熊維， 譚凱， 劉剛， 喬學(xué)軍， 聶兆生

中國地震局地震研究所，地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071

?

2015年尼泊爾MW7.9地震對青藏高原活動斷裂同震、震后應(yīng)力影響

熊維， 譚凱*， 劉剛， 喬學(xué)軍， 聶兆生

中國地震局地震研究所，地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071

2015年尼泊爾MW7.9地震重烈度區(qū)從震中向東延伸，致災(zāi)范圍包括尼泊爾、印度北部、巴基斯坦、孟加拉和中國藏南地區(qū)，其應(yīng)力調(diào)整對鄰區(qū)和周邊活動斷裂可能產(chǎn)生重要影響．本文基于地震應(yīng)力觸發(fā)理論，采用巖石圈地殼分層黏彈性位錯模型，計(jì)算了尼泊爾MW7.9地震引起的周邊斷裂，特別是青藏高原活動斷裂的同震和震后庫侖應(yīng)力變化．結(jié)果顯示，尼泊爾地震同震效應(yīng)引起大部分震區(qū)庫侖應(yīng)力升高，余震主要分布在最大同震滑動等值線外部庫侖應(yīng)力升高區(qū)域；少量余震靠近最大滑動量區(qū)域，可能該區(qū)域積累的地震能量在主震期間沒有完全釋放．尼泊爾地震同震庫侖應(yīng)力對青藏高原，特別是中尼邊境區(qū)域活動斷裂有一定影響．亞東—谷露地塹南段、北喜馬拉雅斷裂西段、當(dāng)惹雍錯—定日斷裂和甲崗—定結(jié)斷裂同震庫侖應(yīng)力升高，其中當(dāng)惹雍錯—定日斷裂南端，北喜馬拉雅斷裂西段同震庫侖應(yīng)力變化峰值超過0.01 MPa；帕龍錯斷裂、班公錯斷裂、改則—洞措斷裂庫侖應(yīng)力降低，其地震發(fā)生概率有所降低．震后應(yīng)力影響方面，未來40年內(nèi)黏彈性松弛作用導(dǎo)致北喜馬拉雅斷裂、改則—洞措斷裂和喀喇昆侖斷裂整體應(yīng)力卸載；藏南一系列正斷層震后應(yīng)力持續(xù)上升，其中帕龍錯斷裂南段受到震后黏彈性庫侖應(yīng)力影響，由應(yīng)力陰影區(qū)逐漸轉(zhuǎn)化為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)，當(dāng)惹雍錯—定日斷裂南段應(yīng)力進(jìn)一步加強(qiáng)，震后40年其南端應(yīng)力變化峰值達(dá)到0.1345 MPa，亞東—谷露斷裂南段應(yīng)力亦持續(xù)增強(qiáng)．藏南正斷層的地震活動性值得進(jìn)一步關(guān)注．

尼泊爾地震; 庫侖應(yīng)力變化; 黏彈性松弛; 地震危險性

USGS provided the coseismic slip model of the 2015 NepalMW7.9 earthquake. The historical earthquake focal mechanism was regarded as the actual geological fault parameter and the receive fault plane. We calculated coseismic and postseismic stress along surrounding faults induced by 2015 NepalMW7.9 earthquake based on the PSGRN/PSCMP code.

The analysis of coseismic stress indicates some important results: The 2015 NepalMW7.9 earthquake enhanced the static stress on most of the epicentral region. Most of the aftershocks occurred in the positive stress zone. The coseismic stress was increased on the south segment of Yadong-Gulu rift, the west segment of North Himalaya fault, Tangra Yumco rift and the Jaggang-Dinggyê rift, especially on the south end of the Tangra Yumco rift and the west segment of the North Himalayan fault, where the Coulomb stress was increased by more than 0.01 MPa. Coseismic stress released on the Palung Co fault, Bangong Co fault and Gerze-Dongco fault. Moreover, viscoelastic relaxation effect would unload the stress along the North Himalayan fault, Gerze-Dongco fault and Karakorum fault in the next 40 years, while the postseismic stress on a series of normal faults in southern Tibet would rise, which means that the stress shadow on the southern section of the Palung Co fault would gradually disappear, and the stress of the Tangra Yumco rift would further be strengthened. In 40 years after the earthquake, the Coulomb stress peak in this area would be about 0.1345 MPa, which is significantly over the stress threshold. The stress on the Yadong-Gulu rift would also be increased.

The high-intensity region of 2015 NepalMW7.9 earthquake, extended eastward from the epicenter, parallel to the Main Himalayan Thrust. Of the total, 90% of the aftershocks occurred in the positive stress zone, while few aftershocks are located in stress shadow. Coseismic stress on optimal fault plane could explain the characteristic of aftershock distribution. Post-seismic relaxation would enhance the stress on some normal faults (such as the Palung Co fault, Tangra Yumco rift and Yadong-Gulu rift) in southern Tibet. For the high locking depth and lack of historical earthquakes, the seismic activity of the normal faults in southern Tibet deserves further attention.Keywords Nepal earthquake; Coulomb stress changes; Viscoelastic relaxation; Seismic hazard

