大同窗地震活動頻次和應(yīng)變能特征

王霞 宋美琴

山西省地震局，太原市晉祠路二段69號 030021

0 引言

地震窗是指某些能以微震活動形式靈敏反映區(qū)域應(yīng)力場變化的特殊構(gòu)造部位（敖雪明等，1998）。自20世紀(jì)70年代以來，我國的地震學(xué)家就陸續(xù)提出并開展了地震窗的研究工作（王澤皋等，1995；薛丁等，2012；夏瑞良，1984），所得結(jié)論是開窗后1～3個月（有的窗稍長一點），外圍將有較大的或中強以上地震發(fā)生；地震頻度的變化包含了豐富的地震前兆信息，具有較高短期預(yù)報效能（姜秀娥等，1982、1989；王澤皋，1986；王桂嶺等，1987；蘇鸞聲，1997；王培玲等，2004；鄭兆苾等，1999），這倍受廣大分析預(yù)測人員的高度重視；也有的以應(yīng)變能作為預(yù)測指標(biāo)來反映地震窗對周邊中強震的指示意義（繆鵬等，2014；王想等，2016）。近年來，圍繞地震窗開展的工作已明顯轉(zhuǎn)向數(shù)字地震學(xué)方面的研究（陳宇衛(wèi)等，2007；李發(fā)等，2013；洪德全等，2013；呂芳等，2013）。

1989年10月19日大同-陽高發(fā)生了6.1級地震，這是1815年以來山西地區(qū)最大的一次地震，且于1991年3月26日和1999年11月1日又在原地發(fā)生了5.8級和5.6級地震。自6.1級地震后該區(qū)域余震不斷，作為1個余震“窗口”（下文簡稱“大同窗”圖1），截至2016年10月窗口余震總數(shù)已達17679次，各震級的地震頻次分別為0.0～0.9級13111次，1.0～1.9級3978次，2.0～2.9級439次，3.0～3.9級120次，4.0～4.9級23次，5.0～5.9級7次，6.0～6.9級1次（圖2）。大同窗位于山西斷陷帶北部的大同盆地，處在活動斷裂很發(fā)育的地區(qū)，在地震構(gòu)造上位于華北北部的敏感部位。以往研究結(jié)果表明，其余震序列的日、月頻度變化與山西地震帶4級以上地震及張-渤地震帶的中強地震活動對應(yīng)較好（啜永清，1995、1999a；啜永清等，1999b），然而僅以頻度來分析大同窗，難以很好地反映地震活動狀態(tài)，尤其是地震能量釋放特征。2015年5月大同窗再次開窗，其地震月頻次達41次，是2014年3月以來月均值的2倍以上，這次開窗是孕震過程的“窗口”效應(yīng)？還是“正常背景”的自身地震活動起伏？或是受到周邊強震的影響，值得深入思考。因此，本文對大同窗地震序列活動的衰減特征進行研究，以探索地震“應(yīng)變能”的異常變化。

圖1 大同窗位置和小震分布

圖2 大同窗余震的M-t圖

1 研究方法與資料

1.1 地震頻度的冪函數(shù)衰減

在半對數(shù)坐標(biāo)系上作出大同余震窗地震頻度冪函數(shù)衰減曲線，并在曲線上同時繪出了山西帶和張渤帶中強地震，以最大限度突出異常提取出震兆信息為原則來定出警戒線，凡頻度增高超出警戒線的點均作為震兆信息，可參考文獻王澤皋（1979）、王澤皋等（1989）。

作大同窗1989年10月18日～2016年10月31日的地震的（ML≥0.0地震無漏記）擬合月頻度衰減曲線，識別出正常背景活動時段和異常活躍時段，即在冪函數(shù)衰減的背景上所出現(xiàn)的異常峰值。

1.2 應(yīng)變能計算

利用Gutenberg等（1956）的簡化經(jīng)驗公式，根據(jù)震級計算地震釋放能量（能量單位：J）

以此計算地震釋放應(yīng)變能

對最小完整性震級以上的每一次地震計算其應(yīng)變能，根據(jù)震例，從中提取應(yīng)變能閾值線。

據(jù)大同窗1989年10月18日～2016年10月31日的ML≥0.0地震序列目錄（ML≥0.0地震無漏記），表1給出了其中4次ML≥5.0地震活動高潮時段的目錄，對全時段目錄計算ML≥0.0地震的應(yīng)變能，以10日累計5日滑動做出應(yīng)變能時序曲線，然后進行冪函數(shù)衰減擬合。

