遼寧地區(qū)5級(jí)地震前加速矩釋放現(xiàn)象的“回溯性”研究

王 亮，王 巖，錢(qián) 蕊，張志宏，夏彩韻，段夢(mèng)喬

遼寧地區(qū)5級(jí)地震前加速矩釋放現(xiàn)象的“回溯性”研究

王 亮，王 巖，錢(qián) 蕊，張志宏，夏彩韻，段夢(mèng)喬

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

強(qiáng)震前加速矩釋放現(xiàn)象目前是國(guó)際上討論比較激烈的一個(gè)話題，而不同地區(qū)的強(qiáng)震前的加速矩釋放現(xiàn)象應(yīng)各有不同。通過(guò)對(duì)遼寧地區(qū)1999年以來(lái)的3次MS5.0地震震前加速矩釋放現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比分析，并討論了不同計(jì)算尺度和積累時(shí)間下震中附近地區(qū)m值的變化范圍。認(rèn)為在遼寧地區(qū)中強(qiáng)震前確實(shí)存在加速矩釋放現(xiàn)象，且省內(nèi)中強(qiáng)震發(fā)生前加速矩釋放均存在累積半徑較小和時(shí)間窗長(zhǎng)較短的情況。

加速矩釋放；benioff應(yīng)變；m值；回溯性研究

0 引言

由于地震大多數(shù)都被看成是一種臨界現(xiàn)象，而作為這種臨界現(xiàn)象之前往往存在地震加速矩釋放（AMR）現(xiàn)象。物理上對(duì)AMR現(xiàn)象的研究，部分來(lái)源于Sornette和其他一些物理學(xué)家[1]，他們將AMR現(xiàn)象與地震孕育過(guò)程中的“臨界性”聯(lián)系到了一起。迄今國(guó)內(nèi)外學(xué)者已將AMR分析方法應(yīng)用于諸多震例研究中。蔣長(zhǎng)勝針對(duì)2010年的玉樹(shù)MS7.1級(jí)地震前的矩加速釋放過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并確認(rèn)得到在時(shí)間尺度10～20年和空間尺度50～120km范圍內(nèi)存在穩(wěn)定的矩加速釋放現(xiàn)象[2];李宇彤通過(guò)研究東北地區(qū)第五活躍期以來(lái)的幾次5級(jí)以上地震顯示其中4例在未來(lái)的震中附近出現(xiàn)穩(wěn)定和集中分布的地震矩釋放加速區(qū)[3];李霞對(duì)華北1989年以來(lái)的12次5級(jí)以上地震進(jìn)行研究，提取出了在華北地區(qū)MS5.0～5.5地震在半徑r=110km，時(shí)間窗長(zhǎng)t=4年；MS5.6～6.4地震在半徑r=180km，時(shí)間窗長(zhǎng)t=6年的情況下，AMR現(xiàn)象更具有“優(yōu)勢(shì)”和普遍性[4]。由此可見(jiàn)，不同地區(qū)不同震級(jí)的中強(qiáng)震前AMR現(xiàn)象的優(yōu)勢(shì)取決選取的不同研究半徑和時(shí)間窗長(zhǎng)，自2012年以來(lái)郯廬地震帶地震活動(dòng)明顯增強(qiáng)，震群活動(dòng)明顯，郯廬帶先后發(fā)生了乳山震群、蓋州震群[5]、金寨震群活動(dòng)[6]，在此背景下，2013年遼寧地區(qū)分別發(fā)生了燈塔MS5.1級(jí)地震和遼蒙交界地區(qū)科爾沁M(jìn)S5.3級(jí)地震，同時(shí)兩次地震震前均出現(xiàn)了加速矩釋放的現(xiàn)象，證明加速矩釋放模型對(duì)遼寧地區(qū)的5級(jí)以上地震存在較好的指示意義。通過(guò)對(duì)1999年以來(lái)遼寧地區(qū)3次5級(jí)以上地震震前AMR的回溯性研究，可以確立遼寧地區(qū)地震矩加速釋放的優(yōu)勢(shì)研究半徑和時(shí)間窗長(zhǎng)，為今后該方法在遼寧地區(qū)的應(yīng)用提供更為科學(xué)的研究基礎(chǔ)。

