蘆山地震前后龍門山斷裂帶南段視應(yīng)力研究1

宮 悅 龍 鋒 易桂喜 趙 敏 喬慧珍 王宇璽

（四川省地震局，成都 610041）

引言

2013年4月20日蘆山MS7.0級地震發(fā)生在青藏高原東緣龍門山斷裂帶南段，該地區(qū)自1970年大邑M6.2級地震之后，未發(fā)生過MS5級以上地震，并且至少在過去的1100多年中無M≥7的大地震歷史記載，屬于長期缺少大震級（M≥7.0）地震事件的破裂空區(qū)（聞學澤等，2009）。蘆山M7.0級地震的發(fā)生打破了該區(qū)域7級地震的平靜，此次地震是繼2008年汶川8.0級地震5年之后，在龍門山推覆構(gòu)造帶上再次發(fā)生的破壞性地震。那么在蘆山地震發(fā)生之前，震源區(qū)是否有明確的地球物理響應(yīng)、地震發(fā)生之后余震的應(yīng)力狀態(tài)如何以及序列發(fā)展趨勢的判定，都是人們關(guān)注的焦點。

近年來，隨著數(shù)字化地震記錄的普及，反映地下平均應(yīng)力水平的地震視應(yīng)力值也逐漸應(yīng)用于斷裂帶應(yīng)力狀態(tài)分析與地震趨勢判定（吳忠良等，2002；陳學忠等，2003；易桂喜等，2011），如吳忠良等（2002）根據(jù)與Choy等（1995）類似的方法和資料來源，計算了中國大陸地震的視應(yīng)力分布，得到中國大陸地震的視應(yīng)力平均為0.8MPa，青藏高原東緣的視應(yīng)力最高為2.6MPa，平均水平高于其鄰近地區(qū)一倍以上，視應(yīng)力分布與20世紀的累積地震能量分布具有一定的相關(guān)性的結(jié)果；秦嘉政等（2006）利用地面運動峰值速度與地震波能量之間的經(jīng)驗關(guān)系式，計算了云南地區(qū)2002年6月—2003年7月的中小地震視應(yīng)力值，認為地震視應(yīng)力可能具有預(yù)測地震危險性的意義；程萬正等（2006）研究了四川地區(qū)的視應(yīng)力特征，得到視應(yīng)力值的相對高值區(qū)分布在四川南部的川滇交界和北部的川甘交界一帶的結(jié)果；喬慧珍等（2006）研究了安寧河-則木河斷裂帶的視應(yīng)力前兆特征，認為安寧河斷裂帶視應(yīng)力相對更高；易桂喜等（2011）發(fā)現(xiàn)，汶川地震前龍門山斷裂帶中北段視應(yīng)力明顯偏高。筆者利用四川數(shù)字化觀測臺網(wǎng)記錄到的地震波形資料，分析了本次蘆山 M7.0級地震發(fā)生之前龍門山南段視應(yīng)力變化特征以及蘆山地震序列視應(yīng)力時空分布特征，以期找到蘆山地震的可能前兆信號以及地震序列的應(yīng)力分布狀態(tài)。

1 計算方法

1.1 視應(yīng)力計算方法

視應(yīng)力是平均應(yīng)力下限值的一個估計（吳忠良等，2002；陳運泰，2003），定義為（Wyss等，1968）：

式中，μ為震源區(qū)介質(zhì)剪切模量，通常取μ=3.0×104MPa；ES和M0分別為地震波輻射能量和標量地震矩。ES與M0之比表示單位地震矩輻射出的地震波能量。σapp值越高，震源區(qū)應(yīng)力水平越高。

式（1）反應(yīng)了地震視應(yīng)力是單位位錯輻射的地震波能量的量度，可用地震視應(yīng)力對一個地區(qū)的絕對應(yīng)力水平進行間接估算。為了消除個別臺站異常高值對結(jié)果的影響，筆者采用了Archuleta等（1982）的方法求取視應(yīng)力的平均值x與標準差Δx，并將它們作為單個地震的計算結(jié)果：

式中，N為計算使用的臺站數(shù)；xi為第i個臺站的計算結(jié)果。

1.2 歸準化視應(yīng)力

已有研究表明，視應(yīng)力與震級呈正相關(guān)（喬慧珍，2005）。當研究樣本的震級范圍跨度大，不采取任何震級校正措施而去研究視應(yīng)力的時空分布時，得到的可能是地震輻射能的時空特征而不是應(yīng)力水平。因此，扣除震級影響進而還原真實的應(yīng)力水平是后續(xù)研究的關(guān)鍵。從筆者計算的龍門山南段的地震震級與視應(yīng)力關(guān)系曲線（圖1）中可以看出，盡管數(shù)據(jù)較為離散，但仍有視應(yīng)力隨震級增大的趨勢。采用線性最小二乘法擬合，得到視應(yīng)力與震級的擬合關(guān)系為：

