巴颜喀拉块体边界应力场变化及其对强震发生的影响

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巴颜喀拉块体位于青藏高原中东部地区,南北边界断裂带分别为东昆仑断裂和风火山-甘孜-玉树-鲜水河两条近东西向大型左旋走滑断裂带,东边界为北北东向的龙门山逆冲兼走滑断裂带,是调整青藏高原现今地壳变形的重要块体。自有历史记录以来,该块体边界断裂带上强震不断,尤其1997年以来,中国大陆发生的7个大震,均发生在巴颜喀拉块体及其邻区的断裂带上,表明巴颜喀拉块体现今仍处于强震的高发期。该块体现今的构造应力状态如何,块体不同边界断裂之间具有怎样的联系以及强震再发生的应力条件等,一直是该区活动构造和地震地质工作关注的热点问题,是大震危险性评价等研究探索的重要课题。本论文以巴颜喀拉块体及边界活动断裂为主要研究对象,在系统收集整理、分析该区主要边界断裂分段活动性、现今区域构造应力方向,大震复发周期等研究的基础上,进行了强震引起的库仑应力与构造加载应力计算模拟,研究该区主要边界断裂区的应力变化及其对强震再发生的影响,并对巴颜喀拉块体边界断裂带未来强震发生的危险性进行了初步评价尝试,得出了以下几个主要结论:(1)利用粘弹性地壳介质模型,在青藏高原晚第四纪以来受印度板块基本恒定速率向北东方向推挤的基本事实基础上,假定10km震源深处(如2001年昆仑山口西大地震的震源深度为10km)的位移速度与现今地表的GPS速度一致,用二维平面有限元方法计算了研究区主要边界断裂在1000-4000年大震复发间隔中,地壳10km深度由构造加载产生的应力差。结果表明,8段主要断裂段分别为:①马尔盖茶卡断裂上为3.15~11.7Mpa,相当于2.83~3.15kpa/yr;②东昆仑断裂西段为5.65~19.2Mpa,相当于4.8~5.65kpa/yr;③东昆仑断裂中段为3.23~10.9Mpa,相当于2.73~3.23kpa/yr;④东昆仑断裂东段为1.69~6.0Mpa,相当于1.49-1.69kpa/yr;⑤风火山断裂为1.68~4.7Mpa,相当于1.16-1.68kpa/yr;⑥甘孜-玉树断裂为2.44~7.7Mpa,相当于1.93~2.44kpa/yr;⑦鲜水河断裂为2.34~6.7Mpa,相当于1.68~2.34kpa/yr;⑧龙门山断裂为1.14~4.8Mpa,相当于1.14-1.2kpa/yr。(2)利用半无限空间粘弹性地壳结构模型,考虑震后粘弹性松弛效应对应力变化的影响,应用粘弹性应力应变程序PSGRN/PSCMP,计算水平分层粘弹性介质的同震和震后变形场与应力场。具体计算了研究区1904年来16个大震引起的附加应力场,在8条断裂段的11个关键构造部位,其库仑应力变化量Δσc随时间的变化显示,同一控震断裂受不同大震影响的性质和大小不同,具体如下:①对东昆仑断裂西段具有明显促进作用的主要包括发生在玛尔盖茶卡断裂、东昆仑断裂中段以及块体内部断裂的大震;②对东昆仑断裂中段具有促进作用的大震包括发生在玛尔盖茶卡断裂、东昆仑断裂西段和东部边界断裂带上的大震;③对东昆仑断裂东段具有促进作用的大震包括发生在玛尔盖茶卡断裂、东昆仑断裂中-西段、甘孜-玉树断裂、虎牙断裂的地震和龙门山断裂带的大震;④对甘孜-玉树断裂具有促进作用的大震包括发生在鲜水河断裂、东昆仑断裂中段的大震;⑤对鲜水河断裂北段具有显著促进作用的大震包括发生在鲜水河断裂北段、鲜水河断裂南段的大震;⑥对鲜水河南段具有显著促进作用的大震包括发生在鲜水河断裂北段的大震;⑦对风火山断裂具有比较明显促进作用的大震包括发生在甘孜-玉树断裂、鲜水河断裂、内部断裂的大震;⑧对龙门山断裂具有促进作用的大震包括发生在岷江断裂、虎牙断裂、鲜水河断裂南段、东昆仑断裂中-西段及玛尔盖茶卡的大震。同时,计算了1955年以来10个大震发震时刻前震源破裂附近的库仑应力变化量,结果显示,9个大震在发震前的库仑应力变化量Δσ-c均为正值,其中7个达到或超过库仑应力变化量阀值(10kpa)。从1904年道孚地震起算,各大震发震时刻前累积的库仑应力变化量Δσ-c具体如下:1955年康定地震前的库仑应力变化量△σc=56kpa;1963年都兰地震前的库仑应力变化量△σc=50kpa;1973年炉霍地震前的库仑应力变化量△σc=138kpa;1973年玛尼地震前的库仑应力变化量△σc:0.4kpa;1976年8月16日松潘地震前的库仑应力变化量△σc=220kpa;1976年8月23日松潘地震前的库仑应力变化量△σc=437kpa;2001年昆仑山口西地震前的库仑应力变化量△σc=4.2kpa;2008汶川年地震前的库仑应力变化量△σc=110kpa;2010年玉树地震前的库仑应力变化量△σc=2kpa;2013年芦山地震前的库仑应力变化量△σc=7.0kpa。(3)巴颜喀拉块体10km深度,对于大部分边界断裂区域,构造加载力对强震的发生起主要作用,前期大震引起的库仑应力变化起触发作用。1000年-4000年大震复发周期内,构造加载应力差一般约为0.5~19.2Mpa,个别段落最大值不超过32Mpa。因此,现今构造活动强烈的巴颜喀拉块体,在岩石摩擦系数为0.6和静水压力的基本假设下,其边界断裂带现今应力状态距离大震发生的临界应力差不大于32Mpa。(4)根据公元1320年来巴颜喀拉块体强震活动,对其边界断裂区进行大震“空区”段的圈定,并结合构造加载应力和附加库仑应力,进行了大震“空区”段未来危险性初步评价,结果表明,2013年芦山地震后,在4主要的个大震空区段中,东-西大滩-秀沟段“空区”、东昆仑东段玛沁和玛曲段“空区”和龙门山断裂青川段“空区”的危险性较大,风火山断裂段“空区”危险性相对较小。
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