1 矩加速釋放理論模型

Varnes、Bufe將AMR分析表示成“破裂時(shí)間分析”（Time-to-failure analysis）方程[7]：

其中Ω是地震活動(dòng)性的量度，例如地震矩（或地震能量）、地震數(shù)目或Benioff應(yīng)變等，A和B為常數(shù)，m為標(biāo)度常數(shù)， 是大震發(fā)生的時(shí)間，由（1）式可知，標(biāo)度常數(shù)m表示了地震矩釋放的曲線類(lèi)型，當(dāng)m＜1時(shí)，累積benioff應(yīng)變釋放（CBS）曲線呈現(xiàn)“加速”行為，m＞1時(shí)為“減速”;而當(dāng)m≈1，時(shí)CBS釋放曲線呈現(xiàn)線性行為，利用（1）式研究強(qiáng)震的發(fā)生時(shí)間和震級(jí)，以及未來(lái)強(qiáng)震的發(fā)生地點(diǎn)，m值有時(shí)也稱(chēng)為“地震矩釋放程度”。在本文的研究中主要以benioff應(yīng)變作為對(duì)地震活動(dòng)性的量度，benioff應(yīng)變定義為地震能量的平方根。

2 震例與資料選取

遼寧及鄰區(qū)（119～126oE，38～44oN）1999年以來(lái)共發(fā)生4次MS≥5.0地震，分別為1999年11月29日岫巖MS5.4地震，2003年8月16日巴林左MS5.9地震、2013年1月23日燈塔M5.1地震和2013年4月22日科爾沁M(jìn)S5.3地震（圖1）。結(jié)合遼寧地區(qū)歷史地震活動(dòng)規(guī)律及地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)和近年來(lái)對(duì)遼寧地區(qū)區(qū)域的劃分研究[8]，2003年巴林左MS5.9地震與遼寧地區(qū)地震活動(dòng)規(guī)律略有不同，且與遼寧地區(qū)較遠(yuǎn)，所以不納入研究。所以本文僅對(duì)岫巖、燈塔、科爾沁3次MS5.0以上地震進(jìn)行回溯性研究。

本文選擇的地震目錄是由中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心提供的1970年以來(lái)的《中國(guó)地震月報(bào)目錄》，該目錄由各區(qū)域臺(tái)網(wǎng)產(chǎn)出的目錄匯編而成。筆者曾對(duì)該目錄的最小完整性震級(jí)進(jìn)行過(guò)研究，認(rèn)為遼寧地區(qū)1989年之后的最小完整性震級(jí)能夠達(dá)到ML2.0以下[9]。所以本文選擇的震級(jí)下限為MC=2.0。

圖1 遼寧地區(qū)1999年以來(lái)5.0級(jí)震中分布圖Fig.1 The distribution of MS≥5.0 earthquake in Liaoning area since 1999

3 矩釋放回溯研究

為考察遼寧地區(qū)5級(jí)地震前AMR,分別以不同時(shí)間尺度T、以震中為圓心的不同圓形研究區(qū)半徑R，對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，以MC=2.0作為截止震級(jí)。將（1）式中的t1固定為實(shí)際發(fā)震時(shí)刻；T以2年為步長(zhǎng)，以震前1～7年變化；根據(jù)以往的震例以50km、70km、100km、150km、200km多尺度半徑選取圓形區(qū)域；回溯研究上文提及的3次MS≥5.0地震。在研究討論中，實(shí)際震中已知，通過(guò)不同尺度的時(shí)間窗和掃描半徑，考察CBS曲線的加速程度，即AMR與地震的相關(guān)程度。而CBS的加速程度主要以1-m×C是否更接近于1來(lái)衡量[1]，表1—3分別給出了岫巖、燈塔、科爾沁地震前不同的時(shí)間窗和掃描半徑下CBS的加速程度。

1999年岫巖MS5.4地震主要的CBS加速在震前的1年，其他時(shí)間窗的加速不是很明顯（表1），在固定了窗長(zhǎng)為1年的情況下，掃描半徑越短，CBS加速越明顯，但整體相差較小，該結(jié)果主要由于在岫巖地震前的主要地震活動(dòng)為岫巖地震的前震活動(dòng)。根據(jù)遼寧地區(qū)具有前震活動(dòng)的地震序列來(lái)看，主震前的前震增強(qiáng)集中活動(dòng)勢(shì)必會(huì)造成主震區(qū)的benioff應(yīng)變的加速積累在較短的時(shí)間窗長(zhǎng)和較小的空間范圍之內(nèi)，所以該結(jié)果具有一定的特例性。

