李永莉,毛慧玲,王世芹,秦嘉政
(云南省地震局,昆明 650224)
云南地區(qū)強震前波速比、震源深度及中小地震活動的特征*
李永莉,毛慧玲,王世芹,秦嘉政
(云南省地震局,昆明 650224)
分析了云南地區(qū)第四強震躍期內(nèi)波速比的變化規(guī)律,探討了強震孕育過程與波速變化、震源深度變化、中小地震活動的關(guān)系,結(jié)果表明:波速比異常、震源深度變化異常與 3、4級中小地震活動的異常,最早出現(xiàn)于云南 7級地震前 4年左右,大多數(shù)異常集中出現(xiàn)于震前 2年左右,表現(xiàn)為波速比、震源深度異常增多,震前 1年左右異常則逐步減少;伴隨著云南第四強震活躍期的開始—結(jié)束的過程,云南地區(qū)的波速比也經(jīng)歷了下降—恢復(fù)的準(zhǔn)同步過程。
波速比;震源深度;中小地震;強震活躍期;云南
蘇有錦等(2001)認為,1900年以來云南地區(qū)的強震活動可分為 4個活躍期和 4個平靜期。1996年麗江 7.0級地震是第四強震活躍期結(jié)束的標(biāo)志,至今已進入第四強震平靜期的第 13年,下一個強震活躍期逐步逼近,提取強震前的震兆異常特征,預(yù)測未來的強震已成為當(dāng)前刻不容緩的工作。
本文剖析了云南地區(qū)強震前波速比和震源深度的變化及中小地震的活動特征,動態(tài)追蹤 7級地震前的異常信息,尋求可預(yù)測 7級大震的發(fā)震時間的依據(jù);分析了云南第四強震活躍期前后,云南地區(qū)波速比顯著低值與強震活動的關(guān)系,并初步探討了波速變化、中小地震活動與強震孕育之間的機理。
云南地區(qū)于 1982年建立區(qū)域地震臺網(wǎng),1986年前云南部分地區(qū)的地震監(jiān)控能力達M≥2.5,1986年后云南全省的地震監(jiān)控能力達M≥2.5,同時也有比較完整的地震波形記錄資料。為減少干擾,保證所用基礎(chǔ)資料的可靠性,筆者采用云南遙測臺網(wǎng)M≥2.5地震的波形記錄及M≥3地震的定位結(jié)果。
大地震的發(fā)生具有一定的復(fù)雜性及必然性,其孕育過程中一定范圍內(nèi)的地殼應(yīng)力會增強,地下介質(zhì)也會出現(xiàn)不穩(wěn)定變化,并常伴隨著中小地震活動的增強或平靜異常。波速比、震源深度從不同的角度反應(yīng)了地下介質(zhì)的地殼速度結(jié)構(gòu)變化,提供了未來強震的孕震信息(傅征祥,1997)。因此,本文基于地震孕育過程中反映地下介質(zhì)特性的波速比、震源深度及中小地震的變化特征,從時間上追蹤大震孕育的變化規(guī)律,尋求大震孕育的前兆信息,為預(yù)測未來大震的發(fā)震時間提供依據(jù)。
從 1986~2008年云南遙測臺網(wǎng)地震波形記錄資料中,選取 4個以上地震臺記錄到的云南地區(qū)中小地震的清晰的直達波 Pg、Sg的到時,選用(TS-TP)在 20~25 s之間的遠臺和小于 0.5 s的近臺,用多臺法計算云南地區(qū)的中小地震波速比VP/VS、剩余標(biāo)準(zhǔn)差S和相關(guān)系數(shù)R。為減小介質(zhì)橫向不均勻性的影響,誤差大于 0.03和相關(guān)系數(shù)小于 0.9的波速比均舍棄。對云南地區(qū)多年波速比數(shù)值計算得波速比的均值為 1.70(李永莉等,2008)??紤]到資料的誤差,取 1.70±0.05為云南地區(qū)波速比正常值,將偏離正常標(biāo)準(zhǔn)值范圍的數(shù)作為異常波速值,波速比異常(高、低異常)數(shù)量反映了地下介質(zhì)的變化狀態(tài),數(shù)量多表明介質(zhì)處于“不穩(wěn)定”狀態(tài),以往云南強震震例已證明波速比異常密集區(qū)為強地震孕育的區(qū)域(蔡靜觀等,1999;李永莉等,2009)。
筆者以半年為間隔統(tǒng)計波速比異常的次數(shù)Vn,其平均值為 10次(圖 1),具體分析了 1988年以來云南地區(qū)M≥7.0地震的波速比變化特征。
圖 1 云南地區(qū)波速比異常次數(shù)時間進程曲線Fig.1 Variation of the wave velocity ratio in Yunnan
