MK 第34卷第4期(591~605) 中国地震 Vol 34 No 4 018年12月 EARTHQUAKE RESEARCH IN CHINA Dec.2018 周少辉、蒋海昆、曲均浩等,2018,应力降研究进展综述,中国地震,34(4),591~605 研究综述· 应力降研究进展综述 周少辉》蒋海昆2)曲均浩)李健” 1)山东省地震局,济南市文化东路20号250014 2)中国地震台网中心,北京100045 3)海南省地震局,海口570203 摘要本文介绍了国内外关于应力降研究及应用的一些进展。对应力降定义及计算方法 进行简要介绍,对地震应力降整体特征、应力降与地震大小、应力降与构造环境、应力降与序列 类型等之间的关系进行简要综述,重点讨论了应力降在震后趋势判定中的可能应用,并对应力 降计算结果的不确定性进行了初步讨论。应力降表征地震错动导致的位错面上的应力变化,其 定义为地震前后初始应力σ。与终止应力σ1之差。地震应力降数值大多为零点几兆帕至数十 兆帕,以10MPa以下的居多。应力降与震级、震源深度、构造环境、震源机制、序列类型等之间的 关系复杂,对此,也存在诸多不同的认识。消除震级影响之后,地震序列应力降随时间持续升高 的现象,对后续强余震有一定的时间指示意义。值得注意的是,诸多因素均会影响应力降的计 算结果,数值实验结果显示,拐角频率、零频极限的综合误差对应力降计算结果影响显著,二者 不确定性造成的应力降计算误差几乎完全覆盖余震应力降随时间的变化 关键词:应力降应力降特征序列趋势判定误差分析 [文章编号]1001-4683(2018)040591-15[中图分类号]P315[文献标识码]A 0引言 地震是指震源区介质在应力作用下产生的破裂错动或震源区原有断层的破裂扩展。换 言之,地震的发生与岩石发生错动处的应力状态有关。从余震预测的角度,就整个地震序列 而言,地震发生后震源区应力状态的判定,对震后趋势估计及强余震预测具有重要意义(钟 羽云等,204)。由于地震发生在地下深处,目前技术条件下无法直接测量震源区应力场的 强弱,因此主要根据震源机制、应力降、视应力等来综合研究局部应力场强弱、方向等作用方 式(陈学忠,2005)。 近年来,随着数字地震观测的逐渐完善,基于数字地震资料计算震源及介质参数,进而 收稿日期]2018-06-14;[修定日期]2018-08 [项目类别]中国地震局监测预报能力建设重点专项”震后趋势判定技术系统建设”(2018010205-02)、山东省地震局科 技创新团队基金项目(SDsT-07-2018)共同资助 [作者简介]周少辉,男,1991年生,硕士,助理工程师,主要从事地震序列及数字地震研究。E-mail:674891062@q9com 蒋海昆,通讯作者,男,博士,研究员。E-mail;jianghaikun@sohu.com
书 第 ３４卷 第 ４期（５９１～６０５） ２０１８年 １２月 中 国 地 震 ＥＡＲＴＨＱＵＡＫＥＲＥＳＥＡＲＣＨＩＮＣＨＩＮＡ Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２０１８ 周少辉、蒋海昆、曲均浩等，２０１８，应力降研究进展综述，中国地震，３４（４），５９１～６０５． ·研究综述· 应力降研究进展综述 周少辉１） 蒋海昆２） 曲均浩１） 李健３） １）山东省地震局，济南市文化东路 ２０号 ２５００１４ ２）中国地震台网中心，北京 １０００４５ ３）海南省地震局，海口 ５７０２０３ 摘要 本文介绍了国内外关于应力降研究及应用的一些进展。对应力降定义及计算方法 进行简要介绍，对地震应力降整体特征、应力降与地震大小、应力降与构造环境、应力降与序列 类型等之间的关系进行简要综述，重点讨论了应力降在震后趋势判定中的可能应用，并对应力 降计算结果的不确定性进行了初步讨论。应力降表征地震错动导致的位错面上的应力变化，其 定义为地震前后初始应力 σ０ 与终止应力 σ１ 之差。