“霍山震情窗”動力學背景及預測意義分析

繆鵬 王行舟 洪德全 李玲利 王俊

安徽省地震局，合肥市長江西路558號 230031

0 引言

安徽“霍山震情窗”(以下簡稱“霍山窗”)自提出以來，一直受到地震工作者的廣泛關注。以往對“霍山窗”的研究大多是考慮頻次變化與華東地區(qū)中強震的對應關系(張光華，1990;張光華等，1992;張春芝，1993;鄭兆苾等，1999)，近年來加強了地質(zhì)構(gòu)造背景、區(qū)內(nèi)斷層活動習性和環(huán)境應力的研究(姚大全等，2003、2006;陳宇衛(wèi)等，2007)，并在中大型水庫庫容、庫水位升降等外部因素對“霍山窗”的影響方面開展了深入的研究(韓育平等，2008)。

盡管上述研究取得了對“霍山窗”的基本認識，但由于這些認識缺少系統(tǒng)性，致使在利用震情窗研判震情中仍存在諸多不確定因素，其中急需解答的問題是:震情窗為什么會出現(xiàn)開窗，其動力學來源是什么?如果動力學背景不夠明確，結(jié)論的可靠性則大大降低。因此，如何正確認識“霍山窗”開窗的動力學背景，在地震預測研究中具有重要的現(xiàn)實意義。

1 地震地質(zhì)背景

“霍山窗”(31°～31.9°N，115.7°～116.5°E)位于大別山隆起塊體與華北拗陷塊體接觸帶附近的北大別山沉降帶南緣。該震情窗不僅位處華北地震區(qū)南端，與華南地震區(qū)交界，也是秦嶺-大別造山帶與郯廬斷裂帶的交匯部位，構(gòu)造較為特殊。

“霍山窗”所在的大別山東北麓地區(qū)在漫長的地質(zhì)演化過程中發(fā)育了一系列NWW向的斷裂，主要有磨子潭-曉天斷裂、肥西-韓擺渡斷裂、梅山-龍河口斷裂等(圖1)。其中磨子潭-曉天斷裂和肥西-韓擺渡斷裂形成年代較早，在重力、地磁異常圖上均有顯示，并控制中、新生代盆地及現(xiàn)代地貌水系發(fā)育。在大地構(gòu)造單元的劃分上，上述兩條斷裂構(gòu)成北淮陽地體南、北邊界斷裂。此外，NE向的落兒嶺-土地嶺斷裂橫穿桐柏-大別塊體和北淮陽地體，并切穿沿線的地質(zhì)體和上述NWW向的斷裂，構(gòu)成了該地區(qū)的地震地質(zhì)主體框架(張杰等，2003)。

圖1 “霍山窗”地質(zhì)構(gòu)造及地震分布

由中國活動地塊劃分及活動地塊邊界帶分布(張國民等，2005)可見，華南地塊與華北地塊分界構(gòu)造——秦嶺-大別造山帶西起青藏高原東北部，與龍門山斷裂帶相接，東連郯廬斷裂帶南端。因此分析認為“霍山窗”與南北地震帶以及青藏塊體在構(gòu)造上可能存在著一定的關聯(lián)。

2 應變能釋放方法和地震目錄完整性

在傳統(tǒng)的震情窗研究中，研究者往往利用中小地震的活動頻次來判定震情窗的開窗、閉窗，并以此為基礎統(tǒng)計震情窗和目標區(qū)對應地震的關聯(lián)。該研究方法簡單易行，取得了一定的效果，但也存在不足之處。地震活動是非常復雜的地球物理過程中的特定事件，其孕育、發(fā)展均是相互關聯(lián)，而非孤立的發(fā)展過程，而單純以地震頻次來分析震情窗，難以很好地反映地震活動，尤其是地震能量釋放特征。

