美國南加州地區(qū)1981—2011年MW≥6.0地震前發(fā)震應力場與構(gòu)造應力場趨于一致現(xiàn)象研究*

韓曉明 榮代潞

1) 中國呼和浩特010010內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局 2) 中國蘭州730000中國地震局蘭州地震研究所

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美國南加州地區(qū)1981—2011年MW≥6.0地震前發(fā)震應力場與構(gòu)造應力場趨于一致現(xiàn)象研究*

1) 中國呼和浩特010010內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局 2) 中國蘭州730000中國地震局蘭州地震研究所

定義了“P軸分布集中度”， 用以研究中強地震前中小地震震源機制變化． 利用美國南加州地區(qū)1981—2011年地震的震源機制解資料, 分析了該地區(qū)8次MW≥6.0地震前由小震震源機制求得的發(fā)震應力場P軸的集中情況． 結(jié)果表明， 其中7次地震前均觀察到了“P軸分布集中度”值具有極小值， 即小震發(fā)震應力場P軸向區(qū)域構(gòu)造應力場主壓應力的集中現(xiàn)象， 為中強震預測提供了一種方法．

P軸分布集中度 震源機制解 美國南加州地區(qū) 發(fā)震應力場

引言

大震前震源區(qū)一定范圍的小震震源機制趨于一致作為一種前兆現(xiàn)象得到了廣泛關(guān)注(陳颙， 1978； 刁桂苓， 于新昌， 1980， 1982； 刁桂苓等， 1994)． 萬永革(2008)以及Wan和Sheng(2009)利用美國南加州地區(qū)的震源機制資料， 采用Kagan(2007)提出的四元素法中計算兩個地震位錯模型之間差別的三維空間旋轉(zhuǎn)角的方法， 分別研究了以1992年LandersMW7.3和1999年Hector MineMW7.1地震矩心為圓心的圓形區(qū)域內(nèi)的地震震源機制相對于主震震源機制平均空間旋轉(zhuǎn)角的變化．

地震震源機制是指震源區(qū)在地震發(fā)生時的力學過程． 由震源機制解可以得到發(fā)震應力場(即P軸、T軸和B軸)， 其受區(qū)域構(gòu)造應力場的控制． 雖然地震震源機制解得到的發(fā)震應力場的主壓應力P軸統(tǒng)計平均與構(gòu)造應力方向并不完全一致(Yamakawa， 1971)， 但一定區(qū)域范圍內(nèi)大震(特別是M≥7.0大震)的發(fā)震應力場主壓應力(P軸)的優(yōu)勢方向則可認為與該地區(qū)的構(gòu)造應力場主壓應力方向大體一致． 大震前震源區(qū)小震震源機制趨于一致實質(zhì)上是在區(qū)域構(gòu)造應力場的作用下， 震源區(qū)一定范圍的應力集中過程． 由于震源區(qū)斷層構(gòu)造的復雜性， 使發(fā)生的中小地震的震源機制解也呈現(xiàn)復雜性， 不同小震的震源機制解(斷層面走向、 傾角和滑動角)可以有相同的發(fā)震應力場主壓應力主軸． 因此， 研究由震源機制解得到的小震發(fā)震應力場主壓應力主軸的集中過程可以更直接地體現(xiàn)主震發(fā)生前震源區(qū)的應力集中過程． 王俊國和刁桂苓(2005)構(gòu)造震源機制一致性參數(shù)， 研究了千島島弧大震前哈佛大學矩心矩張量解的一致性， 提出用震源機制與構(gòu)造應力場的一致性進行地震預測的思路． 雖然該文只利用了該地區(qū)MW≥5.2的地震資料， 也沒有研究每次MW≥7.5地震前震源機制一致性參數(shù)變化的時間進程． 但是從該文中也可以看出， 千島島弧地區(qū)MW≥5.2地震的發(fā)震應力場中，T軸比較分散， 但其所對應的P軸卻相對集中(見該文中圖4)． 這使我們有理由嘗試僅用P軸分布的一致性來研究大震前震源機制的集中現(xiàn)象． 榮代潞(2014)曾利用祁連山中東段地區(qū)布設(shè)的數(shù)字地震臺網(wǎng)獲得的多年小震震源機制解資料， 研究了該地區(qū)兩次中強地震前小震發(fā)震應力場主壓應力P軸的集中情況．