(1)1988年 11月 6日瀾滄—耿馬 7.6、7.2級地震
1987年上半年和下半年的波速比異常頻次Vn值為 15次與 12次,1988年上半年和下半年Vn值分別為 10次和 8次,1988年 11月瀾滄—耿馬發(fā)生 7.6、7.2級大震,之后波速比的月最小值回升。
(2)1991年 1月 5日緬甸密支那 7.2級地震
1989年下半年波速比異常頻次Vn值為 13次,1990年上半年Vn值降為 6次,半年后緬甸密支那發(fā)生 7.2級地震。
(3)1995年 7月 12日孟連 7.3級地震和 1996年 2月 3日麗江 7.0級地震
1990年下半年、1991年上半年的波速比異常頻次Vn值各為 12次和 13次,1992年下半年Vn值降為 8次,1993年下半年又升至 14次,之后下降。1994年~1995上半年Vn值為 9次左右,1995年下半年又降為 7次,1996年上半年Vn值為 4次,其間發(fā)生了孟連 7.3級地震和麗江 7.0級地震。
(4)2000年 6月 8日緬甸曼德勒 7.0級地震
1998年下半年的Vn值為 11次,1999年上半年降低為 8次,一年后的 2000年 6月 8日,緬甸曼德勒發(fā)生 7.0級地震。
(5)2003年 9月 22日緬甸 7.2級地震
2001年下半年Vn值高達 14次,2003年上半年下降至 8次,3個月后緬甸發(fā)生 7.2級地震。
(6)2008年 5月 12日四川汶川 8.0級地震
2004年下半年Vn值高達 18次,之后連續(xù)下降至 2006年的 10次,2007年下半年上升至 12次,2008年上半年又下降至 10次的低值,下降過程中四川汶川發(fā)生 8.0級地震。
綜上所述,云南地區(qū)M≥7.0大震前 2年,波速比異常次數(shù)半年均值Vn出現(xiàn)高于 10次的異常,之后下降至均值線下,3~6個月后發(fā)生M≥7.0地震;其中有兩組Vn值出現(xiàn)兩次高—低值的變化過程:1995年孟連 7.3級地震與 1996年麗江 7.0級地震。汶川 8.0級地震前,Vn高值最早出現(xiàn)于震前 4年??梢娫颇系貐^(qū)在統(tǒng)計時間段出現(xiàn)波速比高頻次異常(約占 67%),然后下降,云南及周邊隨即發(fā)生M≥7.0地震。波速比異常頻次高值一般出現(xiàn)在震前 2年。
云南遙測臺網(wǎng)震源基本參數(shù)的測定采用的是均勻介質(zhì)模型,M≥3的地震定位結(jié)果資料精度均為 2、3類,這些地震為小區(qū)域范圍的近震臺網(wǎng)測定結(jié)果,對震源深度精度的影響有限,同時云南地區(qū)強震前均觀測到中小地震震源深度加深的現(xiàn)象(毛慧玲,李永莉,2004)??紤]到云南地區(qū)深部構(gòu)造特點和觀測深度的誤差范圍,筆者選取震源深度h≥25 km的地震資料,研究云南地區(qū) 7級大震前中小地震震源深度的變化,以年為單位統(tǒng)計震源深度大于等于25 km的頻次T(簡稱深度異常頻次)的時間進程曲線(圖 2),分析 1988年以來云南地區(qū) 6次M≥7.0地震及四川汶川 8.0級地震前深度異常頻次的變化特征,具體分析如下:
圖 2 云南地區(qū)地震震源深度 h≥25 km的年頻次進程曲線Fig.2 Annual frequency curve of the focal depth(h≥25 km)in Yunnan
1988年 11月 6日瀾滄—耿馬 7.6、7.2級地震前:1984年深度異常頻次達 15次,為高值,之后下降,至 1987年的 4次,為低值,降幅為 70%。
1991年 1月 5日緬甸密支那 7.2級地震前:1989年深度異常頻次為 6次,1990年為 3次,降幅為 50%。
1995年 7月 12日孟連 7.3級地震、1996年 2月麗江 7級地震前:1992年深度異常頻次為 5次,1993、1994年頻次為 0。
2000年 6月 8日緬甸曼德勒 7.0級地震前:1997、1998年深度異常頻次為 2次、1次,1999年頻次為 0。
2003年 9月 22日緬甸 7.2級地震前:2000年深度異常頻次高達 14次,之后下降,2002年深度異常頻次為 6次,下降幅度為 57%。
