廣東新豐江水庫地震垂向引潮力的調(diào)制作用研究

陳大慶，楊馬陵，蔣海昆，鐘羽云，萬永芳

廣東新豐江水庫地震垂向引潮力的調(diào)制作用研究

陳大慶1，楊馬陵1，蔣海昆2，鐘羽云3，萬永芳1

（1.廣東省地震局，廣東 廣州 510070；2.中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045；3.浙江省地震局，浙江 杭州 310013)

按照前人對(duì)新豐江水庫地震序列特征的研究，以1965年為界將新豐江水庫地震序列分為前期和后期，對(duì)前期 （MS≥4.3）和后期 （MS≥4.2）地震垂向引潮力的觸發(fā)特征進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)前期15次MS≥4.3級(jí)地震發(fā)震時(shí)刻垂向引潮力的方向處于向下區(qū)間的有12次，占80%；其中MS≥4.5級(jí)地震全部都處于垂向向下區(qū)間，說明前期在高水位荷載的背景下，垂向引潮力的向下區(qū)間是此階段的優(yōu)勢(shì)觸發(fā)時(shí)段；后期特別是1980年以后6次MS≥4.2級(jí)地震發(fā)震時(shí)刻垂向引潮力和水位荷載對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)方向都是一致的，說明后期孕震區(qū)應(yīng)力場(chǎng)處于臨界的非穩(wěn)定狀態(tài)，水位荷載及垂向引潮力方向的變化有可能共同誘發(fā)了地震。還利用基于垂向引潮力不同方向區(qū)間的調(diào)制比，對(duì)6次顯著地震進(jìn)行了回顧性檢驗(yàn)，證實(shí)其具有一定的短臨預(yù)報(bào)意義。

引潮力；新豐江水庫；調(diào)制作用

引言

引潮力定義為作用在地球某單位質(zhì)點(diǎn)上的日、月引力與地球繞地、月公共質(zhì)心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力的合力。引潮力是作用于地球最大的周期性變化的力，雖然很難確定天體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引潮力是引起地震的主要原因，但當(dāng)?shù)卣鹪杏蕉膛R階段，震源區(qū)及其附近應(yīng)變能高度積累，此時(shí)引潮力的方位、大小都可能是地震的觸發(fā)因素。特別是對(duì)于水庫地震，當(dāng)庫區(qū)的潛在發(fā)震斷層由于庫水的荷載及潤(rùn)滑作用孕育到短臨發(fā)震階段，垂向引潮力對(duì)孕震區(qū)的壓性或張性作用都有可能誘發(fā)地震。

近些年來國(guó)內(nèi)外已有不少關(guān)于引潮力觸發(fā)地震的研究。Heaton［1］研究了地震活動(dòng)受引潮力的觸發(fā)作用，發(fā)現(xiàn)對(duì)傾滑型地震或斜滑型大地震，潮汐力有明顯的觸發(fā)作用；Tanaka［2、3］發(fā)現(xiàn)觸發(fā)機(jī)制取決于斷層和震源機(jī)制的方位。地震活動(dòng)與潮汐相位角之間的相關(guān)率在一種類型震源機(jī)制情況下，在時(shí)與空兩方面均能夠成為主震的前兆；Tanaka［4］利用Schuster檢驗(yàn)的方法計(jì)算了日本東海板塊交界區(qū)域潮汐與地震的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域潮汐對(duì)地震的觸發(fā)作用與地震的活動(dòng)特征有關(guān)。

