贛南及鄰區(qū)視應力時空特征分析

湯蘭榮 曾新福 郭雨帆 余 思 唐婷婷 王甘嬌

1 江西省防震減災與工程地質災害探測工程研究中心，南昌市廣蘭大道418號，330013

近年來，視應力研究已成為地震趨勢分析的重要方法，可為地震危險性判定提供依據(jù)。許多學者對區(qū)域中小地震視應力的時空特征進行了分析。李發(fā)等[1]計算得到郯廬斷裂帶南段及鄰區(qū)中小地震的視應力平均值為0.20 MPa，多次中強地震前視應力都出現(xiàn)高值；孫業(yè)君等[2]計算得到江蘇及鄰區(qū)地震的視應力均值為0.91 MPa；蔡杏輝[3]計算得到仙游地區(qū)地震的視應力均值為0.16 MPa，認為其視應力變化經歷了前期積累-震前突跳-主震異常高值-震后恢復的過程；戴苗等[4]研究認為，2013年湖北巴東5.1級地震發(fā)生在視應力高值區(qū)域。對于視應力與震級的關系，多數(shù)研究認為視應力具有隨震級增大而變大的趨勢。

贛南及鄰區(qū)構造斷裂縱橫交錯，為中強地震多發(fā)區(qū)。歷史上共記錄到4.7級以上地震13次，最大為1806年會昌南6.0級地震，最近一次為1987-08-02尋烏5.5級地震，至今已有34 a未發(fā)生4.7級以上地震，因此對現(xiàn)階段該地區(qū)中強地震的危險性進行分析具有重要意義。對于贛南及鄰區(qū)，針對數(shù)字地震波形資料開展的研究較少，在視應力研究方面缺乏系統(tǒng)性分析。本文對2009年以來贛南及鄰區(qū)ML≥1.8地震進行視應力計算，研究視應力的時空特征，并對b值進行分析，為該區(qū)地震趨勢判定提供參考依據(jù)。

1 資料選取和計算方法

本研究區(qū)主要的控震斷裂帶為石城-尋烏斷裂帶、政和-大埔斷裂帶和全南-尋烏斷裂帶，歷史上中強地震主要分布在贛粵交界和贛閩交界附近。2009-01～2020-12研究區(qū)共發(fā)生ML≥1.5地震495次，其中ML2.0～2.9地震182次，ML3.0～3.9地震13次，ML4.0以上地震1次。選取249次信噪比較高的ML≥1.8、震中距在30～200 km范圍內的地震波形資料進行計算，每個地震至少有4個以上臺站的波形記錄，以保證計算結果的可靠性。本文計算使用的資料由國家數(shù)字測震臺網數(shù)據(jù)備份中心提供[5]，使用江西、福建和廣東區(qū)域臺網記錄的波形資料。

地震視應力計算公式為[6]：

(1)

式中，μ為剪切模量，Es和M0分別為地震輻射能量和標量地震矩。在頻率域，對臺站記錄的地震資料進行場地響應、儀器響應、幾何擴散、路徑衰減、震源輻射方向性因子校正，采用Brune模型獲得低頻波譜振幅極限、拐角頻率等固有參數(shù)，進而得到視應力，具體計算原理見文獻[7-8]。

2 結果分析

2.1 視應力與震級關系

研究視應力與震級的關系，有利于在時空變化分析時更好地考慮震級因素，將震級的影響程度降至最低。計算表明，249次地震發(fā)生在2009-03～2020-12，震級范圍為ML1.8～4.0，視應力值在0.002～2.070 MPa之間，平均值為0.152 MPa，限于篇幅，表1僅列出ML≥3.0地震視應力值。其中，ML1.8～1.9地震81次，視應力平均值為0.044 MPa；ML2.0～2.9地震154次，視應力平均值為0.156 MPa，與所有ML≥1.8地震的視應力均值0.152接近；ML3.0～3.9地震13次，視應力平均值為0.710 MPa；ML4.0地震1次，視應力值為1.100 MPa。從圖1和2可以看出，視應力隨著震級增大而增大。對視應力與震級的關系進行擬合，得到定量關系式為lgσapp=0.88ML-3.07，相關系數(shù)為0.67。

表1 ML≥3.0地震視應力值

圖1 視應力與震級關系Fig.1 The relationship between apparent stress and magnitude

圖2 視應力均值與震級關系Fig.2 The relationship between average value of apparent stress and magnitude

