前震序列的圖像特征研究

陳颙 劉杰 楊文

1)中國地震局，北京市復興路63號 100036

2)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

前震無疑是與主震發(fā)生物理相關(guān)的前兆。利用前震進行預測，特別是臨震預報是非常重要的。如果一個或多個地震在主震之前發(fā)生并位于主震附近，很顯然這個或這些地震被認為是主震的前震。盡管如此，從背景地震活動中區(qū)分出前震是比較困難的，這也是本文研究前震序列的原因。前震序列是包含了很多前震的地震叢集。根據(jù)前震的不同定義(Wyss，1991;Seggern，1981)，我們總結(jié)了如下 4 點:

(1)前震序列是一種高頻率的地震活動，比如，前震的活動頻率比背景地震的活動頻率高;

(2)前震序列在主震之前發(fā)生(幾個小時到幾天);

(3)前震序列發(fā)生的位置與主震相同，因此，前震序列可以指示即將發(fā)生的主震的位置;

(4)主震的震級比前震序列中任何一個地震的震級都大。

前震和主震的關(guān)系已研究了數(shù)十年(Seggern，1981;Wyss，1991)，本文我們主要討論前震序列與震群的區(qū)別，即前震序列與其后無主震的其他序列在地震活動圖像上的差別。我們從震例開始研究。

1 震例研究:前震序列

1975年2月4日遼寧海城7.3級地震(Chen，1979)震中區(qū)的背景地震活動性很低，但是，自1975年2月1日開始，距震中20km的石鵬峪地震臺記錄到521個前震。主震前幾天，震中附近的地震活動明顯增強——前震的普通特征(圖1)。地震目錄的統(tǒng)計研究表明前震的發(fā)生率明顯高于背景水平(Bowman et al，1984)。

圖1 1975年2月1～4日遼寧海城附近發(fā)生的前震M-t圖(Chen et al.，1988)

海城地震的主震、前震和余震分布通過遼寧省區(qū)域地震臺網(wǎng)獲得(圖2)，由圖2可以看出前震的震中密集集中。利用6個區(qū)域臺站的地震到時，Jones等(1983)發(fā)現(xiàn)海城地震的前震活動分布在以震中為中心的數(shù)千米范圍內(nèi)。

由于區(qū)域臺網(wǎng)地震定位精度不夠高(約±5km)，我們利用最近的臺站(石鵬峪臺)的S波到時tS與P波到時tP之差研究前震的空間叢集。圖3顯示由到時差tS-tP得到的震中到臺站的距離，圖3表明前震的tS-tP是相似的(tS-tP=2.5s)?？紤]到所有前震都位于該臺站的相同方向(圖2)，我們認為前震的震中在空間上是集中的。另一方面，余震的震中則是分散的(到時差tS-tP為1.0～5.5s(圖3)。

圖2 1975年海城地震前震、主震和余震分布圖

圖3 1975年2月1～9日石鵬峪臺記錄的到時差t S-t P和P波初動分布圖

海城地震的前震、主震和余震的斷層面解如圖4所示。圖4(a)、4(b)顯示前震的斷層面解與主震一致(圖4(c))。8個主要余震的震源機制在圖4(d)～4(k)中給出，余震的震源機制顯然各不相同。1970年代地震監(jiān)測能力有限，當時只能獲得震級大于4級的地震斷層面解，因此，圖4中僅給出2個前震的斷層面解。類似地，我們可以從1966年河北邢臺地震的前震序列中發(fā)現(xiàn)相同的特征(圖5)。

在本研究中，我們感興趣的并非提取每個前震的震源機制解(事實上因為大部分前震的震級不夠大，收集到足夠的資料以計算每個事件的震源機制是很困難的)，而是前震序列中前震的震源機制的一致性。因此，我們必須找到其它方法來監(jiān)測震源機制一致性變化。

對于給定的臺站和確定的震中區(qū)域，我們可以利用臺站記錄的初動監(jiān)測震源機制的變化。由圖3可以看到石鵬峪臺(離前震最近的臺站)記錄的P波初動在主震之前都是一樣的(初動向下)，這表明前震的震源機制沒有顯著的變化。石鵬峪臺記錄的521個前震中，有79個P波初動可以清楚地識別，而這79個前震中有78個地震的初動都是“向下”。相比較而言，余震的初動變化較大，一部分“向上”，一部分“向下”。震源機制一致性是1975年海城地震的重要特征。