1 引言

相鄰斷裂帶的強(qiáng)震往往會相互作用和影響，地震同震及震后形變引起的周邊庫侖應(yīng)力變化可定量描述發(fā)震斷層間的相互作用．一般而言，地震可能導(dǎo)致接收斷層應(yīng)力加載，引起庫侖應(yīng)力增強(qiáng)，使其更加容易破裂；地震如果使接收斷層應(yīng)力卸載，引起庫侖應(yīng)力降低，將推遲地震的發(fā)生(Stein et al., 1992; Stein, 1999, 2003)．根據(jù)物理機(jī)制的差異，地震引起的庫侖應(yīng)力大致分為靜態(tài)庫侖應(yīng)力(同震應(yīng)力變化引起)、動態(tài)庫侖應(yīng)力與黏彈性庫侖應(yīng)力(震后黏彈性松弛應(yīng)力變化引起)三類(Freed, 2005)．震后黏彈性松弛庫侖應(yīng)力變化是由于黏彈性的下地殼和上地幔的震后黏彈性松弛作用引起的斷裂面上庫侖應(yīng)力變化．許多歷史強(qiáng)震引起的同震、震后庫侖應(yīng)力變化成功解釋了主震對余震的觸發(fā)作用(Parsons et al., 1999; Toda et al., 2008; 單斌等，2013)，以及地震觸發(fā)的時延效應(yīng)(Stein et al., 1994; Freed and Lin, 2001; Pollitz et al., 2003; 雷興林等，2013)，有效分析了強(qiáng)震間相互作用的關(guān)系(Stein et al., 1997; Nalbant et al., 1998; McCloskey et al., 2005)，評估了活動斷裂應(yīng)力變化狀況及地震危險性水平(Papadimitriou et al., 2004; 徐晶等，2013; Xiong et al., 2010; Shan et al., 2013;單斌等，2009)．

2015年4月25日，尼泊爾中東部郎唐地區(qū)(Lamjung)發(fā)生MW7.9地震(圖1)，截至5 月10日，已發(fā)生MW>4余震100次以上，8019人死亡，17866人受傷，大量建筑毀損．地震波及我國西藏南部，導(dǎo)致吉隆、定日、聶拉木相繼發(fā)生MS3.6，5.9和5.3地震(張貝等，2015；盛書中等，2015)．國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)基于遠(yuǎn)震地震波資料，快速反演了本次地震的震源模型(USGS: http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us20002926 scientific_ finitefault; 張勇等，2015)；盛書中等(2015)根據(jù)USGS提供的破裂模型，從靜態(tài)庫侖應(yīng)力觸發(fā)角度分析了尼泊爾地震對中國大陸的影響；張貝等(2015)采用PREM分層模型，計(jì)算了不同斷層模型下尼泊爾地震同震位移及周圍地區(qū)同震應(yīng)力變化．當(dāng)前研究成果主要集中于尼泊爾地震靜態(tài)庫侖應(yīng)力影響，并未考慮巖石圈震后黏彈性松弛所引起的應(yīng)力影響．

圖1 尼泊爾地震周邊活動斷層、歷史地震與余震分布

以往研究成果表明，震后黏彈性松弛庫侖應(yīng)力變化對區(qū)域應(yīng)力場及活動斷裂應(yīng)力演化具有重要影響(Freed and Lin, 2001; Freed et al., 2007; Ali et al., 2008; Shan et al., 2013)．美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)給出美國加州1992年MW7.3 Landers地震使1999年MW7.l Hector Mine地震震中靜態(tài)庫侖應(yīng)力下降0.14 MPa(Freed and Lin, 2001)，這一結(jié)果顯然不能解釋后續(xù)地震的發(fā)生，然而Freed等計(jì)算表明下地殼和上地幔的震后黏彈性松弛導(dǎo)致1999年MW7.1 Hector Mine地震震中處的庫侖應(yīng)力增至0.12 MPa(Freed and Lin, 2001)，震后黏彈性庫侖應(yīng)力變化可較好解釋該震例的延時觸發(fā)效應(yīng)；雷興林等(2013)和Wang等(2014)的工作也表明黏彈性庫侖應(yīng)力變化可更好地解釋汶川地震對蘆山地震的觸發(fā)作用．本文基于中國活動斷裂數(shù)據(jù)庫(鄧起東等，2002)及CMT(Global Centroid Moment Tensor Catalog)歷史地震震源機(jī)制解資料，建立更為精細(xì)的活動斷層模型；根據(jù)USGS公布的主震破裂模型，進(jìn)一步分析尼泊爾地震引起的同震及震后黏彈性庫侖應(yīng)力變化，以期描述尼泊爾地震引起的青藏高原主要活動斷裂同震及震后應(yīng)力演化特征，為震后地震危險性評估提供參考．

2 模型與方法

2.1 斷層破裂的庫侖應(yīng)力模型

地震發(fā)生瞬間，發(fā)震斷裂產(chǎn)生較大的靜態(tài)同震滑移，并在近場和遠(yuǎn)場引起靜態(tài)同震應(yīng)變和應(yīng)力．由于中下地殼和上地幔屬于較弱的黏彈性物質(zhì)，地震應(yīng)力可隨時間逐漸松弛釋放并引起震后地表位移，產(chǎn)生隨時間變化的震后黏彈性松弛應(yīng)變和應(yīng)力．同震和震后應(yīng)力調(diào)整均會引起接收斷層的庫侖應(yīng)力變化．根據(jù)庫侖破裂準(zhǔn)則，接收斷層庫侖應(yīng)力變化定義為：

Δσf=Δτ+μ(Δσn+ΔP),

(1)

式中，Δτ為斷層上的剪切應(yīng)力變化(沿斷層滑動方向?yàn)檎?，Δσn為正應(yīng)力變化(使斷層解鎖為正)．ΔP為斷層區(qū)的孔隙壓力變化(壓縮為正)，μ為摩擦系數(shù)(范圍為0～1)．庫侖應(yīng)力Δσf為正時破裂受到促進(jìn)，為負(fù)時破裂被抑制；增加剪切應(yīng)力或使斷層解鎖兩種情況均可驅(qū)使促進(jìn)破裂．ΔP與Δσn作用的趨勢相反，常在式(1)中引入“有效”摩擦系數(shù)μ′而合并成一項(xiàng)(解朝娣等，2010)，即為式(2)：

Δσf=Δτ+μ′Δσn.

