2023年土耳其两次强震对周围地区的静态应力影响.pdf

书书书第 卷第 期 年 月防灾科技学院学报 ，年土耳其两次强震对周围地区的静态应力影响靳志同，崔华伟，刘佳璐，冯淦，余海琳（防灾科技学院，河北 三河 ；河北省地震动力学重点实验室，河北 三河 ；山东省地震局，山东 济南 ）摘要：基于 年 月 日土耳其卡赫拉曼马拉 地震和 地震的有限断层破裂模型，计算了两次强震在周围地区产生的位移场、应力场以及同震库伦应力变化对 的余震的应力触发。结果表明：（）两次强震在地表产生了较大的位移，其中，地震产生的最大水平位移约为 ，最大隆升约为 ，最大沉降约为 。地震产生的最大水平位移约为 ，最大隆升约为 ，最大沉降约为 。两次强震后地表的最大水平位移约为 ，最大隆升约为 ，最大沉降约为 。（）地震震中南北两侧为面膨胀区，东西两侧为面压缩区，震中区域的主压应力方向为近南北向，主张应力方向为近东西向。地震震中北东和南西侧为面膨胀区，南东和北西侧为面压缩区，震中区域的主压应力方向为近东西向，主张应力方向为近南北向。（）地震在 地震震中处的库伦应力增加约为 ，说明 地震对 地震的发生是有触发作用的。两次强震的发生使得有限断层周围出现较大范围的应力卸载，库伦应力增加的区域主要出现在两个地震的有限断层的两端，应该注意库伦应力增加区域发生地震的危险性。（）地震对 地震所在断层的南段和北段上 的余震是有促进作用的，深度上的 的余震主要发生 地震所在断层北段与 地震所在断层东段的交叉区域，地震震中西侧的 的余震是由 地震所触发。关键词：土耳其地震；破裂模型；位移场；应力场；库伦应力分布中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：河北省地震动力学重点实验室开放基金（）；河北省高等学校自然科学技术项目（）；国家自 然 科 学 基 金（）；中 央 高 校 科 研 业 务 费 专 项（）；河 北 省 地 震 科 技 星 火 计 划 项 目（、）作者简介：靳志同（），男，博士，副教授，主要从事地震学和地壳应力场方面的研究 引言 年 月 日 时 分（），在土耳其卡赫拉曼马拉发生 地震，震中位于 、。年 月 日 时 分（），在该地震北东方向约 又发生 了 地 震，震 中 位 于 、。截至 年 月 日，土耳其 个省份至少有 人死亡，人受伤，座建筑被毁。在叙利亚西北部，至少有 人死亡，人受伤，座建筑被毁，数千人受损，土耳其戈尔巴西和哈塔伊发生了液化和地面沉降 。土耳其卡赫拉曼马拉 地震是由浅部走滑断 裂 引 起 的，该 事 件 破 裂 为 一 条 走 向 北东 南西的近直立左旋断层，土耳其卡赫拉曼马拉 地震的发震断层为近直立的左旋断层，走向为东西向 。这两次地震地处安纳托利亚板块、阿拉伯板块和非洲板块的交界处附近的东安纳托利亚断裂带或死海转换断裂带上 。死海转换断层是走滑断层，容纳了阿拉伯板块半岛相对于非洲和欧亚板块北向运动，土耳其北部的安纳托利亚断层是右旋走滑结构，容纳了安纳托利亚块相对于欧亚大陆和非洲向西的大部分平移运动 。大量研究表明，通过计算地震引起的库伦应力变化发现，地震之间存在相互作用，这对后续地震 发 生 的 地 点 和 时 间 都 有 一 定 影 响 。等 对 年发生的 地震序列（、）进行了分析，研究发现余震丛集基本上都发生在应力增加区。万永革等 研究发现，中国 个大地震（年邢台地震、年唐山地震、年青海共和地震和 年云南丽江地震）的第一次子破裂事件所产生的静态库伦应力变化均对后续的子破裂事件有触发作用。