一定時間、空間范圍內(nèi)地震活動的應變能釋放為人們了解該時空域內(nèi)地殼應力變化、研究構(gòu)造活動特征以及進行地震危險性預測提供了重要信息，因此關于地震活動應變能釋放特征的研究一直受到地震研究者的重視(陳時軍等，2003)。而且應變能與地震能量釋放密切相關，它較頻度指標更全面地反映地震孕育過程，因此利用應變能釋放方法研究震情窗的活躍狀態(tài)具有較大的優(yōu)勢。

利用Gutenberg等(1956)的簡化經(jīng)驗公式，根據(jù)震級計算地震釋放能量(能量單位:J)

“霍山窗”所在的六安地區(qū)地震監(jiān)測能力一直較強，20世紀70年代即建設有省屬霍山地震臺、佛子嶺地震臺、金寨地震臺、下五顯地震臺以及六安市地震臺，隨著現(xiàn)代觀測技術的不斷進步和臺站布局的優(yōu)化與完善，目前六安地區(qū)已成為安徽省乃至全國地震監(jiān)測網(wǎng)點最密集地區(qū)之一(趙楠等，2009)。本文使用的2部分地震目錄均由中國地震臺網(wǎng)中心提供，第1部分為1970年1月～1991年9月ML≥1.0地震目錄，第2部分為1991年10月～2013年12月ML≥0.0地震目錄。圖2為“霍山窗”地震震級-頻度分布，由圖2可見，1970年1月 ～1991年9月ML≥1.0地震記錄較為完整(圖2(a));1991年10月 ～2013年12月ML≥0.6地震記錄相對完整(圖2(b))。綜合考慮該地區(qū)不同時段的地震監(jiān)測能力，本文選取的震級下限為ML1.0。

在研究過程中，經(jīng)反復調(diào)試，確定“霍山窗”應變能釋放方法掃描條件為:窗長3個月，步長1個月，閾值為50000，計算“霍山窗”3個月累計1個月滑動應變釋放值(以下簡稱3月累計應變)?！盎羯酱啊睂卣鹑匝赜靡酝囊?guī)則(鄭兆苾等，1999)，即以佛子嶺臺為中心，統(tǒng)計100km之內(nèi)MS3.5以上、250km之內(nèi)MS4.0以上、500km之內(nèi)MS5.0以上以及500km以外MS6.0以上的華東地震作為對應地震。

3 “霍山窗”動力學背景

在“霍山窗”動力學背景研究中發(fā)現(xiàn)，華東地區(qū)中強地震、青藏塊體強震均會對“霍山窗”3個月累計應變產(chǎn)生顯著影響，從而導致開窗異常。此外，在未受到顯著地震影響的前提下，“霍山窗”也可能因所在區(qū)域應力場波動變化出現(xiàn)開窗異常。在上述影響因素中，青藏塊體強震影響、區(qū)域應力場波動導致的開窗異常對華東地區(qū)未來震情發(fā)展具有較好的指示意義，因此本文對這2項影響因素展開重點分析。

3.1 青藏塊體強震活動對“霍山窗”的影響

研究發(fā)現(xiàn)“霍山窗”易受青藏塊體強震活動的影響而出現(xiàn)開窗異常。1997年西藏瑪尼7.5級地震、2001年昆侖山口西8.1級地震、2008年四川汶川8.0級地震震后1年內(nèi)“霍山窗”均出現(xiàn)了顯著的開窗異常(圖3)。

圖3 青藏塊體3組強震活動對“霍山窗”的影響

上述3組強震活動對“霍山窗”的影響在異常形態(tài)上有一定的相似性:均表現(xiàn)為震后1年內(nèi)出現(xiàn)高值異常;異常形態(tài)均屬大幅升降型;其升幅與青藏塊體強震的震級、與“霍山窗”距離以及強震叢集性等有較好的相關性。如1997年瑪尼7.5級地震，震中位于青藏塊體的西部，距“霍山窗”3000km以上，對應異常的最高應變能值僅為99240;而2001年昆侖山口西8.1級地震，震中距“霍山窗”約2400km，對應異常的最高應變能值高達280538;2008年汶川8.0級地震在這3組地震中距“霍山窗”最近，僅1200km左右，對應異常的最高應變能值為168321，雖不及昆侖山口西8.1級地震后的異常變幅大，但持續(xù)時間更長，達7個月。

