云南小江斷裂帶北段動態(tài)觸發(fā)現(xiàn)象研究

楊晶瓊， 李月芯， 運乃丹*， 周仕勇， 楊宏峰， 楊周勝， 姚遠(yuǎn)

1 云南省地震局， 昆明 650224 2 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院， 北京 100871 3 香港中文大學(xué)理學(xué)院地球系統(tǒng)科學(xué)課程， 香港

0 引言

大量研究表明地震之間是存在相互作用的，并且可分為三種(Freed, 2005; Hill and Prejean, 2007)：靜態(tài)觸發(fā)、準(zhǔn)靜態(tài)觸發(fā)和動態(tài)觸發(fā).靜態(tài)觸發(fā)指的是斷層位錯產(chǎn)生的庫倫應(yīng)力變化在主震破裂區(qū)域附近引發(fā)的一系列觸發(fā)現(xiàn)象, 例如余震.此類相關(guān)研究開始最早，自20世紀(jì)末，主震和余震之間的相關(guān)作用就已經(jīng)被認(rèn)識到(Hill and Prejean, 2007; Robinson and Zhou, 2005).隨后不久，準(zhǔn)靜態(tài)觸發(fā)的相關(guān)研究也開始陸續(xù)出現(xiàn).準(zhǔn)靜態(tài)觸發(fā)對應(yīng)的是一種緩慢的應(yīng)力變化，它的出現(xiàn)與震后滑移、塑性下地殼和上地幔的黏彈性釋放以及流體的擴散有關(guān)(Wu et al., 2011; Jia et al., 2014, 2018)，可以發(fā)生在距離震源幾倍于主震破裂區(qū)域范圍的位置.由于靜態(tài)應(yīng)力和準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力分別隨震中距增加按Δ-3和Δ-2(Δ為震中距)迅速降低(Hill and Prejean, 2007)，所以這兩種應(yīng)力的影響范圍都較小，主要圍繞在主震破裂區(qū)域附近.然而，近年來的很多研究中有大量的證據(jù)證明大地震可以在102～103km外的位置引起明顯的地震活動性增強，這種地震間相互作用被稱為動態(tài)觸發(fā).

Hill等(1993)在1992年Landers地震的波形記錄中首次觀測到動態(tài)觸發(fā)現(xiàn)象，隨后此現(xiàn)象在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的觀測和記錄.早期的大多數(shù)研究表明，動態(tài)觸發(fā)主要發(fā)生在活躍的板塊邊界斷層或火山活動區(qū)域等背景活動性較強的地方(Hill and Prejean, 2007; Hill et al., 1993)，可能的原因是這些區(qū)域的應(yīng)力積累已接近斷層破裂強度.但隨后也有很多研究發(fā)現(xiàn)相對穩(wěn)定的區(qū)域也能發(fā)生動態(tài)觸發(fā)(Gomberg et al., 2004; Velasco et al., 2008).其中研究區(qū)域位于我國境內(nèi)的也為數(shù)不少，例如Peng等(2010)、Jiang等(2010)、Wu等(2011)以及龔萱等(2014)，均討論了中國北部地區(qū)附近的動態(tài)觸發(fā)現(xiàn)象；解朝娣等(2007), Peng等(2012)探究了2004年印尼及2005年蘇門達拉MW9.0和MW8.7兩次巨型地震對云南地區(qū)的小震動態(tài)觸發(fā)效應(yīng).另外，同一區(qū)域也可以被大地震重復(fù)觸發(fā)(Gomberg et al., 2004; Velasco et al., 2008; Wu et al., 2011).

盡管瞬間的動態(tài)應(yīng)力擾動被認(rèn)為是動態(tài)觸發(fā)的主要原因，但也不乏延遲觸發(fā)的案例(Shelly et al., 2011; Peng et al., 2015; Johnson and Bürgmann, 2016).在面波經(jīng)過幾個小時甚至幾天后，也能觀測到一些地區(qū)地震活動性增強的現(xiàn)象.目前對于延遲觸發(fā)的解釋有流體作用等(Parsons, 2005).遠(yuǎn)震不僅可以觸發(fā)區(qū)域性小震，導(dǎo)致區(qū)域地震活動性增強，也會觸發(fā)非火山震顫(Tremor)等長周期事件發(fā)生.觸發(fā)的非火山震顫在日本俯沖帶地區(qū)(Obara, 2012; Chao and Obara, 2016)、圣安德烈斯斷層(Peng et al., 2009)以及中國臺灣(Peng and Chao, 2008)被觀測到，而中國大陸還沒有觀測到非火山震顫的實例.對于非火山震顫的觸發(fā)成因目前也沒有定論.