我國(guó)一些學(xué)者也開展了這方面的研究，杜品仁［5］從大地震發(fā)生時(shí)刻的天體位置研究了潮汐對(duì)地震的觸發(fā)作用；張國(guó)民［6］等探討了中國(guó)大陸MS≥7.0級(jí)地震的成組活動(dòng)和引潮力的調(diào)制觸發(fā)關(guān)系，認(rèn)為我國(guó)陸區(qū)活躍期內(nèi)7級(jí)強(qiáng)震明顯受潮汐力的調(diào)制觸發(fā)，并且還探討了潮汐力對(duì)強(qiáng)震活動(dòng)觸發(fā)作用的力學(xué)機(jī)制；李延興［7］等通過計(jì)算全球MW≥7.0級(jí)地震水平引潮力方位角及應(yīng)力場(chǎng)的P軸、T軸方位角，兩者的一致性較高，且水平引潮力方位角與發(fā)震斷層走向的一致性更高，說明日、月對(duì)孕震區(qū)水平的引潮力與大地震的發(fā)生密切相關(guān)；陳榮華［8］等初步討論了引潮力對(duì)顯著地震觸發(fā)作用與大震關(guān)系的機(jī)理。結(jié)果表明，這一機(jī)理是比較復(fù)雜的，地震發(fā)生時(shí)水平引潮力方位與地震斷層面走向接近，可能增加斷層面上的剪應(yīng)力，有利于地震的發(fā)生；水平引潮力方位與地震主張應(yīng)力軸T軸接近，可能減小斷層面上的正應(yīng)力，從而減小斷層面上的摩擦力，也會(huì)有利于地震的發(fā)生；吳小平［9］等選擇了云南地區(qū)4級(jí)以上地震，根據(jù)主應(yīng)力方向的潮汐力與發(fā)震時(shí)刻天體位置特征，研究了潮汐力觸發(fā)機(jī)制，結(jié)果認(rèn)為云南地區(qū)的地震在新月期間和上下弦附近較易受到潮汐力的觸發(fā)。受潮汐力觸發(fā)作用的地震發(fā)震時(shí)刻的月日赤緯有明顯的密集分布條帶特征，地震頻次在月、日天頂距分別為30°～40°和20°～140°范圍內(nèi)為平均優(yōu)勢(shì)分布區(qū)間； 張晶［10］分析了引潮力水平分量動(dòng)態(tài)變化與強(qiáng)震發(fā)震時(shí)間之間的關(guān)系，結(jié)果顯示在一定時(shí)空范圍內(nèi)前震、主震及余震序列發(fā)震時(shí)刻的引潮力存在優(yōu)勢(shì)方向；在構(gòu)造地震的潮汐力觸發(fā)方面，目前已經(jīng)取得了一些研究成果，但對(duì)于水庫地震的研究目前主要集中在水位加卸載的誘發(fā)作用，而引潮力的觸發(fā)作用還很少有學(xué)者進(jìn)行研究。本研究中根據(jù)萬永芳等［11］的研究結(jié)果，以1965年為界將新豐江水庫地震序列分為前期和后期，前期的地震頻度、能量釋放與水位的高低有較好的相關(guān)性，而后期這種相關(guān)性基本不存在了。本文中分別探討了新豐江水庫地震序列前期 （MS≥4.3）和后期 （MS≥4.2）發(fā)震時(shí)刻垂向引潮力不同方向區(qū)間的統(tǒng)計(jì)特征；1980年后6次MS≥4.2級(jí)地震發(fā)震時(shí)刻垂向引潮力和水位荷載的觸發(fā)關(guān)系；并利用基于垂向引潮力不同方向區(qū)間的小震調(diào)制比，對(duì)前后期的6次顯著地震進(jìn)行了回顧性檢驗(yàn)，證實(shí)這種調(diào)制比具有一定的短臨預(yù)報(bào)意義。

1 垂向引潮力相位角

圖1日月引潮力相位角的定義：0°為引潮力最大值，±180°為引潮力最小值Fig.1 Definition of phase angle of solar and lunar tidal attraction:the maximum value of tidal attraction is 0°,and the minimum value is ±180°.

為了表示引潮力一個(gè)周期 （本研究中為半日潮）內(nèi)大小的變化，引進(jìn)引潮力相位角的概念。如圖1所示可以給出任意一個(gè)地震發(fā)震時(shí)刻某個(gè)方向上引潮力的相位角，相位角的0°和±180°分別為最大、 最小引潮力的相位角， 利用-180°～0°或者 0°～180°之間的線性分布，可以定出任意地震在某一方向引潮力的相位角，其取值范圍為-180°～180°之間，圖1中，如果一個(gè)地震正好發(fā)生在最大引潮力和其后的最小引潮力中間位置，則其相位角為90°。表1中所列?v為垂向引潮力的相位角，向下為正；FV為垂向引潮力的大小，同樣向下為正。

表1 新豐江水庫地震垂向引潮力相位角及大小Table 1 The vertical tidal attraction and its phase angle for Xin Feng-jiang reservoir-induced earthquakes