沈正康等 采用更加接近真实岩石圈状况的黏弹性水平层状介质模型，对 年花石峡 地震、年都兰 地震、年玛尼 和 年玛尼 地震的应力触发进行研究，结果表明东昆仑断裂带上之前发生的地震对其后续地震和余震有触发关系。等 的研究发现，如果已知周围的断层滑动习性，就可以对大的余震的发生地点进行预测。等 研究了 年苏门答腊地震周围断层的库伦应力变化，发现 断层上的库伦应力显著增加，随后便有一个 的大地震发生在该断层上。汶川地震发生后，等 、万永革等 分别给出了 年汶川 地震和于田 地震在周围断层的不同断层段上产生的库伦应力变化，并指出部分断层上的大震的发震被提前或滞后，年 月 日发生在汶川 地震南部的芦山 地震和 年 月 日发生在于田地震震中东北部的 地震就验证了他们的研究成果的合理性。在 年尼泊尔地震后，盛书中等 计算了距尼泊尔首都加德满都约 的尼泊尔 地震对中国大陆地区的静态应力触发情况，发现尼泊尔地震对中国大陆产生的应力变化量值很小，其产生的应力加载主要集中在其邻近的西藏和新疆地区的部分断层上。万永革等 基于破裂模型及均匀弹性半空间模型，分别计算了尼泊尔强震序列（年 月 日至 月 日期间发生的 次 地震）在中国大陆及其附近主要断层上产生的库伦应力变化和水平应力变化，得到中国西藏日喀则地区的定日县 地震、聂拉木县 地 震 是 由 尼 泊 尔 地 震 序 列 触 发 的，年尼泊尔地震序列对喜马拉雅主山前逆冲断裂和青藏高原腹地的大部分拉张构造起到触发作用。计算方法地震是由地下岩石错动产生的，在地震之后的比较短的时间内，弹性能的释放是主要的物理过程，可以把地球中各种固态、液态等介质一阶近似为半无限空间内均匀各向同性的完全弹性体 ，。如果已知断层面的几 何 参 数 和 错 动量，则可严格算出弹性体内部产生的位移场和应变场 。提出了利用正交归一法计算地震应力场格林函数的方法，并在此基础上建立了黏弹松弛分层模型下的地震同震及震后形变的模型，并发展了相应的数值模拟方法 ，该方法同样可以用于成层介质弹性半空间下的静态应力触发。本文使用的破裂模型是基于对远震和大地测量观测的分析而得到（图 ），图 中 、和 分别表示 地震的有限断层破裂模型的 个子断层 ；、和 分别表示 地震的有限断层破裂模型的 个子断层 。考虑到活动断层面上的库伦应力变化受到剪应力、正应力和摩擦系数的影响，库伦应力变化（）可表示为 （）式中，为断层面滑动方向上的剪切应力变化（当 和断层面滑动方向一致时为正）；为断层面上正应力变化（拉伸为正）；为视摩擦系数，由于地下介质可能会包含孔隙流体，那么，如果考虑孔隙流体和断层面上的介质特性，视摩防灾科技学院学报第 卷图 土耳其两次强震的破裂模型 擦系数 通常取 ，本文依据前人的经验 ，取 。表 和 地震所在地壳的速度模型 序号深度 波速度 （）波速度 （）密度 （）如果计算得到该处静态库伦破裂应力变化为正值（负值），则表明该处受之前地震的影响，该处发生地震的时间将提前（推迟），有大量研究表明 ，当应力变化达到 就能有效地影响后续地震的发生，为应力触发的阈值。两次强震产生的位移场为研究土耳其两次地震对周围物质的运动情况造成的影响，基于两次强震的破裂模型 ，和 给出的地壳成层速度模型（表 ），运用 软件包，计算土耳其两次强震在周围地区产生的同震位移场（图 ）。