地震应力降数值大多为零点几兆帕至数十 兆帕，以 １０ＭＰａ以下的居多。应力降与震级、震源深度、构造环境、震源机制、序列类型等之间的 关系复杂，对此，也存在诸多不同的认识。消除震级影响之后，地震序列应力降随时间持续升高 的现象，对后续强余震有一定的时间指示意义。值得注意的是，诸多因素均会影响应力降的计 算结果，数值实验结果显示，拐角频率、零频极限的综合误差对应力降计算结果影响显著，二者 不确定性造成的应力降计算误差几乎完全覆盖余震应力降随时间的变化。 关键词： 应力降 应力降特征 序列趋势判定 误差分析 ［文章编号］１００１４６８３（２０１８）０４０５９１１５ ［中图分类号］ Ｐ３１５ ［文献标识码］ Ａ ［收稿日期］ ２０１８０６１４；［修定日期］ ２０１８０８３１ ［项目类别］ 中国地震局监测预报能力建设重点专项“震后趋势判定技术系统建设”（２０１８０１０２０５０２）、山东省地震局科 技创新团队基金项目（ＳＤＳＴ０７２０１８）共同资助 ［作者简介］ 周少辉，男，１９９１年生，硕士，助理工程师，主要从事地震序列及数字地震研究。Ｅｍａｉｌ：６７４８９１０６２＠ｑｑ．ｃｏｍ 蒋海昆，通讯作者，男，博士，研究员。Ｅｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｈａｉｋｕｎ＠ ｓｏｈｕ．ｃｏｍ ０ 引言 地震是指震源区介质在应力作用下产生的破裂错动或震源区原有断层的破裂扩展。换 言之，地震的发生与岩石发生错动处的应力状态有关。从余震预测的角度，就整个地震序列 而言，地震发生后震源区应力状态的判定，对震后趋势估计及强余震预测具有重要意义（钟 羽云等，２００４）。由于地震发生在地下深处，目前技术条件下无法直接测量震源区应力场的 强弱，因此主要根据震源机制、应力降、视应力等来综合研究局部应力场强弱、方向等作用方 式（陈学忠，２００５）。 近年来，随着数字地震观测的逐渐完善，基于数字地震资料计算震源及介质参数，进而 ＣＭＹＫ
MK 592 中国地震 34卷 开展余震预测的方法逐渐受到重视,将应力降用于震源区地壳应力动态变化研究和地震序 列趋势判断也取得了很多重要结果,这方面的研究亦是今后余震物理预测的一个重要发展 方向(蒋海昆等,2015)。不少研究指出,震前、震后应力降的变化与地震活动性有关 ( Chinnery,1964; Hanks,1976; Kanamori et al,1975; Richardson et a,1977)。应力降表征地震 发生瞬间错动时位错面上的应力变化,反映地震过程中构造应力场大小和释放水平,是直接 与地震的发生、震源介质和构造应力密切相关的参数。中小地震应力降随时间的变化可能 反映了应力状态随时间的变化,对震后趋势判定具有重要意义(华卫,2007)。大震后,若余 震区中小地震应力降明显偏高或有逐步增大的趋势,可能说明震源区仍处于较高应力状态 反之,则可能表示余震区应力状态基本恢复正常(蒋海昆等,2015)。通过计算强震序列中余 震的震源参数,分析其应力降随时间、空间的变化,可研究地震序列的震源物理过程,进而研 究震源区地壳介质的物理力学性质、应力状态动态变化过程等,而了解中小地震孕育、发生 的应力背景,对序列后续地震活动判定及分析局部地区的地震危险性有着重要意义(华卫 等,2009)。因此,从地震预测的角度深入研究应力降的主要特征,进而开展利用应力降对序 列后续地震活动及强余震的判定研究,将有利于地震短临预测。在查阅大量文献的基础上, 本文将简述国内外应力降研究领域的一些进展,着重整理应力降的主要特征,并对将应力降 应用于震源区地壳应力动态变化研究和地震序列趋势判断等方面所取得的最新研究进展进 行了简要综述。 1应力降基本概念 1.1应力降定义 应力降Δσ表征地震发生瞬间错动时位错面上的应力变化,定义为地震前、后初始应力 与终止应力σ1之差 Δσ称为静态应力降,与静态应力降相对应的还有有效应力降(也称动态应力降),有效应力 降定义为初始应力σo与动摩擦应力σ;之差(图1) 断层错动期间断层面上的平均应力为 os Oo+o1 Ao+2oi (3) 图1应力降示意图
