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我对芦山地震的一些认识

已有 2283 次阅读 2013-5-12 21:18 |个人分类:栏目:卷首语|系统分类:观点评述

   石耀霖,广西桂林人,中国科学院院士,发展中国家科学院(第三世界科学院)院士,地球物理学家,现任中国科学院大学地球科学学院、中国科学院计算地球动力学实验室教授,曾任中国地球物理学会副理事长,中国地震学会副理事长等。

   

    认识2013年4月20日芦山发生的大地震,不妨先从汶川地震谈起。汶川地震为什么会发生,常见的解释是:印度洋板块与欧亚板块碰撞,造成青藏高原快速隆升和地下物质向东缓慢流动;流动物质在龙门山向东挤压,遇到四川盆地刚性地块阻挡,从而造成构造应力能量长期积累。这些能量的释放,最终导致了汶川地震的发生。

     这种说法对不对?应该说没有错误,但是解释得还十分不够。但是,为什么汶川地震发生在龙门山之下,而不是更东或更西?为什么汶川地震发生在十余千米深的上地壳底部,而不是更深或更浅?为什么汶川地震西南段以逆冲为主,而东北端为右旋走滑?要回答这一系列问题,仅仅给出上面那样定性的说法是远远不够的,还需要定量的数值模拟予以解释。我们在此方向上曾经撰文做出了进一步的解释[1~3]。

     图1是我们用三维黏弹性模型对汶川地震进行数值模拟的结果。为什么要采用黏弹性模型进行数值模拟?因为在短期载荷下(例如地震波传播),岩石圈的表现是弹性的。但是,岩石在高温高压下地质历史缓慢的运动会发生柔性变形——例如人们可以看到的褶皱;因此,必须采用黏弹性模型来进行数值模拟——如果采用理想弹性模型进行模拟,所得的结果就会与实际情况大相径庭。

     在受到基于GPS观测给定的边界条件作用下,三维黏弹性的四川盆地达到准稳态时的应力增长速率。图1[1]中,红色为高应力增长率,蓝色为低应力增长率。四川盆地应力增长率低,无大地震;高原一侧应力增长率高,有一些大地震;最高的应力增长率出现在龙门山下10~20km的上地壳底部。压应力最大在龙门山断裂带西南段,因此,这里发生了逆掩断层;剪应力最大发生在龙门山断裂带东北段,因此,这里的右旋走滑断层渐渐发育。

     在以上数值模拟中,我们输入的是基于观测的结构模型数据,基于观测和实验室实验的物性数据,以及基于地表GPS观测的边界条件。不知道的是深部边界条件,对此我们只能做一些简化的假定;我们同时也不知道初始应力条件,因而只能从假定的零应力出发计算;另外也不知道边界的历史,故只能假定开始运动后边界为匀速运动。由此模拟我们又得到了什么、发现了什么呢?得到了数百年后脱离暂态影响后的准稳态应力变化率,发现了该应力增长率与地震活动性有相关关系。我们得不到的是应力的绝对值。因此,我们也无法预测究竟哪里最危险。因为应力增长率高的地方,模型开始计算时刻的初始应力未必一定最高。只知道应力的增量,不知道应力的初始值,就无法知道应力的绝对值,就无法确定后续地震最可能发生的时间、地点和规模。如果我们对这些区域地应力的状况有更加充分的了解,就有可能对更具体的地震危险性作出估计。

     汶川地震震级巨大,断裂带长达近300km,几乎整个龙门山断裂带都发生了破裂,但是西南段的约100km却没有破裂。这一段落最终会破裂吗?破裂的规模会有多大?究竟什么时候会破裂?破裂的规模上限是以上问题中困难程度较低的问题。就震级来说,由于震级和断层长度存在一定的经验关系,因此,这段100km左右的段落即使全部破裂,震级也仅仅可能略大于Ms 7.0级(也可能是几个接近Ms 7.0级的地震破坏陆续释放积累的能量)。龙门山西南端一段没有地震破裂,但这一段落也是压应力积累率最高的部位之一;而且汶川地震的发生,使这一段落发生类似机制的逆掩断层的地震危险性更加增加了[4]。因此,龙门山西南端发生破裂也就是必然的了。