包含上述研究在內(nèi)的大量觀測表明動態(tài)觸發(fā)具有普遍性，我們可以利用其去檢測斷層上的實時應(yīng)力狀態(tài)，即利用動態(tài)觸發(fā)現(xiàn)象作為斷層對于地震波施加的已知應(yīng)力響應(yīng)的探測器.如果我們能統(tǒng)計出有多少地震被遠(yuǎn)震觸發(fā)，便能知道有多少斷層所處的應(yīng)力狀態(tài)只需要相應(yīng)大小的應(yīng)力擾動就可能破裂.如此，基于遠(yuǎn)場地震波的應(yīng)力擾動響應(yīng)預(yù)測斷裂帶未來的地震危險性在理論上是可行的(Brodsky and van der Elst, 2014).動態(tài)觸發(fā)的研究不僅可以用來衡量斷層上破裂所需要的應(yīng)力擾動分布，還能夠通過該應(yīng)力擾動分布進一步厘清板塊構(gòu)造等過程所產(chǎn)生的影響(Brodsky and van der Elst, 2014)，幫助我們理解地震的發(fā)生及其相互作用的內(nèi)在機理，對于地震預(yù)報及地震風(fēng)險性評估都有重要意義(Wu et al., 2011).

本文擬通過對云南地區(qū)小江斷裂帶北段動態(tài)觸發(fā)現(xiàn)象的系統(tǒng)性研究，探尋動態(tài)觸發(fā)內(nèi)在機理，并對小江斷裂帶北段地震危險性評估及預(yù)測進行討論.

1 研究區(qū)域與資料

小江斷裂帶位于云南省東北部，是青藏高原東南緣最活躍的斷裂帶之一，該斷層定義了四川—云南塊體的東南邊界.由于川滇塊體向東南方向遠(yuǎn)離青藏高原，并圍繞東喜馬拉雅構(gòu)造順時針旋轉(zhuǎn)，所以位于其東部邊界包含小江斷裂帶在內(nèi)的多條斷裂帶均呈左旋走滑運動 (Shen et al., 2003).小江斷裂帶走向近南北，全長約400 km，分為北、中、南三段.北段呈單一結(jié)構(gòu)，由巧家至小江村.為監(jiān)測小江斷裂北段巧家附件的地震活動，中國地震局地球物理所許力生研究員所領(lǐng)導(dǎo)的研究組自2012年2月起陸續(xù)在小江斷裂北段(26°N—27.5°N,102.3°E—103.7°E)布設(shè)了38個寬頻帶地震儀以及15個高頻GPS連續(xù)記錄臺，組成密集臺陣(圖1).該臺網(wǎng)平均臺間距約為12 km，臺陣孔徑約為110 km.期待通過地震和形變的聯(lián)合觀測，捕捉潛在震源區(qū)可能的地動信息，研究強震孕育、發(fā)生和愈合的整個物理過程，確定微構(gòu)造活動和主要斷層的運動屬性.

圖1 小江斷裂帶及臺站分布圖 在臺陣北部云南—四川交匯地區(qū)發(fā)生了2013年MS4.9巧家地震、2014年MS6.5魯?shù)榈卣鸷?020年MS5.1巧家地震三次中強震.震源機制解來源為Global Centroid-Moment-Tensor (CMT) 目錄(Dziewonski et al., 1981; Ekstr?m et al., 2012).Fig.1 Xiaojiang Fault Zone and distribution of seismic stations In the north of the seismic array which is also the junction of Yunnan and Sichuan, three moderately strong earthquakes occurred, i.e. 2013 MS4.9 Qiaojia, 2014 MS6.5 Ludian, and 2020 MS5.1 Qiaojia earthquakes. The focal mechanisms are obtained from Global Centroid-Moment-Tensor (CMT) catalog (Dziewonski et al., 1981; Ekstr?m et al., 2012).