中 国 地 震 ３４卷 开展余震预测的方法逐渐受到重视，将应力降用于震源区地壳应力动态变化研究和地震序 列趋势判断也取得了很多重要结果，这方面的研究亦是今后余震物理预测的一个重要发展 方向（蒋 海 昆 等，２０１５）。不 少 研 究 指 出，震 前、震 后 应 力 降 的 变 化 与 地 震 活 动 性 有 关 （Ｃｈｉｎｎｅｒｙ，１９６４；Ｈａｎｋｓ，１９７６；Ｋａｎａｍｏｒｉｅｔａｌ，１９７５；Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎｅｔａｌ，１９７７）。应力降表征地震 发生瞬间错动时位错面上的应力变化，反映地震过程中构造应力场大小和释放水平，是直接 与地震的发生、震源介质和构造应力密切相关的参数。中小地震应力降随时间的变化可能 反映了应力状态随时间的变化，对震后趋势判定具有重要意义（华卫，２００７）。大震后，若余 震区中小地震应力降明显偏高或有逐步增大的趋势，可能说明震源区仍处于较高应力状态； 反之，则可能表示余震区应力状态基本恢复正常（蒋海昆等，２０１５）。通过计算强震序列中余 震的震源参数，分析其应力降随时间、空间的变化，可研究地震序列的震源物理过程，进而研 究震源区地壳介质的物理力学性质、应力状态动态变化过程等，而了解中小地震孕育、发生 的应力背景，对序列后续地震活动判定及分析局部地区的地震危险性有着重要意义（华卫 等，２００９）。因此，从地震预测的角度深入研究应力降的主要特征，进而开展利用应力降对序 列后续地震活动及强余震的判定研究，将有利于地震短临预测。在查阅大量文献的基础上， 本文将简述国内外应力降研究领域的一些进展，着重整理应力降的主要特征，并对将应力降 应用于震源区地壳应力动态变化研究和地震序列趋势判断等方面所取得的最新研究进展进 行了简要综述。 １ 应力降基本概念 １．１ 应力降定义 应力降 Δσ表征地震发生瞬间错动时位错面上的应力变化，定义为地震前、后初始应力 σ０ 与终止应力 σ１ 之差 Δσ＝σ０ －σ１ （１） Δσ称为静态应力降，与静态应力降相对应的还有有效应力降（也称动态应力降），有效应力 降定义为初始应力 σ０ 与动摩擦应力 σｆ之差（图 １） Δσｄ ＝σ０ －σｆ （２） 断层错动期间断层面上的平均应力为 σ＝σ０ ＋σ１ ２ ＝Δσ＋２σ１ ２ （３） 图 １ 应力降示意图 ５９２ ＣＭＹＫ
4期 周少辉等:应力降研究进展综述 1.2应力降计算方法 主要通过2种方法来计算应力降,一种是在比较地震震级与其辐射能或断层破裂面积 估计值的基础上,运用标度关系估算应力降( kanamori et al,1975; Andrews,1986);另一种是 在假定震源模型的基础上,通过震源谱分析求取模型中的相关参数,进而估计应力降 在利用标度关系来估计应力降的方法中,若假定地震时尺度为L的断层错动的位移量 为D,则依据 Hooke定律可估计整个断层上的应力降( Mohammadioun,2002) 式中,为摩擦系数;平均滑移量D可由地震矩M进行表达,即D≈cM。/(pL2),其中,断层 形状参数c=L/W,L、W分别为断层的长与宽。由此,△a可表达为 CM/L (5) 由式(4)、(5)可见,地震应力降Aa与地震滑移量D、断层尺度L及所释放的地震矩M 等有关。 通过震源谱分析的应力降计算方法中,对于LxW矩形走滑型断层模型,应力降Δa为 (蒋海昆等,2015) M △ 对于LxW矩形倾滑型断层模型,应力降Δa为(蒋海昆等,2015) △a= 对于中小地震,一般使用圆盘断层模型( Brune,1970、1971),即将地震断层面与一个半 径为R的圆盘等效,假设剪应力同时作用于整个断层面,则应力降Aa为( Brune,l970、 1971) 7 M 2应力降主要特征 2.1应力降数值分布特征 地震应力降数值大多为零点几兆帕至数十兆帕。 