重慶石柱M4.5及武隆M5.0地震前視應(yīng)力異常對(duì)比

陳麗娟 龔麗文 董 娣 董 蕾

1 重慶市地震局，重慶市紅黃路339號(hào)，401147

近年來(lái)，視應(yīng)力廣泛應(yīng)用于地殼應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)和地震預(yù)測(cè)研究，也可用來(lái)估計(jì)地殼應(yīng)力水平的下限[1]。研究表明[2-5]，中強(qiáng)震發(fā)生前視應(yīng)力會(huì)升高，如2006年河北文安MS5.1地震、2013年福建仙游ML5.0地震、2011年日本MW9.1地震、三峽庫(kù)區(qū)巴東ML5.5地震、秭歸ML4.9和ML5.1地震在震前一段時(shí)間內(nèi)震源區(qū)視應(yīng)力呈現(xiàn)升高特征，震后逐漸恢復(fù)到正常水平。同時(shí)在部分強(qiáng)震發(fā)生前視應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)升高-下降變化，如2007年云南寧洱6.4級(jí)地震、2008年汶川MS8.0地震、2017年九寨溝MS7.0地震前震中或震中附近區(qū)域的視應(yīng)力均表現(xiàn)為上升-下降的異常形態(tài)[6-7]。陳宇衛(wèi)等[8]認(rèn)為地震發(fā)生在視應(yīng)力升高之后再降低的過(guò)程中，是震源區(qū)介質(zhì)進(jìn)入某種臨界破裂狀態(tài)的反映，與強(qiáng)震前短臨階段的地震活動(dòng)平靜現(xiàn)象類似。

2013-07-18重慶石柱發(fā)生M4.5地震，2017-11-23重慶武隆發(fā)生M5.0地震，2次地震震中相距約92 km。本文利用地震波形資料反演得到拐角頻率、地震矩、地震能量等震源譜參數(shù)，計(jì)算視應(yīng)力并分析石柱M4.5及武隆M5.0地震前中小地震視應(yīng)力的演化過(guò)程，對(duì)比2次地震前視應(yīng)力的變化特征，以提取該區(qū)顯著地震前的視應(yīng)力異常指標(biāo)，為渝東南地區(qū)地震趨勢(shì)分析提供判定依據(jù)。

1 構(gòu)造背景及資料選取

石柱M4.5地震和武隆M5.0地震震中位于渝中央斷塊褶皺區(qū)與渝東南斷褶隆起區(qū)分界處，石柱地震震中方斗山斷裂為武隆地震震中七曜山-金佛山斷裂的分支，圖1為區(qū)域地質(zhì)及歷史地震分布。研究表明武隆地震為走滑正斷型[9]，與石柱地震活動(dòng)性質(zhì)相似[10]。圖1左圖中紅色實(shí)心圓為2011～2018年研究區(qū)內(nèi)ML2.0以上地震分布，紫色線段為斷層，黑色三角形為重慶及周邊臺(tái)站，黃色五角星分別為石柱M4.5地震和武隆M5.0地震。該區(qū)周邊臺(tái)站較多且波形記錄信噪比較高，可為震源譜參數(shù)計(jì)算提供豐富數(shù)據(jù)。在近震源條件下，選取2011～2018年ML2.0以上地震震中200 km范圍內(nèi)的臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

圖1 區(qū)域地質(zhì)資料及地震分布Fig.1 Regional geological data and earthquake distribution

2 視應(yīng)力計(jì)算方法

在近震源條件下，選用信噪比較高、震中距200km范圍內(nèi)的臺(tái)站波形，截取S波，將波形數(shù)據(jù)進(jìn)行傅氏變換得到觀測(cè)譜，通過(guò)儀器響應(yīng)、幾何擴(kuò)散校正和介質(zhì)衰減校正得到震源譜。中小地震震源譜符合Brune圓盤(pán)模型[11]，可表示為：

(1)

式中，Ω0為震源譜零頻極限值，fc為拐角頻率。給定Ω0和fc即可確定震源譜，確定方法參考文獻(xiàn)[2]。地震矩M0可表示為：

(2)

式中，ρ為地殼介質(zhì)密度(取2.71 mg/cm3)；v為波速(S波取3.5 km/s)；d為震源距；Ω0為位移譜零頻極限值；R為輻射因子，可用其均方根替代(S波為0.63)。地震能量ES可由對(duì)速度譜平方進(jìn)行積分來(lái)表示[12]：

(3)

式中，β為S波速度。在確定地震矩M0和地震能量ES后，地震視應(yīng)力可表示為：

(4)

式中，μ為剪切模量(對(duì)于地殼介質(zhì)，μ取3×104MPa)。

3 震源譜參數(shù)定標(biāo)關(guān)系

圖2為中小地震的地震矩、輻射能量、拐角頻率、視應(yīng)力與震級(jí)的關(guān)系，從圖中可以看出，地震矩、輻射能量、視應(yīng)力參數(shù)均隨震級(jí)的增加而增大，且相關(guān)系數(shù)R值較大，呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性；而拐角頻率隨震級(jí)的增大而減小，且相關(guān)性較差。式(5)～(8)為定標(biāo)關(guān)系式及相關(guān)系數(shù)：

logM0=1.039 4×ML+10.678 2,

R1=0.946 8

(5)

logES=1.774 0×ML+2.481 3,

R2=0.960 5

(6)

logσapp=0.734 2×ML-2.718 4,

R3=0.842 5

(7)

logfc=-0.101 7×ML+0.611 2,

R4=0.410 4

(8)