本文將利用Yang等(2012)給出的1981—2011年美國南加州地區(qū)的地震震源機制解資料， 研究在該區(qū)域發(fā)生的MW≥6.0地震前震源區(qū)一定范圍內(nèi)小震發(fā)震應力場主壓應力主軸的集中情況, 試圖發(fā)現(xiàn)中強地震前小震震源機制解所表現(xiàn)出的前兆現(xiàn)象， 為中強震預測提供一種可能的方法.

1 資料和參數(shù)選擇

從Yang等(2012)的地震目錄中挑選出MW≥6.0地震8次． 對于這8次地震的參數(shù)， 不同數(shù)據(jù)來源不盡相同(Freedetal， 2007； Global CMT， 2012; Yangetal， 2012)， 我們選用哥倫比亞大學全球矩心矩張量解目錄(Global CMT， 2012)給出的地震參數(shù)， 如表1所示， 其震中分布見圖1．

表1 本文所選取的8次MW≥6.0地震參數(shù)(引自Global CMT， 2012)

注： 震中位置參考了Freed 等(2007)結(jié)果, 發(fā)震應力場數(shù)據(jù)根據(jù)斷層面解計算得出．

圖1 本文所選取的1981—2011年美國南加州地區(qū)MW≥6.0地震分布 (據(jù)Global CMT， 2012). 圖中地震編號與表1中編號相對應

選擇主震發(fā)生前5年為起始時間， 以主震震中為圓心, 分別以250， 200， 150， 100 和50 km為半徑選取Yang等(2012)一文中的小震震源機制解資料．

Yang等(2012)的地震目錄中的震源機制解是利用臺站記錄的初動符號與振幅比(S/P)得出的， 因此， 小地震震源機制解的可靠性相對較低. 另外， 由于所利用的地震記錄的完備性也會影響統(tǒng)計的精確度， 所以我們對每一次主震均利用古登堡公式檢查該地震目錄的完備性． 結(jié)果表明： 表1中1—7號地震記錄的完備性較好， 最小震級取為M1.5； 8號地震的最小震級取為M2.0．

2 分析方法

本文采用由地震震源機制解計算得出的發(fā)震應力場的P軸方位角作為分析的目標參數(shù)， 分析中未考慮P軸的仰角. 對于仰角不為零的P軸， 可以理解為P軸在水平面的投影． 由于P軸可向兩個方向延伸， 因此可將位于相差180°方向的P軸視為同一方向． 具體處理時， 若某一地震P軸方位角φ1=30°， 另一地震P軸方位角φ2=215°， 在考慮向NE向主壓應力方向φ0=5°集中時，φ1與φ0的夾角取α1=25°，φ2與φ0的夾角取α2=30°， 如圖2所示．

圖2 計算“P軸分布集中度”的示意圖Fig.2 The schematic diagram for calculating the concentration ratio of P axis distribution

在前人研究的基礎(chǔ)上， 本文定義了一種新的參數(shù)“P軸分布集中度”， 用以研究主震前小震發(fā)震應力場的動態(tài)變化， 旨在探索一種較為簡單直觀的震前小震發(fā)震應力場變化的分析方法．

由一次地震的震源機制解得到的應力場(P軸，T軸等)為該地震的發(fā)震應力場， 其與構(gòu)造應力方向并不完全一致， 通常受構(gòu)造應力場和區(qū)域構(gòu)造控制． 由于應力場大小的絕對值測定比較困難， 因此目前研究大多集中在應力場方向的變化上， 認為大震前小震震源機制趨近主震震源機制的現(xiàn)象， 在一定程度上代表了應力方向集中于產(chǎn)生主震破裂的應力方向上． 以往通常使用的P軸分布玫瑰圖只能表示P軸方位的空間分布， 并不能顯示P軸的動態(tài)變化， 即在孕震過程中P軸方位隨時間的變化． 本文所定義的新參數(shù)“P軸分布集中度”， 則可用以研究主震前小震發(fā)震應力場的動態(tài)變化．

