動(dòng)性相對(duì)較弱． GPS觀測(cè)結(jié)果表明， 華南地區(qū)和東南沿海整體向E和ESE方向運(yùn)動(dòng)， 其內(nèi)部的差異運(yùn)動(dòng)并不明顯． 圖3給出了安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶地殼形變速率的計(jì)算結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果. 可以看出： 其計(jì)算值與測(cè)量值在方向和大小上都比較接近； 安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶附近區(qū)域的水平地殼形變方向?yàn)镾E向．

2.2 地殼應(yīng)力場(chǎng)特征

構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究結(jié)果（許忠淮， 2001； 崔效鋒等， 2006）一致認(rèn)為青藏高原北部地區(qū)的最大主壓應(yīng)力方向?yàn)镹NE， 從青藏高原的東北部到東南部， 其最大主壓應(yīng)力方向由NE， ENE， 近E--W及SE轉(zhuǎn)為SES， 呈現(xiàn)出以青藏高原為中心的輻射狀圖象． 為了進(jìn)一步說明本文模型的可靠性， 圖4給出了研究區(qū)域的最大主壓應(yīng)力場(chǎng)特征， 并將其與研究區(qū)域的地殼構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比． 其中測(cè)量值引自世界應(yīng)力分布圖2008年發(fā)布的最新結(jié)果（Heidbachetal， 2010）． 對(duì)比分析表明， 本文以GPS觀測(cè)資料插值產(chǎn)生邊界條件所得到的中地殼水平方向最大主壓應(yīng)力方向數(shù)值模擬結(jié)果， 與實(shí)際觀測(cè)和研究資料基本一致．

圖3 地殼形變速率的計(jì)算值與測(cè)量值的對(duì)比

圖4 最大主壓應(yīng)力方向模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 川滇地塊東邊界中南段應(yīng)力狀態(tài)

本文從應(yīng)力角度分析了川滇地塊東邊界中南段（即安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶）的剪應(yīng)力場(chǎng)分布特征， 其模擬結(jié)果如圖5a所示． 可以看出， 安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶地區(qū)存在多個(gè)應(yīng)力集中的地點(diǎn)， 如東川、 巧家、 西昌及石棉附近的應(yīng)力場(chǎng)明顯偏大． 聞學(xué)澤（2000）綜合斷裂幾何結(jié)構(gòu)活動(dòng)習(xí)性、 歷史地震及地球形變資料， 對(duì)川滇地塊東邊界上特性部位的終止破裂擴(kuò)展條件進(jìn)行了分析， 得到了5處較大的障礙體， 其中有3處在本文的研究范圍內(nèi)： ① 新民附近區(qū)域， 位于鮮水河斷裂最南端與安寧河斷裂的轉(zhuǎn)折區(qū)； ② 西昌附近區(qū)域， 從安寧河斷裂—?jiǎng)t木河斷裂的轉(zhuǎn)折區(qū)； ③ 巧家附近區(qū)域， 位于則木河斷裂與小江斷裂之間． 本文從應(yīng)力分析的角度進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)論； 同時(shí)還發(fā)現(xiàn)， 在東川附近也有非常明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象． 上述模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)資料相互驗(yàn)證， 進(jìn)一步加深了對(duì)該區(qū)域的認(rèn)識(shí)， 即在現(xiàn)今區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)條件下， 川滇地塊東邊界中南段表現(xiàn)出明顯的力學(xué)分段特性． 這對(duì)理解該區(qū)域的強(qiáng)震發(fā)生條件具有十分重要的意義．

