基于震源機(jī)制的地震區(qū)劃與地震預(yù)測(cè)方法討論

郭增建+郭安寧

摘要：主要討論了震源機(jī)制與烈度區(qū)劃的歷史及相關(guān)問(wèn)題，震源一致性與前震鑒別的關(guān)系，震源斷層破裂錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的科里奧利力效應(yīng)和余震強(qiáng)度的關(guān)系及預(yù)測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：震源機(jī)制；地震烈度區(qū)劃；前震鑒別；科里奧利力余震效應(yīng)

中圖分類號(hào)：P315.33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2017）04-0509-05

0引言

震源機(jī)制是地震發(fā)生后地震臺(tái)網(wǎng)產(chǎn)出的一個(gè)常規(guī)結(jié)果，基本每次地震后都作為地震產(chǎn)出之一而及時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布（胡幸平等，2008；郭祥云等，2010；李曉峰等，2013；郭安寧等，2016）。大地震發(fā)生后，地震臺(tái)網(wǎng)會(huì)相繼給出震源機(jī)制與地震破裂過(guò)程（姚家駿，2015；李春燕，徐輝，2015）。

對(duì)一些大地震發(fā)生后延續(xù)幾十年的余震序列的研究現(xiàn)今仍在繼續(xù)，雖然不是對(duì)未來(lái)將發(fā)生強(qiáng)震的預(yù)測(cè)，但是作為基礎(chǔ)研究目前還在不斷進(jìn)行著資料積累與研究，其作用與意義還是需要更深的挖掘（張宏志等，2008；李軼群，王健，2008）

震源機(jī)制主要是研究震后問(wèn)題的，但也可用于超長(zhǎng)期地震預(yù)測(cè)（地震烈度區(qū)劃）和某些情況下的短臨預(yù)測(cè)。本文在介紹我們已有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同期限要求的地震預(yù)測(cè)方法，對(duì)震源機(jī)制對(duì)預(yù)報(bào)科學(xué)的作用做進(jìn)一步的討論。

本文基于郭增建和姜秀娥（1965）的研究成果，討論了震源機(jī)制與烈度區(qū)劃及地震預(yù)測(cè)的關(guān)系，闡述了將震源機(jī)制用于烈度區(qū)劃的歷史、首次建立震級(jí)-斷層長(zhǎng)度公式的過(guò)程及存在的問(wèn)題。以及1974年郭增建以中國(guó)震源機(jī)制的結(jié)果為依據(jù)，劃分的中國(guó)大陸塊體在后期大地震發(fā)生的驗(yàn)證。之后介紹了郭增建等（1973）提出的組合模式為理論指導(dǎo)的基礎(chǔ)下，用震源機(jī)制一致性鑒別前震群的方法及問(wèn)題所在，討論了用大地震發(fā)生時(shí)震源斷層破裂錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生科里奧利力與余震強(qiáng)度的關(guān)系。

在綜合歷史以及其他研究者的基礎(chǔ)上，對(duì)震源機(jī)制與預(yù)測(cè)的關(guān)系做了進(jìn)一步的討論，以期能對(duì)超長(zhǎng)時(shí)間大地震、臨震以及強(qiáng)余震預(yù)報(bào)起到一定的參考作用。

1震源機(jī)制應(yīng)用于超長(zhǎng)期地震預(yù)測(cè)（烈度區(qū)劃）回顧郭增建和姜秀娥（1965）根據(jù)48個(gè)強(qiáng)震的震源機(jī)制資料（絕大部分是P波初動(dòng)解），通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)的強(qiáng)震在多數(shù)以走滑錯(cuò)動(dòng)為主，建議在地震烈度區(qū)劃中除考慮垂直運(yùn)動(dòng)的地質(zhì)指標(biāo)外，還應(yīng)考慮水平運(yùn)動(dòng)的地質(zhì)跡象。之所以提出這一點(diǎn)是因?yàn)?956年編制中國(guó)第一代地震烈度區(qū)劃圖只考慮了垂直運(yùn)動(dòng)的地質(zhì)指標(biāo)。目前在烈度區(qū)劃中考慮水平運(yùn)動(dòng)指標(biāo)已成共識(shí)，例如第五代中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖的說(shuō)明書中就有類似論述。