Kanamori等(1975)对1923~1968年 全球6级以上地震的研究表明,应力降为0.1~10.0MPa,平均应力降为6MPa; Purcaru等 (1978)对1857~1976年全球7级以上大地震的研究表明,应力降为2~13MPa;臧绍先 (1984)对这2组地震事件进一步分析指出,对于大多数浅源地震,应力降均为几兆帕,而2 6MPa为主要分布范围。 Allmann等(2009)对1900~2007年全球约2000个5级以上地震的 研究表明,应力降为0.3~50.0MPa,中位数为4MPa;Oth等(2010)研究显示,震级为27~8.0 的日本浅源地震,应力降为0.1~100.0MPa,平均应力降为1.MPa。中国大陆地区中小地震 应力降为0.1~200MPa,绝大多数小于10MPa(赵翠萍等,2011)。 22应力降与震级间的关系 地震释放的应力降与地震震级之间的关系是震源参数研究中被广泛讨论的重要问题之
４期 周少辉等：应力降研究进展综述 １．２ 应力降计算方法 主要通过 ２种方法来计算应力降，一种是在比较地震震级与其辐射能或断层破裂面积 估计值的基础上，运用标度关系估算应力降（ｋａｎａｍｏｒｉｅｔａｌ，１９７５；Ａｎｄｒｅｗｓ，１９８６）；另一种是 在假定震源 模 型 的 基 础 上，通 过 震 源 谱 分 析 求 取 模 型 中 的 相 关 参 数，进 而 估 计 应 力 降 （Ｂｒｕｎｅ，１９７０）。 在利用标度关系来估计应力降的方法中，若假定地震时尺度为 Ｌ的断层错动的位移量 为 Ｄ，则依据 Ｈｏｏｋｅ定律可估计整个断层上的应力降（Ｍｏｈａｍｍａｄｉｏｕｎ，２００２） Δσ≈ μＤ／Ｌ （４） 式中，μ为摩擦系数；平均滑移量 Ｄ可由地震矩 Ｍ０ 进行表达，即 Ｄ≈ｃＭ０／（μＬ２ ），其中，断层 形状参数 ｃ＝Ｌ／Ｗ，Ｌ、Ｗ分别为断层的长与宽。由此，Δσ可表达为 Δσ＝ｃＭ０／Ｌ３ （５） 由式（４）、（５）可见，地震应力降 Δσ与地震滑移量 Ｄ、断层尺度 Ｌ及所释放的地震矩 Ｍ０ 等有关。 通过震源谱分析的应力降计算方法中，对于 Ｌ×Ｗ矩形走滑型断层模型，应力降 Δσ为 （蒋海昆等，２０１５） Δσ＝ ２ π ·Ｍ０ Ｗ２ Ｌ （６） 对于 Ｌ×Ｗ矩形倾滑型断层模型，应力降 Δσ为（蒋海昆等，２０１５） Δσ＝ ８ ３π ·Ｍ０ Ｗ２ Ｌ （７） 对于中小地震，一般使用圆盘断层模型（Ｂｒｕｎｅ，１９７０、１９７１），即将地震断层面与一个半 径为 Ｒ的圆盘等效，假设剪应力同时作用于整个断层面，则应力降 Δσ为 （Ｂｒｕｎｅ，１９７０、 １９７１） Δσ＝ ７ １６ · Ｍ０ Ｒ３ （８） ２ 应力降主要特征 ２．１ 应力降数值分布特征 地震应力降数值大多为零点几兆帕至数十兆帕。Ｋａｎａｍｏｒｉ等（１９７５）对 １９２３～１９６８年 全球 ６级以上地震的研究表明，应力降为 ０１～１００ＭＰａ，平均应力降为 ６ＭＰａ；Ｐｕｒｃａｒｕ等 （１９７８）对 １８５７～１９７６年 全 球 ７级 以 上 大 地 震 的 研 究 表 明，应 力 降 为 ２～１３ＭＰａ；臧 绍 先 （１９８４）对这 ２组地震事件进一步分析指出，对于大多数浅源地震，应力降均为几兆帕，而 ２～ ６ＭＰａ为主要分布范围。Ａｌｌｍａｎｎ等（２００９）对 １９００～２００７年全球约 ２０００个 ５级以上地震的 研究表明，应力降为 ０３～５００ＭＰａ，中位数为 ４ＭＰａ；Ｏｔｈ等（２０１０）研究显示，震级为 ２７～８０ 的日本浅源地震，应力降为 ０１～１０００ＭＰａ，平均应力降为 １１ＭＰａ。中国大陆地区中小地震 应力降为 ０１～２００ＭＰａ，绝大多数小于 １０ＭＰａ（赵翠萍等，２０１１）。 ２．２ 应力降与震级间的关系 地震释放的应力降与地震震级之间的关系是震源参数研究中被广泛讨论的重要问题之 ５９３ ＣＭＹＫ