基于上述認識，本文統(tǒng)計了青藏塊體強震活動對“霍山窗”的影響。結(jié)果顯示，自1970年以來，青藏塊體共發(fā)生7級以上地震20次，其中14次地震震后1年內(nèi)，“霍山窗”3個月累計應變出現(xiàn)開窗異常(圖4、5)，異常持續(xù)時間通常在1年以內(nèi)，異常幅度與震級大小、距離以及地震活動叢集性有關(表1)。值得關注的是，青藏塊體內(nèi)部的巴顏喀拉地塊自1970年以來共發(fā)生11次7級以上強震，其中9次地震震后1年內(nèi)“霍山窗”3個月累計應變出現(xiàn)開窗現(xiàn)象，對應概率明顯高于青藏塊體的平均水平。統(tǒng)計結(jié)果表明，青藏塊體強震活動對“霍山窗”的影響較為顯著。

表1 青藏塊體M≥7.0地震后1年內(nèi)“霍山窗”3個月累計應變異常統(tǒng)計

3.2 區(qū)域應力場波動變化對“霍山窗”的影響

在未受到華東地區(qū)中強地震或青藏塊體強震影響時，由于自身所處區(qū)域應力場存在波動變化，也可能導致“霍山窗”出現(xiàn)開窗異常。這些開窗異常后，華東地區(qū)也存在發(fā)生中等以上地震的可能。

圖4 1970年以來青藏塊體MS≥7.0地震及“霍山窗”空間分布

圖5 青藏塊體MS7.0以上強震對“霍山窗”3月累計應變的影響

1978年7～12月，“霍山窗”出現(xiàn)開窗現(xiàn)象，持續(xù)時間6個月，最高應變能值為73638，異常前兩年內(nèi)青藏塊體未發(fā)生7級以上強震，華東地區(qū)未發(fā)生5級以上地震，“霍山窗”受外界地震影響出現(xiàn)開窗的可能性較小。異常結(jié)束后2個多月，發(fā)生安徽固鎮(zhèn)MS5.0地震;1979年6月，“霍山窗”再次開窗，其后7月9日發(fā)生江蘇溧陽MS6.0地震，1979年10月異?；謴?，此次異常最高應變能達201234(圖6)。

2005年5～7月，“霍山窗”開窗，最高應變能達74145。此前兩年內(nèi)，青藏塊體未見7級以上強震，華東地區(qū)無5級以上地震，因此基本排除外界地震的影響導致開窗的可能。2005年9月，3個月累計應變再次超出閾值，2個月后發(fā)生九江MS5.7地震。其后2006年2～4月，“霍山窗”再次出現(xiàn)類似的開窗異常，最高應變能達78254，3個月后發(fā)生安徽定遠MS4.2地震(圖7)。

4 認識和討論

圖6 1977～1979年“霍山窗”3個月累計應變

圖7 2005～2006年“霍山窗”3個月累計應變(各斷裂各見圖5)