表1 岫巖地震前CBS加速程度（表格中數(shù)據(jù)為1-m×c，值越接近于1,證明加速越明顯）

表2 燈塔地震前CBS加速程度（表格中數(shù)據(jù)為1-m×c，值越接近于1,證明加速越明顯）

表3 科爾沁地震前CBS加速程度（表格中數(shù)據(jù)為1-m×c，值越接近于1,證明加速越明顯）

對(duì)2013年1月23日燈塔M5.1地震的回溯研究顯示燈塔地震前CBS加速主要表現(xiàn)為空間掃描半徑在50km左右，隨著掃描半徑的增大，CBS加速呈現(xiàn)出減弱的特征，在掃描半徑在100km之內(nèi)，該減弱并不明顯，但掃描半徑大于100km之后，CBS的減弱則非常明顯，所以可以確定燈塔地震前benioff應(yīng)變的積累也是在一個(gè)較小的區(qū)域（100km以?xún)?nèi)）。由于燈塔地區(qū)地震活動(dòng)特點(diǎn)，2012年前該地區(qū)的地震活動(dòng)并不明顯，所以時(shí)間窗長(zhǎng)的選取對(duì)該地區(qū)benioff加速水平的影響不大。

2013年科爾沁M(jìn)S5.3地震前并未表現(xiàn)出明顯的時(shí)間和空間的優(yōu)勢(shì)范圍，在空間半徑100km之內(nèi)該地區(qū)的benioff應(yīng)變加速都較為明顯。隨著時(shí)間窗長(zhǎng)的增加，CBS的加速程度更為明顯，但整體相差不大。

綜合分析以上3次震例，岫巖MS5.4地震由于前震的影響，顯示出了其benioff應(yīng)變加速特征在時(shí)間窗長(zhǎng)和空間掃描半徑的特例性之外，其他兩次地震的benioff加速的優(yōu)勢(shì)半徑都在100km之內(nèi)，受時(shí)間窗長(zhǎng)的影響較小。時(shí)間窗長(zhǎng)以平均值計(jì)算，選擇遼寧地區(qū)的優(yōu)勢(shì)時(shí)間窗長(zhǎng)為3年，優(yōu)勢(shì)空間半徑為100km。在該參數(shù)選定下對(duì)遼寧地區(qū)這3次5級(jí)地震前6個(gè)月、3個(gè)月和震前實(shí)時(shí)的AMR進(jìn)行空間掃描，結(jié)果顯示1999年11月29日岫巖MS5.4地震前6個(gè)月和3個(gè)月震中附近的加速矩積累現(xiàn)象并不明顯，直至震前震中才顯現(xiàn)出明顯的加速矩釋放現(xiàn)象，說(shuō)明該MS5.4級(jí)地震前3個(gè)月以上的時(shí)間不存在明顯的加速矩釋放，其benioff應(yīng)變加速積累可歸結(jié)為由前震釋放產(chǎn)生（圖2）；2013年1月23日燈塔MS5.1級(jí)地震前6個(gè)月、3個(gè)月和震前均出現(xiàn)了較為明顯的加速矩釋放現(xiàn)象，證明該地震前的加速矩釋放現(xiàn)象比較明顯，出現(xiàn)在震前半年的時(shí)間段，而且該加速矩累積現(xiàn)象持續(xù)至地震發(fā)生（圖3）；2013年4月22日科爾沁M(jìn)S5.3級(jí)地震前6個(gè)月和3個(gè)月均出現(xiàn)了明顯的加速矩釋放現(xiàn)象，但至震前該現(xiàn)象則并不明顯，說(shuō)明該MS5.3級(jí)地震的加速矩釋放發(fā)生在震前3～ 6個(gè)月的時(shí)間范圍內(nèi)（圖4）。

圖2 岫巖MS5.4級(jí)地震前地震矩“釋放程度”掃描（a為前震6個(gè)月、b為震前3個(gè)月、c為震前、圖中藍(lán)色五角星表示微觀震中）Fig.2 Seismic moment release maps before Xiuyan MS5.4 earthquake

圖3 燈塔MS5.1級(jí)地震前地震矩“釋放程度”掃描（a為前震6個(gè)月、b為震前3個(gè)月、c為震前、圖中藍(lán)色五角星表示微觀震中）Fig.3 Seismic moment release maps before Dengta MS5.1 earthquake

圖4 科爾沁M(jìn)S5.3級(jí)地震前地震矩“釋放程度”掃描（a為前震6個(gè)月、b為震前3個(gè)月、c為震前、圖中藍(lán)色五角星表示微觀震中）Fig.4 Seismic moment release maps before Keerqin MS5.3 earthquake

4 結(jié)論與討論

本文通過(guò)對(duì)1999年以來(lái)遼寧3次比較有代表性的MS≥5.0地震前benioff應(yīng)變加速累計(jì)情況的對(duì)比分析研究，選取了遼寧地區(qū)MS≥5.0地震前benioff應(yīng)變加速積累的優(yōu)勢(shì)空間掃描半徑為100km、時(shí)間優(yōu)勢(shì)掃描時(shí)長(zhǎng)為3年。