2 前期MS≥4.3級(jí)地震垂向引潮力不同方向區(qū)間的統(tǒng)計(jì)特征

按照萬永芳等對(duì)于新豐江水庫地震序列與水位關(guān)系的研究，認(rèn)為1965年前，地震的發(fā)生和高水位關(guān)系明顯，而1965后水位的高低及變化量的大小和地震的發(fā)生基本上沒有什么關(guān)系。因此以1965年為界，新豐江庫區(qū)地震的發(fā)生機(jī)理可能有所不同，前期可能主要是高水位的荷載調(diào)整了該區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)或者是水的潤(rùn)滑作用觸發(fā)了地震，而后期則更可能是和該區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)。因此在以下研究引潮力對(duì)新豐江水庫地震的調(diào)制作用的時(shí)候，也按照1965年為界，分為前期和后期來探討其間的關(guān)系，其中前期地震限定在MS≥4.3級(jí)，后期地震限定在MS≥4.2級(jí) （震級(jí)下限的選定主要考慮樣本數(shù)和滿足本研究的需要）。

表1中前期發(fā)生的3次大于5級(jí)地震的垂向引潮力相位角，分別為1962年3月19日6.1級(jí)地震-42°、1962年7月29日5.1級(jí)地震27°、1964年9月23日5.1級(jí)地震-29°?？梢?次大于5級(jí)的地震其發(fā)震時(shí)刻垂向引潮力相位角的絕對(duì)值都小于45°，表示發(fā)震時(shí)刻垂向引潮力處于向下的峰值區(qū)間。而表1中也可以看到前期15次MS≥4.3級(jí)地震的垂向引潮力方向處于向下區(qū)間的有10次，占67%，5次MS4.5～4.8級(jí)地震其垂向引潮力相位角的絕對(duì)值都處在60°～85°，其中3次MS≥5.0級(jí)全部都處于這一區(qū)間。反映了前期在高水位的荷載背景下，垂向引潮力的向下區(qū)間是這一期間的優(yōu)勢(shì)觸發(fā)時(shí)段。

圖2中表示的是前期震級(jí)和垂向引潮力相位角的關(guān)系，其中相位角取的是該震級(jí)下所有地震相位角的均值。從中我們可以看到除了大于5級(jí)的由于樣本數(shù)相對(duì)較少，不滿足隨著震級(jí)的增大，其相位角減小外，其余的都基本滿足這一規(guī)律，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了-0.8，表明隨著震級(jí)的增大，發(fā)震時(shí)刻受到的向下的垂向引潮力越大。

圖2 前期震級(jí)與垂向引潮力相位角的關(guān)系Fig.2 The relationship between magnitude and phase angle of vertically tidal attraction in earlier stage

后期發(fā)生的10次MS≥4.2級(jí)地震，其發(fā)震時(shí)刻垂向引潮力方向處于向下、向上區(qū)間的各占5次，無明顯優(yōu)勢(shì)區(qū)間，其震級(jí)大小和相位角大小也無前期那樣的線性關(guān)系。

以上通過對(duì)新豐江水庫地震1965年前MS≥4.3級(jí)地震垂向引潮力觸發(fā)特征的研究，得到垂向引潮力的向下區(qū)間是這一期間的優(yōu)勢(shì)觸發(fā)時(shí)段，且隨著震級(jí)的增大，垂向引潮力的絕對(duì)值越小，其越靠近向下的峰值。表明隨著震級(jí)的增大，發(fā)震時(shí)刻受到的向下的垂向引潮力越大。

3 1980年后MS≥4.2級(jí)地震垂向引潮力和水位的觸發(fā)關(guān)系

圖3、表1中1980年以后的6次MS≥4.2級(jí)地震，其中1981年5月4日的4.3級(jí)、1999年8月20日的4.7級(jí)地震，其發(fā)震時(shí)刻垂向引潮力方向向下，而發(fā)震期間水位也處于上升期；同樣另4次地震，其垂向引潮力向上，而發(fā)震期間水位也都處于下降期。說明1980年以后MS≥4.2級(jí)地震發(fā)震時(shí)刻垂向引潮力和水位荷載變化對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)方向是一致的。即，發(fā)震時(shí)刻水位處于上升期則受到的垂向引潮力向下，相反發(fā)震時(shí)刻水位處于下降期則垂向引潮力向上。說明此期間這種前期高水位背景條件下的壓應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)觸發(fā)時(shí)段已經(jīng)不存在，孕震區(qū)應(yīng)力場(chǎng)處于臨界的非穩(wěn)定狀態(tài)，水位荷載及引潮力的方向變化有可能共同誘發(fā)了地震。

