晉冀蒙三省交界區(qū)中強地震前地震視應(yīng)變演化分析

張登科，李惠玲

(1.山西大同市地震局，山西 大同 037008；2.山西省地震局，山西 太原 030021；

3.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

目前，研究地殼應(yīng)力應(yīng)變場的方法很多，主要是利用地震學(xué)、地質(zhì)學(xué)和大地測量學(xué)等不同領(lǐng)域資料分析獲得，這些方法在一定程度上都有反映地殼應(yīng)力應(yīng)變場的時空分布。黃福明等[1]，對1955年以來，全國31次強震事件與其對應(yīng)的地震視應(yīng)變異常區(qū)的時空演化，加以對比表明，強震發(fā)生前1～5年的時間范圍內(nèi)，地震視應(yīng)變異常區(qū)與強震事件發(fā)生區(qū)存在較好的對應(yīng)關(guān)系。于 萍[2]研究了1970 年以來，湖南地區(qū)的地震視應(yīng)變場的分布和時空演化特征得出，ML4以上地震的視應(yīng)變與地震具有較好的對應(yīng)關(guān)系，且隨震級的增加呈非線性快速增大。

1 方法介紹

1.1 地震視應(yīng)變的概念及計算方法

地震視應(yīng)變作為震源區(qū)平均剪切應(yīng)變下限的估計，反映了地震發(fā)生時彈性應(yīng)變的相對釋放水平，表征了震源區(qū)的應(yīng)變場環(huán)境、地震視應(yīng)變的空間分布，也反映了地震釋放應(yīng)變的水平，表征了震源區(qū)的應(yīng)變場環(huán)境，即大量地震視應(yīng)變的空間分布也反應(yīng)地震應(yīng)變場的基本性狀。地震視應(yīng)變的定義為：

δ=ES/M0，

(1)

式中：ES為地震波輻射能量；M0為地震矩。ES和M0可以通過地震波形的分析和反演得到。對于一個單位面積的斷層面，地震視應(yīng)變在一定程度上具有能量釋放率的意義，地震視應(yīng)變也反映了地震斷層應(yīng)力強度因子的大小，能量釋放率越高，裂紋擴展力也越大。

1.2 地震波能量與震級關(guān)系

古登堡1945年提出了地震波能量和震級的關(guān)系：

lgES=aM+b。

(2)

不同學(xué)者根據(jù)不同的地區(qū)得出不同的a、b值。王輝等[3]根據(jù)NEIC寬頻帶輻射能量和中國大陸地震實際情況，擬合出了地震震級和地震波能量之間的關(guān)系：

lgES=1.53(±0.03)MS+4.04(±0.20)。

(3)

1.3 地震矩

地震矩是描述地震震源的物理量， 其中包含了許多地震震源信息， 對巖石圈中的力學(xué)性質(zhì)和狀態(tài)的分析，可獲得最直接的信息和重要的約束作用。王輝等[3]采用最小二乘法，利用哈佛大學(xué)發(fā)表的CMT結(jié)果，擬合出適合中國大陸地區(qū)的標(biāo)量地震矩M0與面波震級MS的統(tǒng)計關(guān)系：

logM0=A+BMS，

(4)

式中：A、B為擬合系數(shù)(見表1)。

表1 標(biāo)量地震矩與中國地震目錄面波震級的統(tǒng)計關(guān)系[3]

晉冀蒙三省交界區(qū)位于山西斷陷帶和河套斷陷帶交匯部位，隸屬華北地塊。華北地區(qū)的A、B值分別取12.29、0.93。

1.4 震級換算

在計算地震波能量ES和地震矩M0時，用到的是面波震級MS。文中所采用地震目錄的震級為近震震級ML，所以，需要把近震震級ML換算成面波震級MS。

MS=1.13ML-1.08。

(5)

運用地震學(xué)資料，把式(5)結(jié)果代入式(3)、(4)，然后把上兩個公式的計算結(jié)果代入式(1)，即可求得視應(yīng)變δ。

2 資料選取

研究所用的地震資料，取自中國地震臺網(wǎng)中心編輯的《中國臺網(wǎng)地震目錄》，震級為ML，范圍為2.0～5.0。以3年為窗口、1年與0.25平方度為時空步長，研究范圍選取北緯38°～42°，東經(jīng)110°～116°。為便于定量研究與識別判定，每個0.25平方度內(nèi)，地震視應(yīng)變δ取0.3×10-7作為該地區(qū)的地震視應(yīng)變異常邊界值，從孕震角度考慮，若相鄰2次強震發(fā)生的時間間隔較短，而且距離較近，則2次地震視應(yīng)變異常區(qū)可以重疊或相連。把1970年以來，多次5級以上中強地震以4次記，相鄰2次或多次中強震震級以最大震級記(見表2)。