图中黑色箭头表示水平位移场，底色表示垂直位第 期靳志同等：年土耳其两次强震对周围地区的静态应力影响图 土耳其两次强震在地表产生的位移场 移场，从黄色到红色表示隆升，从白色到蓝色表示沉降水平位移取对数后再绘图。地震产生的地表位移场（图 ）具有以下特征：从水平位移场来看，震中周围物质从地震南北两侧向震中汇聚，然后向东西两侧流出，符合 走 滑 型 地 震 产 生 的 位 移 场 的 基 本 特防灾科技学院学报第 卷征 ，最 大 水 平 位 移 约 为 （、）。从垂直位移场来看，震中附近隆升和沉降区域相互交错，沿地震的走向（）所在直线近似为轴对称图形，呈蝴蝶状，具体表现为震中南北两侧由震中向外大致呈现先沉降后隆升，震中东西两侧由震中向外大致呈现先隆升后沉降，最大隆升值约为 ，最大沉降值约为 。地震产生的地表位移场（图 ）具有以下特征：从水平位移场来看，震中周围物质分别从地震北东和南西向震中汇聚，然后向北西和南东向流出，符合走滑型地震产生的位移场的基本特征 ，最 大 水 平 位 移 约 为 （、）。从垂直位移场来看，震中附近隆升和沉降区域相互交错，沿地震的走向（）所在直线近似为轴对称图形，具体表现为震中北东和南西侧由震中向外大致呈现先沉降后隆升，震中北西和南东侧由震中向外大致呈现先隆升后沉降，最大隆升值约为 ，最大沉降值约为 。两次强震共同产生的地表位移场（图 ）具有以下特征：从水平位移场来看，震中周围物质分别从地震北东和南西向震中汇聚，然后向北西和南东向流出，符合走滑型地震产生的位移场的基本特征 ，最大水平位移约为 （、）。从垂直位移场来看，震中附近隆升和沉降区域相互交错，较为复杂，但是整体上还是呈现出震中南北两侧为隆升区域，东西两侧为沉降区域，最大隆升值约为 ，最大沉降值约为 。王永哲等 ，基于均匀弹性半空间位错模型和美国地质调查局震源机制解，分别模拟了两次强震的三维同震形变场，得到 地震产生的最大水平向位移达到 ，垂直向位移达到 （沉降），得到 地震产生的最大水平向位移达到 ，垂直向位移达到 （隆升）。这与本文的结果有差 别：本 文 得到 地震产生的最大水平向位移达到 ，垂直向位移达到 （沉降），得到 地震产生的最大水平向位移达到 ，垂直向位移达到 （隆升）。这种差别主要是因为王永哲等 ，的结果是基于均匀弹性半空间位错模型和美国地质调查局震源机制解，模拟了两次地震的同震形变场，并利用 卫星的 成像几何参数分别计算了此次地震的地表同震位移，而本文使用的两次地震的破裂模型是基于远震和区域地震和大地测量观测，包括远震体波、个强运动加速度计站、个高速率 站和 个静态 偏移的观测结果等分析后给出的破裂模型（该模型更新时间为 ），。两次强震产生的应力场为了直观地反映地震产生的应力变化对附近区域的动力学影响，本节分别讨论两次强震在水平面上产生的应力场。将应力变化张量写成矩阵的形式 ：（）（）槡（）（）槡（）式中，表示最大应力、表示最小应力。水平应力的面应力分量表示为：（）式中，表示水平应力造成的该地区挤压和扩张。最大应力 与 轴的夹角 可以由下式求得：()（）可以看到，如果水平面应力大于零，则表示该地区伸张（膨胀），反之，水平面应力小于零则表示压缩。这样就可以在水平面内把应力变化张量表示出来，并用此来分析地震对周围介质产生的应力变化对该地震附近区域的动力学过程产生的影响 ，下文对应力取对数后再绘图。本节基于土耳其 年 月 日在卡赫拉曼马拉发生的 和 两次强震的破裂模型 ，和 给出的地壳成层速度模型，运用 软件包 ，计算两次强震在周围地区产生的同震应力场（图 ）。