圖3 新豐江水庫1980年后MS≥4.2級(jí)地震垂向引潮力與水位的變化Fig.3 The variation of tidal attraction and water level for earthquakes with MS≥4.2 at Xinfengjiang Reservoir since 1980

4 典型地震前基于小震垂向引潮力不同方向區(qū)間的調(diào)制比異常

秦保燕［12］等利用小震調(diào)制比Rm=N／N總來表示強(qiáng)震前小震活動(dòng)頻次在朔望大潮期間異常增高的現(xiàn)象，式中N、N總分別為某一時(shí)段朔望大潮期間的小震頻次和小震的總頻次。并認(rèn)為在正常情況下小震活動(dòng)是隨機(jī)的等概率事件，與日、月引潮力的大小無關(guān)；而在震前的地震孕育過程中，當(dāng)未來強(qiáng)震震源介質(zhì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)下時(shí)，日、月引潮力的作用將對(duì)小震有調(diào)制作用，即較大的引潮力對(duì)小震具有較強(qiáng)的觸發(fā)作用。

本文在研究中，進(jìn)一步通過計(jì)算小震發(fā)震時(shí)刻的垂向引潮力，定義發(fā)生在垂向引潮力方向向下區(qū)間和向上區(qū)間的小震頻次比為調(diào)制比，從而得到基于垂向引潮力不同方向區(qū)間的調(diào)制比，相對(duì)從朔望月相得到的調(diào)制比，此調(diào)制比的力學(xué)機(jī)制更加明確。

圖4是前期3次MS≥5.0級(jí)地震和后期3次MS≥4.7級(jí)地震利用垂向引潮力的不同方向區(qū)間得到的震前數(shù)月的調(diào)制比曲線，調(diào)制比是以2個(gè)月的窗長(zhǎng)，逐月滑動(dòng)得到的，其中前期1962年3月19日的6.1級(jí)地震、1962年7月29日的5.1級(jí)地震，震級(jí)下限取在MS≥1.5，1964年9月23日的5.1級(jí)地震震級(jí)下限取在MS≥1.0，后期的3次MS4.7級(jí)地震為了保證小震的月頻次不低于10次，震級(jí)下限取在MS≥0.1。

圖4 前期3次MS≥5.0級(jí)地震、后期3次MS≥4.7級(jí)地震震前數(shù)月調(diào)制比曲線與水位的關(guān)系A(chǔ).1962年3月19日6.1級(jí)地震 震級(jí)下限MS≥1.5；B.1962年7月29日5.1級(jí)地震 震級(jí)下限MS≥1.5；C.1964年9月23日5.1級(jí)地震 震級(jí)下限MS≥1.0；D.1987年9月15日4.7級(jí)地震 震級(jí)下限MS≥0.1；E.1989年11月26日4.7級(jí)地震 震級(jí)下限MS≥0.1；F.1999年8月20日4.7級(jí)地震 震級(jí)下限MS≥0.1。Fig.4 The relationship between modulation ration and water level in a few months before three earthquakes withMS≥5.0 in earlier stage and three earthquakes withMS≥4.7 in later stage

從圖4中我們可以看到，在無震的情況下，調(diào)制比曲線和水位曲線有較好的同步性。但圖4A、4C、4E、4F的4次地震在震前2、3個(gè)月到半個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，調(diào)制比曲線出現(xiàn)了偏離水位的變化，并且調(diào)制比的變化和其后主震發(fā)震時(shí)刻的垂向引潮力方向具有一致性。例如圖4A為1962年3月19日6.1級(jí)地震的調(diào)制比曲線，在主震前1個(gè)半月，調(diào)制比曲線顯著增大，偏離了水位下降的趨勢(shì)，顯示在此期間發(fā)生在垂向引潮力向下區(qū)間的小震頻次比在增高，而從表1中可以看到其后6.1級(jí)主震發(fā)震時(shí)刻垂向引潮力為47.0 μGal，也發(fā)生在向下區(qū)間，其他的3次地震也有類似的特征。而圖4B、4D的兩次地震震前調(diào)制比曲線則未發(fā)生以上的異常變化。

5 結(jié)論

本文在前人對(duì)新豐江水庫地震序列研究的基礎(chǔ)上，以1965年為界將新豐江水庫地震序列分為前期和后期，對(duì)兩個(gè)時(shí)期 （前期 （MS≥4.3）和后期 （MS≥4.2））地震引潮力的觸發(fā)特征進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)論：