(2)

由上述模型可知，庫侖破裂應(yīng)力的計(jì)算與滑動分布模型密切相關(guān)，并受到接收斷層參數(shù)和有效摩擦系數(shù)的影響．此外，黏彈性庫侖應(yīng)力的計(jì)算需要選取可靠的巖石圈分層結(jié)構(gòu)參數(shù)．

2.2 巖石圈分層結(jié)構(gòu)

青藏高原處于印度板塊與歐亞板塊碰撞匯聚區(qū)域，地殼增厚，以高海拔與高山地貌為顯著特征．滕吉文等(2012)利用P波和S波震相進(jìn)行二維速度結(jié)構(gòu)反演，獲得青藏高原地殼與上地幔精細(xì)速度結(jié)構(gòu)，王椿鏞等(2003)利用人工地震剖面和廣角反射數(shù)據(jù)研究了青藏高原東邊緣的地殼速度結(jié)構(gòu)，本文綜合以上結(jié)果建立巖石圈速度結(jié)構(gòu)．巖石圈流變性質(zhì)主要參考青藏高原東昆侖斷裂帶區(qū)域研究成果(沈正康等，2003；邵志剛等，2008)，中下地殼和上地幔流變結(jié)構(gòu)使用Maxwell體模擬(表1)．黏滯系數(shù)的不確定性會影響中下地殼及上地幔震后弛豫時間與應(yīng)力釋放速率，然而對應(yīng)力場空間分布特征與時間變化趨勢的影響較小(單斌等，2013)．

2.3 主要震源參數(shù)

本文主要目標(biāo)是評估地震破裂對震區(qū)及中國青藏高原活動斷裂同震和震后應(yīng)力影響，為防震減災(zāi)和地震危險性評估提供參考，所以直接使用科研機(jī)構(gòu)已公布的地震破裂滑動分布模型．我們使用USGS根據(jù)遠(yuǎn)場地震波反演公布的地震破裂滑動模

表1 巖石圈分層結(jié)構(gòu)模型Table 1 Stratified model comprised of elastic upper crust, viscoelastic lower crust and viscoelastic mantle

注：本文主要計(jì)算結(jié)果采用模型1參數(shù)，模型2和模型3的參數(shù)將在結(jié)果穩(wěn)定性分析中使用．

型作為本文的先驗(yàn)?zāi)Ｐ停撃Ｐ凸灿?21個子斷裂，子斷裂長寬為20 km×15 km，地表跡線與喜馬拉雅主山前沖斷裂基本一致，最大滑移3.1 m．滑移分布與余震分布具有較好的對應(yīng)關(guān)系(圖2)．

圖2 USGS提供的尼泊爾地震同震滑動分布模型(http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us20002926 scientific_finitefault)Fig.2 Coseismic slip model of 2015 MW7.9 Nepal earthquake from USGS

2.4 接收斷層參數(shù)

庫侖應(yīng)力計(jì)算與接收斷層參數(shù)(走向、傾角、滑動角、埋深)密切相關(guān)．本文主要根據(jù)中國活動斷裂數(shù)據(jù)庫(鄧起東等，2002)建立接收斷層模型．然而活斷層數(shù)據(jù)往往僅能給出明確的走向信息，傾角與滑動角信息多不完整．我們參考盛書中等(2015)的方法，采用歷史地震震源機(jī)制解作為接收斷層參數(shù)．青藏高原地區(qū)地震頻發(fā)，歷史地震數(shù)據(jù)積累豐富(圖1)，利用該方法可取得主要活動斷裂不同分段較為明確的產(chǎn)狀信息，進(jìn)而建立較為精細(xì)的接收斷層模型．

由于幾乎不可能通過實(shí)際觀測來測定接收斷層的有效摩擦系數(shù)，目前其選取主要是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)

(Parsons et al., 1999)．Parsons等(1999)認(rèn)為高角度的走滑斷層應(yīng)該對應(yīng)較低的有效摩擦系數(shù)，而傾斜斷層的有效摩擦系數(shù)較高；Xiong等(2010)認(rèn)為0.2～0.4的摩擦系數(shù)取值適用于走滑斷裂．本文計(jì)算中有效摩擦系數(shù)采用文獻(xiàn)常用值0.4，并將討論不同摩擦系數(shù)取值對結(jié)果的影響．

此外，由于在多次試算中發(fā)現(xiàn)深度變化對應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分布特征影響不大，本文選取10 km 為計(jì)算庫侖破裂應(yīng)力變化的深度，并假定剪切模量為30 GPa，泊松比為0.25．

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 主震對余震的觸發(fā)作用

由于很難獲取全部余震的震源機(jī)制解資料，研究中假定余震發(fā)生在最優(yōu)破裂面上(解朝娣等，2010)，根據(jù)USGS公布的震源破裂模型，計(jì)算了尼泊爾主震在10 km深度處所產(chǎn)生的同震庫侖應(yīng)力變化場(圖3)．計(jì)算中有效摩擦系數(shù)取值0.4．并顧及區(qū)域應(yīng)力場的影響.由于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場主應(yīng)力軸方向的改變直接影響接收斷層的最優(yōu)破裂面(解朝娣等，2010)，計(jì)算中參考Parsons等(2006)，設(shè)置區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力軸方向垂直于斷層走向．

如圖3所示，尼泊爾地震產(chǎn)生的同震庫侖應(yīng)力場增強(qiáng)區(qū)沿北西—南東向展布，與發(fā)震斷層走向平行．90%以上的余震分布于應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)域，應(yīng)力降低區(qū)域少有余震發(fā)生．最優(yōu)破裂面上的同震庫侖應(yīng)力場可較好地解釋余震分布特征．余震主要分布在最大滑動量等值線外部庫侖應(yīng)力增加的區(qū)域，有少部分余震靠近最大破裂區(qū)域，可能該區(qū)域積累的地震能量在主震破裂期間沒有全部釋放．本文結(jié)果與張貝等(2015)的結(jié)果具有可比性．張貝等(2015)假定余震機(jī)制與主震一致，與本文假定存在差異，但這種差異并未對尼泊爾地震同震庫侖應(yīng)力場的分布特征產(chǎn)生重大影響．

表2 尼泊爾主震對強(qiáng)余震的觸發(fā)作用Table 2 The trigger action of strong aftershocks by main event