(1)根據(jù)表1的結(jié)果，青藏塊體內(nèi)部巴顏喀拉地塊強震活動對“霍山窗”的影響更顯著，這種現(xiàn)象可能與青藏塊體動力學背景密切相關。GPS資料顯示，由于受到華南地塊的阻擋，巴顏喀拉塊體朝東、南東方向的“逃逸”運動表現(xiàn)為該塊體北邊界的左旋走滑斷層作用，使該塊體的東邊界發(fā)生以側(cè)向縮短和擠壓逆沖作用為主、兼有走滑或者剪切作用的變形，亦即該塊體的運動對其東邊界斷裂系統(tǒng)具有顯著的“加載”作用(聞學澤等，2011)。而巴顏喀拉塊體東邊界通過秦嶺-大別造山帶與華北南部地區(qū)存在一定的構(gòu)造關聯(lián)性。2008年汶川8級特大地震前后GPS資料也顯示，華北南部地區(qū)水平運動速度場存在較大變化，由汶川地震前的SW方向為主變?yōu)榈卣鸷蟮腟E方向，表明巴顏喀拉塊體內(nèi)強震活動對華北南部地區(qū)的應變影響較大(洪德全等，2013)。

“霍山窗”作為華北南部地區(qū)“應力敏感部位”，易受到青藏塊體強震活動、自身所處區(qū)域應力場應力波動的影響，從而出現(xiàn)開窗異常。兩者存在較為顯著的區(qū)別，即受青藏塊體強震活動影響，其開窗異常幅度普遍偏大(3個月累計應變≥105);而受到所處區(qū)域應力場應力波動的影響，其開窗異常幅度相對較小(3個月累計應變≤105)。

(2)筆者利用地震統(tǒng)計對比、概率增益模型等方法分析青藏塊體M≥7.0強震對華東地區(qū)M≥5.0地震的影響后認為，青藏塊體驅(qū)動力可借助巖石圈下層塑性流動和曳引上層的方式傳遞到我國大陸東部地區(qū)，從而對華東地區(qū)應力場以及震情產(chǎn)生長期影響(繆鵬等，2010)。在上述過程中，由于“霍山窗”具有顯著的窗口作用，在應力場變化初期即可有所反映，其開窗時間往往先于華東地區(qū)中強地震的發(fā)生。因此，青藏塊體強震活動后“霍山窗”出現(xiàn)的開窗異常對華東地區(qū)中強地震也具有很好的指示意義。

(3)“霍山窗”在特定時段內(nèi)存在持續(xù)時間長達4～5年的閉窗期，閉窗期內(nèi)其3個月累計應變長期處于低值活動水平，對青藏塊體強震和華東地區(qū)中強地震活動不會出現(xiàn)明顯響應。例如1988年5月～1993年3月，青藏塊體發(fā)生1988年11月6日云南瀾滄7.6級、耿馬7.2級、1990年4月26日青海共和7.0級兩組強震，華東地區(qū)發(fā)生1990年2月10日常熟-太倉5.1級地震，而“霍山窗”3個月累計應變一直處于低值水平波動;2009年11月 ～2013年9月，青藏塊體發(fā)生2010年青海玉樹7.1級強震，且“霍山窗”周邊相繼發(fā)生了2011年1月19日安慶4.8級、9月10日瑞昌－陽新4.6級、2012年7月20日高郵4.9級地震，而“霍山窗”一直處于低值水平變化。

閉窗期的形成，可能與“霍山窗”在特定時段內(nèi)本身極低的應力活動水平密切相關。在上述2次閉窗期內(nèi)，“霍山窗”均未發(fā)生ML≥3.0地震(1970年以來ML≥3.0地震平均年頻次為1.5次)，且2次閉窗期內(nèi)ML≥1.0地震年頻次(105.3次、88.6次)也遠遠低于1970年以來的平均水平(148.6次)。在自身極低的應力活動水平下，“霍山窗”對外界影響處于“無反應”狀態(tài)。因此在震情窗具體應用過程中，應注意識別閉窗期，并盡量排除其對震情研判的干擾作用。

(4)在研究過程中發(fā)現(xiàn)，很多時候“霍山窗”開窗異常并非受某種因素的單獨影響，而是在同一時段內(nèi)往往存在多種因素共同的影響，多種動力學背景之間關系錯綜復雜。由于其相互影響機制方面仍不清晰，因此具體應用中需進一步分析，不可一概而論。