图 第 期靳志同等：年土耳其两次强震对周围地区的静态应力影响图 土耳其两次强震在震源深度上产生的应力场 中，绿色箭头和黑色箭头分别表示主张应力（最大主应力）和主压应力（最小主应力），底色表示水平面应力，黄色到红色表示面膨胀区，白色到蓝色表示面压缩区，拉张为正。地震在震源深度（）上的应力场（图 ）具有以下特征：从面应力上来看，震中南北两侧为面膨胀区，膨胀区内主张应力起主要作用，东西两侧为面压缩区，压缩区内主压应力起主要作用，膨胀区和压缩区的分界线与发震断层的两个节面比较一致。从水平主压应力和主张应力来看，震中区域的主压应力为近南北向，主张应力方向为近东西向。土耳其 地震为走滑性质，结合有限断层模型 ，得到断层倾向南西，因此震中东侧为上盘，西侧为下盘。从上文得到的该地震产生的地表的水平位移（图 ）看出，上盘物质从南侧向震中汇聚后又向东侧流出，下盘物质从北侧向震中汇聚后向西侧流出。由各点的位移情况可以得到，地震南侧上盘区域各个点的受力状况应该以张应力为主，而东侧上盘区域各个点的受力状况应该以压应力为主，同时，地震西侧下盘区域各个点的受力状况应该以压应力为主，而北侧下盘区域各个点的受力状况应该以张应力为主。通过各点的运动情况分析得到的应力状态与本节计算的应力场的结果（图 ）是比较一致的。地震在震源深度（）上的应力场（图 ）具有以下特征：从面应力上来看，震中北东和南西侧为面膨胀区，南东和北西侧为面压缩区，膨胀区和压缩区的分界线与发震断层的两个节面比较一致。从水平主压应力和主张应力来看，震中区域的主压应力为近东西向，主张应力方向为近南北向。土耳其 地震为走滑性质，结合有限断层模型 ，得到断层倾向北，因此震中北侧为上盘，南侧为下盘。从该地震产生的地表的水平位移（图 ）看出，上盘物质从北东侧向震中汇聚后又向北西侧流出，下盘物质从南西侧向震中防灾科技学院学报第 卷汇聚后向南东侧流出。由各点的位移情况可以得到，地震北东侧上盘区域和南西侧下盘区域内各点的受力状况应该以张应力为主，而北西侧上盘区域和南东侧各个点的受力状况应该以压应力为主。通过各点的运动情况分析得到的应力状态与本节计算的应力场的结果（图 ）是一致的。两次地震的同震库伦应力分布及对余震的应力触发土耳其 地震发生后约 ，又发生了 地震，那么 地震对 地震是否有触发作用。因此本节主要计算土耳其两次强震在 周 围 区 域 的 库 伦 应 力 分 布，以 此 分 析 地 震 对 地 震 的 应 力 触 发，以 及 地震和 地震对其他余震的应力触发。图 土耳其 地震在 深度上的库伦应力分布 地震对 地震的应力触发 基 于 地 震 的 破 裂 模 型 ，并 以 地震的发震断层的走向、倾角和滑动角（、和 ）作 为 接 收 断 层 参 数，计 算 地震在 地震震源深度 上的库伦应力分布（图 ）。黄色到红色表示库伦应力增加的区域，白色到蓝色表示库伦应力减小的区域。、和 分别表示 地震的有限断层破裂模型的三个子断层 。从图 可以看出，地震震中位于库伦应 力 增 加 的 区 域，该 处 库 伦 应 力 变 化 约 为 。有大量研究 ，表明，当应力变化达到 就能有效地影响地震的发生，该处已经远远超过了该阈值，这说明 地震对 地震的发生是有触发作用的。地震和 地震对其余震的应力触发两次强震发生后，会伴有大量余震的发生，本节主要对 的余震进行应力触发的研究，时间范围为 主震后至 年 月 日，的共计 次地震 。