本研究基于該臺陣研究遠(yuǎn)震面波對臺陣覆蓋區(qū)的地震動態(tài)觸發(fā)效應(yīng)，探討遠(yuǎn)震面波動態(tài)觸發(fā)效應(yīng)所反映的斷裂帶強震危險性信息.我們選用2012年3月1日至2014年12月31日該臺陣記錄的三分量連續(xù)波形進行分析.正常工作臺站實際為33個，采樣率均為100 Hz.此外我們在U.S. Geological Survey網(wǎng)站下載了研究時間范圍內(nèi)全球震級大于7級的強震目錄.我們對此目錄進行了進一步的篩選：為了排除靜態(tài)應(yīng)力的影響，選取震中與巧家臺網(wǎng)中心(約26.5°N, 103°E)的距離大于1000 km的遠(yuǎn)震；由于深源地震不能產(chǎn)生很強的面波能量輻射，而面波的能量通常被認(rèn)為是引起動態(tài)觸發(fā)的主要原因，因此選擇震源深度在100 km以內(nèi)的遠(yuǎn)震.最終目錄共包含36個遠(yuǎn)震，其中震級在7級到8級之間的有33個，大于8級的有3個(圖2).我們以這36個強震為觸發(fā)源，研究這些強震對圖1所示研究區(qū)地震活動的動態(tài)觸發(fā).

圖2 強震目錄分布圖 五角星代表的是發(fā)生于2012年3月1日到2014年12月31日之間、震級大于7級、震中與巧家臺網(wǎng)中心(約26.5°N, 103°E)距離大于1000 km且震源深度小于100 km的遠(yuǎn)震；其中不同的顏色代表綜合人工識別和β統(tǒng)計檢驗兩種方法結(jié)果進行的分類， 分類方法見3.1節(jié).三角形為巧家臺網(wǎng)所在位置.Fig.2 Distribution of remote earthquakes Stars represent the earthquakes that occurred from March 1, 2012, to December 31, 2014, with magnitudes larger than 7.0 and depths smaller than 100 km. Moreover, the distances between remote earthquakes and the Qiaojia array (around 26.5°N, 103°E) are larger than 1000 km. The color indicates different categories of events according to the results of manual inspection and β statistic methods (see Section 3.1). The triangle shows the location of Qiaojia array.

須指出的是，在我們選擇的資料記錄時段內(nèi)，在臺網(wǎng)北部云南—四川交匯地區(qū)發(fā)生了2013年MS4.9巧家地震和2014年MS6.5魯?shù)榈卣饍纱沃袕娬?圖1)，對我們討論動態(tài)觸發(fā)所反映的強震危險性信息分析提供了難得的樣本.此外該區(qū)域近期還發(fā)生了2020年MS5.1巧家地震，因此對該區(qū)域的強震危險性研究具有重要意義.

2 遠(yuǎn)震動態(tài)觸發(fā)的檢測

2.1 人工識別

為了判斷遠(yuǎn)震波形到達研究區(qū)域之后是否觸發(fā)了記錄臺附近的地震活動，需要比較遠(yuǎn)震到達前后的地震活動變化.但由于遠(yuǎn)震波形的振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于區(qū)域小震的振幅，如何找出遠(yuǎn)震波形中被覆蓋的區(qū)域小震是問題的關(guān)鍵.遠(yuǎn)震在傳播過程中的高頻成分衰減十分嚴(yán)重，到達接收點時幾乎只剩下低頻成分(周仕勇和許忠淮，2010)；而區(qū)域小震恰好相反，由于震中距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)震，所以高頻成分的能量仍然十分明顯.主流方法一般通過濾波壓制遠(yuǎn)震波，同時結(jié)合頻譜手動拾取區(qū)域小震的位置和數(shù)量，然后通過β檢驗檢測遠(yuǎn)震到達前后活動性的變化(Jiang et al., 2010, Peng et al., 2010, Wu et al., 2011).基于動態(tài)觸發(fā)事件會在遠(yuǎn)震地震波記錄上疊加高頻能量的事實，Yun等(2019, 2021) 提出了一種適用于海量數(shù)據(jù)自動分析且主觀因素影響小的動態(tài)觸發(fā)檢測方法——高頻功率積分比值法(HiFi)，為開展遠(yuǎn)震動態(tài)觸發(fā)現(xiàn)象時空掃瞄變化研究，系統(tǒng)分析遠(yuǎn)震動態(tài)觸發(fā)現(xiàn)象的時空演化特征提供了簡便工具.HiFi雖然能有效并客觀判斷記錄臺附近是否存在遠(yuǎn)場動態(tài)觸發(fā)地震的發(fā)生，但目前還不具備對動態(tài)觸發(fā)事件進行逐一檢測、震相讀取與定位的功能.