眾所周知， 在數(shù)學中一組數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)集)的標準差能反映該數(shù)據(jù)集的離散程度． 借用這一概念， 對于選定的第i個地震序列和一個應力場方向(可以是主震發(fā)震應力場的主壓應力場， 或是構(gòu)造應力場)， 計算該地震序列中每次地震P軸方位角與給定應力場方向之差(圖2)， 從而構(gòu)成一個數(shù)據(jù)集． 該數(shù)據(jù)集的標準差即反映其離散程度, 具體計算公式為

(1)

對于不同的地震序列， 其所構(gòu)成的數(shù)據(jù)集的平均值是不同的． 為消除不同平均值的影響， 使用標準差與平均值的比值， 即所謂的“相對標準差”定義本文的“P軸分布集中度”：“P軸分布集中度”c值越小， 表示小震震源機制發(fā)震應力場P軸向給定的應力場方向集中的程度越高．

圖3 “P軸分布集中度”ci的時間演化分析示意圖Fig.3 The schematic diagram for temporal evolution of “concentration ratio of P axis distribution” ci

(2)

計算“P軸分布集中度”的空間窗為主震震中周圍一定半徑的圓形區(qū)域， 時間演化用下面的方法計算(圖3)． 選取地震序列的時間間隔始于主震發(fā)震時刻， 向前止于某一時刻； 然后使用一個按一定步長移動的滑動時間窗． 我們參照Z?ller等(2001)選取滑動時間窗的方法， 沒有固定時間窗的長度， 而是使用包含相同數(shù)量地震的時間窗． 本文中每一個時間窗包含100次地震， 按20次地震的步長滑動． 對于某些主震由于在空間窗內(nèi)半徑較小(50km)， 所包含的地震較少， 則選取時間窗包含60次地震， 滑動步長為10次地震． 計算結(jié)果表明， 即使時間窗和滑動時間窗所包含的地震數(shù)目發(fā)生變化， 其結(jié)果也是相對穩(wěn)定的．

由此形成一個主震前小震震源機制“P軸分布集中度”ci隨時間變化的序列． 這里順便指出， 由于用地震次數(shù)來定義時間窗， 因而在時間軸上ci的分布是不均勻的．

在以往關(guān)于大震前地震震源機制集中的討論中， 一些觀點認為震源機制集中于主震震源機制， 另一些觀點則認為震源機制集中于區(qū)域構(gòu)造應力場． 在一些情況下這二者是一致的， 但也存在主震震源機制得到的發(fā)震應力場與區(qū)域構(gòu)造應力場相差較大的情況． 本文中除了分析震源機制集中于主震的發(fā)震應力場外， 同時也分析震源機制集中于構(gòu)造應力場的情況， 以期得到較為明確的結(jié)論．

圖4 美國南加州地區(qū)MW≥6.0地震的P軸分布空心圓代表地震P軸， 星形代表表1中所列的地震， 數(shù)字代表地震編號Fig.4 P axis distribution of the earthquakes with MW≥6.0 in southern California Open circles represent P axis of the earthquakes, solid circles represent the earthquakes in Table 1, and the figures show the serial number of earthquakes

3 美國南加州地區(qū)構(gòu)造應力場

一些研究利用發(fā)生的大地震研究了美國南加州地區(qū)的構(gòu)造應力場(Hardebeck， Hauksson, 2001; Freedetal, 2007)． 雖然單次大震的發(fā)震應力場與區(qū)域應力場并不完全一致， 但是在某一區(qū)域發(fā)生的多次大地震的發(fā)震應力場優(yōu)勢方向與區(qū)域構(gòu)造應力場基本是一致的． 本文收集了研究區(qū)域MW≥6.0地震的震源機制解資料(Hardebeck， Hauksson, 2001; Freedetal, 2007; Globle CMT， 2012)， 得到其P軸分布， 如圖4所示．

圖4中玫瑰圖表示P軸的空間分布， 大致在350°—20°之間(圖中兩條直線所夾的區(qū)域)， 接近水平方向； 優(yōu)勢方向大致在355°—10°之間， 也就是說， 研究區(qū)的構(gòu)造應力場方向接近N--S方向的水平主壓應力方向．