表2 1970年至1999年晉冀蒙三省交界4次中強地震事件

3 地震視應(yīng)變演化分析

3.1 內(nèi)蒙古和林格爾6.3級地震

1976年4月6日，內(nèi)蒙古和林格爾發(fā)生6.3級地震，震前地震視應(yīng)變異常變化及演化過程如第7頁圖1所示。1973年至1976年，地震視應(yīng)變總趨勢處于遞增—遞減狀態(tài)，1973年形成3個異常區(qū)，即和林格爾北部的呼和浩特附近，中心值為10×10-7；內(nèi)蒙古清水河附近，中心值為24×10-7；山西天鎮(zhèn)縣，中心值18×10-7，異常區(qū)外包絡(luò)線距震中和林格爾分別約77 km、35 km、126 km。1974年，清水河異常區(qū)消失，呼和浩特異常區(qū)略向南遷，異常區(qū)范圍擴展到山西省左云、右玉地區(qū)。天鎮(zhèn)異常區(qū)位置無變化，中心值下降到10×10-7。1975年，呼和浩特異常區(qū)向右玉縣以東移動，中心值下降到4×10-7，天鎮(zhèn)異常區(qū)繼續(xù)維持。1976年，呼和浩特異常區(qū)迅速擴大，異常中心遷移到距震中約50 km的和林格爾北部，天鎮(zhèn)視應(yīng)變異常區(qū)消失。

以上表明，和林格爾6.3級地震前，高視應(yīng)變異常形成在震前3年，地震發(fā)生在其中一異常區(qū)內(nèi)(呼和浩特異常區(qū))，地震視應(yīng)變值處于遞增—遞減狀態(tài)。

“大同震情窗口”(以下簡稱 “大同窗”)作為晉冀蒙三省交界區(qū)應(yīng)力敏感區(qū)，自提出以來，一直受地震工作者的關(guān)注，并且做了許多研究工作，“大同窗”小震活動頻度的變化與一定范圍內(nèi)中強震的對應(yīng)關(guān)系，已經(jīng)被許多地震學(xué)者所認(rèn)同。“大同窗”異常區(qū)形成于1973年(震前3年)，1974年中心值下降，1975年繼續(xù)維持，1976年異常區(qū)消失，整個演化過程中，異常區(qū)面積變化不大。

3.2 內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)5.8級地震

1981年8月13日，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)發(fā)生了5.8級地震，地震視應(yīng)變異常變化及演化過程如第8頁圖2所示。1977年至1981年，地震視應(yīng)變總趨勢處于遞增—維持—發(fā)震狀態(tài)，震前先后形成2個異常區(qū)，一個位于內(nèi)蒙古和林格爾附近，于1977年形成，中心值為3×10-7，此異常區(qū)受1976年4月6日內(nèi)蒙古和林格爾6.3級地震及1981年8月13日內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)5.8級地震孕育的雙重影響，中心值由1976年的2.7×10-7上升到1977年的3.0×10-7，但仍維持和林格爾6.3級地震前1年的異常區(qū)面積。1978年，6.3級地震的影響消失，內(nèi)蒙古和林格爾異常區(qū)逐漸減弱，并向內(nèi)蒙古集寧方向遷移，1980年異常區(qū)遷移完成，異常持續(xù)到發(fā)震；另一個異常區(qū)位于山西大同市大同縣，形成于1978年，中心值為18×10-7，異常區(qū)外包絡(luò)線距震中內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)約5 km。1979年，該異常區(qū)向南北2個方向擴散，中心值降為11×10-7。1980年，異常區(qū)停止向南擴散，繼續(xù)向北邊的陽高天鎮(zhèn)一帶擴散，異常面積增加了近一倍，中心值無變化。1981年異常區(qū)消失后發(fā)震。

以上表明，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)5.8級地震前，高視應(yīng)變異常區(qū)形成在震前4年多，地震發(fā)生在大同縣異常區(qū)的外包絡(luò)線上?！按笸啊痹诖舜蔚卣鹎?，積極參與了該地震的孕育變化，于震前3年半(1978年)形成，并于1979年至1980年向震中方向擴散，直到和震中位置連接成一體，1981年異常區(qū)消失后發(fā)震。

圖1 1973年至1976年晉冀蒙三省交界區(qū)地震視應(yīng)變演化

3.3 山西大同—陽高6.1級地震序列

1989年至1991年，山西大同—陽高發(fā)生了多次5級以上中強地震，發(fā)震時間間距短，震中位置相近，因此，整個地震序列的地震視應(yīng)變異常區(qū)是重合的，震前晉冀蒙三省交界區(qū)地震視應(yīng)變異常變化及演化過程如第9頁圖3、第10頁圖4所示。1984年至1989年，地震視應(yīng)變總趨勢處于增強—減弱—增強—發(fā)震狀態(tài)，最早的異常區(qū)形成于1984年，中心位于河北張北與張家口交界，中心值為14×10-7。1985年，異常區(qū)面積沒有變化，異常區(qū)中心值減小為7×10-7。1986年至1987年，異常區(qū)逐漸減弱，并向山西大同—陽高老震區(qū)遷移。1988年，形成2個視應(yīng)變異常區(qū)，一個位于山西大同—陽高老震區(qū)，中心值為8×10-7；另一個位于河北涿鹿附近，中心值為3×10-7，異常區(qū)外包絡(luò)線距震中內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)約90 km。1989年，河北涿鹿附近異常區(qū)面積沒有變化，中心值上升為4×10-7，之后兩年，視應(yīng)變值下降幅度較大，此異常區(qū)很可能是受1991年大同陽高地震孕育的影響形成。1989年，震中附近的大同—陽高老震區(qū)異常區(qū)視應(yīng)變值由上一年的8×10-7下降到1×10-7。1990年，大同縣異常區(qū)幾乎解體并隨之發(fā)震，震中位于山西大同—陽高老震區(qū)異常區(qū)內(nèi)。