MK 594 中国地震 34卷 至今仍未有完全统一的认识。部分研究者认为,对于矩震级M1~8的地震,其地震矩与 破裂尺度间呈简单的幂律关系,其应力降则近似于常数,不随地震震级的改变而改变 Hanks, 1976: Mc Garr, 1984; Abercrombie, 1995; Ide et al, 2001; Allmann et al, 2009), IHt Ep Fa 数应力降模型的观测基础。常数应力降模型认为,地震震级与凹凸体破裂尺度有关,应力降 不随地震矩的变化而明显改变( Allmann et a,2007、2009; Baltay et al,2011)。但也有许多观 测表明,小地震应力降随震级的增大而增加( Izutani et al,2001;吴忠良等,1999; Hardebeck etal,2009;赵翠萍等,20ll;华卫等,2012),并不完全与常应力降模型的预期相一致。如 Mayeda等(1996)的结果表明,小地震应力降△aaM03。进一步也有研究者指出,应力降随 震级的变化存在多重标度特征,陈运泰等(2000)曾指出,“大”地震与“小”地震的情况有别 对于不同地震矩的大地震,应力降接近于常数,地震的大小是通过破裂面积和错距来区分 的;对于“小”地震,应力降大小随震级(或地震矩)的增大而增大。 Atkinson等(2004)对加 拿大东南和美国东北地区的研究表明,M≥40地震的应力降与震级间正相关,M≤4.0地 震则显示常应力降特征。王培玲等(2013)的研究也显示,应力降随震级的变化可能存在2 种标度特征:①对3.0级以上地震,应力降有很大的变化范围,应力降有随震级增大而增大的 趋向;②对于震级小于3.0的地震,应力降大多分布在10MPa附近,随震级的变化不明显 值得注意的是,以上讨论均是从多样本平均的角度来进行的,事实上大地震释放的应力降往 往也存在较大起伏(臧绍先,1984)。另外,Nuti(1983)研究认为,板间地震满足常数应力降 模型,即应力降不随地震震级而变化;而板内地震则满足增加应力降模型,即应力降随地震 震级增大而增加。总之,应力降与震级之间关系复杂,认识不一。因而,在讨论应力降变化 时,首先应尽可能消除或回避震级的影响。 2.3应力降与震源深度间的关系 地震释放的应力降随震中位置及震源深度的不同而有所差异。主震断层之外区域地震 的应力降高于断层带内,反映出断裂区内此前较充分的应力释放水平( Jones et a,1998)。 从应力降随震源深度的变化来看,通常情况下较深处地震的应力降一般较高,如 Kanamori (2004)指出,深源地震应力降比浅源地震约高10倍。同时,对于浅源地震,应力降随深度增 加而增大。 Hardebeck等(2009)研究认为,在震源深度为1~7km时,中值应力降约为5MPa 7~13km时,约为I0MPa;大于13km时,约为50MPa,认为这主要表征脆性地壳内部较深处 相对较高的应力环境这一特征,即理论上在更深处,断层承受的正应力更大,因此断层在破 裂前可以支撑更大的剪切载荷,当地震发生时,会有更大的剪应力释放,因而在较深处可以 产生更大的应力降( Hardebeck et al,1997)。也有研究指出,某些区域震源深度大于40km的 地震的平均应力降随深度的增加有更明显的增大( Allmann et al,2007),这可用俯冲板块内 的刚度变化来进行解释( Bilek et al,1998),即这些地震的震源主要分布于俯冲带。也有研 究发现,应力降的变化对震源深度的依赖程度随区域不同而有差异,如 Hardebeck等(1997) 对1994年北岭M6.7地震序列的279个M12.5~4.0余震应力降的研究表明,当震源深度小 于15km时,应力降上限随震源深度的增加而增大,应力降分布范围下限则随深度的变化不 明显;而当震源深度大于15km时,应力降下限随震源深度的增加而增大,而上限则不随深度 而变化;他们认为这种现象是由于该区域存在异常高速层所致。 Fletcher等(2006)对几个地 震序列的研究表明,对同一地震序列中震源深度小于主震震源深度的地震事件,其应力降随
