2019 年四川長寧MS6.0 地震前破裂區(qū)內(nèi)視應力和b 值的變化＊

陳學忠 李艷娥 宮 悅 陳麗娟

1) 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2) 四川省地震局，成都 610041

3) 重慶市地震局，重慶 401147

引言

2019 年6 月17 日四川長寧發(fā)生強烈地震，由中國地震臺網(wǎng)測定的震中位置為（28.34°N，104.9°E），位于云貴川交界地區(qū)，震級為MS6.0。根據(jù)全球質(zhì)心矩張量（GCMT）反演結(jié)果以及余震的震中分布，這次地震的發(fā)震機制為在SWW 方向的主壓應力作用下NWW 走向的斷層面發(fā)生左旋走滑錯動的結(jié)果（圖1）。

歷史上，在長寧MS6.0 地震本地及鄰近區(qū)域內(nèi)沒有發(fā)生過MS≥6.0 地震，但位于其西北的峨邊—大關(guān)一帶有一個強發(fā)震活動區(qū)。根據(jù)歷史地震記載，這個地區(qū)曾經(jīng)發(fā)生過8 次MS≥6.0 地震，包括1216 年雷波MS7.0、1917 年大關(guān)MS6.7、1936 年馬邊MS6.7以及1974 年鹽津MS7.1 等強烈地震（圖1b）。2019 年長寧MS6.0 地震顯然不屬于這個地震活動區(qū)的地震。

圖1 （a）長寧地震余震空間分布（2019 年6 月17 日—7 月31 日，ML≥0.0）以及全球質(zhì)心矩張量解（沙灘球，箭頭表示斷層面錯動方向）； （b）長寧地震以及歷史上發(fā)生的MS≥6.0 地震（“○”）。F1：華蓉山斷裂帶；F2：馬邊—鹽津斷裂帶；F3：蓮峰斷裂帶；F4：峨邊—金陽斷裂帶。 “☆”為長寧地震震中Fig. 1 （a）Spatial distribution of epicenters of ML≥ 0.0 aftershocks that occurred from June 17，2019 to July 31，2019 and the GCMT solution for the June 17，2019 Changning MS6.0 earthquake（beach ball，arrows indicate the slipping direction of the focal fault）. F1 indicates the Huarongshan fault；F2 indicates the Mabian-Yanjin fault；F3 indicates the Lianfeng fault and F4 indicates the Ebian-Jinyang fault. The star shows the epicenter of the Changning earthquake

一般認為，地殼中的構(gòu)造應力會隨時間而變化。在大地震的加載周期中，應力可能會增加，而在強烈的地震破裂發(fā)生后應力可能會迅速減小。在幾千米到幾十千米的震源深度范圍內(nèi)，目前很難直接探測到震源處的應力，因此，很難提供強烈地震發(fā)生前震源處應力增加的直接證據(jù)。地震波信號的特性既受構(gòu)造應力強弱的影響，又受震源特征或震源模式的影響，然而，高應力地殼介質(zhì)通常被認為是富含高頻能量的脈沖源[1-4]。許多研究人員已經(jīng)報道了大地震發(fā)生前微地震的地震波頻率會發(fā)生變化[5-9]。

在地震學中，視應力是剪切模量和地震能量與地震矩之比的乘積[10]。一些研究人員利用視應力來研究地震前的應力變化。平均視應力在沿海區(qū)域較大，而在近海溝區(qū)域較低[11]。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在主震發(fā)生的區(qū)域會發(fā)生具有高視應力的小地震，而在大地震發(fā)生之前，視應力顯著增加[12-14]。較高視應力的地震發(fā)生在障礙體內(nèi)[15]。此外，最近的一項研究表明，主震前的視應力是增加的，震后是下降的[16]。然而，在2009年4 月6 日拉奎拉MW6.1 地震期間，沒有觀測到前震和余震的視應力變化，主震前的視應力也沒有增加[17]。

Mogi 和Scholz 等通過巖石破裂實驗報道了b值與應力呈負相關(guān)關(guān)系[18-19]。古登堡-里希特關(guān)系lgN=a-bM中b值的降低被解釋為地震主震來臨前應力的增加[20-24]。據(jù)報道，在世界各地發(fā)生大地震之前，b值會在幾個月或幾年的時間內(nèi)出現(xiàn)下降過程。比如，Nuannin 等[25]報告了兩次b值的顯著下降，分別與2002 年兩次大地震（MS≥7.0）和2004 年的MW9.0事件相對應。在其他研究中也觀察到在某些大地震震中附近b值的減少或低b值[26-29]。

