2010年山西地區(qū)M≥4.6主余型地震序列的視應(yīng)力研究

王 霞，宋美琴，梁向軍，李宏偉，吳昊昱

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

·地震活動(dòng)性·

2010年山西地區(qū)M≥4.6主余型地震序列的視應(yīng)力研究

王 霞1，2，宋美琴1，2，梁向軍1，2，李宏偉1，2，吳昊昱1，2

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

利用山西地區(qū)2010年3次M≥4.6地震序列及其50 km范圍內(nèi)的背景地震波形資料，采用視應(yīng)力方法獲得3次序列的差視應(yīng)力值。結(jié)果表明，河津—萬榮地震序列的余震視應(yīng)力均高于背景應(yīng)力水平，反映其震源區(qū)應(yīng)力水平較高，于2011年1月15日又發(fā)生河津ML4.1地震；大同—陽高序列和陽曲序列的余震視應(yīng)力基本低于背景應(yīng)力水平，且較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到背景應(yīng)力水平。

差視應(yīng)力；河津—萬榮序列；大同—陽高序列；陽曲序列

0 引言

視應(yīng)力是地震效率與震源斷層面上平均應(yīng)力的乘積，可作為當(dāng)?shù)亟^對應(yīng)力水平的一個(gè)間接估計(jì)[1]。傳統(tǒng)地震學(xué)研究中，地震輻射能量Es與標(biāo)量地震矩M0只能從震級出發(fā)，通過理論公式換算得到，視應(yīng)力計(jì)算結(jié)果并不相互獨(dú)立，實(shí)際物理意義較差。20世紀(jì)80年代以來，隨著寬頻帶數(shù)字地震學(xué)的發(fā)展，地震輻射能量和地震矩的測定成為一些地震學(xué)觀測和研究機(jī)構(gòu)的常規(guī)工作。根據(jù)美國國家地震信息中心(NEIC)的寬頻帶輻射能量測定結(jié)果和哈佛矩心矩張量(CMT)測定結(jié)果，Choy等[2]學(xué)者討論了全球地震視應(yīng)力的分布，得到全球地震視應(yīng)力的平均值為0.5 MPa；吳忠良等[1]根據(jù)上述類似的方法和資料，計(jì)算了中國大陸地震的視應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)中國大陸地震的視應(yīng)力略高于全球平均水平，而青藏高原東緣的視應(yīng)力比鄰近地區(qū)高一倍以上。此后，國內(nèi)學(xué)者對視應(yīng)力的研究逐漸增多，并將其結(jié)果用于地震趨勢判斷[3-4]。如秦嘉政等[5]研究結(jié)果表明，大姚M6.2主震前，視應(yīng)力出現(xiàn)了高值變化時(shí)段；王衛(wèi)東等[6]論述了涇陽M5.2地震經(jīng)歷前期視應(yīng)力積累—震前突調(diào)—主震異常高值—震后逐漸恢復(fù)的過程；吳晶等[7]計(jì)算了2000年6月6日甘肅景泰M5.9地震前后周圍小地震視應(yīng)力，結(jié)果是震前視應(yīng)力出現(xiàn)高值異常；劉紅桂等[8]通過研究云南的4個(gè)地震序列，認(rèn)為地震序列中只要發(fā)生了視應(yīng)力值超過1 MPa的中小地震，其后一定會(huì)發(fā)生中強(qiáng)震；陳學(xué)忠等[9]研究了1995年7月20日河北沙城ML4.1地震序列，其余震的視應(yīng)力隨時(shí)間逐漸下降；王瓊等[10]計(jì)算了1999年11月29日岫巖M5.4地震序列的視應(yīng)力，認(rèn)為存在震前低視應(yīng)力階段、震時(shí)高視應(yīng)力階段及震后穩(wěn)定階段。

梁向軍等[11]對2001—2011年山西ML≥2.0地震進(jìn)行計(jì)算得到該地區(qū)的視應(yīng)力，結(jié)果表明，山西地區(qū)5次4.5級以上地震前1年均出現(xiàn)過視應(yīng)力高值，且地震發(fā)生在高值異常下降的過程中，對中強(qiáng)震的震中預(yù)測具有一定指示意義。目前，已有對山西地區(qū)視應(yīng)力時(shí)空特征的研究分析，但對該地區(qū)地震序列的視應(yīng)力研究仍屬空白，因此，嘗試對2010年山西地區(qū)M≥4.6地震序列進(jìn)行視應(yīng)力的計(jì)算和分析。

1 視應(yīng)力測定方法

地震視應(yīng)力定義為：

式中：μ為剪切模量(對于地殼介質(zhì)，μ可取3.0×104MPa)；Es和M0分別為地震能量和地震矩。Es和M0的測定是根據(jù)文獻(xiàn)[12]的方法，不再贅述。選取震源區(qū)周圍多臺(tái)平均的方法求得每一個(gè)地震的視應(yīng)力值。