圖3 尼泊爾MW7.9地震同震庫侖應(yīng)力(CMB)變化與余震分布

圖4 尼泊爾地震引起的青藏高原活動斷裂同震應(yīng)力變化

更加精細(xì)的分析需要依據(jù)特定余震的震源機(jī)制解計(jì)算其所受應(yīng)力觸發(fā)作用．表2展示了USGS提供的三個強(qiáng)余震震源機(jī)制及其發(fā)震節(jié)面的應(yīng)力變化．由結(jié)果可知，余震發(fā)震節(jié)面庫侖應(yīng)力變化超過0.1 MPa，可認(rèn)為表中所示余震均受到主震的應(yīng)力觸發(fā)作用．

3.2 尼泊爾地震引起的青藏高原活動斷裂同震庫侖應(yīng)力變化

假定接收斷層有效摩擦系數(shù)均為0.4，依據(jù)接收斷層模型，我們利用PSGRN/PSCMP程序(Wang et al.,2006)計(jì)算了尼泊爾地震對青藏高原活動斷裂的同震庫侖應(yīng)力影響(圖4)．計(jì)算結(jié)果表明，距尼泊爾地震震中較近的斷裂庫侖應(yīng)力變化較大，而較遠(yuǎn)的活動斷裂所受到應(yīng)力影響較?。畞問|—谷露地塹南段、北喜馬拉雅斷裂西段、當(dāng)惹雍錯—定日斷裂、甲崗—定結(jié)斷裂和錯那—瓊結(jié)斷裂受到尼泊爾地震影響，斷裂面庫侖應(yīng)力得到較大增強(qiáng)，其中當(dāng)惹雍錯—定日斷裂南端，北喜馬拉雅斷裂西段最大同震庫侖應(yīng)力變化超過0.01 MPa．其他大部分?jǐn)嗔衙鎺靵鰬?yīng)力變化值低于0.01 MPa．

亞東—谷露地塹作為青藏高原內(nèi)部規(guī)模最大的一條近南北向裂谷帶，地貌清晰，斷層發(fā)育，地震活動性強(qiáng)，在青藏高原構(gòu)造研究中占有重要地位(Tapponnier et al., 1981)．亞東—谷露地塹歷史地震集中于中北段：如1411年裂谷中段羊八井一帶曾發(fā)生約8級地震，1952年約8級崩錯地震則發(fā)生在裂谷北端附近一條北北西向右旋走滑斷層上(Armijo et al., 1989)，近期強(qiáng)震活動以1992年尼木MW6.1地震和2008年當(dāng)雄MW6.3地震為代表 (Elliott et al., 2008)，基本在1411年歷史地震的原址復(fù)發(fā)．然而該斷裂南段鮮有歷史地震記錄，可能已積累較大應(yīng)力．尼泊爾地震進(jìn)一步加強(qiáng)了該斷裂南段的應(yīng)力水平，其地震危險性值得關(guān)注．

當(dāng)惹雍錯—定日斷裂、甲崗—定結(jié)斷裂和錯那—瓊結(jié)斷裂均為西藏南部近南北向的正斷層，共同調(diào)節(jié)著青藏高原的隆升與東西向拉張．甲崗—定結(jié)斷裂南段歷史上曾發(fā)生一系列中小震群，北端與格林錯斷裂交界處曾于1934年發(fā)生MS7.0地震；當(dāng)惹雍錯—定日斷裂北段曾發(fā)生MW>6地震，其南段則缺少歷史地震記錄；錯那—瓊結(jié)斷裂南段曾在1806年和1871年相繼發(fā)生兩次MS7.5地震．以上三段斷裂應(yīng)力狀態(tài)在尼泊爾震后均被不同程度加載，并以當(dāng)惹雍錯—定日斷裂南段尤為強(qiáng)烈．

北喜馬拉雅斷裂西段受到較強(qiáng)應(yīng)力加載，最大變化量超過應(yīng)力觸發(fā)閾值，然而其中段應(yīng)力卸載作用明顯，整段斷裂平均應(yīng)力變化水平低于0.01 MPa．相關(guān)研究認(rèn)為，僅斷裂一端受到應(yīng)力加載依然可能觸發(fā)地震(Nalbant et al., 2005)．可以認(rèn)為北喜馬拉雅斷裂受到尼泊爾地震同震應(yīng)力影響，未來地震危險性有所上升．

此外，尼泊爾地震同震庫侖應(yīng)力有效降低了帕龍錯斷裂、班公錯斷裂、改則—洞措斷裂的應(yīng)力水平，其地震危險性可能有所下降．距離尼泊爾地震震中位置較遠(yuǎn)的活動斷裂，如阿爾金斷裂、東昆侖斷裂等，庫侖應(yīng)力變化量級很小，其受尼泊爾地震影響可以忽略．

我們采用PSGRN/PSCMP程序計(jì)算庫侖應(yīng)力變化，與盛書中等(2015)所采用的Coulomb3.3程序在地殼分層模型選取方面存在差異．Coulomb3.3程序基于彈性位錯模型，只能計(jì)算同震庫侖應(yīng)力變化；而PSGRN/PSCMP程序基于黏彈性地殼分層模型，可有效模擬同震和震后形變及應(yīng)力變化，可以提供比前者更詳盡的庫侖應(yīng)力變化估計(jì)．由于計(jì)算模型差異，本節(jié)同震庫侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與盛書中等(2015)并不完全一致，如盛書中等(2015)認(rèn)為當(dāng)惹雍錯—定日斷裂北段和喀喇昆侖斷裂南段同震庫侖應(yīng)力降低，而本文結(jié)果顯示其應(yīng)力加載．但總體而言，我們所展示的同震庫侖應(yīng)力空間分布和量級特征與盛書中等(2015)的結(jié)果具有可比性，這也在一定程度上說明了本文結(jié)果的可靠性．