1974年，在為地震烈度區(qū)劃和開(kāi)展地震預(yù)測(cè)而劃分中國(guó)發(fā)震地殼塊體交界帶工作中曾應(yīng)用了震源機(jī)制資料。對(duì)此，閆志德和郭履燦（1983）指出：1974年郭增建把我國(guó)地殼劃分為9個(gè)巨塊，以七級(jí)以上大地震的分布、大震極震區(qū)的方向、大斷裂延伸的方向以及由地震波得到的震源錯(cuò)動(dòng)方向?yàn)橐罁?jù)來(lái)劃分巨塊交界，并劃出青藏高原復(fù)雜區(qū)塊又分南北兩塊。閆志德和郭履燦（1983）進(jìn)而對(duì)北塊作了有價(jià)值的研究和討論。值得回顧的是1974年劃分出來(lái)的青藏高原北塊的西南邊界西段和東南邊界分別于2001年和2008年發(fā)生了昆侖山口西和汶川特大地震。在已公布的第五代地震烈度區(qū)劃圖的說(shuō)明書中，也有類似觀點(diǎn)的論述。

1965年由于國(guó)家三線備戰(zhàn)對(duì)地震烈度評(píng)定的需求，郭增建等基于大震發(fā)生時(shí)在地表形成的斷層錯(cuò)動(dòng)資料，建立了震級(jí)與震源斷層長(zhǎng)度L以及與錯(cuò)動(dòng)幅度D之間的公式。因?qū)ν愓鸺?jí)地震取其地表斷層長(zhǎng)度和錯(cuò)動(dòng)幅度最大者建立公式，故可認(rèn)為它們能代表震源地方的斷層長(zhǎng)度和錯(cuò)動(dòng)幅度（郭增建等，1973）。斷裂長(zhǎng)度L與震級(jí)MS之間的關(guān)系：MS=3.3+2.1lgL（1）該公式曾于1965年在甘肅河西走廊的地震烈度評(píng)定中用于由構(gòu)造分段長(zhǎng)度推求未來(lái)相應(yīng)的最大震級(jí)。

震級(jí)與破裂錯(cuò)動(dòng)幅度的關(guān)系是：LgD=0.52MS-1.25（2）式中：D為地震時(shí)斷層破裂錯(cuò)動(dòng)的幅度，單位cm。

由（2）式可知，如果知道2個(gè)地殼塊體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度或一個(gè)大斷層兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度，則可求得完成這一錯(cuò)動(dòng)幅度所需的時(shí)間，進(jìn)而可大致評(píng)估相應(yīng)于一定幅度的地震其孕育所需時(shí)間。一般在廣義的震源機(jī)制參數(shù)中也包括震源斷層長(zhǎng)度和錯(cuò)動(dòng)幅度。但上述的公式是由宏觀資料得到而不是由地震波得到。

這個(gè)當(dāng)時(shí)由很少數(shù)據(jù)資料建立起來(lái)的公式，據(jù)文獻(xiàn)檢索，除在全國(guó)為首次外，在國(guó)際上也是最早進(jìn)行的研究之一。把宏觀地質(zhì)構(gòu)造與地震的震級(jí)建立了定量的關(guān)系在國(guó)內(nèi)也是首次。另外這個(gè)公式在近年西北地區(qū)進(jìn)行的地震安全性評(píng)價(jià)時(shí)，較為適用。

2利用震源機(jī)制鑒定前震群

郭增建等（1973）提出了震源是由應(yīng)力積累單元和兩端的應(yīng)力調(diào)整單元組合而成的模式，稱組合模式。這個(gè)模式的特點(diǎn)是補(bǔ)充了早年美國(guó)地震學(xué)家Reid的彈性回跳理論中的缺陷，即無(wú)震源端部條件的問(wèn)題。因?yàn)槎瞬織l件與大震發(fā)生時(shí)震源斷層傳播的止裂有關(guān)。

組合模式的震源是由沿兩塊體的交界帶或斷裂帶上摩擦阻力較大的地段孕育的，此段即為應(yīng)力積累單元，在此摩擦阻力較大地段其兩端斷層的摩擦阻力較小，可產(chǎn)生蠕滑或進(jìn)行塑性變形。對(duì)于地震預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)，郭增建等（1973）討論了應(yīng)力積累單元地段中臨震前如發(fā)生小震群所表現(xiàn)出的特征。由于積累單元發(fā)生小震群是該單元緊臨發(fā)生大震前能量預(yù)釋放的指標(biāo)，因此它就是前震群。這是用小震在主震震源體中的位置就可判斷的。但在實(shí)際中我們并不知道小震所在的主震震源體背景，因而不能用主震震源模式判斷小震群是否是前震。該情況只能用這個(gè)小震群的本身特征去鑒別它后面是否會(huì)跟隨大震，即判別它是否為“前震”。