為了研究小江斷裂帶遠(yuǎn)震動態(tài)觸發(fā)事件發(fā)生的敏感地點，參照Peng等(2010)的研究，我們對各個臺站記錄到的遠(yuǎn)震波形原始數(shù)據(jù)(圖3a)先做5 Hz的高通濾波，濾波后遠(yuǎn)震的低頻面波被壓制，而區(qū)域的小震信號則被增益(圖3b).因此，若發(fā)生觸發(fā)現(xiàn)象，則在高通濾波下可以清晰看到被掩蓋在大振幅面波下的微小地震.此外，結(jié)合各個遠(yuǎn)震波形時段的頻譜圖輔以判斷，在頻譜圖中可以清楚的看到地震波到達時在不同頻率上的能量分布：遠(yuǎn)震的能量集中在低頻段，而區(qū)域性地震信號雖然振幅不大，但存在很強的相對高頻成分，因此也可以通過頻譜圖識別掩蓋在面波下的區(qū)域性小震(圖3c).

圖3 (a) QJ35臺站記錄到的 2014年4月3日MW7.7智利地震的切向分量的原始波形，時間窗為遠(yuǎn)震波到達時刻前1000 s與后6000 s; (b) 對(a)進行5 Hz高通濾波后的波形; (c) 圖(a)中波形對應(yīng)的頻譜圖, 標(biāo)度尺的 單位為10 log10(cm·s-1Hz-1)Fig.3 (a) Raw tangential component seismogram of the April 3, 2014 MW7.7 Chile earthquake recorded by the QJ35 station, with the time window from 1000 s before to 6000 s after the teleseismic arrival; (b) 5 Hz high-pass-filtered waveform of (a); (c) Spectrogram of the raw data in (a). The unit of color bar is 10 log10(cm·s-1Hz-1)

應(yīng)用上述方法，通過人工觀察各個臺站記錄到的遠(yuǎn)震波形、高通濾波后波形及頻譜圖，并進行對比，我們從36個地震中發(fā)現(xiàn)10個地震在面波來臨時伴隨有明顯的區(qū)域性小震，并且有5個及以上臺站記錄到波形.另有5個地震同樣在面波到來時伴隨區(qū)域性小震，但觀測臺站數(shù)少于5個，沒有辦法排除噪聲及偶然情況對結(jié)果的干擾.

2.2 β統(tǒng)計檢驗

為了論證遠(yuǎn)震波形經(jīng)過時，臺陣記錄的區(qū)域微震活動是背景地震隨機發(fā)生的結(jié)果還是由于遠(yuǎn)場波經(jīng)過時產(chǎn)生的應(yīng)力擾動動態(tài)觸發(fā)所導(dǎo)致的，多數(shù)研究引入β統(tǒng)計來比較遠(yuǎn)場地震波經(jīng)過期間的小震活動數(shù)與遠(yuǎn)震波來臨前的平均地震活動性，并估計該差異是否具有統(tǒng)計顯著性(Matthews and Reasenberg, 1988, Reasenberg and Simpson,1992).β統(tǒng)計值的定義為

(1)