3.3 尼泊爾地震引起的青藏高原活動斷裂震后應(yīng)力演化

我們假定接收斷層有效摩擦系數(shù)均為0.4，利用PSGRN/PSCMP程序計(jì)算了尼泊爾地震引起的青藏高原活動斷裂震后10年、20年和40年的應(yīng)力變化(圖5a—5c)．

可以看出，距離尼泊爾地震震中較近的斷裂受震后應(yīng)力影響較大：北喜馬拉雅斷裂整體受到震后應(yīng)力卸載，其西段同震應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)隨時間逐漸轉(zhuǎn)化為應(yīng)力影區(qū)；改則—洞措斷裂、喀喇昆侖斷裂同樣受到震后應(yīng)力卸載作用；藏南一系列正斷層，如帕龍錯斷裂、當(dāng)惹雍錯—定日斷裂、亞東—谷露斷裂和錯那—瓊結(jié)斷裂，均受到震后應(yīng)力加載，其中帕龍錯斷裂南段由同震應(yīng)力影區(qū)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)，當(dāng)惹雍錯—定日斷裂南段應(yīng)力進(jìn)一步加強(qiáng)，震后40年其南端應(yīng)力變化峰值達(dá)到0.1345 MPa，亞東—谷露斷裂南段和錯那—瓊結(jié)斷裂應(yīng)力亦持續(xù)增強(qiáng)．藏南正斷層的地震活動性值得進(jìn)一步關(guān)注．距離尼泊爾地震震中較遠(yuǎn)的活動斷裂在震后應(yīng)力變化較小，如東昆侖斷裂震后庫侖應(yīng)力變化值低于102Pa量級，可以忽略不計(jì)．

值得注意的是，根據(jù)我們的計(jì)算結(jié)果，尼泊爾地震震后40年對青藏高原，特別是距震中較近的藏南地區(qū)活動斷裂的黏彈性庫侖應(yīng)力影響與同震庫侖應(yīng)力影響量值大體相當(dāng)，說明中下地殼與上地幔的黏彈性松弛效應(yīng)可有效改變震后斷層面的應(yīng)力狀態(tài)．在圣安地列斯斷裂帶、鮮水河斷裂帶、昆侖斷裂帶等地區(qū)的歷史震例研究中也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象(Freed and Lin, 2001; Freed et al., 2007; Ali et al., 2008; Xiong et al., 2010; Shan et al., 2013)．

圖5 尼泊爾地震引起的青藏高原活動斷裂震后應(yīng)力演化

圖6 計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定性分析

3.4 結(jié)果穩(wěn)定性分析

由庫侖應(yīng)力數(shù)學(xué)模型可知，靜態(tài)庫侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果主要與有效摩擦系數(shù)和接收斷層參數(shù)相關(guān)，除此之外黏彈性庫侖應(yīng)力還與地殼分層結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)．本節(jié)以亞東—谷露斷裂為例，分析不同參數(shù)取值對最終計(jì)算結(jié)果的影響．

震后正應(yīng)力與剪應(yīng)力的計(jì)算與有效摩擦系數(shù)無關(guān)，摩擦系數(shù)的改變影響正應(yīng)力變化在庫侖應(yīng)力變化中的權(quán)重．在應(yīng)力條件恒定的前提下，摩擦系數(shù)對庫侖應(yīng)力計(jì)算的影響是線性的．本文分別采用0.2，0.4和0.6的有效摩擦系數(shù)取值，計(jì)算亞東—谷露斷裂同震庫侖應(yīng)力變化(圖6a)．考慮不同的有效摩擦系數(shù)，亞東—谷露斷裂同震庫侖應(yīng)力變化隨有效摩擦系數(shù)取值的增加而線性升高，但應(yīng)力分布特征并未發(fā)生改變．計(jì)算結(jié)果表明有效摩擦系數(shù)取值并不影響庫侖應(yīng)力變化趨勢．

接收斷層參數(shù)選取主要依據(jù)中國活動斷裂數(shù)據(jù)庫(鄧起東等，2002)和CMT提供的歷史地震震源機(jī)制解資料，斷層走向與傾向信息較為明確，而滑動角信息不確定性較大．顧及亞東—谷露斷裂正斷層性質(zhì)，本文分別采用-70°，-90°和-120°的滑動角取值，計(jì)算其同震庫侖應(yīng)力變化(圖6b)．計(jì)算結(jié)果表明滑動角變化對應(yīng)力結(jié)果呈非線性影響，但僅表現(xiàn)為量值上的少量變化，并不影響庫侖應(yīng)力變化趨勢，這從一定程度上說明了本文研究結(jié)果的穩(wěn)定性．將來研究中可結(jié)合更多可靠資料以減小接收斷層參數(shù)不確定性帶來的影響．

青藏高原中下地殼與上地幔黏滯系數(shù)特征值位于1019～1021之間(萬永革等，2009；徐晶等，2013；雷興林等，2013；Shan et al., 2013)，本研究中依據(jù)三組不同參數(shù)(表1)建立地殼分層模型，計(jì)算亞東—谷露斷裂震后40年的庫侖應(yīng)力變化(圖6c)．計(jì)算結(jié)果表明，中下地殼黏滯系數(shù)較高的模型2黏彈性應(yīng)力釋放速率明顯較小，而上地幔黏滯系數(shù)較高的模型3應(yīng)力釋放速率與模型1相差不大，可能中下地殼的震后黏彈性松弛對區(qū)域地殼變形的影響較大；中下地殼與上地幔黏滯系數(shù)越大，黏彈性應(yīng)力釋放速率越小，黏滯系數(shù)的不確定性主要影響震后應(yīng)力釋放速率，而對應(yīng)力場空間分布特征與時間演化趨勢的影響較?。送庠陴禂?shù)合理取值范圍內(nèi)，中下地殼黏滯系數(shù)的不確定性可能導(dǎo)致應(yīng)力變化峰值產(chǎn)生較大的差異．因此，采用更為精細(xì)的分層地殼結(jié)構(gòu)，尤其是中下地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，精確確定庫侖應(yīng)力變化是需要繼續(xù)深入研究的課題．