表1 大同窗4次M L≥5.0地震活動統(tǒng)計

1.3 目標(biāo)地震選取

根據(jù)啜永清（1995、1999；啜永清等，1999）等研究結(jié)果，選取了1989年10月～2016年10月山西地震帶及華北北部ML≥4.0地震共57個（圖3），作為本研究的目標(biāo)地震。

2 結(jié)果分析

2.1 月頻次衰減擬合

大同窗地震月頻次的衰減擬合結(jié)果顯示（圖4）：冪函數(shù)衰減系數(shù)為0.767，虛線擬合的頻度異常閾值為n＝1331.8t-0.7645；月頻次對應(yīng)地震為45個，漏報12個，虛報3次。值得一提的是2008年6月和7月的月頻次分別為30次和22次，2013年6月的月頻次為36次，均超過擬合線；而這2次虛報，分別出現(xiàn)在2008年5月汶川8.0級地震、2013年5月鄂霍次克海8.0級地震之后；而2015年5月的月頻次達41次，超過擬合線，由上述可認(rèn)為，此次虛報可能與2015年4月尼泊爾8.1級地震有關(guān)，因此認(rèn)為2015年5月開窗受到中國大陸周邊大震影響（圖4，表2）。

從圖2可見，大同窗明顯分為3個活躍時段和2個正常背景活動時段，且交替出現(xiàn)（表3），另在4次ML≥5.0地震活動時顯示超出擬合線的異常高值。大同窗在活躍時段，山西帶、張渤帶地震密集發(fā)生；在正常背景活動時（平均約4年），山西帶、張渤帶發(fā)生的地震較少。相比前2個活躍時段，第3個活躍時段自2008年5月汶川8.0級地震開始，持續(xù)時間最長，其間山西帶、張渤帶發(fā)生一系列中等地震，周邊發(fā)生多個8級以上大震也造成了大同窗開窗的虛報現(xiàn)象，表明中國大陸周邊強震對大同窗產(chǎn)生一定的影響（表4）。

圖3 山西地震帶及華北北部M L≥4.0地震的震中分布

圖4 大同窗月頻次統(tǒng)計結(jié)果及其與地震的對應(yīng)情況

表2 周邊大震與大同窗的地震頻次

表3 大同窗月頻次衰減活動統(tǒng)計表

表4 周邊大震與大同窗的地震活動

2.2 應(yīng)變能結(jié)果

大同窗應(yīng)變能時序曲線結(jié)果顯示（圖5），冪函數(shù)衰減系數(shù)為1.232，以虛線擬合的應(yīng)變能異常ε＝6.7373×107t-1.3298為閾值，出現(xiàn)19次異常，有3次虛報；應(yīng)變能變化對應(yīng)地震為26個、漏報31個（圖5（b）、5（c）），地震對應(yīng)率較頻次指標(biāo)差。其中，第1次（1997年2月）和第3次（2015年5月）虛報是受到青藏塊體強震影響后，出現(xiàn)應(yīng)變能超出閾值的異常（表5）；而第2次虛報出現(xiàn)在2000年1～6月，應(yīng)變能為，并無強震影響，可能是大同窗口1999年11月1日5.6級地震后自身能量調(diào)節(jié)所致。

圖5 大同窗應(yīng)變能統(tǒng)計及其與地震對應(yīng)情況

由于發(fā)現(xiàn)大同窗的地震活動受周邊強震的影響，因此本文統(tǒng)計了青藏塊體1990年以來7級以上強震和西太平洋板塊8級以上強震活動對大同窗開窗活動的影響，另對構(gòu)造上直接相關(guān)的鄂爾多斯地塊周緣M≥5.8地震的影響也作了分析（圖6）。自1990年以來青藏地區(qū)共發(fā)生7級以上地震10次，西太平洋板塊8級以上地震5次，其中10次地震后1年之內(nèi)，大同窗應(yīng)變能指標(biāo)出現(xiàn)超限異常（圖5，表5）；9組強震后，其中6組的應(yīng)變能異常持續(xù)時間在5個月內(nèi)、3組在半年以上。另5次未對大同窗產(chǎn)生影響的強震中，3次位于青藏塊體，2次位于西太平洋板塊，但其中汶川地震后1月內(nèi)頻次出現(xiàn)開窗異常，表明它還是對窗口活動產(chǎn)生一定的影響。

值得注意的是，西太平洋板塊對大同窗產(chǎn)生影響的強震中（共5次），其中在3次強震后應(yīng)變能異常幅度較一般，其余2次未產(chǎn)生影響，說明該區(qū)域?qū)Υ笸暗挠绊戄^青藏塊體弱，且有研究認(rèn)為2011年日本9.0級地震對華北地區(qū)的影響程度很弱，并不會改變區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的分布格局（陳為濤等，2012；豐成君等，2013）。