中 国 地 震 ３４卷 一，至今仍未有完全统一的认识。部分研究者认为，对于矩震级 ＭＷ１～８的地震，其地震矩与 破裂尺度间 呈 简 单 的 幂 律 关 系，其 应 力 降 则 近 似 于 常 数，不 随 地 震 震 级 的 改 变 而 改 变 （Ｈａｎｋｓ，１９７６；ＭｃＧａｒｒ，１９８４；Ａｂｅｒｃｒｏｍｂｉｅ，１９９５；Ｉｄｅｅｔａｌ，２００１；Ａｌｌｍａｎｎｅｔａｌ，２００９），此即常 数应力降模型的观测基础。常数应力降模型认为，地震震级与凹凸体破裂尺度有关，应力降 不随地震矩的变化而明显改变（Ａｌｌｍａｎｎｅｔａｌ，２００７、２００９；Ｂａｌｔａｙｅｔａｌ，２０１１）。但也有许多观 测表明，小地震应力降随震级的增大而增加（Ｉｚｕｔａｎｉｅｔａｌ，２００１；吴忠良等，１９９９；Ｈａｒｄｅｂｅｃｋ ｅｔａｌ，２００９；赵翠萍等，２０１１；华卫等，２０１２），并不完全与常应力降模型的预期相一致。如 Ｍａｙｅｄａ等（１９９６）的结果表明，小地震应力降 Δσ∝Ｍ０．２５ ０ 。进一步也有研究者指出，应力降随 震级的变化存在多重标度特征，陈运泰等（２０００）曾指出，“大”地震与“小”地震的情况有别： 对于不同地震矩的大地震，应力降接近于常数，地震的大小是通过破裂面积和错距来区分 的；对于 “小”地震，应力降大小随震级（或地震矩）的增大而增大。Ａｔｋｉｎｓｏｎ等（２００４）对加 拿大东南和美国东北地区的研究表明，ＭＷ≥４０地震的应力降与震级间正相关，ＭＷ ≤４０地 震则显示常应力降特征。王培玲等（２０１３）的研究也显示，应力降随震级的变化可能存在 ２ 种标度特征：①对 ３０级以上地震，应力降有很大的变化范围，应力降有随震级增大而增大的 趋向；②对于震级小于 ３０的地震，应力降大多分布在 １０ＭＰａ附近，随震级的变化不明显。 值得注意的是，以上讨论均是从多样本平均的角度来进行的，事实上大地震释放的应力降往 往也存在较大起伏（臧绍先，１９８４）。另外，Ｎｕｔｔｌｉ（１９８３）研究认为，板间地震满足常数应力降 模型，即应力降不随地震震级而变化；而板内地震则满足增加应力降模型，即应力降随地震 震级增大而增加。总之，应力降与震级之间关系复杂，认识不一。因而，在讨论应力降变化 时，首先应尽可能消除或回避震级的影响。 ２．３ 应力降与震源深度间的关系 地震释放的应力降随震中位置及震源深度的不同而有所差异。主震断层之外区域地震 的应力降高于断层带内，反映出断裂区内此前较充分的应力释放水平（Ｊｏｎｅｓｅｔａｌ，１９９８）。 从应力降随震源深度的变化来看，通常情况下较深处地震的应力降一般较高，如 Ｋａｎａｍｏｒｉ （２００４）指出，深源地震应力降比浅源地震约高 １０倍。同时，对于浅源地震，应力降随深度增 加而增大。Ｈａｒｄｅｂｅｃｋ等（２００９）研究认为，在震源深度为 １～７ｋｍ时，中值应力降约为 ５ＭＰａ； ７～１３ｋｍ时，约为 １０ＭＰａ；大于 １３ｋｍ时，约为 ５０ＭＰａ，认为这主要表征脆性地壳内部较深处 相对较高的应力环境这一特征，即理论上在更深处，断层承受的正应力更大，因此断层在破 裂前可以支撑更大的剪切载荷，当地震发生时，会有更大的剪应力释放，因而在较深处可以 产生更大的应力降（Ｈａｒｄｅｂｅｃｋｅｔａｌ，１９９７）。也有研究指出，某些区域震源深度大于 ４０ｋｍ的 地震的平均应力降随深度的增加有更明显的增大（Ａｌｌｍａｎｎｅｔａｌ，２００７），这可用俯冲板块内 的刚度变化来进行解释（Ｂｉｌｅｋｅｔａｌ，１９９８），即这些地震的震源主要分布于俯冲带。也有研 究发现，应力降的变化对震源深度的依赖程度随区域不同而有差异，如 Ｈａｒｄｅｂｅｃｋ等（１９９７） 对 １９９４年北岭 ＭＷ６７地震序列的 ２７９个 ＭＬ２５～４０余震应力降的研究表明，当震源深度小 于 １５ｋｍ时，应力降上限随震源深度的增加而增大，应力降分布范围下限则随深度的变化不 明显；而当震源深度大于 １５ｋｍ时，应力降下限随震源深度的增加而增大，而上限则不随深度 而变化；他们认为这种现象是由于该区域存在异常高速层所致。Ｆｌｅｔｃｈｅｒ等（２００６）对几个地 震序列的研究表明，对同一地震序列中震源深度小于主震震源深度的地震事件，其应力降随 ５９４ ＣＭＹＫ