可采用下式：

來判斷地震視應(yīng)力的高低。

式（5）中appσ為實際視應(yīng)力值，appσ′為根據(jù)式（4）換算得到的視應(yīng)力值，appσΔ表征消除了震級影響的相對視應(yīng)力值，稱為歸準化視應(yīng)力。

圖1 龍門山南段地震震級與視應(yīng)力關(guān)系曲線Fig. 1 Relation curve between the earthquakes magnitude and apparent stress on the southern segment of Longmen Shan fault zone

另外，筆者對蘆山震級序列與視應(yīng)力的關(guān)系進行了計算，得到的地震震級與視應(yīng)力關(guān)系曲線如圖（2）所示，采用線性最小二乘法擬合，得到的擬合關(guān)系為：

再利用式（5）可計算出該地震序列歸準化視應(yīng)力值。

圖2 蘆山地震序列地震震級與視應(yīng)力關(guān)系曲線Fig. 2 Relation curve between earthquakes magnitude and apparent stress of the Lushan earthquake sequence

2 資料

選擇2008年汶川地震后至蘆山地震前龍門山斷裂帶南段（圖3中多邊形所示范圍）36次ML3.0級以上地震，以及46次ML4.0級以上蘆山地震余震。使用震中距≤200km的臺站，選取記錄清晰、信噪比較高的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)扣除儀器響應(yīng)和濾波后，按上一節(jié)的方法進行了視應(yīng)力的計算。計算中所使用的地震和臺站如圖3所示。

圖3 蘆山7.0級地震M3.5級以上余震震中分布圖和蘆山地震之前龍門山南段ML3級以上地震震中分布及臺站分布圖Fig. 3 Distribution of aftershocks and foreshocks of Lushan 7.0 earthquake on the southern segment of Longmen Shan fault zone

3 地震視應(yīng)力時空變化特征

3.1 蘆山地震前龍門山斷裂帶南段視應(yīng)力時空分布特征

從汶川地震之后至蘆山地震之前5年時間內(nèi)該地區(qū)視應(yīng)力appσ、appσΔ值隨時間變化趨勢（圖4）可以看出，從汶川地震之后到2009年9月之間，appσΔ與appσ波動比較大，認為可能是受汶川地震的影響，之后，汶川地震對該區(qū)域的影響趨于結(jié)束，該區(qū)域的視應(yīng)力值處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。從龍門山南段視應(yīng)力值的空間分布（圖5）可以看出，視應(yīng)力的高值區(qū)主要沿中央斷裂分布，主要分布在未來蘆山地震主震的西南側(cè)，后山斷裂視應(yīng)力不高，結(jié)合時空分布圖來看，在蘆山地震之前，出現(xiàn)過視應(yīng)力明顯增高的現(xiàn)象，有應(yīng)力水平上升的調(diào)節(jié)過程。尤其是發(fā)生在2012年10月19日的天全—蘆山間ML4.6級地震視應(yīng)力值遠高于擬合趨勢線，明顯處于擬合趨勢線上方（圖1），說明該段在蘆山地震之前已有一定的應(yīng)力積累，具備發(fā)生中-強地震的應(yīng)力條件（易桂喜等，2013）。

圖4 蘆山地震前龍門山南段ML>3.0級地震的σapp與Δσapp隨時間變化趨勢Fig. 4 Temporal variation of σapp and Δσapp of ML>3.0 earthquakes on the southern segment of Longmen Shan fault zone before Lushan earthquake

圖5 蘆山地震前龍門山南段ML>3.0級地震視應(yīng)力值的空間分布Fig. 5 Spatial distribution of apparent stress of ML>3.0 earthquake on the southern segment of Longmen Shan fault zone before Lushan earthquake

3.2 蘆山地震序列視應(yīng)力時間分布

σapp和震級隨時間的變化如圖6所示。第二節(jié)已經(jīng)提過，視應(yīng)力大小與震級大小具有相關(guān)性，震級較高的地震視應(yīng)力較高，反之亦然。當這種相關(guān)性被打破時，可視為異常，喬慧珍（2005）曾利用這種相關(guān)性的被打破，對魯?shù)榈卣鹦蛄羞M行研究，得到“地震序列中視應(yīng)力的變化，尤其是視應(yīng)力和震級相關(guān)性的被打破，可以作為雙震以及強余震的預(yù)測依據(jù)”。對于本次蘆山地震序列，由圖6所示的變化曲線可以看出，也存在幾次這種相關(guān)性被打破的現(xiàn)象發(fā)生：4月20日9點04分和9點10分的兩次地震，震級均為ML4.3級未變，但是視應(yīng)力卻從0.45MPa增加到1.16MPa，隨后即發(fā)生了9點11分的ML5級地震，但是該ML5級地震的視應(yīng)力僅為0.59MPa，遠低于之前的ML4.3級地震，達到0.57MPa；隨后，震級下降到ML4.5，視應(yīng)力卻反增加到0.64MPa，其后即發(fā)生9點37分的ML5.1級地震；在這次強余震發(fā)生之后，震級從9點39分的ML4.9級降低到10點01分的ML4.1級，視應(yīng)力卻從0.68MPa增加到1.01MPa，增值達到0.33MPa，2小時候之后即發(fā)生ML5.3級強余震。還有異常發(fā)生在 4月20日的18點58分和19點12分，這兩次地震震級分別為ML4.6級和ML4.8級，其視應(yīng)力卻僅為0.44MPa和0.56MPa，遠低于該兩次地震之前17點45分的ML4.7級地震視應(yīng)力1.1MPa和之后21日00點14分的ML4.5級地震視應(yīng)力0.65MPa，隨后，在21日04點53分，發(fā)生ML5.4級強余震，并在21日當天11點59分和17點05分，分別發(fā)生兩次ML5.2級地震。以上分析表明，地震序列中視應(yīng)力的突升突降變化，視應(yīng)力與震級相關(guān)性的被打破，都可視為序列中強余震的預(yù)測依據(jù)。