2.2 視應力時間變化特征

圖3(b)為249次ML≥1.8地震視應力隨時間的變化情況，通過震級對比發(fā)現(xiàn)，視應力的波動與震級關系密切。由于視應力與震級呈正相關，為盡可能消除震級的影響，選取樣本數(shù)最多、視應力均值最接近所有ML≥1.8地震均值的ML2.0～2.9地震進行分析，結果見圖4(b)。從圖中可以看出，2009年以來5次ML≥3.5地震(去余震)中有3次地震在震前出現(xiàn)明顯高值。視應力最高值出現(xiàn)在2017-08-12，隨后發(fā)生2017-11-06尋烏ML3.8震群，該震群共發(fā)生地震68次，其中ML1.0～1.9地震46次，ML2.0～2.9地震11次，ML3.0～3.9地震5次，是2009年以來贛南及鄰區(qū)最顯著的地震事件。2015-12-08廣東龍川ML3.5地震和2016-10-31廣東蕉嶺ML4.0地震前也出現(xiàn)高值波動，表明顯著地震發(fā)生前震源區(qū)應力水平有所增強。2019年之后贛南及鄰區(qū)ML2.0～2.9地震視應力無明顯高值波動。

圖3 震級和視應力隨時間變化(ML≥1.8)Fig.3 Variation of magnitude and apparent stress with time (ML≥1.8)

圖4 震級和視應力隨時間變化(ML2.0～2.9)Fig.4 Variation of magnitude and apparent stress with time (ML2.0～2.9)

2.3 視應力空間分布特征

選取樣本數(shù)最多、視應力均值接近所有ML≥1.8地震均值的ML2.0～2.9地震進行分析，對高于均值0.15 MPa的視應力進行空間分布分析，結果見圖5，圖中地震為2009～2020年區(qū)域內發(fā)生的ML≥3.0地震。從圖中可以看出，視應力高值主要分布在信豐-龍南、尋烏-武平、平遠-蕉嶺、和平-龍川及寧都、大埔等地區(qū)，ML≥3.0地震均發(fā)生在視應力高值區(qū)內或高低值分界線附近。其中，2014-01-18廣東平遠ML3.0、2016-10-31廣東蕉嶺ML4.0、2017-11-06江西尋烏ML3.8、2018-11-04江西安遠ML3.1、2020-04-28江西安遠ML3.3和2020-08-12江西上猶ML3.8地震均發(fā)生在高值異常區(qū)內，其他ML≥3.0地震發(fā)生在高低值分界線附近，表明高值異常區(qū)及高低值分界附近需要密切關注。

圖5 ML2.0～2.9地震視應力空間分布Fig.5 Spatial distribution of apparent stress with ML2.0～2.9 earthquakes

2.4 b值空間分布特征

1978年以來研究區(qū)具有較好的監(jiān)測能力，選用1978-01～2020-12ML≥1.0地震進行震級-頻度擬合，結果見圖6。從圖中可以看出，ML≥2.0地震記錄較為完整，因此確定最小完整性震級MC為ML2.0。利用ML≥2.0地震進行震級-頻度擬合，擬合結果總體滿足線性關系，4級左右地震偏少，5級左右地震偏多，得到的b值為0.78，該值可視為研究區(qū)的平均b值。

圖6 贛南及鄰區(qū)ML≥1.0地震震級-頻度分布Fig.6 The frequency-magnitude distribution with ML≥1.0 earthquakes in southern Jiangxi and its adjacent area

利用1978-01～2020-12ML≥2.0地震進行b值空間分布計算，具體計算方法為[9]：以0.1°×0.1°間距對研究區(qū)進行網格化，挑選出以每個網格節(jié)點為圓心、半徑為r的圓形統(tǒng)計單元內的地震；確定統(tǒng)計單元內能滿足整個研究時段的最小完整性震級MC，然后利用最小二乘法由各單元震級M≥MC的地震資料計算出公式lgN=a-bM中的b值，將其作為相應單元中心點(即網格節(jié)點)的計算值，進而獲得b值空間分布。計算時震級分檔間隔取0.1，每個統(tǒng)計單元內地震樣本數(shù)不少于30，參與擬合的有效震級分檔數(shù)不低于5檔。統(tǒng)計單元半徑r值取20 km，對于地震分布較稀疏的局部區(qū)域可擴大r值，最大不超過40 km。對低于研究區(qū)平均值的b值進行繪圖[10]，結果見圖7，可以看出，低b值主要分布在全南-定南、尋烏-安遠、會昌-武平、蕉嶺-連城和寧都等地，圖中地震為2009-01～2020-12區(qū)域內發(fā)生的ML≥3.0地震，多數(shù)地震發(fā)生在低b值區(qū)或其邊緣附近。