4 討論與結(jié)論

本文基于地震應(yīng)力觸發(fā)理論，采用巖石圈分層模型，計(jì)算分析了2015年尼泊爾MW7.9地震余震觸發(fā)作用及其導(dǎo)致的周邊斷層同震與震后庫侖應(yīng)力變化，得出主要結(jié)論如下：

(1) 尼泊爾地震產(chǎn)生的同震庫侖應(yīng)力場增強(qiáng)區(qū)沿北西—南東向展布，與發(fā)震斷層走向平行．90%以上的余震分布于同震庫侖應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)域，而應(yīng)力降低區(qū)域少有余震發(fā)生．最優(yōu)破裂面上的同震庫侖應(yīng)力場可較好地解釋余震分布特征．余震主要分布在最大滑動量等值線外部庫侖應(yīng)力增加的區(qū)域，有少部分余震靠近最大破裂處，可能該處地震能量在主震破裂期間沒有全部釋放．

(2) 尼泊爾地震同震庫侖應(yīng)力對青藏高原，特別是中尼邊境區(qū)域活動斷裂有一定的影響．亞東—谷露地塹南段、北喜馬拉雅斷裂西段、當(dāng)惹雍錯—定日斷裂和甲崗—定結(jié)斷裂在同震庫侖應(yīng)力影響下，應(yīng)力水平得到增強(qiáng)，其中當(dāng)惹雍錯—定日斷裂南端，北喜馬拉雅斷裂西段庫侖應(yīng)力變化峰值超過0.01 MPa．同時同震庫侖應(yīng)力使帕龍錯斷裂、班公錯斷裂、改則—洞措斷裂的應(yīng)力水平降低，其地震危險性可能因此有所減弱．其他斷裂所受影響量級較小．

(3) 尼泊爾地震導(dǎo)致的震后庫侖應(yīng)力場變化將使北喜馬拉雅斷裂整體應(yīng)力卸載，其西段同震應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)隨時間將逐漸轉(zhuǎn)化為應(yīng)力影區(qū)；改則—洞措斷裂、喀喇昆侖斷裂同樣受到震后應(yīng)力卸載作用；藏南一系列正斷層震后應(yīng)力上升，其中帕龍錯斷裂南段受到震后黏彈性庫侖應(yīng)力影響，由應(yīng)力影區(qū)逐漸轉(zhuǎn)化為應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)，當(dāng)惹雍錯—定日斷裂南段應(yīng)力進(jìn)一步加強(qiáng)，震后40年其南端應(yīng)力變化峰值達(dá)到0.1345 MPa，亞東—谷露斷裂南段應(yīng)力亦持續(xù)增強(qiáng)．藏南正斷層的地震活動性值得進(jìn)一步關(guān)注．就震后40年庫侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果而言，震后黏彈性庫侖應(yīng)力變化量與同震應(yīng)力變化量已大體相當(dāng)，震后黏彈性松弛效應(yīng)可有效改變震后斷層面應(yīng)力狀態(tài)．

(4) 由于發(fā)震斷層破裂模型、接收斷層模型、有效摩擦系數(shù)、地殼分層模型、巖石圈流變結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取具有不確定性，可能對庫侖應(yīng)力計(jì)算存在一定的影響．進(jìn)一步精化尼泊爾地震破裂模型，采用更為精細(xì)的接收斷層模型和地殼分層模型，精確確定尼泊爾地震庫侖應(yīng)力變化是需要繼續(xù)深入研究的課題．此外，地震引起斷裂帶上庫侖應(yīng)力變化，但地震孕震過程十分復(fù)雜，地震最終發(fā)生與否、震級的大小主要取決于斷裂構(gòu)造應(yīng)力積累是否已接近臨界失穩(wěn)應(yīng)力．

(5) 尼泊爾主震之后發(fā)生的大量余震對周邊斷層也可能產(chǎn)生應(yīng)力影響．由于大量余震震源機(jī)制與破裂分布尚不明確，且有研究表明，余震所釋放的能量與產(chǎn)生的地表位移場與主震相差懸殊(萬永革等，2009)，余震應(yīng)力影響并不能改變庫侖應(yīng)力場整體分布特征，因此該作用在研究中未作考慮．此外，由于目前資料尚未完備，強(qiáng)震的震后余滑作用在研究中亦未涉及．

致謝 感謝中國科學(xué)院測量與地球物理研究所單斌博士在PSGRN/PSCMP程序使用方面的指導(dǎo)．感謝兩位匿名審稿專家對本研究提出的寶貴意見．USGS提供了尼泊爾地震同震滑動分布模型；文中部分圖件利用Generic Mapping Tools (GMT) (Wessel & Smith, 1995)繪制，在此一并感謝．

Ali S T, Freed A M, Calais E, et al. 2008. Coulomb stress evolution in Northeastern Caribbean over the past 250 years due to coseismic, postseismic and interseismic deformation.Geophys.J.Int., 174(3): 904-918.

Armijo R, Tapponnier P, Han T L. 1989. Late Cenozoic right-lateral strike-slip faulting in southern Tibet.J.Geophys.Res., 94(B3): 2787-2838.

Deng Q D, Zhang P Z, Ran Y K, et al. 2003. Basic characteristics of active tectonics of China.ScienceinChinaSeriesD:EarthSciences, 46(4): 356-372.

Elliott J R, Biggs J, Parsons B, et al. 2008. InSAR slip rate determination on the Altyn Tagh Fault, northern Tibet, in the presence of topographically correlated atmospheric delays.Geophys.Res.Lett., 35: L12309, doi: 10.1029/2008GL033659.

Freed A M, Lin J. 2001. Delayed triggering of the 1999 Hector Mine earthquake by viscoelastic stress transfer.Nature, 411(6834): 180-183.