式中nb和na是在遠(yuǎn)震波來臨之前和來臨之后觀測到的地震個數(shù)，tb和ta分別是遠(yuǎn)震波到達前后所選取的持續(xù)時間(分別稱為背景窗與觸發(fā)窗).E(na)是在ta區(qū)間內(nèi)觀測到的地震事件的期望，而Var(na)是na的標(biāo)準(zhǔn)差.對于二項分布過程，E(na)=nb(ta/tb)，Var(na)=nb(ta/tb)(1-nb/tb)(Kilb et al., 2002).當(dāng)主震之前地震活動率很小時，二項分布過程可以簡化為泊松過程，此時E(na)=Var(na)=nb(ta/tb)(Hill and Prejean, 2007).當(dāng)樣本總量足夠大(一般大于30)時，為了計算更方便，二項分布可以近似為正態(tài)分布，所以β值應(yīng)服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布.在原假設(shè)為遠(yuǎn)震前后地震活動性不變的基礎(chǔ)上，當(dāng)|β|≥1.96時，只有5%的可能性原假設(shè)成立；當(dāng)|β|≥2時，只有少于5%的可能性原假設(shè)成立，所以拒絕原假設(shè)，即遠(yuǎn)震到達后的地震分布與遠(yuǎn)震波到達前的地震分布是存在明顯差異的.參照前人研究，這里設(shè)定當(dāng)β≥2時，認(rèn)為該遠(yuǎn)震在研究區(qū)域產(chǎn)生了明顯的動態(tài)觸發(fā)現(xiàn)象(Reasenberg and Simpson,1992).考慮到不同震級的小震之間的差異，進一步提出采用振幅歸一化后的Na和Nb來代替原本公式中的na和nb(Miyazawa and Mori, 2005, Jiang et al., 2010).Na和Nb的定義為

Nb=nb,

(2)

(3)

其中A′i為遠(yuǎn)震到達后的小震的最大振幅，Ai為遠(yuǎn)震到達前的小震的最大振幅.為避免nb為0時公式(3)無意義，設(shè)定以下規(guī)則.當(dāng)nb=0時：

Nb=nb=0.25,

(4)

(5)

其中MAD為遠(yuǎn)震到達前地震波振幅的中位數(shù)絕對值偏差(Jiang et al., 2010).

β檢驗的準(zhǔn)確性要建立在完善的小震目錄上，由于人工識別地震的能力有限，遠(yuǎn)震面波下的微震容易在區(qū)域地震目錄中被忽略.傳統(tǒng)對于地震活動性的檢測方法只是根據(jù)地方目錄，而國內(nèi)臺網(wǎng)密度下，地方目錄完備震級大多僅能達到2級左右(Zhou et al., 2018).過往國內(nèi)區(qū)域的研究中，僅有Peng等(2012)利用地方地震目錄檢測到2004年蘇門答臘MW9.2級地震在云南地區(qū)的廣泛觸發(fā)現(xiàn)象.根據(jù)地方目錄僅能檢測到超過一定閾值的活動性增強，而得益于近年來微震識別技術(shù)的發(fā)展，0.1級甚至是負(fù)震級的地震也可以被完備檢測，這使得微弱活動性變化的檢測成為可能.本文利用張淼(2015)提出的匹配定位法(Match and Locate, M&L)，基于波形互相關(guān)的高精度、高強度搜索能力，獲取更加完備的微震目錄.匹配定位法基于地震模板識別方法，將已知清晰地震事件作為模板，在連續(xù)波形內(nèi)用模板與之做互相關(guān)掃描疊加來檢測微小地震.疊加前，還需以模板為中心，對周圍進行三維格點搜索，通過計算同一臺站的相對走時差來對互相關(guān)波形矯正疊加.利用模板匹配法，可以檢測到比區(qū)域地震目錄小幾個數(shù)量級的微小地震，區(qū)域地震目錄更加完備，為進一步基于微小地震的相關(guān)研究(如斷層結(jié)構(gòu)、區(qū)域地震活動性特點等)打下良好的基礎(chǔ).該方法對傳統(tǒng)微震檢測方法——模版匹配濾波法(Matched Filter, Gibbons and Ringdal, 2006)的顯著改進是，在有效檢測微震的同時，還對檢測的微震進行了精定位處理.需要說明的是，雖然模板數(shù)目和信號噪音水平都有可能影響M&L方法對于區(qū)域地震的檢測能力，但我們在β檢驗中計算的是兩個時間窗內(nèi)的相對地震活動性變化.首先不同時間窗內(nèi)使用的模板數(shù)目都是相同的，其次可以認(rèn)為遠(yuǎn)震前后短時間內(nèi)信號噪音水平是不變的，所以模板數(shù)目和噪音水平對最終的β值計算影響不大.