MK 4期 周少辉等:应力降研究进展综述 深度的增加而增大;而对于震源深度大于主震震源深度的地震事件,应力降则随深度的增加 而减少。他们认为这是由于应力降和介质刚度分布主要受破裂带内高速滑移部分的尺度控 制所致。就中国大陆地震而言,震源深度小于20km时,中小地震释放的应力降对深度的依 赖不显著,但震源深度大于20km时,应力降显示出随深度增加而增大的现象(赵翠萍等, 2011)。 也有研究认为,应力降与震源深度之间不存在统计可信的依赖关系(华卫,2007)。Mori 等(2003)对北岭地震序列余震的研究也未发现应力降对深度明显的依赖关系。 Allmann等 (2009)对1900-2007年全球约20005级以上地震的研究显示,这些中强地震释放的应力 降不随深度的增加而増大。他们认为应力降随深度增加而增大的结果,可能是由于研究中 对地壳浅部采用了常剪切波速这一做法而造成的,由于应力降随剪切波速度的3次方变化, 因而在上地壳假设一个常剪切波速可能会对应力降的增加产生明显的误差影响( Allmann etal,2007)。 2.4应力降与震源机制间的关系 地震震源机制一般分为逆断层、正断层和走滑断层等3种类型(惠少兴等,2018)。在不 同的断裂方式中,构造负荷的速率和摩擦强度不同,因而不同震源机制地震产生的应力降可 能有所差异( Campbel,984)。一般而言,逆断层事件应力降大于走滑断层事件,而走滑断 层事件应力降又大于正断层事件( Mohammadioun,2002),这主要是由于逆断层事件摩擦强 度最大,其剪应力最高而正断层事件最低所致( Megan,2002,曲均浩等,2014)。但也有完全 相反的认识,有研究认为走滑断层事件应力降显著高于其他类型断层事件,而正断层事件应 力降也高于逆断层事件( Perez-Campos et al,200l; Houston,2001),如Choy等(1995)研究发 现走滑断层地震应力降比其他震源机制地震的应力降高1个数量级,他们用走滑断层地震 比倾滑断层地震具有更大的破裂速度对此进行解释,也有观点认为该现象可能是由于在矩 震级相等的情况下,走滑断层地震的平均拐角频率比其他断裂类型的地震更高所致 ( Allmann et al,2007)。还有研究者认为,基于现有资料,应力降与断层类型之间的依赖关系 缺乏统计显著性( Scholz et al,1985);对于中国大陆地区的研究结果也表明,应力降与断层 类型之间的相关性不明显(赵翠萍等,2011)。由此可见,应力降与震源机制之间的关系仍存 在较大争议,有待更系统、深入的分析和研究 2.5应力降区域特征及其与构造环境间的关系 应力降有一定的空间分布特征,这是由于不同地区积累应力的能力有所差异(肖蔚文 等,1992)。中美洲科科斯俯冲带是全球地震应力降最低的区域,平均应力降小于1MPa;在 太平洋苏拉西威西岛北部附近也存在低应力降事件。应力降显著偏高的地震事件在兴都库 什地区出现较多,这可能与该地区多发生中深源逆断型地震有关;在南太平洋贝尼奥夫俯冲 带北端(汤加-克马德克地区)也有应力降系统地偏高的地震事件分布( Chung et a,1980; Allmann et al,2009)。就中国大陆而言,应力降相对较高的区域主要包括龙门山断裂带北东 段汶川地震余震区、青藏高原东北缘以及新疆天山中段地区,这几个区域地震震源机制以逆 冲型为主,空间上主要沿断裂带集中展布,而其他地区的应力降则相对较小(赵翠萍等 2011)。在更小的空间尺度上,对一个地震序列而言,不同区域应力降同样有一定差异,华卫 等(2009)发现汶川地震后地震应力降的空间分布沿龙门山断裂带呈一定的分段特征,应力
