唐古拉地震帶東段視應(yīng)力特征研究

黃浩，袁伏全，趙玉紅

(青海省地震局，青海 西寧 810001)

0 引 言

地震孕育過程研究的一個(gè)基本問題是震源區(qū)周邊的應(yīng)力調(diào)整過程，即對其空間分布和時(shí)間演化特征進(jìn)行分析，以及對其作為前兆現(xiàn)象的特征進(jìn)行提取。但由于多方面的原因，目前難以對應(yīng)力分布情況和應(yīng)力水平做出一個(gè)直接的測量或估計(jì)[1]。近年來，地震視應(yīng)力逐漸被應(yīng)用于斷裂帶應(yīng)力狀態(tài)分析與地震趨勢判定[2-9]。

唐古拉地震帶中強(qiáng)地震活躍，近年來發(fā)生了2013年雜多5.1級地震、2015年瑪多5.2級地震、2016年丁青5.5級地震、2016年10月17日雜多6.2級地震、2017年6月唐古拉4級震群、2018年5月6日稱多5.3級地震、2018年8月3日治多5.1級地震、2020年1月25日丁青5.1級地震和2020年4月1日石渠5.6級地震。唐古拉地區(qū)的監(jiān)測能力有限，前兆方面僅玉樹地震臺架設(shè)了觀測手段，在震情跟蹤時(shí)常面臨預(yù)測指標(biāo)較少、數(shù)字地震學(xué)提取指標(biāo)研究不深入等問題。

為了提取有效預(yù)測指標(biāo)滿足震情跟蹤需要，根據(jù)監(jiān)測能力篩選唐古拉地震帶東段2012年1月至2020年4月間2.5≤ML≤3.5地震計(jì)算地震視應(yīng)力，研究地震視應(yīng)力演化特征與5.0級以上地震之間的關(guān)系，提取唐古拉地震帶中強(qiáng)地震視應(yīng)力預(yù)測指標(biāo)，為震情跟蹤提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料選取

選取2012年1月至2020年4月青海區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的發(fā)生在唐古拉地震帶東段2.5≤ML≤3.5地震波形(圖1)。在近震源條件下，選用震中距在250 km以內(nèi)的臺站。根據(jù)各臺站記錄的波形情況，選取信噪比較高、記錄較清晰的波形數(shù)據(jù)，將這些臺站記錄到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行去傾和儀器響應(yīng)校正。

2 方 法

地震視應(yīng)力σapp[10]是表征震源區(qū)應(yīng)力水平的物理量，地震視應(yīng)力可作為區(qū)域絕對應(yīng)力水平的下限估計(jì)[11]，其定義為：

(1)

其中ES為地震波輻射能量；M0為地震矩；μ為震源區(qū)介質(zhì)剪切模量，通常取3.0×104MPa。

利用波形數(shù)據(jù)計(jì)算地震能量和地震矩時(shí)，首先將波形數(shù)據(jù)進(jìn)行去傾處理，然后進(jìn)行傅氏變換得到觀測譜。在近震源條件下，震源距較小，可以忽略非彈性衰減的影響，通過儀器響應(yīng)和幾何擴(kuò)散校正得到震源譜。若忽略非彈性衰減，震源譜[12]可以表示為:

(2)

圖1 唐古拉地震帶中小地震與臺站分布

上式中Ω0為震源譜零頻極限值，fc為拐角頻率。當(dāng)Ω0和fc給定時(shí)可由式(2)確定震源譜[2]。

地震矩M0[13]可以根據(jù)下式求得：

(3)

其中ρ為地殼介質(zhì)密度(取2.71 g/cm3)；ν為波速(S 波取3.5 km/s)；d為震源距；Ω0為震源譜零頻極限值；R為輻射因子，可用其均方根代替(S 波取為0.63)[14]。

地震輻射能量可由對速度譜的平方積分求得[15]：

(4)

根據(jù)上述方法得到每個(gè)臺站的地震矩M0、地震波輻射能量ES，即可根據(jù)式(1)對各臺站求平均、并消除個(gè)別臺站的異常高值對平均值的影響[16]得到地震視應(yīng)力。

3 計(jì)算結(jié)果及時(shí)空特征

選取了至少2個(gè)臺站參與計(jì)算的事件，最終獲得了278次2.5≤ML≤3.5地震的視應(yīng)力。由于選取的地震震級相差較小、在一定程度上減小了視應(yīng)力與震級相關(guān)的影響，因此采用視應(yīng)力時(shí)序變化分析區(qū)域應(yīng)力波動(dòng)情況。在分析視應(yīng)力演化特征時(shí)，定義視應(yīng)力超過1倍均方差為視應(yīng)力高值異常。