2 資料選取

2010年，在山西地區(qū)的南、中、北部先后發(fā)生3次中等地震(見第37頁圖1)，其序列情況如下。

(1) 1月24日，河津—萬榮M4.8地震發(fā)生后，余震較多，截至4月5日20時(shí)，共發(fā)生余震211次(以最近的萬榮單臺(tái)記錄為準(zhǔn))，其中ML0.0～0.9地震128次，ML1.0～1.9地震72次，ML2.0～2.9地震11次，最大余震為ML2.8地震。

圖1 2010年山西地區(qū)3個(gè)地震序列分布圖Fig.1 Distribution of 3 earthquake sequences in Shanxi area in 2010

(2) 4月4日，大同—陽高M(jìn)4.6地震發(fā)生，截止5月6日，共發(fā)生余震372次，其中ML0.0以下地震84次，ML0.0～0.9地震266次，ML1.0～1.9地震20次，ML2.0～2.9地震1次，ML3.0～3.9地震1次，最大余震為ML3.4地震。

(3) 6月5日，陽曲M4.6地震發(fā)生，截止7月31日，共發(fā)生余震102次，其中ML0.0～0.9地震59次，ML1.0～1.9地震35次，ML2.0～2.9地震7次，ML3.0～3.9地震1次，最大余震為ML3.4地震。

在近震源條件下，選取震中距200 km以內(nèi)的臺(tái)站，根據(jù)各臺(tái)站波形記錄的質(zhì)量，選取信噪比較高、記錄較清晰的波形數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行去傾和儀器響應(yīng)校正處理。在震源譜計(jì)算時(shí)，選S波波段1.0～20 Hz的波形進(jìn)行分析。對以上3次地震序列中ML≥1.5地震及2009—2010年序列周圍50 km范圍內(nèi)的同等震級地震進(jìn)行視應(yīng)力值計(jì)算。另外，收集梁向軍等[11]2001—2008年河津—萬榮地區(qū)和大同—陽高地區(qū)ML≥2.0地震的視應(yīng)力32個(gè)和31個(gè)、2002年11月至2008年12月陽曲地區(qū)ML≥2.0地震的視應(yīng)力77個(gè)，去除2002年9月3日太原ML5.0地震序列的影響。將收集的背景地震視應(yīng)力值和本文計(jì)算的結(jié)果共同進(jìn)行視應(yīng)力和震級擬合，增加擬合曲線的可靠性。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

視應(yīng)力與震級間具有相關(guān)性，即震級越大，視應(yīng)力越高。為了消除震級對視應(yīng)力的影響，引入差視應(yīng)力概念。根據(jù)視應(yīng)力與震級的指數(shù)關(guān)系得到理論視應(yīng)力。差視應(yīng)力是指實(shí)際計(jì)算得到的視應(yīng)力與理論視應(yīng)力的差值，隨時(shí)間的變化也反映研究區(qū)內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的趨勢性變化。

3.1 河津—萬榮地震序列差視應(yīng)力

圖2為河津—萬榮地震序列周圍50 km范圍內(nèi)的地震視應(yīng)力與震級關(guān)系圖，其擬合曲線呈現(xiàn)指數(shù)形態(tài)，顯示兩者具有較好的相關(guān)性。通過擬合關(guān)系式，得出河津—萬榮地震序列的差視應(yīng)力值。

圖2 河津—萬榮地震序列50 km范圍內(nèi)地震的視應(yīng)力與震級關(guān)系Fig.2 Relationship between apparent stress and magnitude of earthquakesin the 50km range of Hejin-Wanrong sequence

為便于分析差視應(yīng)力隨時(shí)間的變化特征，對河津—萬榮地震序列按時(shí)間排序，給出其差視應(yīng)力的變化曲線(見第38頁圖3)。由圖3可以看出，河津—萬榮序列的余震應(yīng)力水平均高于背景應(yīng)力水平，且出現(xiàn)一次高值變化過程，最高值為最大余震(15號地震)；最大余震前，差視應(yīng)力波動(dòng)較平穩(wěn)，之后水平有所增高，且波動(dòng)起伏大，表明震源區(qū)應(yīng)力水平仍較高，2011年1月15日發(fā)生河津ML4.1地震。

3.2 大同—陽高地震序列差視應(yīng)力

第38頁圖4為大同—陽高地震序列周圍50 km范圍內(nèi)的地震視應(yīng)力與震級的關(guān)系圖，其擬合曲線呈現(xiàn)指數(shù)形態(tài)，顯示兩者具有較好的相關(guān)性。由圖4中的擬合關(guān)系式可得該序列的差視應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(見圖5)。

圖3 河津—萬榮地震序列的差視應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Variation of differential apparent stress of Hejin-Wanrong earthquake sequence with time

圖4 大同—陽高地震序列50 km范圍內(nèi)地震的視應(yīng)力與震級關(guān)系Fig.4 Relationship between apparent stress and magnitude of earthquakesin the 50 km range of Datong-yanggao sequence