對于2019 年長寧MS6.0 地震前破裂區(qū)內(nèi)應力變化的研究尚未有前人涉及，在本研究中，我們將通過視應力和b值，著眼于本次地震前破裂區(qū)內(nèi)應力變化，揭示震前構(gòu)造應力的變化過程。

1 研究區(qū)域和資料

本文選擇長寧MS6.0 地震的余震震中分布區(qū)域為研究區(qū)，是一個大約35 km×20 km 的四邊形區(qū)域（圖1a 中黑色粗實線圍成的區(qū)域）。一般情況下，余震震中分布區(qū)域與地震破裂區(qū)是一致的。

地震視應力定義為[10]

式中，μ為剪切模量（對地殼介質(zhì)，μ可取3×104MPa），和M0分別為地震輻射能量和標量地震矩。

選取研究區(qū)內(nèi)2000 年1 月—2019 年12 月間發(fā)生的ML≥3.0 地震，共156 次。根據(jù)四川數(shù)字測震臺網(wǎng)記錄的波形數(shù)據(jù)，將波形數(shù)據(jù)進行去傾和儀器響應校正處理之后，取S 波段的波形數(shù)據(jù)，在近震源條件下計算震源譜，得到震源譜參數(shù)，進而根據(jù)震源譜參數(shù)可以得到地震矩、地震能量，再由式（1）計算視應力，結(jié)果見表1。

表1 地震矩、地震能量和視應力計算結(jié)果Table 1 Calculated seismic moment，seismic energy and apparent stress for the studied earthquakes

續(xù)表 1

續(xù)表 1

續(xù)表 1

續(xù)表 1

利用表1 中的數(shù)據(jù)得到的視應力與震級之間的關(guān)系，見式（2）和圖2，相關(guān)系數(shù)為0.92，標準差為0.42。由此可見，視應力與震級有關(guān)，總體上，震級越大，視應力越高。在進行視應力分析時，為了降低震級對視應力的影響，應選取較小震級范圍內(nèi)的地震。本文中，為了盡量降低震級對視應力的影響，同時保證足夠的數(shù)據(jù)量，我們選取3.0≤ML≤3.6 的地震，共110 次，占總數(shù)的70.5%。

圖2 視應力與震級的關(guān)系Fig. 2 Apparent stress versus magnitude

我們選擇研究區(qū)內(nèi)的地震目錄來計算b值隨時間的變化。圖3 為2000 年1 月—2019 年12 月研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的ML≥1.0 地震震級隨時間變化，從圖上可見，從2006 年起地震活動明顯增多，我們將數(shù)據(jù)的起始時間定在2006 年。圖4 給出了研究區(qū)內(nèi)不同時期發(fā)生的地震的G-R 關(guān)系，可以看出，截止到2010 年，地震目錄的完全震級大約為Mc=2.0；2010 年以后，Mc可以達到1.0 級。因此，本文在計算b值隨時間的變化時，震級下限取ML=2.0，而震級上限則根據(jù)GR 關(guān)系曲線上線性關(guān)系比較好的震級范圍來選取，本文中取4.3 級。即在計算b值時，我們選取研究區(qū)內(nèi)2.0≤ML≤4.3 的地震，共計1 861 次。

2 結(jié)果

2.1 視應力隨時間的變化

我們分別使用20 個和30 個事件的滑動窗口計算平均視應力，每次滑動2 個事件，將每個窗口中最后一個事件發(fā)生的時間作為計算的平均視應力的時間，可以得到平均視應力隨時間的變化（圖5）。圖5a為20 個事件滑動窗口計算的結(jié)果，圖5b 為30 個事件滑動窗口計算的結(jié)果，兩個結(jié)果一致性較好。2013 年2 月—2017 年3 月期間，視應力呈趨勢上升變化，歷時約4 年。在震前兩年時間內(nèi)，視應力仍維持在較高水平。