4 計算結(jié)果

對于表1中所列的8次主震， 我們分別計算了以震中為圓心， 半徑為250， 200， 150， 100和50 km范圍內(nèi)， 從主震開始向前5年內(nèi)所發(fā)生的地震發(fā)震應力場的“P軸分布集中度”， 所給定的應力集中在主震發(fā)震應力場方向和7個區(qū)域應力場方向(350°, 355°, 0°, 5°, 10°, 15°， 20°), 結(jié)果如圖5—8所示． 表2列出了c值減小的時間段以及c值最小值距主震發(fā)生的時間.

從圖7可以看出， 6號地震主震前“P軸分布集中度”沒有出現(xiàn)明顯的極小值． 究其原因， 該地震發(fā)生在海邊， 而Yang等(2012)地震目錄中的震源機制解是利用臺站記錄的初動符號與振幅比(S/P)得出的， 因此我們可以推測， 該地震震源區(qū)及附近發(fā)生的小震由于記錄臺站分布的限制， 其震源機制解的可靠性可能受到質(zhì)疑． 當空間范圍擴大至250 km時， 包含了1992年發(fā)生的3次地震(3, 4和5號地震)， 因此“P軸分布集中度”出現(xiàn)了極小值， 如圖7中6號地震中黑色曲線和黑色箭頭所示．

圖5 美國南加州地區(qū)1號(左)和2號(右)地震“P軸分布集中度”計算結(jié)果

圖6 美國南加州地區(qū)3號(左)和4號(右)地震“P軸分布集中度”計算結(jié)果. 圖中說明同圖5

圖7 美國南加州地區(qū)5號(左)和6號(右)地震“P軸分布集中度”計算結(jié)果. 圖中說明同圖5

從給定的不同應力場P軸(主震的發(fā)震應力場P軸和NNE10°—20°)的計算結(jié)果可知， 7次地震對區(qū)域應力場P軸的優(yōu)勢方向均表現(xiàn)出明顯的集中， 其中3， 4和7號地震對主震發(fā)震應力場沒有明顯的集中現(xiàn)象， 究其原因可能是由于這3次地震的發(fā)震應力場P軸與區(qū)域應力場相差較大(分別為36°， 203°和201°)所致． 1號和2號地震發(fā)生在同一天且震中距相差很小， 其P軸走向相差不大(360°和357°)且與區(qū)域應力場優(yōu)勢方向基本一致， 故與主震應力場集中情況吻合較好． 而4號和5號地震雖也發(fā)生在同一天， 震中距約為35 km， 但其發(fā)震應力場相差較大(分別為203°和3°)， 所以與主震應力場的集中情況有較大差別． 5號地震的P軸與區(qū)域應力場基本一致， 故震前小震P軸對主震應力場集中的“P軸分布集中度”具有極小值． 由此我們可以得出結(jié)論， 主震前小震P軸集中實質(zhì)上是震源區(qū)的應力場在構(gòu)造應力場的作用下向區(qū)域構(gòu)造應力場集中．

圖8 美國南加州地區(qū)7號(左)和8號(右)地震“P軸分布集中度”計算結(jié)果. 圖中說明同圖5

表2 “P軸分布集中度”c值減小的時間段以及c值最小值距主震發(fā)生的時間

從圖5—8可以看到， 對于不同的空間半徑， 大多數(shù)情況下在c值出現(xiàn)極小值的時段， 不同空間半徑均同時出現(xiàn)極小值， 只是各極小值的大小有差別． 對于半徑為50 km的范圍， 可能由于有的主震地震數(shù)量較少， 其c值變化出現(xiàn)“異?！?， 即其可靠性較低． 不過從各個曲線的總體變化趨勢來看： 對于MW=6.0—6.5地震， 其“P軸分布集中度”c值減小最為明顯的區(qū)域范圍為100—150 km； 對于MW≥7.0地震， “P軸分布集中度”c值減小最為明顯的區(qū)域范圍為150—250 km. 這與地震越大, 可能的前兆范圍越大的認識是一致的.