地震研究40卷第4期郭增建等：基于震源機(jī)制的地震區(qū)劃與地震預(yù)測(cè)方法討論郭增建等（1973）共討論了4個(gè)與預(yù)測(cè)大震有關(guān)的測(cè)震學(xué)指標(biāo)，最后一個(gè)就是用震源機(jī)制的一致性鑒別前震群。下面作具體介紹。

在中、短、臨時(shí)間尺度的地震預(yù)測(cè)中，人們最感興趣的是大震孕育到晚期和臨震前的小震活動(dòng)特點(diǎn)。endprint

所謂大震孕育到晚期就是震源孕育的最后時(shí)段，也是震源應(yīng)力積累較高的時(shí)段。在這個(gè)時(shí)段中，一方面區(qū)域構(gòu)造力繼續(xù)給震源施加應(yīng)力，另一方面調(diào)整單元還繼續(xù)把區(qū)域構(gòu)造力加給自己的應(yīng)力積累單元調(diào)整轉(zhuǎn)移（通過(guò)蠕滑轉(zhuǎn)移，這是組合模式的特點(diǎn)）。這兩種應(yīng)力的疊加，使主震震源的兩斷層盤中的應(yīng)力分布較高且不均勻。在這個(gè)不均勻應(yīng)力場(chǎng)中，那些較淺的、走向不一的易滑斷層可能發(fā)生小震，另外震源的調(diào)整單元斷層段上也可能伴有小震。這兩方面小震大致在同一時(shí)段內(nèi)發(fā)生，它們的震源機(jī)制是不一致的。這是主震震源孕育到晚期的特點(diǎn)。

隨后進(jìn)入臨近大震發(fā)生時(shí)段。此時(shí)主震震源斷層面上介質(zhì)開(kāi)始稍有塑性變形（相當(dāng)于摩擦阻力降低，這是國(guó)外學(xué)者用模擬實(shí)驗(yàn)證明過(guò)的），則主震震源的兩個(gè)斷層盤就會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)就是大震前的預(yù)位移，這個(gè)預(yù)位移會(huì)使主震震源斷層盤內(nèi)的應(yīng)力減小，致使盤內(nèi)易滑面的小震不再發(fā)生。隨后小震單獨(dú)集中在主震震源斷層帶中發(fā)生。由于它們的環(huán)境和受力相似，因而震源機(jī)制也將相似。由于它們與隨后的主震都是在同一斷層帶上的錯(cuò)動(dòng)，所以其震源機(jī)制與主震也相似。

綜上所述，孕震晚期階段向大震將要發(fā)生的臨震階段過(guò)渡，表現(xiàn)在小震震源機(jī)制上，就是由“不一致”向“一致”過(guò)渡。前者相應(yīng)于主震震源區(qū)最后積累應(yīng)力程度，后者相應(yīng)于主震積累能量的預(yù)釋放，預(yù)釋放是在積累高應(yīng)力的狀態(tài)下發(fā)生的。由于我們所討論的小震震源機(jī)制一致性是在臨大震之前發(fā)生的，所以形成震源機(jī)制一致性就是大震發(fā)生前該前震的特點(diǎn)。但是，由于當(dāng)時(shí)無(wú)實(shí)際震例相配，所以在“機(jī)制一致性”之前加了“可能”二字。

金嚴(yán)等（1976）對(duì)1975年海城7.3級(jí)地震的前震群震源機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)震源機(jī)制是一致的（通過(guò)P和S垂直分量最大振幅之比的一致性進(jìn)行推論，它等效于震源機(jī)制的一致性），并對(duì)余震進(jìn)行了研究，其震源機(jī)制是不一致的，又對(duì)國(guó)內(nèi)某些震群進(jìn)行了研究，也發(fā)現(xiàn)震源機(jī)制的一致性較差。