圖5a中的紅色圓點(diǎn)（僅標(biāo)識(shí)震中位置）表示安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶自1327年以來所發(fā)生的M≥6.5強(qiáng)震活動(dòng)， 從鮮水河斷裂南端—安寧河斷裂—?jiǎng)t木河斷裂—小江斷裂方向分析， 可以看出： 在鮮水河斷裂南端， 有一個(gè)剪應(yīng)力集中區(qū)， 1327年發(fā)生過M7強(qiáng)震； 在新民過渡區(qū)即石棉附近， 1480年發(fā)生過M7強(qiáng)震； 在西昌轉(zhuǎn)折區(qū)發(fā)生過3次強(qiáng)震，即1536年M7、 1489年M6和1732年M6地震； 在東川應(yīng)力集中區(qū)， 發(fā)生過兩次強(qiáng)震事件， 即1733年M6和1966年M6地震． 另外， 還有其它一些強(qiáng)震如1850年M7、 1713年M6、 1500年M7、 1789年M7和1909年M6地震均發(fā)生在剪應(yīng)力相對(duì)集中區(qū)域． 從上述歷史強(qiáng)震活動(dòng)與剪應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以看出, 剪應(yīng)力的分布與強(qiáng)弱地震的活動(dòng)和斷層的活動(dòng)性特征有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 并且多數(shù)強(qiáng)震活動(dòng)均發(fā)生在特定的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境條件下． 沿安寧河斷裂的中段， 強(qiáng)震都發(fā)生在剪應(yīng)力集中的部位； 沿則木河斷裂， 強(qiáng)震主要發(fā)生在與其它方向斷裂相交匯的部位（如西昌附近）; 而在巧家附近, 雖然有明顯的剪應(yīng)力集中區(qū)域， 但迄今為止尚未發(fā)生強(qiáng)震． 由此推斷, 巧家附近將是未來強(qiáng)震發(fā)生的可能區(qū)域， 為強(qiáng)震活動(dòng)危險(xiǎn)區(qū)域． 另外在石棉附近也有明顯的剪應(yīng)力集中區(qū)域， 1480年發(fā)生過的強(qiáng)震不是在其剪應(yīng)力最集中的地點(diǎn)， 所以石棉附近也可能是未來強(qiáng)震活動(dòng)的危險(xiǎn)區(qū)域．

圖5 （a） 安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶地區(qū)剪應(yīng)力分布特征； （b） 斷層面上2.0≤M≤5.9地震震源分布（引自易桂喜等， 2004）

圖5給出了安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶地區(qū)剪應(yīng)力分布與小震精定位結(jié)果的對(duì)比分析, 圖5b給出了重新定位的小震震源分布（易桂喜等， 2004）． 由本文計(jì)算的斷裂帶剪應(yīng)力（圖5a）可以看出， 在安寧河—?jiǎng)t木河段出現(xiàn)兩處剪應(yīng)力較小的斷層段， 即冕寧—西昌段和西昌—普格段， 其中冕寧—西昌段正好與圖5b的閉鎖斷層帶相對(duì)應(yīng)， 西昌—普格段則正好與1850年四川西昌地震的主破裂面相對(duì)應(yīng)． 同時(shí)可以看出， 小震多發(fā)區(qū)（如石棉， 西昌， 巧家附近）與剪應(yīng)力集中區(qū)對(duì)應(yīng)得很好．

3.2 庫侖應(yīng)力觸發(fā)

由上述斷裂帶應(yīng)力狀態(tài)與歷史地震活動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以看到, 大多數(shù)地震特別是強(qiáng)震均發(fā)生在應(yīng)力相對(duì)集中區(qū)域， 但也有小部分強(qiáng)震發(fā)生在應(yīng)力偏小區(qū)域， 尤為明顯的是1850年發(fā)生在則木河斷裂上的M7地震和1952年發(fā)生在安寧河斷裂的M6地震． 下面從庫侖應(yīng)力觸發(fā)的角度探討這一問題．

表2 安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶地區(qū)1327年 以來發(fā)生的M≥6地震 Table 2 The M≥6 earthquakes on Anninghe-Zemuhe-Xiaojiang fault zone since the year 1327

表2 安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶地區(qū)1327年 以來發(fā)生的M≥6地震 Table 2 The M≥6 earthquakes on Anninghe-Zemuhe-Xiaojiang fault zone since the year 1327

序號(hào)年份東經(jīng)/°北緯/°M地點(diǎn) 11327102．0829．737 四川雅安21480102．2128．867 四川岳西31489102．327．896 四川西昌41500103．1624．877云南宜良51536102．1928．237 四川西昌北61713103．2425．476 云南尋甸南71725103．0425．136 云南嵩明—宜良81732102．427．76 四川西昌西南91733103．0926．377 云南東川101786102．0429．877四川瀘定南111789102．9624．297云南華寧12183310325．08云南嵩明南131850102．5327．377 四川西昌141909103．1524．356 云南彌勒151952102．1828．416 四川冕寧南161966103．1526．16 云南東川