2008年 5月 12日四川汶川 8.0級地震前:2005年深度異常頻次高達 17次,之后下降,2006、2007年頻次均為 0。
綜上所述,云南地區(qū)M≥7.0地震前震源的深度異常頻次有以下兩個特征:(1)震前 3~4年震源的深度異常頻次高于均值(6次),震前 1年下降至均值以下;(2)深度異常頻次連續(xù) 3年低于均值,至震前 1年降為 0。兩種異常最早出現(xiàn)的時間均為震前 3~4年,之后連續(xù)下降,至震前 1年下降幅度均為最高值的 50%以上。
云南地區(qū)的地震監(jiān)測范圍為 20°~30°N,96°~107°E,地震記錄資料中包含了以省界為分界線的云南省內(nèi)及省外地震。而一定區(qū)域的中小地震活動具有一定的活動規(guī)律,在大震孕育過程中常出現(xiàn)偏離其活動規(guī)律的變化。為突出大震前云南省內(nèi)的中小地震活動偏離正常活動水平的狀態(tài),提取云南省內(nèi)的M≥3地震與省外的M≥3地震并作歸一化處理,即省內(nèi)M≥3地震與省外M≥3地震的月頻度比S(簡稱省內(nèi)外月頻度比)。圖 3a為1982年以來云南地區(qū)的省內(nèi)外月頻度比。取其 2倍方差值為異常線,即 0.85≤S≤0.18,統(tǒng)計時將同一年內(nèi)出現(xiàn)的異常點看作 1次,從圖 3a中可見:
圖 3 云南地區(qū)中小地震時間進程曲線(a)省內(nèi)外 3級地震月頻度比;(b)4級雙震的年次數(shù)Fig.3 Curve of medium-small earthquakes in Yunnan(a)Monthly frequency ofM3.0 earthquakes in Yunnan and the neighboring area;(b)Annual frequency ofM4.0 double earthquakes in Yunnan and the neighboring area
(1)高異常點有 4次:1982年 5月為 0.92,1年后的 1983年 6月越南萊州發(fā)生 7.1級地震。1994年 7月為 0.9,1年后的 1995年 7月孟連發(fā)生7.3級地震,1年半后即 1996年 2月麗江發(fā)生 7.0級地震。1998年 1月為 0.85,11月為 1.0,兩年后的 2000年 6月緬甸曼德勒發(fā)生 7.0級地震。
(2)低異常點有 7次:1984年 7月為 0.14,1987年 4月、6月為 0.18、0.13,1988年 11月 6日瀾滄—耿馬發(fā)生 7.6、7.2級地震,1992年 7月為 0.22,3年半后的 1995年 7月孟連發(fā)生 7.3級地震。2000年 4月、11月分別為 0.11和 0.18,2000年 6月緬甸曼德勒發(fā)生 7.0級地震。2002年 4月為 0.17,1年后的 2003年 9月緬甸發(fā)生 7.2級地震。2007年 2月為 0.14,1年后的 2008年 5月四川汶川發(fā)生 8級地震。2008年 6月又為 0.18。
4級雙震在云南地區(qū)為相對較少的地震事件,其活動數(shù)目的多少與區(qū)域地震活動水平密切相關(guān)。圖 3b為 1982年以來云南地區(qū) 4級雙震的年頻次N4。
由圖 3b可見,1982~1985年 4級雙震的年頻次連續(xù)為 0,其中 1983年越南萊州發(fā)生 7.1級地震;1986年的年頻次為 3,兩年后的 1988年 11月的瀾滄—耿馬發(fā)生 7.6、7.2級地震;1989年的年頻次為 3,2年后的 1991年 1月緬甸密支那發(fā)生7.2級地震;1993年為 3次,1994年為 4次,1995年為 4次,之后 2年內(nèi),分別發(fā)生了 1995年 7月孟連 7.3級地震、1996年 2月麗江 7級地震;1998年為 4次,2年后的 2000年 6月緬甸曼德勒發(fā)生7.0級地震,1999~2000年 4級雙震的年頻次連續(xù)2年為 0。2006~2007年 4級雙震的年頻次連續(xù) 2年為 0,2008年 5月四川汶川發(fā)生 8級地震。