圖2 研究區(qū)地震震源譜參數(shù)定標(biāo)關(guān)系Fig.2 Calibration relationship between seismic-source spectral parameters in the study area

拐角頻率為震源譜低頻與高頻趨勢(shì)線的交點(diǎn)，可反映地震波高頻和低頻能量的分布特征，該值與震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)、發(fā)震過(guò)程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖體裂隙發(fā)育和水體滲透擴(kuò)散會(huì)使地殼淺部巖石強(qiáng)度弱化，從而導(dǎo)致拐角頻率偏小[13]。已有研究結(jié)果表明，與構(gòu)造地震相比，三峽地區(qū)地震事件記錄的波形中低頻成分較豐富，拐角頻率參數(shù)偏低[14]。由圖2(d)可知，同等震級(jí)條件下，石柱地區(qū)地震的拐角頻率低于武隆地區(qū)，這可能是因?yàn)槭卣鹫鹬芯嚯x長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)僅約17 km，庫(kù)區(qū)水體滲透使場(chǎng)地介質(zhì)發(fā)生軟化，從而對(duì)地震波的高頻成分具有較強(qiáng)的吸收作用。

由圖2(c)可知，同等震級(jí)條件下，石柱地區(qū)視應(yīng)力低于武隆地區(qū)，表明受三峽水庫(kù)蓄水影響，石柱地區(qū)地震發(fā)震時(shí)所需的構(gòu)造應(yīng)力小于武隆地區(qū)。已有研究表明，同震級(jí)的構(gòu)造地震的應(yīng)力降值約為水庫(kù)誘發(fā)地震的10倍[15]，原因可能為水庫(kù)蓄水造成地下介質(zhì)孔隙壓力增大或由于水的潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致在較低的構(gòu)造應(yīng)力情況下可發(fā)生水庫(kù)誘發(fā)地震。2014年和2017年發(fā)生于三峽庫(kù)區(qū)秭歸、巴東的數(shù)次4級(jí)左右地震的拐角頻率均較低[16]。

對(duì)比石柱和武隆地區(qū)的震源譜參數(shù)可知，距離三峽庫(kù)區(qū)較近的石柱地區(qū)地震的拐角頻率、視應(yīng)力均低于距離庫(kù)區(qū)較遠(yuǎn)的武隆地區(qū)，表明水庫(kù)蓄水后裂隙增加、庫(kù)水滲透、巖石軟化和水的潤(rùn)滑作用等因素都可能導(dǎo)致在較低的構(gòu)造應(yīng)力條件下發(fā)生地震。

4 視應(yīng)力隨時(shí)間變化分析

計(jì)算結(jié)果表明，石柱M4.5地震視應(yīng)力為0.158 MPa，應(yīng)力降為0.53 MPa；武隆M5.0地震視應(yīng)力為2.851 MPa，應(yīng)力降為9.57 MPa。地震視應(yīng)力值隨震級(jí)的增加而增大，視應(yīng)力與震級(jí)呈正相關(guān)。為排除震級(jí)大小對(duì)視應(yīng)力隨時(shí)間變化特征的影響，本文采取分震級(jí)段方法對(duì)ML2.0～2.9地震的視應(yīng)力隨時(shí)間的變化特征進(jìn)行研究。

圖3(a)為石柱地區(qū)42個(gè)ML2.0～2.9地震的視應(yīng)力隨時(shí)間的變化，圖中數(shù)值為每5次地震的平滑結(jié)果。從圖中可以看出，地震視應(yīng)力在2013年石柱地震發(fā)生前出現(xiàn)較為明顯的上升變化，2011年該區(qū)視應(yīng)力為0.006 MPa，隨后快速上升為0.012 MPa，在2013年初達(dá)到最高值，之后視應(yīng)力略有下降，但依然維持在較高水平，2013-07-18發(fā)生石柱M4.5地震，隨后視應(yīng)力緩慢下降，到2014年底達(dá)到最低值，之后有所回升并維持在相對(duì)平穩(wěn)水平。

圖3(b)為石柱地區(qū)42個(gè)ML2.0～2.9地震的S波拐角頻率隨時(shí)間的變化，圖中數(shù)值為每5次地震的平滑結(jié)果。從圖中可以看出，石柱地震發(fā)生前拐角頻率維持在較高水平，在震前一段時(shí)間內(nèi)有所下降，且這種升高-下降變化與視應(yīng)力具有較好的同步性，震后拐角頻率在2015年初出現(xiàn)上升變化，隨后快速下降到較低水平。

圖3 石柱地區(qū)ML2.0～2.9地震的視應(yīng)力及拐角頻率隨時(shí)間變化Fig.3 The changes of apparent stress and corner frequency of ML2.0～2.9 earthquakes with time in Shizhu area