模擬地震活動(dòng)引起的破裂段將作為影響研究區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變的介質(zhì)變化參數(shù)的輸入條件， 即修改強(qiáng)震破裂段的摩擦系數(shù)， 模擬地震活動(dòng)導(dǎo)致的斷裂帶應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)和應(yīng)變能的變化情況， 以研究強(qiáng)震活動(dòng)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的幾條主要活動(dòng)斷裂帶今后強(qiáng)震活動(dòng)危險(xiǎn)性的影響． 本文的輸入地震主要依據(jù)Wen等（2008）整理的安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶1327年以來所發(fā)生強(qiáng)震的時(shí)間、 地點(diǎn)及震級(jí)等， 具體如表2所示．

庫侖破裂應(yīng)力變化ΔCFS可表示為

ΔCFS=Δτ+μ（Δσn+ΔP）,

（3）

式中：Δτ是由第一次地震引起的鄰近斷層的滑動(dòng)方向上的剪應(yīng)力變化； Δσn是由第一次地震引起的鄰近斷層的斷層面法向上的正應(yīng)力變化， Δσn>0意味著斷層拉張加強(qiáng)；μ為斷層摩擦系數(shù)； ΔP為孔隙壓力的變化． ΔCFS可以用來估計(jì)一次地震能否導(dǎo)致另一次地震孕育過程更接近或更遠(yuǎn)離破裂失穩(wěn)． 庫侖破裂應(yīng)力變化理論已經(jīng)被成功地應(yīng)用于確定那些庫侖應(yīng)力變化為負(fù)值（ΔCFS<0）， 即處于松弛狀態(tài)斷層的情況． 正的庫侖破裂應(yīng)力變化能使斷層破裂， 從而觸發(fā)地震； 反之， 負(fù)的庫侖應(yīng)力變化抑制斷層破裂， 使地震發(fā)生的可能性降低， 安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶區(qū)域因此成為“應(yīng)力影區(qū)”（Reasenberg， Simpson， 1992； Steinetal， 1997； 石耀霖， 曹建玲， 2010）．

表3給出了表2中的16次強(qiáng)震在后續(xù)地震地點(diǎn)15 km深度處的庫侖應(yīng)力變化值， 最后一行給出了地震引起的庫侖應(yīng)力變化的累積量． 因?yàn)橐话阒髡鹉軌蛴|發(fā)地震活動(dòng)的閾值為0.01 MPa（Harris， 1998）， 所以表中庫侖應(yīng)力變化值大于0.01 MPa的以黑體標(biāo)記． 可以看出， 1500年M7、 1713年M6、 1732年M6、 1733年M7、 1786年M7和1789年M7這些地震沒有任何應(yīng)力觸發(fā)的可能， 因?yàn)槠鋷靵鰬?yīng)力變化均小于閾值， 除了1732年M6和1786年M7地震（因?yàn)檫@兩次地震均發(fā)生靠近數(shù)值模型邊界區(qū)域， 受邊界條件影響劇烈， 所以予以排除）． 從圖5a不難看出， 這些地震均發(fā)生在應(yīng)力集中非常明顯的區(qū)域， 進(jìn)一步說明了地震的發(fā)生與斷裂帶的應(yīng)力狀態(tài)有密切的關(guān)系．

圖6 安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶地區(qū)的累積庫侖應(yīng)力變化

從表3最后一行可以看出， 庫侖應(yīng)力變化的累積量大于閾值0.01的地震分別有1480年M7、 1536年M7、 1725年M6、 1833年M8、 1850年M7、 1909年M6和1952年M6等7次地震． 其中1850年發(fā)生在則木河斷裂的M7地震和1952年發(fā)生在安寧河斷裂的M6地震均發(fā)生在斷裂帶上剪應(yīng)力最小的段落上， 其累積閾值都大于0.01， 而其它閾值大于0.01的地震則發(fā)生在相對(duì)那幾個(gè)大的應(yīng)力集中區(qū)以外的較小應(yīng)力集中區(qū)． 這一現(xiàn)象說明在剪應(yīng)力較小的區(qū)域， 強(qiáng)震的發(fā)生主要是應(yīng)力觸發(fā)起主要作用．

由上述分析可以看出， 本文研究區(qū)域發(fā)生的強(qiáng)震， 一方面與區(qū)域應(yīng)力環(huán)境有密切的聯(lián)系， 另一方面與應(yīng)力觸發(fā)有明顯的關(guān)系， 或者由于兩者的共同控制， 因此導(dǎo)致了現(xiàn)有的安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶復(fù)雜的分段特性． 圖6給出了研究區(qū)域歷史強(qiáng)震活動(dòng)引起的累積庫侖應(yīng)力變化. 可以看出， 安寧河斷裂、 則木河斷裂中段、 小江斷裂北段及大涼山斷裂的南段， 庫侖應(yīng)力變化值比較大， 其所受庫侖應(yīng)力觸發(fā)的影響比較大， 可能是未來地震活動(dòng)的危險(xiǎn)區(qū)域．