４期 周少辉等：应力降研究进展综述 深度的增加而增大；而对于震源深度大于主震震源深度的地震事件，应力降则随深度的增加 而减少。他们认为这是由于应力降和介质刚度分布主要受破裂带内高速滑移部分的尺度控 制所致。就中国大陆地震而言，震源深度小于 ２０ｋｍ时，中小地震释放的应力降对深度的依 赖不显著，但震源深度大于 ２０ｋｍ时，应力降显示出随深度增加而增大的现象（赵翠萍等， ２０１１）。 也有研究认为，应力降与震源深度之间不存在统计可信的依赖关系（华卫，２００７）。Ｍｏｒｉ 等（２００３）对北岭地震序列余震的研究也未发现应力降对深度明显的依赖关系。Ａｌｌｍａｎｎ等 （２００９）对 １９００～２００７年全球约 ２０００个 ５级以上地震的研究显示，这些中强地震释放的应力 降不随深度的增加而增大。他们认为应力降随深度增加而增大的结果，可能是由于研究中 对地壳浅部采用了常剪切波速这一做法而造成的，由于应力降随剪切波速度的 ３次方变化， 因而在上地壳假设一个常剪切波速可能会对应力降的增加产生明显的误差影响（Ａｌｌｍａｎｎ ｅｔａｌ，２００７）。 ２．４ 应力降与震源机制间的关系 地震震源机制一般分为逆断层、正断层和走滑断层等 ３种类型（惠少兴等，２０１８）。在不 同的断裂方式中，构造负荷的速率和摩擦强度不同，因而不同震源机制地震产生的应力降可 能有所差异（Ｃａｍｐｂｅｌｌ，１９８４）。一般而言，逆断层事件应力降大于走滑断层事件，而走滑断 层事件应力降又大于正断层事件（Ｍｏｈａｍｍａｄｉｏｕｎ，２００２），这主要是由于逆断层事件摩擦强 度最大，其剪应力最高而正断层事件最低所致（ＭｃＧａｒｒ，２００２，曲均浩等，２０１４）。但也有完全 相反的认识，有研究认为走滑断层事件应力降显著高于其他类型断层事件，而正断层事件应 力降也高于逆断层事件（ＰéｒｅｚＣａｍｐｏｓｅｔａｌ，２００１；Ｈｏｕｓｔｏｎ，２００１），如 Ｃｈｏｙ等（１９９５）研究发 现走滑断层地震应力降比其他震源机制地震的应力降高 １个数量级，他们用走滑断层地震 比倾滑断层地震具有更大的破裂速度对此进行解释，也有观点认为该现象可能是由于在矩 震级相等 的 情 况 下，走 滑 断 层 地 震 的 平 均 拐 角 频 率 比 其 他 断 裂 类 型 的 地 震 更 高 所 致 （Ａｌｌｍａｎｎｅｔａｌ，２００７）。还有研究者认为，基于现有资料，应力降与断层类型之间的依赖关系 缺乏统计显著性（Ｓｃｈｏｌｚｅｔａｌ，１９８５）；对于中国大陆地区的研究结果也表明，应力降与断层 类型之间的相关性不明显（赵翠萍等，２０１１）。由此可见，应力降与震源机制之间的关系仍存 在较大争议，有待更系统、深入的分析和研究。 ２．５ 应力降区域特征及其与构造环境间的关系 应力降有一定的空间分布特征，这是由于不同地区积累应力的能力有所差异（肖蔚文 等，１９９２）。中美洲科科斯俯冲带是全球地震应力降最低的区域，平均应力降小于 １ＭＰａ；在 太平洋苏拉西威西岛北部附近也存在低应力降事件。应力降显著偏高的地震事件在兴都库 什地区出现较多，这可能与该地区多发生中深源逆断型地震有关；在南太平洋贝尼奥夫俯冲 带北端（汤加克马德克地区）也有应力降系统地偏高的地震事件分布（Ｃｈｕｎｇｅｔａｌ，１９８０； Ａｌｌｍａｎｎｅｔａｌ，２００９）。就中国大陆而言，应力降相对较高的区域主要包括龙门山断裂带北东 段汶川地震余震区、青藏高原东北缘以及新疆天山中段地区，这几个区域地震震源机制以逆 冲型为主，空间上主要沿断裂带集中展布，而其他地区的应力降则相对较小 （赵翠萍等， ２０１１）。在更小的空间尺度上，对一个地震序列而言，不同区域应力降同样有一定差异，华卫 等（２００９）发现汶川地震后地震应力降的空间分布沿龙门山断裂带呈一定的分段特征，应力 ５９５ ＣＭＹＫ