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断层相互作用对地震发生概率的影响研究

钱琦  
【摘要】:一次大地震产生的库仑应力变化(△CFS)既能影响后续地震的空间分布,又可能改变邻近地区的地震发生概率。开展库仑应力变化(△CFS)与地震发生概率的相关性研究,可以更好地把断裂间相互作用的研究成果应用于未来地震危险性定量评估中。本论文以汶川地震为例,充分利用研究区内现有的丰富的地质资料及地震目录,确定断层模型中的各个物理参数,合理计算数值模拟中所使用的相关参数,其中包括研究区内b值分布、最小完整震级(Mc)、背景地震活动率、断层基本物理特性(Aσn)及瞬时效应的持续时间(ta)等相关参数的确定,对汶川地震后邻近断裂的地震发生概率进行了预测。 1)在汶川地震地表破裂已有的研究成果上,根据断层产状和运动性质的差异,构建汶川地震震源断层模型。汶川地震断层可分为以下主要段落:虹口段(BY1)、龙门山镇-高川段(BY2)、高川-擂鼓段(BY3)、擂鼓-南坝段(BY4)和南坝以北-青川段(BY5),及彭灌断裂。根据震后的野外实测数据,获得断层各断裂段的平均水平地震位错量位移和平均垂直地震位错量。 2)基于Coulomb 3.1软件,分别以龙泉山断裂和虎牙断裂为接收断层,计算了汶川地震在龙泉山断裂及虎牙断裂7.5 km深处引起的库仑应力变化量。结果显示:龙泉山断裂北部应力增加为0.46-0.58 bar,并沿断裂往南库仑应力变化量逐渐减小,到最南端基本无库仑应力变化;虎牙断裂则处于明显的应力抑制区,其北部应力减小0.1 bar左右,并沿着断裂往南,应力抑制逐渐增大,在虎牙断裂的南段应力减小约0.5 bar左右。它们代表了断层相互作用时出现的两种典型状态,即应力触发和应力抑制。 3)利用汶川地震后1年M≥1.0级小震活动特征与汶川地震对龙泉山断裂和虎牙断裂所造成的库仑应力变化量进行对比研究,结果表明:龙泉山断裂地区,库仑应力增加大的区域,地震活动频度也明显增大,库仑应力增加量与小震分布同时呈现了沿断裂从北往南逐渐下降的现象,即汶川地震对龙泉山断裂的地震活动具有明显的触发作用。对比处于应力抑制的虎牙断裂,其断裂北-中部的A和B区域地震活动频度明显下降,C区域在汶川地震后基本无明显小震活动,这说明汶川地震对虎牙断裂的地震活动具有明显的抑制作用。综上所述,无论是在龙泉山断裂还是虎牙断裂,库仑应力变化对后续地震的空间分布都有着明显影响:库仑应力的上升使得对应区域的地震活动性增强;库仑应力的下降使得地震活动性减弱。 4)应用速率/状态摩擦定律,计算了汶川地震后龙泉山断裂及虎牙断裂未来10年的预期地震活动率:龙泉山地区未来10a地震活动率明显上升;虎牙断裂预期地震活动率下降。根据库仑应力变化量与研究区内不同区段未来地震活动性的相关性,分析了汶川地震产生应力扰动后的地震活动率与背景地震活动率之比[R(t)/r]随时间的变化,结果为:龙泉山断裂北部A区域地震活动恢复至背景水平需要400a左右,中部B区域约为300a,而南部为100a左右;虎牙断裂的北部A区域地震活动恢复至背景地震水平需要400a左右,中部B区域约为600a,南部在700a左右。应力扰动值大的区域,其地震活动率恢复至背景水平所需要的时间也长。 5)计算了汶川地震后龙泉山断裂及虎牙断裂未来10年的预期地震发生概率。其结果为:在龙泉山断裂北部A区域未来10年5.0≤Ms6.0级地震的发生概率为16%-31%,汶川地震前为3%-8%;B区域未来10年5.0≤Ms6.0级地震的发生概率为9%-14%,而汶川地震前为3%-8%;C区域汶川地震前后未来10年5.0≤Ms6.0级地震的发生概率都为4%-8%,基本不变。虎牙断裂北部A区域未来10年Ms≥5.0级地震的发生概率为4%-7%,汶川地震前为7%-13%;B区域未来10年Ms≥5.0级地震的发生概率为4%-9%,汶川地震前为10%-17%;C区域未来10年Ms≥5.0级地震的发生概率为2%-6%左右,汶川地震前为9%-20%。在汶川地震后,龙泉山断裂5.0级及其以上地震的发生概率由低概率事件上升到了中概率事件;而虎牙断裂5.0级及其以上地震的发生概率由中概率事件下降为低概率事件。 6)结合汶川地震的余震资料,考虑小鱼洞断裂作为一个独立的破裂段。基于Coulomb 3.1软件,分别计算了以北川-映秀断裂西南的虹口段(BY1)与小鱼洞断裂作为初始破裂段所产生的库仑应力变化量(△CFS)分布图像,结果显示:如果以北川—映秀断裂虹口段(BY1)做为起始破裂段,那么在汶川地震过程中,小鱼洞断裂始终处于应力抑制区,即应该是稳定的,不可能产生地表破裂带及小震密集条带;而以小鱼洞断裂作为起始破裂段,北川-映秀断裂BY1段的大部分区段处于1.0-1.5bar的应力触发区。不但如此,小鱼洞断裂对彭灌断裂也有触发作用。基于断层相互作用的原理,汶川地震破裂过程应是以北西向小鱼洞断裂为起始破裂段,触发了北川-映秀断裂和彭灌断裂活动,并导致北川-映秀断裂向北东方向级联破裂的发生。


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