本研究利用M&L方法對33個臺站(圖1)所記錄的36個遠(yuǎn)震波形到達時刻前(背景窗)后(觸發(fā)窗)的7000 s(前1000 s和后6000 s)時間窗內(nèi)的地震圖進行掃瞄檢測.由于在我們研究的震例中，遠(yuǎn)震波持續(xù)時間基本在6000 s之內(nèi)，因此選定了6000 s為觸發(fā)窗. 背景窗的選取依賴于背景活動的活躍性，應(yīng)在獲得足夠多觀測樣本的同時盡量短(因為背景地震活動性隨時間的變化可能造成的統(tǒng)計偏離).因此，我們在本研究中選取背景窗為1000 s.Yun等(2019)對背景時間窗的測試結(jié)果表明，在一定合理范圍內(nèi)選取背景時間窗，對觸發(fā)統(tǒng)計結(jié)果影響不大.我們采用中國地震局地球物理研究所許力生課題組提供的小江地區(qū)區(qū)域地震目錄(Fu et al., 2020)，截取全部1805個地震的波形作為模板.我們對原始數(shù)據(jù)及模板均進行了2～8 Hz帶通濾波、去均值、去線性趨勢等處理，以排除長周期事件及高頻噪聲的影響.模板地震采用S波到時前1 s及后3 s共4 s的時間窗，識別地震的互相關(guān)閾值為0.3.進行三維格點搜索時，搜索半徑為0.04°，步長為0.002°.疊加定位過程中，將同一時間不同臺站檢測到的地震進行整合時，判定相隔6 s即為不同的地震.本研究取遠(yuǎn)震波到達后6000 s時間窗作為觸發(fā)窗ta，遠(yuǎn)震波到達前1000 s時間窗作為背景窗tb，計算β值.β值大于2的遠(yuǎn)震共有20個，詳見附錄.

3 討論

3.1 觸發(fā)與背景地震活動性

我們將36個地震依據(jù)能否從遠(yuǎn)震面波時間窗內(nèi)檢測到區(qū)域地震及β統(tǒng)計是否顯著進行分類：既能夠通過波形識別，β統(tǒng)計也顯著的，認(rèn)為是明顯的觸發(fā)源，稱為A型地震；僅能通過波形識別或僅β統(tǒng)計結(jié)果顯著的，分別為B、C型地震；兩種方式都沒有觀測到觸發(fā)現(xiàn)象的稱為D型地震，未發(fā)生動態(tài)觸發(fā).A、B、C和D型地震分別有7、3、13和13個(附錄，圖2).

若小江破裂帶附近的動態(tài)觸發(fā)是由面波引起的，即遠(yuǎn)震的大振幅面波攜帶巨大能量，在斷層觸發(fā)即時微破裂，那么β統(tǒng)計與通過波形觀測的結(jié)果應(yīng)大體相同.我們實際的觀測結(jié)果也是如此，通過波形觀測到微震而認(rèn)定有觸發(fā)的10個遠(yuǎn)震中，7個均有β統(tǒng)計的顯著性.此外，β統(tǒng)計還可以識別另一種觸發(fā)模式：雖然在面波部分沒有觀測到小震被觸發(fā)，但通過對比震前及震后更長時間窗內(nèi)的地震頻度及能量，發(fā)現(xiàn)地震活動率確有增強.因此，對于歸類為產(chǎn)生明顯觸發(fā)的7個A型地震，本研究中還選用了10 h的長時間窗對其活動性進行檢測，以討論遠(yuǎn)震觸發(fā)對區(qū)域活動性影響的持續(xù)時間.7個地震中，僅有2014年4月1日MW8.2 Chile地震及 2013年2月8日MW7.1 Solomon Island地震在10 h時間窗內(nèi)β值仍具有統(tǒng)計顯著性(附錄).這說明遠(yuǎn)震對區(qū)域產(chǎn)生的觸發(fā)作用更多程度上來說是即時的，有長時間持續(xù)效果的僅在少數(shù).