綜上所述,云南地區(qū) 4級雙震的年頻次超過 3次,則云南可能發(fā)生 7級地震。若省內(nèi)外 3級地震月頻度比S出現(xiàn)高值或低值異常,1~2年內(nèi)云南可能發(fā)生 7級地震;若 4級雙震的年頻次連續(xù) 2年以上為 0,同時省內(nèi)外 3級地震月頻度比S出現(xiàn)低值異常,則 1~2年內(nèi)省外可能發(fā)生 7級甚至 8級地震。即云南省內(nèi) 7級地震前 1~2年內(nèi) 4級地震以活躍異常為主,3級地震則呈活躍或平靜異常;云南省外 7級地震前以 3、4級地震的平靜異常為主。
眾所周知,1900年以來云南地區(qū)M≥6.8地震活動呈現(xiàn)出顯著的動、靜相間的韻律特征。按此規(guī)律,蘇有錦等(2001)把 1900年以來云南地區(qū)的地震活動分為 4個活躍期(圖 4)。圖 4中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表云南地區(qū) 4個強震活躍期時間段,各活躍期之間為強震平靜期。云南遙測臺網(wǎng)從 1982年始有數(shù)字地震記錄,依據(jù)圖 4中對云南強震活動規(guī)律的劃分,上述分析中采用地震記錄資料的時間段,僅包含了第四活躍期前后共 22年的資料。在強震孕育過程中,區(qū)域的波速比顯著低值異常與區(qū)域的介質(zhì)特性變化密切相關(guān),故選取每月波速比的最小值,按月為時間點繪制時間進程曲線,剖析第四活躍期前后,云南地區(qū)波速比與強震活動周期之間的關(guān)系(圖 5),圖中波速比最小值的平均值為 1.39。
圖 4 云南地區(qū)M≥6.8地震M-T圖Fig.4 M-Tdiagram of theM≥6.8 earthquakes in Yunnan
圖 5 云南地區(qū)波速比最小值的趨勢變化Fig.5 Variation tendency of the minimum value of wave velocity ratio in Yunnan
從圖 5可見,云南地區(qū)波速比最小值在云南強震第四活躍期前后有明顯的差異:1986~1997年波速比最小值在 1.18~1.50之間,而 1998~2008年波速比最小值在 1.54左右波動,出現(xiàn)明顯的兩段分布,且在云南及周邊地區(qū) 7級大震前均出現(xiàn)低于 1.39的波速比值。從波速比變化過程看,1986~1988年波速比呈下降趨勢,瀾滄—耿馬 7級大震前的 1988年 6月波速比為歷史最低值(1.22),1988~1997年波速比出現(xiàn)回升的態(tài)勢,1997年波速比的數(shù)值已經(jīng)與 1986年初的相近。2005~2007年波速比又呈下降趨勢,2007年 3月達到 1.39,該時段內(nèi)波速比的波動較大,直到 2008年汶川 8級地震前波速比才回升。
一次強烈地震的發(fā)生不是偶然的,地震前常伴隨著大量中小地震活動事件,經(jīng)過一定時間突發(fā)失穩(wěn),發(fā)生中強甚至大地震(梅世容等,1993)。而大震前一定區(qū)域內(nèi)中小地震活動與大區(qū)域地震活動的背景值之比,反映的是強震孕育中地震活動的動態(tài)變化,而云南省內(nèi)與省外地震頻度比在強震孕育的過程中,表現(xiàn)為有規(guī)律的變化特征。
在測定震源基本參數(shù)時,使用的臺網(wǎng)不同,計算結(jié)果就有所不同(Lee,Stewart,1984),人工交切地震的范圍大小和計算機定位的走時殘差,反映的是計算精度而不是定位精度,殘差小并不意味震源位置就準(zhǔn)確。在平面上,震中的周圍有臺站包圍,變動范圍小,而在垂直方向只是一維約束,所以震源基本參數(shù)的差別首先表現(xiàn)在震源深度上,若臺站同在高(低)速區(qū),震中位置相差不大而震源深度變淺(深),因而震源深度變化反映的是區(qū)域波速特征。趙晉明等(1996)通過巖石破裂實驗發(fā)現(xiàn),在破裂孕育過程中,隨著壓力的增大,巖石微裂隙也在變化,當(dāng)壓力達 70%~90%破裂壓力后,微裂隙增多,P、S波的波速下降,且 P波波速比 S波波速下降快,因而波速比VP/VS的值減小,至巖石破裂時 P、S波的波速會增大,波速比VP/VS突升。因而地震的震源深度和波速比VP/VS,顯示的是區(qū)域介質(zhì)在應(yīng)力積累時地殼速度結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化,兩者與大震孕育、發(fā)生密切相關(guān),在大震孕育過程中常體現(xiàn)出有一定規(guī)律的動態(tài)變化過程。