金嚴(yán)等（1976）還研究了海城大震前44天在本溪發(fā)生的水庫(kù)震群，其中有一個(gè)較強(qiáng)的4.8級(jí)地震，在這次地震前小震的震源機(jī)制相似，但這次4.8級(jí)地震后，小震的震源機(jī)制就不一致了。如這一結(jié)果1975年得出，可判定本溪不會(huì)再發(fā)生更大的地震，于是把注意力轉(zhuǎn)向遼寧其他地區(qū)。

隨后幾十年來(lái)我國(guó)學(xué)者也用與金嚴(yán)等（1976）類似的研究思路，在全國(guó)不同地區(qū)展開(kāi)了研究，發(fā)現(xiàn)震源機(jī)制的一致性指標(biāo)確實(shí)在緊臨大震前存在。當(dāng)然也有其復(fù)雜的一面，有的主震前符合小震機(jī)制一致性指標(biāo)的地區(qū)范圍較大，未來(lái)大震位置不好判斷。有的發(fā)現(xiàn)符合一致性指標(biāo)出現(xiàn)后要很長(zhǎng)時(shí)間才發(fā)生主震，這又對(duì)主震的時(shí)間預(yù)測(cè)帶來(lái)不確定性。對(duì)此還需進(jìn)一步從震源物理方面進(jìn)行研究，近年來(lái)還不斷在這個(gè)方面進(jìn)行深入的研究（榮代潞，2014；曹鳳娟等，2016；高朝軍等，2016）。

3主震震源機(jī)制的科里奧利力之余震效應(yīng)郭增建等（1992）提出了用主震斷層盤錯(cuò)動(dòng)的科里奧利力效應(yīng)（以下簡(jiǎn)稱科氏力效應(yīng)）來(lái)速判強(qiáng)余震的方法，隨后對(duì)此又作了大量的研究工作。在技術(shù)處理步驟上提出了用吳爾富網(wǎng)求解科氏力的方法（郭安寧，陳家超，2000）?？剖狭π?yīng)可歸納為以下2條原則。

（1）如果科氏力使斷層兩盤互相擠壓，則不利于主震能量徹底釋放，后面最大余震震級(jí)大，它與主震震級(jí)M主之差為：M主-M余 ≤1（3）（2）如果科氏力使斷層兩盤互相拉離，則有利于主震能量的徹底釋放，后面最大余震震級(jí)小，它與主震震級(jí)之差為：M主-M余 ≥1（4）式（3）、（4）中都有一個(gè)等號(hào)，但含義是不同的，對(duì)斷層兩盤互相擠壓的情況來(lái)說(shuō)，最強(qiáng)余震的震級(jí)與主震震級(jí)差最大是1級(jí)，對(duì)于斷層兩盤互相拉離的情況下震級(jí)之差最小是等于1級(jí)。

以上觀點(diǎn)曾得到國(guó)內(nèi)多位學(xué)者的支持（呂堅(jiān)等，2003；陳榮華，劉杰，2005），但也有學(xué)者提出了不同意見(jiàn)（盛書中等，2009），他們認(rèn)為科氏力是存在的，但是量值太小，不足以影響余震的強(qiáng)度。筆者認(rèn)為大震是斷層兩盤之間的剪應(yīng)力稍超過(guò)斷層面上摩擦力時(shí)，就發(fā)生地震錯(cuò)動(dòng)了，即斷層兩盤是在稍超過(guò)互相平衡的情況下發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的，因之很小的科氏力仍可影響主震震源區(qū)釋放能量的程度，從而影響最大余震強(qiáng)度。

由于科氏力余震效應(yīng)的原理是比較可靠的，判斷的指標(biāo)簡(jiǎn)單清晰，有利于推廣應(yīng)用。中國(guó)大陸除南北走向的純走滑錯(cuò)動(dòng)以及東西走向的純傾滑錯(cuò)動(dòng)外（這兩類都很少），其余類型的震源錯(cuò)動(dòng)一般不會(huì)出現(xiàn)科氏力為零的情況。所以絕大多數(shù)地震發(fā)生后，其科氏力在震源斷層面法線方向上就有分量（不論其量值大?。┒伎蓱?yīng)用（3）（4）式進(jìn)行判斷。實(shí)際上，盛書中等（2009）最有說(shuō)服力的擠壓型震源科氏力的統(tǒng)計(jì)，斷層面上的科氏力法向分力在小值和大值時(shí)都有對(duì)應(yīng)地震的實(shí)例，這與我們速判時(shí)不管科氏力在斷層面法線上的量值，皆認(rèn)為都可影響余震的強(qiáng)度這一點(diǎn)是不相悖的。這樣科氏力余震效應(yīng)的判斷就可大大簡(jiǎn)化為以下6條，統(tǒng)計(jì)表明與實(shí)際相符率可達(dá)80%以上。

