山西地區(qū)視應力時空變化特征分析

梁向軍 李麗 宋美琴 孟曉琴 劉林飛

1)山西省地震局，太原市晉詞路二段69號 030021

2)太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原市晉源區(qū)太原基準地震臺 030025

0 引言

地震孕育過程中可能伴隨著地殼應力變化，研究其變化與地震的關系是揭示地震前兆、探索具有明確物理意義的地震預報方法的途徑之一。隨著我國數(shù)字化地震觀測臺網(wǎng)的建立，空間分辨率逐步提高，地震監(jiān)測能力得以明顯提升。近年來，視應力作為一個地震震源參數(shù)，在地殼應力場動態(tài)變化監(jiān)視和地震預測研究中受到重視(程萬正等，2006;王衛(wèi)東等，2004;黃顯良等，2005;喬慧珍等，2006;吳忠良，2002)。劉紅桂等(2006、2007)認為地震視應力具有較好的預測意義，可將中小地震的視應力值超過0.9MPa作為云南地區(qū)預測未來可能發(fā)生中強地震的參考指標，且在云南地區(qū)高視應力與地震頻次相關(秦嘉政等，2006)。易桂喜(2011)、李艷娥(2012)等研究了汶川8.0級地震前四川地區(qū)地震視應力時空變化特征，結果表明在震前5年的時間內，汶川地震震區(qū)的應力顯示了清晰的上升-下降過程，且在臨震前又有一定幅度的上升。陳學忠等(2003、2007、2011)對多次強震的地震視應力進行計算后認為可將視應力用于強震震后趨勢預測。

山西及周邊地區(qū)的地震活動性受到諸多學者的關注，楊文政等(1999)用地震活動性加速模型分析后認為山西地震帶的下一次強震將發(fā)生時間為2004年，但到目前為止仍未發(fā)生預期地震。自2009年原平4.2級地震以來，山西相繼發(fā)生4次4級以上地震，呈現(xiàn)出活躍的態(tài)勢。雖然在震后趨勢判定中用視應力來判斷震源區(qū)應力狀態(tài)(宋美琴等，2012a、2012b、2011、2013)，但缺乏系統(tǒng)的分析研究，因此，有必要對山西地區(qū)的視應力時空變化特征進行深入分析。

1 研究資料

本文選用山西測震臺網(wǎng)記錄的2001～2011年的ML≥2.0地震的數(shù)字化波形，考慮到視應力計算條件，在近震源條件下，選用了震中距≤200km、信噪比較高、記錄清晰的臺站波形數(shù)據(jù)。首先對資料進行去傾斜及儀器響應的校正處理，然后選取S波段1.0～20Hz范圍內的波形進行震源譜計算，最終取得1061次地震的震源參數(shù)。這些地震主要分布在山西斷陷盆地內，隆起區(qū)有零星分布(圖1)。

圖1 參與計算的地震震中(空心圓)和所用臺站(實心三角形)的分布

2 地震視應力測定方法

地震視應力為地震效率與平均應力的乘積，是平均應力的下限，表示單位地震矩的震源輻射出的地震波能量，可以作為對當?shù)亟^對應力水平的間接估計(吳忠良等，1999)。得到地震矩和地震能量的平均值后，地震視應力為

式中，μ為剪切模量，ES和M0分別為地震輻射能量和標量地震矩。

對于某次地震，據(jù)上述方法分別求得每個臺站的地震矩M0和地震能量ES，再由各臺站的平均值得到最后結果。為了消除個別臺站的異常高值對平均值的影響，在由各個臺站的值求平均值時采用Archuleta等(1982)的方法。

式中xi為第i個臺站的地震矩或地震能量，N為臺站數(shù)。Δx為誤差因子，其意義為當x取對數(shù)時的標準差。

3 地震視應力時空變化特征

由式(1)可知，視應力與地震能量成正比，而震級與能量大小直接相關。為了獲得震級與視應力的關系，本文將所有地震的視應力值與震級進行擬合(圖2)，由圖2可見，山西地區(qū)中小地震視應力水平與震級正相關，即震級越大，視應力值越高;反之，震級越小，視應力值越低，其中2.5～4.0級地震視應力變化范圍較大。如何有效消除震級的影響，是今后需要深入探討的問題。

圖2 視應力與震級的關系

在日常震情跟蹤分析中，視應力越來越受到研究人員的關注。為了獲取山西地區(qū)視應力變化特征，本文從以下兩方面進行了探討。

3.1 視應力時序變化特征

考慮到視應力與震級的正相關關系，將相差較大的兩個震級檔地震放在一起比較，很難排除是震級大、能量高導致的高視應力還是客觀存在視應力高值。鑒于此，本文采用相近的震級檔地震進行對比，最終選用2.0≤ML≤2.5、2.6≤ML≤3.0、3.1≤ML≤4.0即4個震級檔對地震的視應力進行分析，揭示視應力與中等以上地震之間的關系。

為了獲得視應力變化細節(jié)，本文分兩個時間段來探討視應力時序變化特征。圖3為山西地區(qū)2001年1月至2008年5月2.0≤ML≤4.0地震的視應力時序曲線(分2.0≤ML≤2.5、2.6≤ML≤3.0、3.1≤ML≤4.0三個震級檔)，由圖可見，3個震級檔的地震視應力在2001年6月至2002年8月同步出現(xiàn)高值趨勢變化，尤其是2.6≤ML≤3.0和3.1≤ML≤4.0地震視應力在2002年2月至8月出現(xiàn)準同步高值異常，在高值回落的過程中發(fā)生2002年9月3日太原4.6級地震。之后視應力有所回落，2.6≤ML≤3.0地震視應力于2003年3月至10月再次出現(xiàn)異常，同樣在高值回落的過程中發(fā)生2003年11月25日洪洞4.6級地震。之后視應力逐漸降低，表明在太原和洪洞兩次4.6級地震前均有高視應力現(xiàn)象。