本文研究的是MW≥6.0地震， 在圖5—8中對照“P軸分布集中度”與主震周圍地震的M-t圖可以發(fā)現(xiàn), 在一些MW5.0左右的地震前也有類似的“P軸分布集中度”出現(xiàn)極小值的情況， 例如1990年2月28日MW5.5地震， 如圖6中3號地震中黑色箭頭所示．

5 討論與結(jié)論

本文中所研究的美國南加州地區(qū)所發(fā)生的8次MW≥6.0地震中， 除6號地震外， 其余7次地震在主震前某段時間均出現(xiàn)了“P軸分布集中度”c值減小的現(xiàn)象，c值極小值出現(xiàn)在主震前半年至一年內(nèi)． 在c值極小值出現(xiàn)后， “P軸分布集中度”又逐漸增加， 直至主震發(fā)生． 這可能是由于c值極小值出現(xiàn)后研究區(qū)域發(fā)生的一些小震釋放了部分應力， 使應力集中程度有所降低的緣故．

綜上所述， 本文得出的初步結(jié)論如下：

1) 本文定義的“P軸分布集中度”能較好地反映主震前小震發(fā)震應力場P軸的集中情況， 且物理意義明確， 計算簡便；

2) 在美國南加州地區(qū)發(fā)生的幾次MW≥6.0地震前， 均觀察到“P軸分布集中度”具有極小值的現(xiàn)象， 這說明它可能是中強地震前所表現(xiàn)出的一種前兆現(xiàn)象；

3) 主震前小震發(fā)震應力場P軸的集中是集中到震源區(qū)的區(qū)域構(gòu)造應力場主壓應力場方向， 這給中強地震的預測提供了一種可能的方法． 以往的研究主要致力于震源機制集中到主震震源機制上， 而主震發(fā)生前主震的震源機制是未知的． 一個地區(qū)的區(qū)域構(gòu)造應力場可以用很多方法估算得到， 因此可以根據(jù)一個地區(qū)地震活動的資料計算其震源機制的發(fā)震應力場對區(qū)域構(gòu)造應力場的集中情況， 以此來追蹤該地區(qū)大震發(fā)生的危險性．

本文中由震源機制斷層面解計算發(fā)震應力場的過程中使用了許力生研究員編制的MATLAB程序， 謹表謝意．

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Consistency of seismogenic stress field of preshocks to the tectonic stress field before eight earthquakes (MW≥6.0) in southern California of United States from 1981 to 2011

1)EarthquakeAdministrationofInnerMongoliaAutonomousRegion,Hohhot010010,China2)LanzhouInstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000，China

This paper defines an index called “concentration ratio ofPaxis distribution” used for analyzing the variation of focal mechanisms of small earthquakes before moderate-strong earthquakes. And then based on the focal mechanism solutions of earthquakes in southern California in the period of 1981—2011, this paper investigates the seismogenic stress field of small events concentrating on the local tectonic stress field before eight main shocks (MW≥6.0) in the southern California. The results show a phenomenon that the “concentration ratio ofPaxis distribution” has a minimum was observed before seven earthquakes, that is, the seismogenic stress field of small events concentrates on the local tectonic stress field. It provides a method for the risk prediction of moderate-strong earthquakes.

concentration ratio ofPaxis distribution; focal mechanism solution; southern California of United States; seismogenic stress field

10.11939/jass.2015.06.006.

中國地震局地震科技星火計劃項目(XH15010Y)和中國地震局老專家科研基金(201329)聯(lián)合資助.

2015-05-23收到初稿， 2015-07-13決定采用修改稿.

e-mail: rongdl@gssb.gov.cn

10.11939/jass.2015.06.006

P315.72+7

A

韓曉明, 榮代潞. 2015. 美國南加州地區(qū)1981—2011年MW≥6.0地震前發(fā)震應力場與構(gòu)造應力場趨于一致現(xiàn)象研究. 地震學報, 37(6): 948--958.

Han X M， Rong D L. 2015. Consistency of seismogenic stress field of preshocks to the tectonic stress field before eight earthquakes (MW≥6.0) in southern California of United States from 1981 to 2011.ActaSeismologicaSinica, 37(6): 948--958. doi:10.11939/jass.2015.06.006.