2012年1月至2020年4月，唐古拉地震帶東段共發(fā)生了7次5級以上地震，即2013年雜多5.1級地震、2015年瑪多5.2級地震、2016年丁青5.5級地震、2016年雜多6.2級地震、2018年稱多5.3級地震、2020年丁青5.1級地震和2020年石渠5.6級地震。圖2展示了278次2.5≤ML≤3.5地震的震級和視應(yīng)力時(shí)序變化，結(jié)果顯示視應(yīng)力數(shù)值在中強(qiáng)地震前均存在明顯異常波動(dòng)。雖然我們選擇的地震震級相差較小，但震級與視應(yīng)力仍然存在一定相關(guān)性。因此采用多項(xiàng)式擬合震級與視應(yīng)力之間的關(guān)系，獲得的擬合關(guān)系為：σapp=0.202 2×ML-0.406 1。為了在一定程度上減小震級與視應(yīng)力相關(guān)的影響，將震級與視應(yīng)力擬合關(guān)系作為背景值，再將278次2.5≤ML≤3.5地震的視應(yīng)力減去背景值，得到規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力。

從空間分布特征來看，7次5級以上地震均發(fā)生在規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力異常區(qū)邊緣，地震并沒有發(fā)生在規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力異常最顯著的地方(由于圖件較多不作逐一展示)。以下分別或成組對7次5級以上地震前后的規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力時(shí)間演化特征進(jìn)行分析。

圖2 選取資料M-T(a)和視應(yīng)力時(shí)序圖(b)

3.1 2013年雜多5.1級地震

2012年1月7日～2012年2月10日視應(yīng)力在2個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)2次高于1倍均方差的高值異常，其后131天規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力持續(xù)正常，2012年6月22日～2012年7月29日規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力再次出現(xiàn)高值異常。規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力演化經(jīng)歷了異常出現(xiàn)—恢復(fù)—異常再次出現(xiàn)的過程、持續(xù)202天，異常結(jié)束后6個(gè)月發(fā)生2013年1月30日雜多5.1級地震(圖3)。

圖3 選取資料M-T(a)和規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力時(shí)序圖(b)

3.2 2015年瑪多5.2、2016年丁青5.5和雜多6.2級地震

2014年7月20日～2014年8月17日視應(yīng)力在1個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)2次高于1倍均方差的高值異常，其后226天規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力持續(xù)正常，2015年4月2日～2015年5月17日規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力再次出現(xiàn)高值異常。規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力演化經(jīng)歷了異常出現(xiàn)—恢復(fù)—異常再次出現(xiàn)的過程、持續(xù)301天，異常結(jié)束后5個(gè)月、12個(gè)月和17個(gè)月分別發(fā)生了2015年10月12日瑪多5.2級地震、2016年5月11日丁青5.5級地震和2016年10月17日雜多6.2級地震(圖4)。

圖4 選取資料M-T(a)和規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力時(shí)序圖(b)

3.3 2018年稱多5.3級地震

2018年1月3日～2018年2月8日規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力在2個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)2次高于1倍均方差的高值異常，異常結(jié)束后3個(gè)月發(fā)生2018年5月6日稱多5.3級地震(圖5)。

圖5 選取資料M-T(a)和規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力時(shí)序圖(b)

3.4 2020年丁青5.1級地震和石渠5.6級地震

2019年2月16日～2019年4月12日規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力在2個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)2次高于1倍均方差的高值異常，其后227天規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力持續(xù)正常，2019年11月27日～2020年1月3日規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力再次出現(xiàn)高值異常。規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力演化經(jīng)歷了異常出現(xiàn)—恢復(fù)—異常再次出現(xiàn)的過程、持續(xù)321天，異常結(jié)束后1個(gè)月和3個(gè)月分別發(fā)生了2020年1月25日丁青5.1級地震和2020年4月1日石渠5.6級地震(圖6)。

圖6 選取資料M-T(a)和規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力時(shí)序圖(b)

4 結(jié)論與討論

基于青海區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)觀測資料，獲得了2012年以來唐古拉地震帶東部278次2.5≤ML≤3.5地震的視應(yīng)力。對比分析研究區(qū)域規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力不同時(shí)段的時(shí)空特征，獲得以下結(jié)論：

(1)唐古拉地震帶東段2.5≤ML≤3.5地震規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力，在中強(qiáng)地震前表現(xiàn)出“規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力異?！謴?fù)—再次出現(xiàn)異?！钡难莼^程，表明中強(qiáng)地震前震源區(qū)域及附近的應(yīng)力水平相對較高，可以作為唐古拉地震帶中強(qiáng)地震預(yù)測指標(biāo)。規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力異常演化時(shí)間與中強(qiáng)地震對應(yīng)情況表明，規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力異常演化過程在200～300天存在發(fā)生5級地震的可能，超過300天形成中強(qiáng)地震成組的可能性較大。

(2)7次中強(qiáng)地震均發(fā)生在規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力異常區(qū)域邊緣，表明中強(qiáng)地震震中可能不發(fā)生在規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力異常最高的位置，對中強(qiáng)地震地點(diǎn)預(yù)測應(yīng)關(guān)注整個(gè)異常區(qū)及邊緣。

(3)目前，唐古拉地震帶東段視應(yīng)力演化過程和持續(xù)時(shí)間與2014～2015年類似，表明唐古拉地震帶東段近期應(yīng)力水平相對較高，應(yīng)密切跟蹤視應(yīng)力演化過程、注意中強(qiáng)地震的可能。