Freed A M. 2005. Earthquake triggering by static, dynamic, and postseismic stress transfer.Annu.Rev.EarthPlanetSci., 33: 335-367.

Freed A M, Ali S T, Bürgmann R. 2007. Evolution of stress in Southern California for the past 200 years from coseismic, postseismic and interseismic stress changes.Geophys.J.Int., 169(3): 1164-1179.

Lei X L, Ma S L, Su J R, et al. 2013. Inelastic triggering of the 2013MW6.6 Lushan earthquake by the 2008MW7.9 Wenchuan earthquake.SeismologyandGeology(in Chinese), 35(2): 411-422.

McCloskey J, Nalbant S S, Steacy S. 2005. Indonesian earthquake: Earthquake risk from co-seismic stress.Nature, 434(7031): 291.

Nalbant S S, Hubert A, King G C P. 1998. Stress coupling between earthquakes in northwest Turkey and the north Aegean Sea.J.Geophys.Res., 103(B10): 24469-24486.

Nalbant S S, Steacy S, Sieh K, et al. 2005. Seismology: Earthquake risk on the Sunda trench.Nature, 435(7043): 756-757.

Papadimitriou E, Wen X Z, Karakostas V, et al. 2004. Earthquake triggering along the Xianshuihe Fault zone of western Sichuan, China.PureAppl.Geophys., 161(8): 1683-1707.

Parsons T, Stein R S, Simpson R W, et al. 1999. Stress sensitivity of fault seismicity: a comparison between limited-offset oblique and major strike-slip faults.J.Geophys.Res., 104(B9): 20183-20202.

Parsons T, Yeats R S, Yagi Y, et al. 2006. Static stress change from the 8 October, 2005M=7.6 Kashmir earthquake.Geophys.Res.Lett., 33: 1-4.

Pollitz F, Vergnolle M, Calais E. 2003. Fault interaction and stress triggering of twentieth century earthquakes in Mongolia.J.Geophys.Res., 108(B10): 2503, doi: 10.1029/002JB002375.

Shan B, Xiong X, Zheng Y, et al. 2009. Stress changes on major faults caused byMW7.9 Wenchuan earthquake, May 12, 2008.Sci.ChinaSer.D-EarthSci., 52(5): 593-601, doi: 10.1007/s11430-009-0060-9.

Shan B, Xiong X, Wang R J, et al. 2013. Coulomb stress evolution along Xianshuihe-Xiaojiang Fault System since 1713 and its interaction with Wenchuan earthquake, May 12, 2008.EarthandPlanetaryScienceLetters, 377-378: 199-210.

Shan B, Xiong X, Zheng Y, et al. 2013. Stress changes on major faults caused by 2013 Lushan earthquake and its relationship with 2008 Wenchuan earthquake.ScienceChinaEarthSciences, 56(7): 1169-1176.

Shao Z G, Fu R S, Xue T X, et al. 2008. The numerical simulation and discussion on mechanism of postseismic deformation after KunlunMS8.1 earthquake.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 51(3): 805-816.

Shen Z K, Wan Y G, Gan W J, et al. 2003. Viscoelastic triggering among large earthquakes along the east Kunlun fault system.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 46(6): 786-795.

Sheng S Z, Wan Y G, Jiang C S, et al. 2015. Preliminary study on the static stress triggering effects on China mainland with the 2015 NepalMS8.1 earthquake.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 58(5): 1834-1842, doi: 10.6038/cjg20150534.

Stein R S, King G C P, Lin J. 1992. Change in failure stress on the southern San Andreas fault system caused by the 1992 Magnitude=7.4 Landers earthquake.Science, 258(5086): 1328-1332.

Stein R S, King G C P, Lin J. 1994. Stress triggering of the 1994M=6.7 Northridge, California, earthquake by its predecessors.Science, 265(5177): 1432-1435.

Stein R S, Barka A A, Dieterich J H. 1997. Progressive failure on the North Anatolian fault since 1939 by earthquake stress triggering.Geophys.J.Int., 128(3): 594-604.

Stein R S. 1999. The role of stress transfer in earthquake occurrence.Nature, 402(6762): 605-609.

Stein R S. 2003. Earthquake conversations.Sci.Am., 288(1): 72-79.

Tapponnier P, Mercier J L, Proust F, et al. 1981. The Tibetan side of the India-Eurasia collision.Nature, 294(5840): 405-410.

Teng J W, Yuan X M, Zhang Y Q, et al. 2012. The stratificational velocity structure of crust and covering strata of upper mantle and the orbit of deep interaquifer substance locus of movement for Tibetan Plateau.ActaPetrologicaSinica(in Chinese), 28(12): 4077-4100.

Toda S, Lin J, Meghraoui M, et al. 2008. 12 May 2008M=7.9 Wenchuan, China, earthquake calculated to increase failure stress and seismicity rate on three major fault systems.Geophys.Res.Lett., 35: L17305, doi: 10.1029/2008GL034903.

Wan Y G, Shen Z K, Sheng S Z, et al. 2009. The influence of 2008 Wenchuan earthquake on surrounding faults.ActaSeismologicaSinica(in Chinese), 31(2): 128-139.

Wang C Y, Han W B, Wu J P, et al. 2003. Crustal structure beneath the Songpan-Garze orogenic belt.ActaSeismologicaSinica(in Chinese), 25(3): 229-241.

Wang R J, Lorenzo-Martín F, Roth F. 2006. PSGRN/PSCMP—a new code for calculating co- and post-seismic deformation, geoid and gravity changes based on the viscoelastic-gravitational dislocation theory.Comput.Geosci., 32(4): 527-541.

Wang Y Z, Wang F, Wang M, et al. 2014. Coulomb stress change and evolution induced by the 2008 Wenchuan earthquake and its delayed triggering of the 2013MW6.6 Lushan earthquake.Seismol.Res.Lett., 85(1): 52-59, doi: 10.1785/0220130111.