圖3 研究區(qū)內(nèi)ML≥1.0 地震震級隨時間變化Fig. 3 Magnitude versus time for earthquakes（ML≥1.0）that occurred in the study area

圖4 不同時期地震的G-R 關(guān)系Fig. 4 The G-R relation of earthquakes in different periods

圖5 視應力隨時間的變化Fig. 5 Apparent stress as a function of time

2.2 b 值隨時間的變化

如上所述，在2019 年長寧MS6.0 主震發(fā)生前，余震區(qū)視應力有明顯的增加過程。接下來，我們將研究震前余震區(qū)內(nèi)b值隨時間的變化，考察b值的變化是否能夠支持這個結(jié)果。

我們采用極大似然法計算b值[30]：

圖6 b 值（黑色實線）隨時間的變化。以400 次地震為滑動窗口計算b 值，20 次地震滑動。 “↓”標注長寧MS6.0 地震發(fā)生時間。 “○”為視應力的30 個事件平均值Fig. 6 b value（the black solid line）as a function of time obtained by applying a sliding time window of 400 events moved by 20 events. The down arrow“↓”shows the original time of the Changning MS6.0 main event. The circle “○” denotes the 30-event mean of the apparent stress

其中，M和Mmin分別為給定地震事件樣本的平均震級和最小震級，N為樣本總數(shù)。計算b值隨時間的變化時，使用了一個等事件數(shù)量的窗口，將該窗口以等事件數(shù)的增量進行滑動。b值是一個統(tǒng)計量，一般會受樣本量的影響。我們選取等事件數(shù)量的窗口，而不是等時間寬度的窗口，目的是為了確保分析結(jié)果不受樣本大小變化的影響。利用研究區(qū)內(nèi)2006—2009年的1 861 次2.0≤ML≤4.3 的地震，以400 次地震為滑動窗口計算b值，20 次地震滑動，得到了b值隨時間的變化（圖6）。圖中黑色實線為b值，同時給出了圖5b 中的視應力（圓圈“○” ）。可以看出，在圖中虛線框所示的時間范圍內(nèi)，b值呈下降趨勢變化，大約從1.07 下降到0.9，下降幅度約為16%。此期間，視應力呈趨勢上升變化。2008—2012 年，b值呈上升趨勢變化，而視應力呈趨勢下降變化。視應力和b值之間呈現(xiàn)出良好的負相關(guān)關(guān)系。

3 討論和結(jié)論

通過分析長寧MS6.0 地震破裂區(qū)內(nèi)地震的視應力隨時間的變化，發(fā)現(xiàn)在長寧MS6.0 地震發(fā)生前存在明顯的視應力增加現(xiàn)象。此外，我們利用長寧MS6.0地震破裂區(qū)內(nèi)的地震目錄計算了b值隨時間的變化，發(fā)現(xiàn)在視應力增加期間，b值降低。這個結(jié)果與Mogi 和Scholz 的實驗結(jié)果具有一致性[18-19]。

探索構(gòu)造應力的變化與強震發(fā)生之間的關(guān)系是地震孕育過程與地震預測研究的主要內(nèi)容之一。由于地震通常是發(fā)生在地下數(shù)千米至數(shù)十千米深處，由于地下應力監(jiān)測技術(shù)的局限性，要直接探測到震源處的應力是非常困難的。視應力是根據(jù)來自地震震源處的地震波的譜參數(shù)得到，攜帶著震源處的應力信息。視應力還可以寫為[31]：

式中， σ為斷層面上的平均應力，η為地震效率。所以，影響視應力的因素除了斷層面上的平均應力，還有地震效率。b值的影響因素除了應力外，還有介質(zhì)的均勻度，介質(zhì)越均勻，b值越低；反之，b值越高[32]。無論是b值，還是視應力，都不能單獨反映構(gòu)造應力的變化。如果將b值和視應力結(jié)合起來，當b值下降，同時視應力增加時，就可以確定構(gòu)造應力增加；反之，構(gòu)造應力下降。

因此，本文將b值和視應力結(jié)合起來，為探測地殼構(gòu)造應力的變化提供了一條可行的途徑，揭示了2019 年長寧MS6.0 地震發(fā)生前破裂區(qū)內(nèi)存在明顯的構(gòu)造應力增加過程。這對地震孕育過程的認識和地震預測研究具有啟示意義。