從蘆山地震序列Δσapp的時間變化曲線（圖7）可以看出，在主震后3個小時，序列視應(yīng)力即有明顯的下降。在此之后，雖然視應(yīng)力呈起伏變化，但是總體依舊低于主震后2個小時內(nèi)的視應(yīng)力水平，呈下降趨勢。從這兩個不同時段的視應(yīng)力水平可以看出，在主震發(fā)生后的一個比較短的時間內(nèi)，有一個應(yīng)力大幅度釋放的過程，這也進一步說明，視應(yīng)力參數(shù)的確可以反映一定地區(qū)的應(yīng)力變化過程及其所處的狀態(tài)（錢曉東等，2007）。

圖6 蘆山序列M≥3.5級地震appσ和震級隨時間變化的分布圖Fig. 6 Variation of σapp of M≥3.5 earthquakes of Lushan sequence and magnitude with time

圖7 蘆山序列M≥3.5級地震appσΔ隨時間變化的分布圖Fig. 7 Variation of Δσapp of M≥3.5 earthquakes of Lushan sequence with time

3.3 蘆山地震序列視應(yīng)力空間分布

從插值后的appσΔ空間分布（圖8）可以看出，兩個具有高視應(yīng)力水平的區(qū)域分布在主震的西南方向，說明主破裂可能向西南段擴展，且這兩個高值區(qū)分布在整個余震區(qū)東南邊緣，結(jié)合斷裂的北西傾向，該兩個高視應(yīng)力區(qū)正好分布在該斷層面與華南地塊緊密接觸的邊緣；主震以北區(qū)域的視應(yīng)力則相對較低，說明該段不是破裂的主體方向。同時筆者也注意到，主震西側(cè)有一片視應(yīng)力相對較高的區(qū)域，有可能反應(yīng)了該區(qū)域分支斷裂的應(yīng)力狀態(tài)。

圖8 蘆山序列Δσapp空間分布圖Fig. 8 Spatial distribution of the Δσapp of Lushan earthquake sequence

4 結(jié)論

本文利用 2008—2013年四川臺網(wǎng)數(shù)字地震記錄資料，對蘆山地震之前龍門山斷裂帶南段以及蘆山地震之后序列的視應(yīng)力值進行了計算分析，得到的結(jié)果表明，蘆山地震之前，龍門山斷裂帶南段視應(yīng)力存在上升過程，其中最突出的事件為2012年10月19日的天全—蘆山間的地震。由于視應(yīng)力可作為絕對應(yīng)力水平的一個間接估計，所以可認為在蘆山地震之前，龍門山南段的天全—蘆山段應(yīng)力水平明顯升高，該段距蘆山7.0級主震僅23km，因此，此次視應(yīng)力增高的事件可能是蘆山地震前兆。

對蘆山地震序列而言，其視應(yīng)力存在幾次比較突出的視應(yīng)力與震級相關(guān)性的被打破以及視應(yīng)力的突降異常，且在震后3個小時之后，視應(yīng)力即有一個明顯下降的過程?？梢哉J為，在主震發(fā)生之后的較短時間內(nèi)，應(yīng)力得到大幅度的釋放；從序列視應(yīng)力的空間分布來看，視應(yīng)力高值區(qū)主要分布在主震的西南方向，說明主破裂向西南段擴展，且這兩個高值區(qū)分布在整個余震區(qū)東南邊緣，結(jié)合斷裂的北西傾向，該兩個高視應(yīng)力區(qū)正好分布在該斷層面與華南地塊緊密接觸的邊緣；同時，筆者也注意到主震西側(cè)有一片視應(yīng)力相對較高的區(qū)域，反映了該區(qū)域分支斷裂的應(yīng)力狀態(tài)；主震以北區(qū)域的視應(yīng)力則相對較低，說明該方向不是破裂的主體方向。

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