圖4 1975年海城地震序列的震源機制解

圖6給出了1995年云南孟連7.3級地震(表1)的到時差tS-tP和P波初動，這些都被距離孟連地震震中120km的地震臺站記錄到。在最大的6.2級前震發(fā)生之前，前震序列的tS-tP從15s到17s，并且所有的初動都是“向下”。在最大前震發(fā)生后，所有事件的P波初動保持“向下”直到7.3級主震發(fā)生。主震發(fā)生之后狀態(tài)立刻發(fā)生變化:一部分余震的初動“向下”，一部分“向上”。在孟連地震中，震源機制的一致性被用來預測最大地震是否已經(jīng)發(fā)生。

表1 1966～1996年中國大陸前震序列

海城前震序列的另一個特征是前震序列的時間進程可以分為4步(圖7(b)):

圖5 1966年河北邢臺地震序列的震源機制解(Chen，1979)

圖6 1995年7月1～15日距云南孟連7.3級地震震中120km地震臺記錄的到時差t S-t P和P波初動分布圖

Ⅰ 非常低的地震活動(長期平均水平);

Ⅱ 非常高的地震活動(主震之前達到每天數(shù)十個地震);

Ⅲ 幾小時到1天的地震活動“平靜”;

Ⅳ 主震發(fā)生。

邢臺和山西大同的前震序列如圖7(a)、7(c)所示。前震序列時間進程可分成4個步驟，即低活動-強活動(幾天)-平靜(幾小時到1天)-主震發(fā)生，這在圖7給出的3個前震序列中均存在，但不同序列中每一步的時間間隔有一定差異。一般來講，主震與前震序列之間存在數(shù)小時的地震平靜。從以上3個序列的研究中，可以看到前震活動從密集活動到平靜的突然轉(zhuǎn)變可能是大地震發(fā)生的一個重要指標。

圖7 前震序列M-t圖

這里我們定義前震序列需滿足以下條件:

發(fā)生在主震前5天以內(nèi);

距離主震震中小于20km;

每天1.5級以上地震的發(fā)生次數(shù)大于10。

基于中國地震目錄，我們發(fā)現(xiàn)1966～1996年中國大陸大于5.5級的主震有159個，其中8個具有前震序列(表1)，具有前震序列的主震占總數(shù)的5%。最大前震和主震的震級并不系統(tǒng)相關(guān)，基于表1，中國大陸主震和最大前震的平均震級差約為2.1。

2 震例研究:震群

另外一種地震叢集的形式是震群，即在相同的地方短時間發(fā)生許多地震，但后續(xù)沒有發(fā)生大的地震。

1973年3月4～24日，安徽霍山地區(qū)發(fā)生了震群(31.37°～31.48°N，116.15°～116.21°E)(表2)。562個地震被霍山地震臺記錄到，其中包括3個震級大于4級的地震?；羯秸鹑旱恼鹬屑性?8km2的區(qū)域內(nèi)。地震時當?shù)鼐用衲芨杏X到許多微小震動，問題是這些增強的地震活動是1個震群還是1個前震序列(即之后有大的地震)呢?

霍山臺記錄到的霍山震群M-t圖以及P波初動如圖8所示。1972年間，即在震群發(fā)生的前一年，霍山臺記錄到的霍山地區(qū)背景地震中有53.4%的初動“向上”，46.6%初動“向下”。但是，從1973年3月3日開始，直到1個3.1級地震發(fā)生，所有的地震(47個事件)的P波初動都變?yōu)椤跋蛳隆?。隨后經(jīng)過短暫的初動分散之后，直到1個較大的4.5級地震發(fā)生，期間P波初動又變成了“向下”。圖9是霍山震群的地震臺站和震中分布。顯然，如果地震發(fā)生在臺站的任意方向，初動“向上”和“向下”的比例不能提供震源機制的任何信息。但是，霍山地區(qū)(圖9)所有地震都位于臺站的西北方向，這似乎表明震源機制一致性可作為最大地震是否已經(jīng)到來的指標。