Xie C D, Zhu Y Q, Lei X L, et al. 2010. Pattern of stress change and its effect on seismicity rate caused byMS8.0 Wenchuan earthquake.Sci.ChinaEarthSci., 53(9): 1260-1270, doi: 10.1007/s11430-010-4025-9.

Xiong X, Shan B, Zheng Y, et al. 2010. Stress transfer and its implication for earthquake hazard on the Kunlun Fault, Tibet.Tectonophysics, 482(1-4): 216-225.

Xu J, Shao Z G, Ma H S, et al. 2013. Evolution of Coulomb stress and stress interaction among strong earthquakes along the Xianshuihe fault zone.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 56(4):

1146-1158, doi: 10.6038/cjg20130410.

Zhang B, Cheng H H, Shi Y L. 2015. Calculation of the co-seismic effect ofMS8.1 earthquake, April 25, 2015, Nepal.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 58(5): 1794-1803, doi: 10.6038/cjg20150529.

Zhang Y, Xu L S, Chen Y T. 2015. Rupture process of the 2015 NepalMW7.9 earthquake: Fast inversion and preliminary joint inversion.ChineseJ.Geophys. (in Chinese), 58(5): 1804-1811, doi: 10.6038/cjg20150530.

附中文參考文獻(xiàn)

鄧起東, 張培震, 冉勇康等. 2002. 中國活動構(gòu)造基本特征. 中國科學(xué)(D輯: 地球科學(xué)), 32(12): 1020-1030.

雷興林, 馬勝利, 蘇金蓉等. 2013. 汶川地震后中下地殼及上地幔的黏彈性效應(yīng)引起的應(yīng)力變化與蘆山地震的發(fā)生機(jī)制. 地震地質(zhì), 35(2): 411-422.

單斌, 熊熊, 鄭勇等. 2009. 2008年5月12日MW7.9汶川地震導(dǎo)致的周邊斷層應(yīng)力變化. 中國科學(xué)(D輯: 地球科學(xué)), 39(5): 537-545.

單斌, 熊熊, 鄭勇等. 2013. 2013年蘆山地震導(dǎo)致的周邊斷層應(yīng)力變化及其與2008年汶川地震的關(guān)系. 中國科學(xué): 地球科學(xué), 43(6): 1002-1009.

邵志剛, 傅容珊, 薛霆虓等. 2008. 昆侖山MS8.1級地震震后變形場數(shù)值模擬與成因機(jī)理探討. 地球物理學(xué)報, 51(3): 805-816.

沈正康, 萬永革, 甘衛(wèi)軍等. 2003. 東昆侖活動斷裂帶大地震之間的黏彈性應(yīng)力觸發(fā)研究. 地球物理學(xué)報, 46(6): 786-795.

盛書中, 萬永革, 蔣長勝等. 2015. 2015年尼泊爾MS8.1強(qiáng)震對中國大陸靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)影響的初探. 地球物理學(xué)報, 58(5): 1834-1842, doi: 10.6038/cjg20150534.

滕吉文, 阮小敏, 張永謙等. 2012. 青藏高原地殼與上地幔成層速度結(jié)構(gòu)與深部層間物質(zhì)的運(yùn)移軌跡. 巖石學(xué)報, 28(12): 4077-4100.

萬永革, 沈正康, 盛書中等. 2009. 2008年汶川大地震對周圍斷層的影響. 地震學(xué)報, 31(2): 128-139.

王椿鏞, 韓渭賓, 吳建平等. 2003. 松潘—甘孜造山帶地殼速度結(jié)構(gòu). 地震學(xué)報, 25(3): 229-241.

解朝娣, 朱元清, 雷興林等. 2010.MS8.0汶川地震產(chǎn)生的應(yīng)力變化空間分布及其對地震活動性的影響. 中國科學(xué): 地球科學(xué), 40(6): 688-698.

徐晶, 邵志剛, 馬宏生等. 2013. 鮮水河斷裂帶庫侖應(yīng)力演化與強(qiáng)震間關(guān)系. 地球物理學(xué)報, 56(4): 1146-1158, doi: 10.6038/cjg20130410.

張貝, 程惠紅, 石耀霖. 2015. 2015年4月25日尼泊爾MS8.1大地震的同震效應(yīng). 地球物理學(xué)報, 58(5): 1794-1803, doi: 10.6038/cjg20150529.

張勇, 許力生, 陳運(yùn)泰. 2015. 2015年尼泊爾MW7.9地震破裂過程: 快速反演與初步聯(lián)合反演. 地球物理學(xué)報, 58(5): 1804-1811, doi: 10.6038/cjg20150530.

(本文編輯 何燕)

Coseismic and postseismic Coulomb stress changes on surrounding major faults caused by the 2015 NepalMW7.9 earthquake

XIONG Wei， TAN Kai*， LIU Gang， QIAO Xue-Jun， NIE Zhao-Sheng

KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy,InstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Wuhan430071,China

The high-intensity region of the 2015 NepalMW7.9 earthquake, that extends eastward from the epicenter, affecting Nepal, northern India, Pakistan, Bangladesh and southern Tibet of China. Since the adjustment of coseismic and postseismic stress could have significant effect on the adjacent areas and surrounding major faults, the study of the coseismic and postseismic stress is crucial for the seismic hazard assessment in these regions. Based on Coulomb failure stress triggering theory and the crustal layering elastic dislocation model, we calculated the coseismic and postseismic stress along surrounding faults induced by the Nepal earthquake and discussed the triggering of the aftershocks by the main event.

10.6038/cjg20151135

P315

2015-06-29，2015-10-19收修定稿

中國地震局地震研究所所長基金(IS201456148, IS201506220)，國家自然科學(xué)基金(41274027,41474097,41404016,41504011,41574017,41541029)資助.

熊維，男，主要從事大地測量與地球動力學(xué)方面的研究. E-mail: xiongwei_19881229@163.com

*通訊作者 譚凱，博士，研究員，主要從事大地測量與地球動力學(xué)方面的研究.E-mail: whgpstan@163.com