圖4(a)為武隆地區(qū)72個(gè)ML2.0～2.9地震的視應(yīng)力隨時(shí)間的變化，圖中數(shù)值為每5次地震的平滑結(jié)果。該區(qū)視應(yīng)力在2012年底從0.005 MPa上升為0.015 MPa，超過(guò)該區(qū)視應(yīng)力值的平均水平，隨后下降為0.005 MPa左右，在2013-04快速上升為0.01 MPa。2013-07-18在武隆地震震中東北方向約92 km處發(fā)生石柱M4.5地震。武隆地震與石柱地震同處于渝東南地區(qū)七曜山-金佛山基底斷裂附近，因此2012～2013年該時(shí)間段內(nèi)武隆地區(qū)視應(yīng)力“升高-下降-升高”的變化可能與石柱M4.5地震有關(guān)。石柱地震后武隆地區(qū)視應(yīng)力較為平穩(wěn)，直至2014年底該區(qū)視應(yīng)力從0.006 MPa再次上升，至2016-09達(dá)到0.015 MPa，超過(guò)該區(qū)平均水平并維持該水平至2017-03，2017-09視應(yīng)力水平急劇上升至最高水平約0.02 MPa，隨后發(fā)生武隆M5.0地震。

圖4(b)為武隆地區(qū)ML2.0～2.9地震的S波拐角頻率隨時(shí)間的變化，圖中數(shù)值為每5次地震的平滑結(jié)果。從圖中可以看出，該區(qū)拐角頻率隨時(shí)間的變化與視應(yīng)力變化具有較好一致性，在石柱M4.5地震前拐角頻率升高，震后逐漸下降；2015年再次上升，隨后略有下降，但高于之前水平；在2017年武隆M5.0地震前急劇上升，震后依然維持在較高水平。

圖4 武隆地區(qū)ML2.0～2.9地震的視應(yīng)力及拐角頻率隨時(shí)間變化Fig.4 The changes of apparent stress and corner frequency of ML2.0～2.9 earthquakes with time in Wulong area

圖5為研究區(qū)內(nèi)114個(gè)ML2.0～2.9地震的視應(yīng)力及拐角頻率隨時(shí)間的變化，圖中數(shù)值為每10次地震的平滑結(jié)果。從圖中可以看出，大范圍內(nèi)視應(yīng)力在石柱M4.5地震前具有十分明顯的急劇上升變化，在武隆M5.0地震前視應(yīng)力經(jīng)過(guò)5 a緩慢上升過(guò)程，震后大范圍內(nèi)視應(yīng)力依然較高。S波拐角頻率在石柱地震前具有明顯的升高特征，2015年再次上升，隨后緩慢下降，在武隆地震前急劇升高，震后維持在高值水平。上述分析表明，震后研究區(qū)內(nèi)七曜山-金佛山基底斷裂仍承受較高的構(gòu)造應(yīng)力。

圖5 研究區(qū)內(nèi)114個(gè)ML2.0～2.9地震的視應(yīng)力及拐角頻率隨時(shí)間變化Fig.5 The changes of apparent stress and corner frequency of 114 ML2.0～2.9 earthquakes with time in the study area

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)2013年石柱M4.5和2017年武隆M5.0兩次地震前后的中小地震進(jìn)行波譜分析，計(jì)算地震矩、輻射能量、拐角頻率、視應(yīng)力等震源譜參數(shù)，分析地震拐角頻率、視應(yīng)力隨時(shí)間的演化過(guò)程，得到以下結(jié)論：

1)同震級(jí)條件下，石柱地區(qū)地震的拐角頻率低于武隆地區(qū)，這可能是因?yàn)槭貐^(qū)距離長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)較近，巖體裂隙發(fā)育和庫(kù)水滲透擴(kuò)散使地殼淺部巖石強(qiáng)度弱化，對(duì)地震波的高頻成分具有較強(qiáng)的吸收作用，從而導(dǎo)致拐角頻率偏小。同等震級(jí)條件下，石柱地區(qū)地震的視應(yīng)力低于武隆地區(qū)，表明受三峽水庫(kù)蓄水影響，庫(kù)水滲透作用使石柱地區(qū)地震發(fā)震所需的構(gòu)造應(yīng)力小于武隆地區(qū)。

2)視應(yīng)力結(jié)果表明，石柱M4.5地震和武隆M5.0地震前視應(yīng)力均經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間上升變化過(guò)程，最高異常值達(dá)到背景值的2～3倍。這種“震前長(zhǎng)時(shí)間上升-震前數(shù)月略有下降-臨震前再次急劇上升”的變化過(guò)程，反映研究區(qū)內(nèi)應(yīng)力的積累釋放過(guò)程。S波拐角頻率在2次地震前的異常變化與視應(yīng)力基本一致，表明拐角頻率也可以反映區(qū)域應(yīng)力大小。武隆地震后研究區(qū)內(nèi)拐角頻率、視應(yīng)力仍較高，說(shuō)明渝東南片區(qū)七曜山-金佛山基底斷裂仍承受較高的構(gòu)造應(yīng)力。