4 討論與結(jié)論

本文通過三維有限元數(shù)值模擬方法探討了安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶復(fù)雜的分段特性及其與地震活動(dòng)的關(guān)系． 模擬過程中考慮了重力作用， 并采用最新的位移消除算法解決了由于重力導(dǎo)致的模型巨型坍塌問題， 這是本文的一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)．

在重力勢(shì)能和速度邊界條件的共同作用下， 討論了安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶上的剪應(yīng)力分布， 得到了4個(gè)重要的剪應(yīng)力集中區(qū)， 即石棉附近、 西昌附近、 巧家附近和東川附近． 其中前3個(gè)應(yīng)力集中區(qū)與聞學(xué)澤（2000）得到的障礙體位置相同． 本文將歷史強(qiáng)震和小震精定位的結(jié)果與斷裂帶上應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比， 發(fā)現(xiàn)無論是強(qiáng)震還是小震， 大多數(shù)均發(fā)生在剪應(yīng)力相對(duì)集中區(qū)域． 但也有個(gè)別強(qiáng)震， 如1850年發(fā)生在則木河斷裂的M7地震和1952年發(fā)生在安寧河斷裂的M6地震， 發(fā)生在剪應(yīng)力非常小的區(qū)域． 為了解釋這一現(xiàn)象， 本文模擬了16次地震引起的庫侖應(yīng)力變化. 結(jié)果表明： 在應(yīng)力明顯集中的區(qū)域， 地震活動(dòng)主要由區(qū)域應(yīng)力分布控制； 在應(yīng)力非常小的區(qū)域， 地震活動(dòng)由庫侖應(yīng)力觸發(fā)作用控制； 在應(yīng)力相對(duì)比較明顯的區(qū)域， 地震活動(dòng)由區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力觸發(fā)共同控制．

綜上所述， 從斷層面的應(yīng)力分布角度來看， 石棉、 巧家、 西昌及其附近區(qū)域是未來可能的地震高危險(xiǎn)區(qū)； 從庫侖應(yīng)力觸發(fā)的角度來看， 安寧河段和巧家—東川段的未來地震活動(dòng)性也相對(duì)偏高．

在本文撰寫過程中， 得到中國(guó)地震局地球物理研究所李永華研究員的指導(dǎo)和建議， 作者在此表示誠(chéng)摯的感謝．

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Numerical simulation of the relationship between the tectonic stress distribution and the historical strong earthquake activities of the middle-southern segment of eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block

（InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China）

As the middle-southern segment of eastern boundary of Sichuan-Yunnan block， Anninghe-Zemuhe-Xiaojiang fault zone is very important to understand activities of strong earthquakes on the fault zone. This paper mainly focuses on the tectonic stress and the Coulomb stress caused by the earthquake rupture on the fault zone and their relationship with history strong earthquakes. Using different-size contact pairs to describe the spatial segment characteristic of the fault zone, and using the viscoelastic constitutive relation to discribe the different blocks， this paper establishes a three-dimensional finite-element model of the Anninghe-Zemuhe-Xiaojiang fault zone based on the latest data on crustal structure， seismotectonics， stress field， GPS， and rheology of the lithosphere. Considering the impact of the gravitational potential of the Qinghai-Xizang （Tibet） Plateau and the velocity boundary conditions， the stress distributon of the fault zones is obtained. The results indicate that the distribution of tectonic stress corresponds to activities of the strong earthquakes more obviously. And some places with tectonic stress concentration， such as Shimian， Xichang， Qiaojia， and Dongchuan， may be future seismic hazard areas.

middle-southern segment of eastern boundary of the Sichuan-Yunnan block; strong earthquake activities; viscoelastic constitutive relation; Coulomb stress

中國(guó)地震局地球物理研究所中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（DQJB12C08）和國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAK15B01）共同資助.

2015-01-09收到初稿， 2015-02-12決定采用修改稿.

e-mail: zhangdn@cea-igp.ac.cn

10.11939/jass.2015.05.005

P315.72+7

A

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