    图2[4]是汶川大地震对类似龙门山断层走向和力学性质的断裂造成的震库伦应力变化图。它表示的是:汶川大地震后,如果一个地方存在类似汶川地震的

北东—南西走向的断层,在原来的构造应力场背景下,断层是变得更危险了,还是变得更安全了?即库伦应力是增大了,还是减小了?图2中,所有彩色部分的地区在汶川地震发生后都多多少少变得更危险了:红色区域的应力增加可以高到数兆帕,黄绿部分为零点几兆帕,绿色部分为百分之几兆帕。龙门山断层东北端以外断层以东西走向为主,不存在北东—南西走向的断层。但是,龙门山断层的西南段部分在汶川地震中并未破裂,其库伦应力有明显增加。

     从映秀镇西南到雅安这一段的龙门山断层,原本就有较高的构造应力增长率,汶川地震又使其库伦应力有较大的提高,这一地段自然就成为是否会发生下一个大地震的引人注目的地段。但是,这一地段的大地震究竟什么时候会发生,则是现有资料难以回答的问题。要回答这个问题,必须获得该段落现今地应力的大小究竟是多少?是否已经临近了岩石的强度?

     那么,这个地区的应力状况究竟怎样呢?我不从事应力测量工作,不能直接给出答案。图3[5]显示了其他研究者一些近期应力测量的结果[5],主要是主压应力的方向。从图3可以看到,宝兴钻孔应力测量结果主压应力为北西—南东方向。秦向辉等[6]认为:“对比分析2003、2008和2010年在宝兴、康定地区4个钻孔的水压致裂应力测量资料,初步揭示汶川地震后断裂西南段现今地应力环境与地震危险性。研究结果表明:龙门山断裂西南段,尤其是康定地区,地震后仍然积累有较高的地应力,震后应力调整以积累为主;龙门山断裂西南端的最大水平主应力已经达到断层活动应力临界下限值,断裂活动进入临界状态,未来具有发生逆断层活动的可能性;结合地应力测量结果、地震地质等资料认为,龙门山断裂西南端具有潜在大震危险性,值得重点关注和研究。”这次地震似乎验证了他们的观点。

     但我个人仍然认为,只依据少量不深的钻孔应力测量资料,他们当时做出“龙门山断裂西南端的最大水平主应力已经达到断层活动应力临界下限值,断裂活动进入临界状态”判断的根据仍然不足。因为我们不知道十余千米深度应力是怎样的,也不知道那里的岩石强度临界值。作为数值地震预报的探讨,目前还不在于我们是否做出了地震预报,更重要的是我们预报的根据是什么。芦山Ms 7.0级地震的发生,对于我们来说,不是什么意外的事情。因为如上所述,该段落一直是应力增长率高的区域,而且汶川地震后变得更加危险。但是,在没有地壳深部(10~20km)基于观测的应力(包含孔隙流体压力)的实测资料、断层强度资料的情况下,仍然没有充分的定量的力学根据来事前判断地震发生的时间——几年?几十年?几百年?就这两天见到的余震目录资料和破裂面的初步反演结果,这次雅安芦山地震断层错断仅20~30km,似乎还没有释放出这100km断裂带内积蓄的所有能量。但是,下一次接近Ms 7.0级地震将发生在何时,尚缺乏资料作出估计。

     我们也可以计算雅安芦山地震对鲜水河和小江断裂等的库伦应力影响,特别是雅安西北的鲜水河断裂一段库伦应力有所增加。但是,因没有绝对应力测量基础资料,要想对后续大震发生的时间做出断定,恐怕同样勉为其难。从这个意义上说,地应力绝对值的测量和相对变化的可靠测量,对做好地震预报具有至关重要的意义。


     基金项目:国土资源部地壳深部行业基金探测项目(SinoProbe-07)


参考文献(References)

[1] 石耀霖, 张贝, 张斯奇, 等. 地震数值预报[J]. 物理, 2013, 42(4): 237-255.

[2] 石耀霖. 地震数值预报——飘渺的梦, 还是现实的路[J]. 科学中国人, 2012(11): 18-25.

[3] 柳畅, 朱伯靖, 石耀霖. 黏弹性数值模拟龙门山断裂带应力积累及大震复发周期[J]. 地质学报, 2012, 86(1): 157-169.

[4] 石耀霖, 曹建玲. 库伦应力计算及应用过程中若干问题的讨论[J]. 地球物理学报, 2010, 5(1): 102-110.

[5] 吴满路, 张岳桥, 廖椿庭, 等. 汶川地震后沿龙门山裂断带原地应力测量初步结果[J]. 地质学报, 2010, 84(9): 1292-1299.

[6] 秦向辉, 陈群策, 谭成轩, 等. 龙门山断裂带西南段现今地应力状态与地震危险性分析[J]. 工程岩石力学学报, 2013, 3 (S1): 2870-2876.





4.20雅安地震
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