圖3 2001～2008年山西地區(qū) ML2.0～2.5、ML2.6～3.0、ML3.1～4.0地震的視應力隨時間變化曲線

圖4為山西地區(qū)2009年1月至2011年12月2.0≤ML≤4.9地震視應力時序變化曲線，由于本時段3.1≤ML≤4.0地震偏少，于是將震級范圍擴大到ML4.9。

由圖可見，在2010年1月24日河津4.8級、4月4日大同-陽高4.5級和6月5日陽曲4.6級地震前均有高視應力現(xiàn)象，這一過程從2009年開始上升，直到2010年6月5日陽曲4.6級地震前。這3次地震前有高視應力現(xiàn)象，震后回落的變化過程;這一過程說明在3次地震前存在應力逐步積累-主破裂發(fā)生-釋放部分能量-應力降低-背景水平的變化過程，與滑動弱動化模式(張國民等，2001;蔣海昆等，2002)相吻合。

3.2 視應力空間演化特征

圖4 2009～2011年山西地區(qū) ML2.0～2.5、ML2.6～3.0、ML3.1～4.9級地震的視應力隨時間變化曲線

通過分析視應力時序曲線可知，在山西數(shù)次中等地震前均有高視應力現(xiàn)象，但由于所采用的樣本為山西地區(qū)的綜合結果，很難從時序曲線了解高視應力的空間分布。為此，選取上述5次地震前的地震視應力來探討其空間演化過程。從圖3、圖4可以看出，不同震級檔地震的高視應力現(xiàn)象有一定的同步性，于是在分析其空間演化過程中，將2.0≤ML≤2.5、2.6≤ML≤3.0地震合并在一起進行討論(圖5)。

為了探討視應力高值異常區(qū)與未來中等地震發(fā)震地點是否存在關聯(lián)，本文選取5次地震前的數(shù)據(jù)繪制了山西地區(qū)前述5次地震前的視應力等值線線圖(圖6)。其中兩側隆起區(qū)地震樣本少(圖5)，在分析中不再討論這些區(qū)域的視應力變化特征。

圖5 分析5次地震前視應力空間變化所用的地震分布

由圖6可見，視應力高值區(qū)主要沿中部的斷陷盆地區(qū)展布。2002年9月3日太原地震就發(fā)生在高視應力區(qū)域附近，與此同時，在山西南部也有高值異常區(qū)(圖6(a))，時隔1年后該區(qū)域發(fā)生了洪洞4.6級地震(圖6(b))。

圖6 山西地區(qū)5次地震前的視應力空間分布圖

2010年1～6月在短短的半年內山西南、中、北相繼發(fā)生3次4.5級以上的地震。由圖6(c)可見，2010年1月24日河津地震發(fā)生在高值異常區(qū)附近，同期，山西北、中、南多個區(qū)域存在高值異常，且山西北部異常區(qū)域面積最大，中部次之(宋美琴等，2010)，結果在這些高值區(qū)附近發(fā)生了4月4日大同-陽高4.5級和6月5日陽曲4.6級(圖6(d)、圖6(e))地震。之所以出現(xiàn)長時間的高視應力異常，與這3次地震間隔較短，且2009年6月至2009年12月這一時段發(fā)生的地震在空間上有一定程度的疊加有關。

從震例的視應力時空演化來看，中等地震與高視應力異常區(qū)有一定的對應關系，即地震一般發(fā)生在異常區(qū)附近或邊緣。這可能與地殼在構造應力的長期連續(xù)作用下，彈性應變不斷積累，導致構造的突然失穩(wěn)破裂。地震發(fā)生在地殼內的一定范圍內，由于介質的不均勻性，在應力場的作用下，地下物質的運移和局部介質的密度變化在空間上有一定的差異，會在某些特殊部位(例如活動斷裂帶)出現(xiàn)劇烈變化，震前視應力的變化就是對區(qū)域地下物質變化的一種反映。

4 結論與討論

(1)山西地區(qū)中小地震視應力與震級存在正相關，即震級越大，視應力值越高;震級越小，視應力值越低。

(2)山西地區(qū)2001年至2011年發(fā)生的5次4.5級以上地震前均出現(xiàn)了視應力趨勢性上升現(xiàn)象，地震發(fā)生在視應力回落過程中。

(3)5次4.5級以上地震前，在震中附近均有高視應力異常區(qū)，且視應力的變化較大，分布較集中，反映了震中所在區(qū)域內能量高度積累和區(qū)域構造應力場增強的信息。

(4)對山西5次4.5級以上地震前的中小地震的視應力時空演化特征的分析表明視應力能夠反映震源區(qū)的應力狀態(tài)。通過實時跟蹤山西地區(qū)視應力時空演化圖像中的高值異常區(qū)，可為山西地區(qū)的地震危險區(qū)域判定和地震預測提供一定的參考依據(jù)。

致謝:對中國地震局地球物理研究所李艷娥副研究員的指導，作者表示衷心的感謝。