表5 青藏塊體強震對大同窗應(yīng)變能影響的統(tǒng)計結(jié)果

圖6 周邊強震空間分布對大同窗應(yīng)變能的影響

另外，1990年以來鄂爾多斯塊體周緣M≥5.8地震共3次，均在地震后1年之內(nèi)，大同窗應(yīng)變能指標(biāo)出現(xiàn)超限異常，且若震級越大、距離越近，則應(yīng)變能異常出現(xiàn)越早、幅度越大，兩者之間明顯相關(guān)（表6）。

3 討論與結(jié)論

本文對大同窗地震的月頻次進行冪函數(shù)衰減擬合，結(jié)果顯示其衰減過程中存在活躍時段和正?；顒訒r段的分段特征，第3次活躍時段始于2008年5月汶川8.0級地震后，持續(xù)時間較前2個活躍時段長，目前仍處在活躍時段。當(dāng)大同窗地震處在活躍時段時，山西帶和張渤帶就密集發(fā)生一系列ML≥4地震。大同窗地震的頻次變化可能與構(gòu)造應(yīng)力場的強弱有關(guān)，當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力場隨時間變化不大時，地震的頻次變化較好地服從冪函數(shù)衰減，即處在正常背景活動時段；當(dāng)?shù)卣痤l次變化超過冪函數(shù)衰減背景而出現(xiàn)異常峰值即活躍時段，可能反映了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的增強過程，山西帶和張渤帶ML≥4地震發(fā)生在頻次增高以后。大同窗地震活動在山西帶遠場地震、張渤帶中等地震前有所反映，前者是由于大同窗位于同一大陸裂谷的北端，后者可能與大同火山至渤海下方“Y”字形低波速異常起到的傳導(dǎo)作用有關(guān)（Lei，2012）。

本文以ε＝6.7373×107t-1.3298為閾值結(jié)果，對大同窗的地震應(yīng)變能進行統(tǒng)計分析，出現(xiàn)19次地震應(yīng)變能超限異常，其中在16次異常出現(xiàn)后山西帶和張渤帶發(fā)生了中強地震，但其漏報地震較多，這較頻次指標(biāo)的映震效能差。大同窗位于山西帶北端，而山西帶又處于鄂爾多斯塊體東緣，構(gòu)造上存在較為直接的關(guān)聯(lián)，因此鄂爾多斯塊體周緣強震對大同窗地震活動產(chǎn)生直接影響，表現(xiàn)為強震的震級越大、與大同窗的距離越近，則大同窗應(yīng)變能異常出現(xiàn)得越早、且幅度越大。另外，大同窗也受到青藏塊體、西太平洋板塊強震的間接影響，在兩大塊體的11次強震后地震頻次或應(yīng)變能有所反映。由于大同窗所處的構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，位于六棱山北麓斷裂、團堡斷裂和大王村斷裂交匯部位附近，區(qū)內(nèi)還分布著玄武巖火山區(qū)，且窗口內(nèi)發(fā)生過1989、1991和1999年大同-陽高中強震群，震區(qū)介質(zhì)比較破碎敏感，對區(qū)域應(yīng)力場的變化反映靈敏。因此，受到印度板塊NE向持續(xù)推擠作用，青藏高原整體隆升及其物質(zhì)向東和東南出現(xiàn)“擠出”的側(cè)向流動，其應(yīng)力也會通過下地殼和上地面的粘滯層產(chǎn)生遠程傳遞作用（Wang et al，2001；繆鵬，2010；李延興等，2005），而強震活動正是地幔運動在地表的能量釋放，可通過應(yīng)力傳遞對大同窗甚至山西帶產(chǎn)生觸發(fā)作用，進而影響這些區(qū)域中強震的發(fā)生。值得關(guān)注的是，2001年昆侖山口8.1級、2008年汶川8.0級和2015年尼泊爾8.1級地震后，山西地震帶約2年內(nèi)出現(xiàn)了一系列中強地震；而2011年日本9.0級地震后，對山西地震帶地震活動的影響很弱（陳為濤等，2012；豐成君等，2013）；因此大同窗甚至山西帶受青藏塊體強震的影響較強，而受西太平洋板塊的俯沖作用的影響較弱，這與一些學(xué)者對中國大陸周邊板塊作用的動力學(xué)研究結(jié)果較為一致（汪素云等，1980）。