圖8 1973年3月4～24日安徽霍山震群

表2給出了1966～1996年華北發(fā)生的最大震級大于4.5級的震群。比較表2與表1可以看到震群數(shù)量比前震序列多很多。

大部分震群的震級較小。低震級震群的P波初動很難被清楚識別。如果能提取并應用震群的新信息，就可能發(fā)現(xiàn)新的震群圖像特征。在許多震例中，我們可以用P波和S波的最大振幅比來監(jiān)測地震震源機制的改變。根據(jù)震源機制的雙力偶模型，比值A(chǔ)P/AS是方位角的函數(shù)。1976年7～9月在天津?qū)氎?39.7°N，117.2°E)(表2)發(fā)生1個震群，最近的南山地震臺距震群65km。從南山臺記錄到的AP/AS可以監(jiān)測到震源機制的變化。圖10顯示了1976年8月寶坻震群AP/AS值在8月21日4.9級較大地震發(fā)生之前比值變化很小。隨著比值變化增大(8月21日～9月1日)，后面再沒有較大地震發(fā)生。Jin等(1976)研究了1975年海城地震12個臺站記錄的P波和S波最大垂向振幅的比值，發(fā)現(xiàn)兩者比值非常穩(wěn)定。與中國其他區(qū)域的5個震群比較，Jin等認為:“這可能有助于區(qū)分前震序列和震群”。Jones等(1979)研究了3組主震的前震序列，發(fā)現(xiàn)P波和S波的振幅比大致相當，表明每個序列地震的震源機制是一致的。寶坻4.9級地震前的觀測結(jié)果與Jones等(1979)的結(jié)果是一致的。

表2 1966～1996年華北震群

需要強調(diào)的是，確定震源機制需要密集分布的地震臺網(wǎng)(Ogata et al，1995、1996)。但是，監(jiān)測震源機制的變化卻有很多方法，比如P波初動的變化(Chen，1979)、P波與S波的振幅比等。這些方法特別是振幅比方法的監(jiān)測能力，在監(jiān)測地震的震源機制變化上是有局限性的。

圖9 霍山震群和臺站分布圖

圖10 1976年7～9月天津?qū)氎嬲鹑?39.7°N，117.2°E)P波和S波的振幅比時序圖和M-t圖

3 討論和結(jié)論

中國大陸前震和震群的震例研究表明震群比前震序列多的多，因此前震和其他地震叢的統(tǒng)計識別在地震預測中非常重要。通常認為地震的發(fā)生增加了相同位置另一次較大地震發(fā)生的可能性，因為第一次地震有可能是前震(Jones，1985)，但本文認為這不一定正確。

震源機制的一致性是區(qū)分一組地震是前震序列還是震群的非常重要的特征。對于前者，其震源機制與主震的震源機制是相似的，而對于后者往往不一致。

現(xiàn)有的一些研究顯示震群也存在相似的震源機制解(Jones，1985)，但是前震和震群研究的最大問題是數(shù)據(jù)的缺乏。主震發(fā)生之后密集臺網(wǎng)的布設(shè)可以獲得大量的余震數(shù)據(jù)，然而前震和震群數(shù)據(jù)的提取則相對受限。在此條件下，我們需要更多的數(shù)據(jù)來證明震群的震源機制一致或者不一致。

很重要的一點認識是，在1966～1996年在中國大陸我們尚未發(fā)現(xiàn)主震之前發(fā)生的前震的震源機制不一致的震例，即地震叢(前震序列或震群)的震源機制一致性可以作為大震是否來臨的一個指標。

在這30年中國大陸有前震序列(5天內(nèi)和20km內(nèi))的較大地震約占5%。這些震例分析給我們提供了利用前震序列預報后續(xù)大震的可能性。

Jones(1985)發(fā)現(xiàn)在加州南部1個地震發(fā)生后的5天內(nèi)且距震中10km以內(nèi)后續(xù)有更大地震的可能性為(6±0.5)%?；?1970～1977年 LASA或者 NORSAR數(shù)據(jù)，Seggern(1981)分析了510個不低于5.8級的“主震”。基于明確的相對于主震的短暫延時，研究結(jié)果顯示前震的發(fā)生率小于20%，這一結(jié)果與我們的研究也比較吻合。

從地震叢中識別前震需要進行許多前震和背景活動的研究，以確定前震的獨有和共性特征，還需要對前震序列和其他后續(xù)沒有主震的序列做進一步對比研究，所以，更多的震例研究和數(shù)據(jù)積累是必須的。這些研究為我們估計一個序列是否后續(xù)會有大的地震提供了可能。