(1)2008年 5月 12日四川汶川 8.0級地震和1988年瀾滄—耿馬 7.6、7.2級地震前,云南地區(qū)波速比異常和震源深度異常均出現(xiàn)大幅度的變化,而汶川 8.0級地震前的波速比異常和震源深度異常的變化幅度更為研究時段之最;兩次地震異常差異表現(xiàn)為震前 4級地震的活動水平不同:汶川 8.0級地震前,云南地區(qū)的 4級地震表現(xiàn)為弱活動,而瀾滄—耿馬 7.6、7.2級地震前 4級地震為強活動。從地震背景上看,這兩組強震均發(fā)生于云南甚至西南地區(qū)長期強震平靜的背景下,這說明波速比的變化更好地體現(xiàn)了區(qū)域應(yīng)力活動狀態(tài),與強震孕育過程密切相關(guān),而中小地震活動的區(qū)域性特征更突出。
由圖 5還可看出,在這兩組強震前波速比均出現(xiàn)下降的趨勢,汶川 8.0級地震后波速比就很快回到了下降前的水平,而瀾滄—耿馬 7.6、7.2級地震后波速比仍然呈現(xiàn)低值異常,體現(xiàn)出與強震活動的密切關(guān)系。由于目前震例僅此兩例,還需積累資料做深入分析。
(2)1998年下半年、2001年下半年和 2008年的波速比異常頻次高達 10次(圖 1),之后分別發(fā)生 1998年 11月寧蒗 6.2級、2001年 10月永勝6.0級、2009年 7月大姚 6.0級地震;而 1990~1993年與 2005~2008年兩個時段中均出現(xiàn)波速比異常頻次高達 10次以上的情況,之后 4年內(nèi)雖發(fā)生了麗江、汶川 7級以上地震,但異常過程中還發(fā)生了 1993年 1月普洱 6.3級與 2007年 6月寧洱6.4級地震。從震例結(jié)果看云南地區(qū) 6級強震前一至半年也會出現(xiàn)高波速比異常,異常缺少恢復(fù)過程,且時間較短。
從圖 2、圖 3可以看出,震源深度異常頻次如以 4次為異常指標(biāo),4級雙震若以 2次為指標(biāo),同時省內(nèi)與省外 3級地震月頻度比出現(xiàn)高、低值異常,則在云南地區(qū)部分 6級地震前 1至半年異常均達指標(biāo),如:1993年 1月普洱 6.3級,1998年 11月寧蒗 6.2級,2001年 10月永勝 6.0級,2003年7、10月大姚 6.2、6.1級與 2007年 6月寧洱 6.4級地震。波速比、震源深度、中小地震的活動在大多數(shù) 6級地震前也出現(xiàn)了不同程度的異常,表明中小地震的活動與 6級和 7級地震的孕育有著密切的關(guān)系。這與蔡靜觀和張喜玲(1999)、毛慧玲和李永莉(2004)、李永莉等(2007)對云南地區(qū) 6級地震震例前的地震活動分析結(jié)論相一致。但云南地區(qū) 6級與 7級地震前,中小地震活動異常在幅度、時間上有一定程度的差異,因此預(yù)測不同強度的地震應(yīng)考慮選用不同的異常指標(biāo)。
(3)云南地區(qū)的波速比以 1998年為界分為兩段(圖 5),1998年云南遙測臺網(wǎng)從模擬記錄轉(zhuǎn)為數(shù)字化記錄,2004年完全采用數(shù)字化記錄,但2004年波速比未出現(xiàn)明顯的分段現(xiàn)象。李永莉等(2008)的研究中發(fā)現(xiàn)云南地區(qū)長期的波速比均值約為 1.70,因此可以認為遙測臺網(wǎng)記錄方式的影響可以忽略,波速比的變化趨勢值得認可。
(4)本文雖然總結(jié)出了 1988年云南及周邊區(qū)域大震前的前兆現(xiàn)象,為中長期、短期預(yù)測強震提供了時間依據(jù),但因所用觀測資料從 1982年才開始,時間相對較短,強震孕育過程又比較復(fù)雜,文中所總結(jié)的異常特征外推時有局限性,研究結(jié)果需在今后的地震預(yù)測工作中補充修正。