地震的震源机制的走向、倾角和滑动角分别为 、和 ，地震的震源机制的走向、倾角 和 滑 动 角 分 别 为 、和 ，基 于 和 两次地震的破裂模型 ，分别计算了两次强震在 、和 深度上的库伦应力分布（图 ），同时由于余震的深度从 到 ，分布较广，因此将余震按照 、分为 类（表 ），并分析两次强震对余震的应力触发。首先，我们计算了 强震在不同深度上的库伦应力分布（图 、），可以看出，在 地震有限断层周围存在大面积库伦应力减小的区域，这是因为，一强震的发生是地震所在断层及周围应力卸载导致的，二卸载的范围与有限 断 层 的 长 度 和 宽 度 有 关，本 文 使 用 的 地震的有限断层的长度约为 ，宽度约为 ，因此可以看到有限断层周围卸载的范围是比较大的，库伦应力增加的区域主要集中在有限断层北东和南西向的两端。强震和 地震之间，共有 个 的余震，这些余震都是沿有限断层分布，基本发生在 地震同震库伦应力减小的区域，而其他库伦应力减小的区域很少有地震发生。这主要是因为，一在库伦应力减小的区域，主震的发生对余震的发生是起到抑制作用的，因此看到除有限断层附近以外的其他库伦应力减小的区域内，只有很少的地震发生；二发震断层是一个倾角为 、近似垂直的平面，因此，第 期靳志同等：年土耳其两次强震对周围地区的静态应力影响图 两次强震分别在 个深度上产生的库伦应力分布注：绿色点为 地震和 地震之间发生的地震，粉色点为 地震之后发生的地震 表 土耳其两次强震的余震序列分类（）序号计算库伦应力分布所选深度 余震深度 地震前余震个数 地震后余震个数 合计 防灾科技学院学报第 卷发震断层上的余震除了从水平面上库伦应力分布来讨论以外，还可以通过有限断层上的库伦应力分布进行讨论；三有些余震发生在其他断层上，则需要以这些余震所在断层的几何参数作为接收参数进行库伦应力分布的计算，比如 地震对 地震的触发（图 ）。综上，这些地震基本是沿有限断层分布的，且在 内集中发生，可以认为是由 地震触发的。其次，我们计算了 强震在不同深度上的库伦应力分布（图 、），可以看出，地震周围库伦应力增加和减小的区域相互交错，呈花瓣形 。地震的有限断层周围也存在大面积库伦应力减小的区域，但是和 地震 相比，该区域要 小很 多，这 是 因为 地 震 使 得 断 层 破 裂 长 度 短，长 度 约 为 ，宽度约为 ，并且破裂主要集中在长 、宽 的子断层内。库伦应力增加的区域主要集中在有限断层东西两端以及震中南北两侧。本文使用的余震数据中，地震之后共有 个 的余震，从这些余震的分布来看，主要集中在 地震和 地震所在断层附近，深度主要集中在 。从 地震在 深度上的库伦应力分布（图 ）可以看到，余震主要分布在震中东西两侧和南侧库伦应力增加的区域，其他库伦应力减小的区域内只有很少的地震发生。地震所在断层的南段，正好位于 地震南侧库伦应力增加的区域，也就是说 地震对 地震所在断层的南段上地震的发生是有促进作用的；地震所在断层的北段与 地震所在断层的东段汇聚到了一起，同时也位于 地震震中东侧库伦应力增加的区域内，故 地震对该区域内两个断层上的余震均有触发作用，因此这个区域内余震比较多；地震震中西侧，有限子断层 附近区域余震比较集中，该区域主要位于库伦应力增加的区域内，同时需要指出的是，在图 中，该区域是没有地震发生的，地震在该区域产生的库伦应力变化是负的，并且从图 也可以看出，以 地震的相关参数为接收断层参数时，该区域也是库伦应力减小的区域，因此该区域的地震主要是由 地震触发的。