圖7 贛南及鄰區(qū)b值空間分布Fig.7 Spatial distribution of b-value in southern Jiangxi and adjacent areas

結合圖5可知，低b值區(qū)域與視應力高值區(qū)分布較為接近，兩者重合的區(qū)域有寧都-石城、定南-和平、尋烏-武平、蕉嶺-永定、安遠和大埔等，這些區(qū)域可為未來地震危險性分析提供參考依據(jù)。

3 結 語

本文對贛南及鄰區(qū)2009-01～2020-12ML≥1.8地震的視應力和1978-01～2020-12ML≥2.0地震的b值進行分析，得到以下結論：

1)249次ML≥1.8地震的視應力均值為0.152 MPa，低于江蘇及鄰區(qū)561個ML≥1.5中小地震的視應力均值0.91 MPa[2]，也低于魯東地區(qū)中小地震的視應力均值0.31 MPa[11-12]，與郯廬斷裂帶南段及鄰區(qū)中小地震的視應力均值0.20 MPa接近[1]，也與仙游地區(qū)的視應力均值0.16 MPa接近[3]。表明研究區(qū)的視應力值與周邊地區(qū)相差較小，低于地震活動水平相對更高的江蘇和魯東等地區(qū)；地震活動水平較高的地方往往視應力值較高，視應力值能較好地反映區(qū)域應力水平。ML1.8～1.9地震的視應力均值為0.044 MPa，ML2.0～2.9地震的視應力均值為0.156 MPa，ML3.0～3.9地震的視應力均值為0.710 MPa，ML4.0地震的視應力值為1.100 MPa，其中ML2.0～2.9地震的視應力均值與所有ML≥1.8地震的均值0.152 MPa接近。視應力與震級呈正相關關系，且隨震級的增大而增大。

2)ML2.0～2.9地震的視應力隨時間的變化結果顯示，5次ML≥3.5地震(去余震)中有3次地震在震前出現(xiàn)高值異常。視應力最高值出現(xiàn)在2017-08-12，隨后發(fā)生2017-11-06尋烏ML3.8震群，2015-12-08廣東龍川ML3.5和2016-10-31廣東蕉嶺ML4.0地震前也出現(xiàn)高值波動，表明震群發(fā)生前震源區(qū)應力水平有所增強。2019～2020年ML2.0～2.9地震前視應力無明顯高值波動。

3)ML2.0～2.9地震的視應力空間分布顯示，高值主要分布在信豐-龍南、尋烏-武平、平遠-蕉嶺、和平-龍川及寧都、大埔等地區(qū)，ML≥3.0地震均發(fā)生在視應力高值區(qū)及高低值分界附近。該結論與岳曉嬡等[13]對首都圈中強地震前后視應力時空演化過程的研究和王寧等[14]對唐山MS5.1地震前后視應力變化的研究結果相似，表明對于發(fā)震地點來說，高值異常區(qū)及高低值分界附近需要密切關注。

4)對1978～2020年研究區(qū)ML≥1.0地震進行震級-頻度擬合，得到的最小完整性震級MC為ML2.0，利用ML≥2.0地震進行震級-頻度擬合得到的b值為0.78，該值可視為研究區(qū)平均b值。研究區(qū)b值低于平均值的區(qū)域主要分布在全南-定南、尋烏-安遠、會昌-武平、蕉嶺-連城和寧都等地區(qū)，2009年以來區(qū)域內發(fā)生的ML≥3.0地震多數(shù)發(fā)生在低b值區(qū)或其邊緣附近。低b值區(qū)域與視應力高值區(qū)分布較為接近，兩者重合的區(qū)域有寧都-石城、定南-和平、尋烏-武平、蕉嶺-永定、安遠和大埔等地區(qū)，反映出較高的地震活動水平及地殼應力狀態(tài)，可為未來地震危險性分析提供參考依據(jù)[15]。

致謝:本文所用程序由浙江省地震局朱新運研究員和四川省地震局易桂喜研究員提供，中國地震局地球物理研究所國家數(shù)字測震臺網數(shù)據(jù)備份中心為本文提供地震波形數(shù)據(jù)，在此表示感謝。