至 2008年,這幾項參數(shù)值均未出現(xiàn)明顯的大震前的變化,因此筆者推測云南 7級大震的首發(fā)時間為 2010年后,但發(fā)震地點沒有討論。
(1)云南M≥7.0大震前 3~4年震源深度異常頻次超過均值(6次),或連續(xù) 3年低于均值,至大震前 1年下降幅度均為震前最高值的 50%以上,甚至降至 0次。
(2)波速比異常和中小地震活動異常主要出現(xiàn)于云南地區(qū)M≥7.0大震前 2年左右。若波速比出現(xiàn)高頻次異常,同時還出現(xiàn) 4級地震活躍異常和3級地震活躍異?;蚱届o異常,那么在云南省內(nèi)可能會發(fā)生 7級地震;若 3、4級地震活動均呈現(xiàn)平靜異常,就可能在省外發(fā)生 7級甚至 8級地震。
(3)云南強震第四活躍期前 2年至活躍期結(jié)束,云南地區(qū)波速比的月最小值整體相對較低,且在活躍期首發(fā) 7級大震前半年左右出現(xiàn)最低點,強震活躍期結(jié)束時波速比回升至均值,即隨著強震活躍期的開始至結(jié)束的過程,波速比也經(jīng)歷了下降至恢復(fù)的過程。
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Characteristics of Wave-velocity Ratio,Focal Depth and Medium-small Seismicity before Strong Earthquakes in Yunnan
LI Yong-li,MAO Hui-ling,WANG Shi-qin,Q IN Jia-zheng
(Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming650224,Yunnan,China)
We study the variation regularity of wave-velocity ratio in the4th active period of strong earthquakes in Yunnan,and discuss the relation between strong earthquake genesis and variation of wave velocity,medium-small earthquakes,and variation of focal depth.The result shows that wave-velocity ratio,focal depth and anomaly of M3-4.9earthquakes appeared as early as4years before the M≥7.0earthquakes.Most of them appeared about 2years before the strong earthquakes,and anomaly of wave-velocity ratio and focal depth increased and gradually reduced about one year before the strong earthquakes.Corresponding to the beginning and the ending of the4th active period.wave-velocity ratio in Yunnan experienced the quasi-synchronous declining and rising.
wave-velocity ratio; focal depth;medium-small earthquake;active period; Yunnan
P315.72
A
1000-0666(2010)03-0259-06
2009-10-12.
云南省人民政府十項重大措施“云南強震活動與板緣動力學(xué)機制研究”與中國地震局震情跟蹤合同制定向工作任務(wù)“云南東部地區(qū)強地震短臨動態(tài)跟蹤研究”(2009010204)聯(lián)合資助 .