圖5 大同—陽高地震序列的差視應(yīng)力變化曲線Fig.5 Variation of differential apparent stress of Datong-yanggao earthquake sequence

由圖5可以看出，大同—陽高序列最大余震的應(yīng)力水平明顯低于背景水平，與其他余震相比，其差視應(yīng)力值最低(-7.4 bar)；最大余震發(fā)生之后，差視應(yīng)力恢復(fù)到0 bar附近(即背景應(yīng)力水平)，且表現(xiàn)較為平穩(wěn)。

3.3 陽曲地震序列差視應(yīng)力

圖6為陽曲地震序列周圍50 km范圍內(nèi)的地震視應(yīng)力與震級關(guān)系圖，其擬合曲線呈現(xiàn)指數(shù)形態(tài)，顯示兩者具有較好的相關(guān)性。通過圖6中的擬合關(guān)系式，獲得陽曲地震序列的差視應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線(見圖7)。

圖6 陽曲序列50 km范圍內(nèi)地震的視應(yīng)力與震級關(guān)系Fig.6 Relationship between apparent stress and magnitude of earthquakesin the 50km range of Yangqu sequence

圖7 陽曲地震序列的差視應(yīng)力變化曲線Fig.7 Variation of differential apparent stress of Yangqu earthquake sequence

陽曲序列除最大余震外，其他余震應(yīng)力水平均低于背景應(yīng)力水平，且出現(xiàn)一次明顯高值和一次低值變化過程，高值為最大余震(5號ML3.4地震)，低值為次大余震(7號ML2.5地震)；在最大和次大余震發(fā)生前后，差視應(yīng)力波動(dòng)幅度較為平穩(wěn)。

4 結(jié)論與討論

河津—萬榮地震序列的余震應(yīng)力水平均高于背景應(yīng)力水平，且在最大余震發(fā)生時(shí)出現(xiàn)一次高值變化過程，最大余震發(fā)生之后較之前的差視應(yīng)力波動(dòng)幅度大且有所增高；大同—陽高地震序列的余震差視應(yīng)力在最大余震處出現(xiàn)一次低值變化過程，之后恢復(fù)到0 bar附近(背景應(yīng)力水平)；陽曲序列的余震應(yīng)力水平除最大余震外均低于背景應(yīng)力水平，且在最大和次大余震處出現(xiàn)一次明顯高值和一次低值變化過程，其他時(shí)段變化較為平穩(wěn)。

值得注意的是，河津—萬榮序列ML≥1.0地震明顯多于大同—陽高序列與陽曲序列，表明其序列發(fā)育較多。該序列的余震應(yīng)力水平明顯高于背景應(yīng)力水平，表明在河津4.8級主震發(fā)生后，震源區(qū)附近又集中發(fā)生了較多的高應(yīng)力地震，應(yīng)力被緩慢釋放，且沒有恢復(fù)到背景應(yīng)力水平，其震源區(qū)應(yīng)力水平仍較高，因此序列持續(xù)時(shí)間長且又于2011年1月15日發(fā)生了河津ML4.1地震；大同—陽高序列和陽曲序列的余震應(yīng)力水平基本低于背景應(yīng)力水平，在4.6級主震發(fā)生后的較短時(shí)間內(nèi)，恢復(fù)到背景應(yīng)力水平，表明主震已大幅度釋放應(yīng)力，因此余震序列持續(xù)時(shí)間短且發(fā)育較少。

由于資料有限，結(jié)果僅限于2010年3次M≥4.6地震序列的分析，今后需要補(bǔ)充背景地震資料，進(jìn)行其他地震序列的研究。

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Study on Apparent Stress of The Main-aftershockEarthquakeSequences withM≥4.6 in Shanxi in 2010

WANG Xia1,2, SONG Mei-qin1,2, LIANG Xiang-jun1,2, LI Hong-wei1,2, WU Hao-yu1,2

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021, China;2.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China)

By using the 3earthquake sequences withM≥4.6 in Shanxi in 2010 and the background seismic waveform data in the range of 50 km, the differential apparent stress values of the 3 sequences are obtained by the method of apparent stress. The results show that the apparent stresses of the aftershocks of Hejin-Wanrong earthquake sequence are all higher than the background stress level. It is indicated that the stress level of the source region is higher. And aML4.1 earthquakeoccurred in Hejin on January 15, 201. Comparatively, the apparent stresses of aftershocks of Datong-yanggao sequence and Yangqu sequence are below the background stress level, and back to the background stress level in a short time.

Differential apparent stress; Hejin-Wanrong sequence; Datong-yanggao sequence; Yangqu sequence

1000-6265(2017)01-0036-04

2016-07-22

山西省地震局科研項(xiàng)目(SBK-1502)，中國地震局星火計(jì)劃(Xh15007)聯(lián)合資助。

王 霞(1987— )，女，山西省忻州人。2012年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)，碩士研究生，工程師。

P315.5

A