1991年，上述2個異常區(qū)全部解體(見第10頁圖4)，標(biāo)志著1991年大同—陽高地震序列的孕育結(jié)束，同年10月形成的渾源—靈丘一帶異常區(qū)，視應(yīng)變值較低，在后續(xù)的幾年也沒有新的發(fā)展，1992年解體，認(rèn)為可能是1991年大同—陽高地震后應(yīng)力的調(diào)整所致。

“大同窗”在此次地震序列前，仍是相對高視應(yīng)變異常區(qū)，處于增強—減弱狀態(tài)，異常區(qū)形成于震前1年，地震發(fā)生在異常區(qū)。

3.4 河北尚義6.2級、河北張北5.6級、山西大同—陽高5.6級地震

1998年至1999年，晉冀蒙三省交界區(qū)相繼發(fā)生了河北尚義6.2級、河北張北5.6級、山西大同—陽高5.6級3次中強地震。1992年至1994年，晉冀蒙三省交界區(qū)沒有形成異常區(qū)(圖略)。相對高視應(yīng)變異常區(qū)于1995年形成(見第10頁圖5)，位于山西朔州市山陰縣附近，異常區(qū)中心值為4×10-7，1996年，異常區(qū)開始向東北方向遷移，異常區(qū)中心值幾乎不變。1997年，遷移到河北涿鹿附近，異常區(qū)中心值為7×10-7。

圖2 1977年至1981年晉冀蒙三省交界區(qū)地震視應(yīng)變演化

1998年，繼續(xù)向河北張北、尚義方向遷移，異常區(qū)中心值降為3.6×10-7，并一直持續(xù)到1999年11月1日大同—陽高5.6級地震后。

總之，1998年至1999年期間，晉冀蒙三省交界視應(yīng)變高異常區(qū)同時又是震源區(qū)，異常區(qū)形成于震前3年，從1995年至1999年總的趨勢分析， 地震視應(yīng)變處于增強—維持—減弱—發(fā)震狀態(tài)(見第10頁圖5、第11頁圖6)。

4 結(jié)論與討論

通過以上分析，認(rèn)為：

(1) 晉冀蒙三省交界地區(qū)1970年至1999年的多次中強地震前，地震視應(yīng)變異常與中強地震具有較為理想的對應(yīng)關(guān)系。

(2) 異常區(qū)距震中區(qū)距離與異常區(qū)形成時間無明顯相關(guān)關(guān)系，異常區(qū)多形成于震前3年，最早的形成于震前5年，最晚的形成于震前1年，隨著時間的推移，異常區(qū)表現(xiàn)出擴散或向特定方向(震源方向)遷移的特征(見第10頁表3)。

圖3 1984年至1989年晉冀蒙三省交界區(qū)地震視應(yīng)變演化

(3) 地震主要發(fā)生在以下幾個部位：視應(yīng)變高異常區(qū)、視應(yīng)變異常遷移區(qū)、視應(yīng)變遷移的方向。

(4) 晉冀蒙三省交界區(qū)震前地震視應(yīng)變演化模式有：增強—減弱—發(fā)震、增強—減弱—遷移—發(fā)震、增強—減弱—消失—增強—發(fā)震、增強—減弱—維持—發(fā)震(見第10頁表3)。

(5) 每次中強地震前，“大同窗”積極參與，必是異常區(qū)，視應(yīng)變演化模式有：增強—維持—消失—發(fā)震、增強—減弱—發(fā)震、增強—維持—減弱—發(fā)震(見第10頁表3)。

圖4 1990年至1991年晉冀蒙三省交界區(qū)地震視應(yīng)變演化

圖5 1995年至1996年晉冀蒙三省交界區(qū)地震視應(yīng)變演化

表3 晉冀蒙三省交界區(qū)地震視應(yīng)變異常特征

圖6 1997年至1999年晉冀蒙三省交界區(qū)地震視應(yīng)變演化

參考文獻：

[1] 黃福明，易志剛.地震視應(yīng)變場的演化與強震發(fā)生地區(qū)的關(guān)系[J].地震學(xué)報,2000,22(6):577-587.

[2] 于 萍.湖南地震視應(yīng)變與地震的對應(yīng)關(guān)系分析[J].華南地震,2001,31(1):120-125.

[3] 王 輝，張國民，江在森，等.利用多種地震學(xué)參數(shù)研究中國大陸地殼應(yīng)變場[J].地震,2005,25(2):9-18.