以此參數(shù)對(duì)3次震例震前6個(gè)月、3個(gè)月和震前實(shí)時(shí)的地震矩“釋放程度”進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)燈塔MS5.1地震前持續(xù)存在加速矩釋放現(xiàn)象；岫巖MS5.4地震在震前加速矩釋放現(xiàn)象較為明顯；科爾沁M(jìn)S5.3地震前加速矩釋放現(xiàn)象出現(xiàn)在震前的3～6個(gè)月的時(shí)間段內(nèi)。

通過(guò)對(duì)遼寧地區(qū)不同區(qū)域的3次MS≥5.0地震震前的加速矩釋放現(xiàn)象的回溯性研究表明加速矩釋放現(xiàn)象在遼寧地區(qū)確實(shí)為一種具有實(shí)際參考價(jià)值的地震預(yù)測(cè)物理模型。整體來(lái)說(shuō)遼寧省內(nèi)中強(qiáng)震發(fā)生前加速矩釋放均存在累積半徑較小和時(shí)間窗長(zhǎng)較短的情況，但需注意不同區(qū)域的地震震前顯現(xiàn)出了地震矩“釋放程度”空間與時(shí)間的差異性。

致謝：本文中所使用的程序由中國(guó)地震局地球物理研究所蔣長(zhǎng)勝博士提供，在此深表感謝！

[1] 蔣長(zhǎng)勝， 吳忠良. 強(qiáng)震前的“加速矩釋放”（AMR）現(xiàn)象: 對(duì)一個(gè)有爭(zhēng)議的地震前兆的回溯性震例研究．地球物理學(xué)報(bào)， 2009， 52（3）: 691-702.

[2] 蔣長(zhǎng)勝， 吳忠良. 2010年玉樹(shù)MS7.1地震前的中長(zhǎng)期加速矩釋放（AMR）問(wèn)題. 地球物理學(xué)報(bào)， 2011， 54（6）：1501-1510.

[3] 李宇彤， 蔣長(zhǎng)勝. 東北第五活躍期中強(qiáng)震前的矩釋放空間掃描特征研究. 地震學(xué)報(bào)， 2010， 32（6）: 680-695.

[4] 李霞， 蔣長(zhǎng)勝， 閆德橋， 等. 1989年以來(lái)華北地區(qū)中強(qiáng)震前地震矩加速釋放空間掃描特征的研究. 地震研究， 2015，38（3）：359-367.

[5] 王亮， 周龍泉， 焦明若， 等. 海城蓋州地區(qū)速度結(jié)構(gòu)和震源位置的聯(lián)合反演研究. 地震， 2014， 34（3）: 13-26.

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[7] Varnes D J， Bufe C G. The cyclic and fractal seismic series preceding an Mb4.8 earthquake on 1980 February 14 near the Virgin Islands. Geophys. J. Int. 1996， 124: 149-158.

[8] 王巖， 邵媛媛， 曹鳳娟， 等. 基于因子分析的地震綜合指數(shù)在遼寧地區(qū)地震預(yù)測(cè)中的應(yīng)用. 防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)， 2016， 32（1）: 1-7.

[9] 王亮， 李彤霞， 王巖， 等. 遼寧地區(qū)地震目錄最小完整性震級(jí)研究. 防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)， 2015， 31（4）: 20-24.

Studying on Accelerating Moment Release（AMR）Before MS≥5.0 Eathquake in Liaoning Region

WANG Liang，WANG Yan，QIAN Rui，ZHANG Zhi-hong，XIA Cai-yun，DUAN Meng-qiao
（Earthquake Adminstration of Liaoning Province，Liaoning Shenyang 110034，China）

Accelerating Moment Release（AMR）before strong earthquakes is a topic of intense discussion in the world at present, and the accelerating moment release before strong earthquakes in different regions should be different. This paper makes a comparative analysis of the accelerating moment release before the three MS≥5.0 earthquakes in Liaoning area since 1999, and discusses the variation range of m value in the area near the epicenter with different scales and accumulation time. We consider that before moderate-strong earthquakes in Liaoning it exists accelerating moment release, and before the moderate-strong earthquake occurrence, accelerating moment release are cumulative smaller radius and time window length is short.

accelerating moment release；benioff strain；m value; retrospective study

P315.08

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.01.002

1674-8565（2017）01-0012-05

地震科技星火項(xiàng)目：“遼南至遼吉蒙交界地區(qū)速度結(jié)構(gòu)與振源位置聯(lián)合反演研究”（XH15013Y）

2016-07-20

2017-01-16

王亮(1983-)，男，遼寧省沈陽(yáng)市人，畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事測(cè)震學(xué)研究方面的工作。