（1）前期3次大于5級(jí)的地震，包括6.1級(jí)主震其發(fā)震時(shí)刻垂向引潮力相位角的絕對(duì)值都小于45°，15次MS≥4.3級(jí)地震的垂向引潮力相位角中，處于向下區(qū)間的有10次，占67%，其中MS≥5.0級(jí)地震全部都處于這一區(qū)間。且隨著震級(jí)的增加，垂向引潮力的絕對(duì)值越小，其越靠近向下的峰值。說明前期在高水位荷載的發(fā)震背景條件下，垂向引潮力的向下區(qū)間是此期間的優(yōu)勢(shì)觸發(fā)時(shí)段，且隨著震級(jí)的增大，發(fā)震時(shí)刻受到的向下的引潮力越大。

（2）后期特別是1980年以后6次MS≥4.2級(jí)地震發(fā)震時(shí)刻垂向引潮力和水位對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)方向是一致的。即，發(fā)震時(shí)刻水位處于上升期則垂向引潮力方向向下區(qū)間，相反發(fā)震時(shí)刻水位處于下降期則垂向引潮力方向向上區(qū)間。說明后期特別是1980年以后，庫區(qū)應(yīng)力場(chǎng)已經(jīng)處于相對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的地震無前期的垂向壓應(yīng)力優(yōu)勢(shì)觸發(fā)特征，但6次MS≥4.2級(jí)地震都發(fā)生在垂向引潮力與水位荷載方向一致的時(shí)段，反映了兩者共同的觸發(fā)作用。

（3）利用基于垂向引潮力不同方向區(qū)間的調(diào)制比，對(duì)前期3次5級(jí)以上地震，后期3次4.7級(jí)地震前調(diào)制比曲線的異常變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在無震的情況下，調(diào)制比曲線和水位曲線有較好的同步性。而在4次地震前2、3個(gè)月到半個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，調(diào)制比曲線出現(xiàn)了偏離水位的變化，并且調(diào)制比的變化和其后主震發(fā)震時(shí)刻的垂向引潮力方向具有一致性。因此通過本研究初步認(rèn)為利用小震的基于垂向引潮力不同區(qū)間的調(diào)制比可以反映在主震破裂前孕震區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，相對(duì)基于月相調(diào)制得到的調(diào)制比，此調(diào)制比的物理意義更加明確，且具有一定的短臨預(yù)報(bào)意義。

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A Study on Tidal Force Triggering of Xinfengjiang Reservoir-Induced Earthquake

CHEN Daqing1,YANG Maling1,JIANG Haikun2,ZHONG Yuyun3,WAN Yongfang1

(1.Earthquake Administration of Guangdong province,Gangzhou 510070,China;2.China Earthquake Networks Center,Beijing 100045,China;3.Earthquake Administration of Zhejiang province,Hangzhou 310013,China)

According to the predecessors′study on the characteristics of Xinfengjiang reservoirinduced earthquake sequence,it was divided into early period and later period by 1965.This paper studied the characteristics of vertical tidal force leading to earthquakes with MS≥4.3 in early period and MS≥4.2 in later period.We found that there were 12 of 15 earthquakes,where 80%MS≥4.3 and 100%MS≥4.5 earthquakes occurred in the interval of downward compressive stress of vertical tidal force.The results show that the interval of vertical tidal compressive stress is advantage triggering period in early period,based on the high reservoir water level.The six earthquakes with MS≥4.2 after 1980 in later period occurred at the moment of the same direction of vertical tidal force and water level perturbation of force field,which shows that the seismic area is in critical unsteady state and the variation of reservoir water level and vertical tidal compressive stress triggering earthquakes in together.Six earthquakes were reviewed by using modulation ration based on tensile or compressive vertical tidal force.The modulation ration was confirmed of a certain significance for the short-term and imminent prediction.

Tidal attraction;Xinfengjiang reservoir;Modulation ration

P315.728

A

1001-8662（2011）02-0029-08

2010-02-20

國(guó)家科技支撐子專題 （2008BAC38B03-01-05）；2009年度震情跟蹤一般性合同制定向工作任務(wù) （2009020301）

陳大慶，男，1977年生，工程師.主要從事地震預(yù)測(cè)研究.E-mail：gd_daqing@163.com.