（1）對(duì)于右旋走滑型震源，其科氏力使震源兩斷層盤互相擠壓，最強(qiáng)余震與主震震級(jí)差滿足公式（3），也就是余震強(qiáng)度較大。

（2）對(duì)于左旋走滑型震源，其科氏力使震源斷層兩盤互相拉離，最強(qiáng)余震震級(jí)與主震震級(jí)差滿足公式（4），即最強(qiáng)余震震級(jí)較小。

（3）對(duì)于逆斷層型震源來(lái)說(shuō)，如上盤錯(cuò)動(dòng)方向朝過(guò)震源子午線東側(cè)（過(guò)震源子午線就是與震中區(qū)鉛直線夾90°-φ的向北的那條直線，φ是震中的緯度角），則最強(qiáng)余震震級(jí)與主震震級(jí)差滿足公式（4），即強(qiáng)余震震級(jí)小。如2008年5月12日汶川大地震就是上盤錯(cuò)動(dòng)方向過(guò)震源子午線東側(cè)。

（4）對(duì)于逆斷層型震源來(lái)說(shuō)，如果上盤錯(cuò)動(dòng)方向過(guò)震源子午線西側(cè)，則最強(qiáng)余震震級(jí)與主震震級(jí)差滿足公式（3），即強(qiáng)余震震級(jí)大。如1999年9月21日臺(tái)灣集集地震就是上盤錯(cuò)動(dòng)方向過(guò)震源子午線西側(cè)。

（5）對(duì)于正斷層型震源來(lái)說(shuō)，其判據(jù)與上述逆斷層情況相同。

（6）如果是走滑與傾滑混合的震源類型，則各按它們單純情況判斷后再加起來(lái)作平均。endprint

4結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了震源機(jī)制在地震預(yù)測(cè)中的意義。從處理方法上而言，震源機(jī)制處理多采用CAP方法（趙凌云等，2010，2014；鄭建常等，2015），也有用矩張量方法進(jìn)行的研究，但它們與早期用P波初動(dòng)求解震源機(jī)制是一脈相承的（劉瑞豐等，1999；王衛(wèi)東，李少睿，1999；許康生，李菪，2004；林向東等，2013；陳繼鋒，2015；吳微微等，2015）。

關(guān)于震源機(jī)制與地震預(yù)報(bào)，有學(xué)者有不同的觀點(diǎn)。Aki（1972）在《構(gòu)造物理》14卷3～4期《強(qiáng)震前兆專輯》中指出：“在地震學(xué)中，地震機(jī)制的研究大多屬于地震發(fā)生后的現(xiàn)象。所以除了更好的理解震后現(xiàn)象可能幫助說(shuō)明地震前我們所能預(yù)料到的情況外，這類研究對(duì)本次會(huì)議討論強(qiáng)震前兆將無(wú)多大直接貢獻(xiàn)”。我們與安藝敬一的觀點(diǎn)部分不悖，但震源機(jī)制的研究結(jié)果也有應(yīng)用于地震預(yù)測(cè)的一面，要求從廣義角度來(lái)研究震源機(jī)制與地震的聯(lián)系。

震源機(jī)制還可以間接地為震災(zāi)防御領(lǐng)域服務(wù)，如震源機(jī)制解來(lái)推斷發(fā)震構(gòu)造，以及可以用小震震源機(jī)制來(lái)推斷現(xiàn)代的活動(dòng)斷裂（彭利媚，魏婭玲，2016）。

震源機(jī)制與強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)之間也有關(guān)聯(lián)（孫麗娜等，2015）。綜上所述，震源機(jī)制是基于震源的物理過(guò)程，地震學(xué)家能根據(jù)一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)發(fā)生的中小地震的震源機(jī)制判斷未來(lái)大地震的發(fā)生情況，或根據(jù)構(gòu)造與地質(zhì)情況推斷出未來(lái)可能發(fā)生大地震的震源過(guò)程，其間有一定的相似性，這些結(jié)果就可以在震災(zāi)防御的諸多方面起到一定的作用。

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