最后，我们还计算了两次强震共同产生的不同深度的库伦应力分布（图 、），可以看到，在 地震西侧地震比较集中的区域，库伦应力变化也是正的，但是经过上面的分析可知，对该区域余震的触发是起到主要作用的。从 深度上的库伦应力分布（图 ）可以 看 到，上 的 余 震 主 要 发 生 在 地震的东侧。个深度上的库伦应力分布在整体形态还是比较一致的，尤其是 地震西南侧和 地震东西两侧均有库伦应力增加的区域且向外延伸得很多，同时这些区域内已经有很多余震的发生，因此应该注意这些位置继续发生余震的危险性。绝大部分余震是沿着所选的优势破裂面分布的，主震的发生促使了库伦应力增加区域余震的发生，抑制了较多库伦应力减少区域余震的发生。单斌等 计算了九寨沟地震对余震分布以及周边主要活动断层上应力积累的影响，研究成果表明，余震主要发生在沿破裂面附近的库伦应力增强区，而库伦应力下降的区域几乎没有余震记录。结论与讨论采用 年 月 日土耳其卡赫拉曼马拉 地震和 地震的破裂模型，计算两次强震对周围地区产生的位移场、应力场以及库伦应力变化对余震的触发等，得到以下结论：（）从地震产生的位移场来看，两次强震分别产生的水平位移场与两次强震共同产生的水平位移场均符合走滑型地震产生的位移场的典型特征，即上盘和下盘物质均沿断层错动的方向流动。但是由于两个地震所在断层的走向不一样，两次强震产生的水平位移场特征也有一定差别。垂直位移场均呈现沿断层走向所在直线的轴对称图形。（）从地震产生的水平面应力来看，地震震中南北两侧为面膨胀区，东西两侧为面压缩区，震中区域的主压应力为近南北向，主张应第 期靳志同等：年土耳其两次强震对周围地区的静态应力影响力方向为近东西向。地震震中北东和南西侧为面膨胀区，南东和北西侧为面压缩区，震中区域的主压应力为近东西向，主张应力方向为近南北向。（）从地震的应力触发来看，地震在 地 震 震 中 处 的 库 伦 应 力 变 化 约 为 ，即 地震对 地震的发生是有触发作用的。地震对 地震所在断层南段上的余震有触发作用；地震对两个地震所在断层交叉区域，以及 地震震中西侧的余震均有触发作用。两次强震产生的库伦应力增加区主要出现在两个地震的有限断层的两端，又因为这些区域也是 地震主要出现的区域，因此应该注意这些区域发生地震的危险性。年 月 日 土 耳 其 卡 赫 拉 曼 马 拉 地震和 地震发生以后，有关这两次强震的资料和数据在逐渐丰富，有限断层破裂模型也在不断进行更新，本文使用的是 年 月 日更新的破裂模型 ，计算结果可能与网站后续更新的模型及结果有差别。另外，本文使用的 余 震 也 有 一 定 时 间 限 制（时 间 范 围 为 主震后至 年 月 日）和震级限制（），如果有新的更多的地震定位结果，会更有利于对这两次地震产生的静态应力场的认识。致 谢：本 文 图 件 是 利 用 绘 制 的。对 汪 荣 江 教 授 提 供 的 软件包表示感谢。参考文献 ，（）：，（）：，（）：，（，）：，：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：万永革，吴忠良，周公威，等 几次复杂地震中不同破裂事件之间的“应力触发”问题 地震学报，（）：沈正康，万永革，甘卫军，等 东昆仑活动断裂带大地震之间的黏弹性应力触发研究 地球物理学报，（）：，（）：，（）：，（）：万永革，沈正康，盛书中，等 年汶川大地震对周围断 层 的影 响 地震 学 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