M&L方法的結(jié)果顯示，在A、B、C和D型遠(yuǎn)震群集時間窗內(nèi)檢測到的區(qū)域地震分別為37、16、43、263個，共計359個，圖4顯示了這些區(qū)域地震的空間分布.對于魯?shù)榈貐^(qū)，由于2014年8月3日MS6.5魯?shù)榈卣鸬陌l(fā)生，模板在此叢集，從而導(dǎo)致了魯?shù)榈貐^(qū)檢測到地震數(shù)量較多.值得注意的是，大多數(shù)D型遠(yuǎn)震時間窗內(nèi)的區(qū)域地震均位于魯?shù)閰^(qū)域，這說明盡管魯?shù)榈卣鸷笤摰貐^(qū)呈現(xiàn)活躍狀態(tài)，但在這樣整體活躍的背景下檢測到的大量地震并不一定意味著活動性的增強.這也是使用β統(tǒng)計的重要性：衡量短時間內(nèi)活動率的相對變化，而不僅僅以檢測到的地震數(shù)量為標(biāo)準(zhǔn)，具有統(tǒng)計意義.此外，A、B和C型遠(yuǎn)震時間窗內(nèi)的區(qū)域小震主要沿北段主斷層分布，在研究區(qū)域西北部幾條斷層交匯處也有分布，因此推測斷層附近的區(qū)域更容易受到應(yīng)力的擾動而發(fā)生微破裂，而發(fā)生微破裂的原因可能是在斷層附近巖石種類、性質(zhì)以及沉積物質(zhì)的變化.

圖4 區(qū)域小震分布圖 黑色的空心圓圈代表模板地震；紅色、橙色、粉色及灰色實心圓分別代表A、B、C及 D型遠(yuǎn)震時間窗內(nèi)被檢測出來的區(qū)域地震.Fig.4 Distribution of local earthquakes Black hollow and colored solid circles represent template and detected earthquakes, respectively. The red, orange, pink, and gray circles correspond to events in time widows of type A, B, C, and D remote earthquakes, respectively.

3.2 觸發(fā)閾值分析

動態(tài)觸發(fā)與遠(yuǎn)場地震波經(jīng)過時產(chǎn)生的應(yīng)力擾動相關(guān).正確估計小江斷裂帶在多大的應(yīng)力擾動下可能被觸發(fā)區(qū)域地震使得活動顯著增加，對認(rèn)識該區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)及開展地震危險性預(yù)測有重要意義.

本文對于所有遠(yuǎn)震進行動態(tài)應(yīng)力的計算.面波振幅產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)力(DS)可以如下估計(Hill et al., 1993)：

(6)

其中V是瑞利波的傳播速度3.5 km·s-1，G是剪切剛度30 GPa，PGV代表最大地動速度(Peak Ground Velocity).各遠(yuǎn)震在所有臺站上的平均動態(tài)應(yīng)力與震中距關(guān)系如圖5所示.產(chǎn)生動態(tài)觸發(fā)現(xiàn)象的最小動態(tài)應(yīng)力為0.096 kPa，在0.1 kPa數(shù)量級.類似的，Brodsky和van der Elst (2014)利用觸發(fā)強度量及目錄觀測指出南加州地區(qū)同樣可以被0.1 kPa量級的動態(tài)應(yīng)力所觸發(fā).比Peng等(2009)在圣安德烈斯斷層以及Wu等(2011)在我國北京地區(qū)附近觀測到的10 kPa的觸發(fā)閾值小了兩個數(shù)量級，這與不同地區(qū)的構(gòu)造環(huán)境及背景地震活動性不同相關(guān).但值得注意的是，我們的研究結(jié)果中，即使?jié)M足動態(tài)應(yīng)力閾值(0.1 kPa)，有的遠(yuǎn)震也不能引起研究區(qū)域內(nèi)小震活動明顯增加，這是因為遠(yuǎn)震波場的其他特征，例如頻率分布和震源方位角等可能也影響了觸發(fā)能力(Brodsky and Prejean, 2005).但可以確定的是，只需要0.1 kPa量級的動態(tài)應(yīng)力便可以對小江地區(qū)造成動態(tài)觸發(fā)，說明研究區(qū)域內(nèi)應(yīng)力水平較高、地震危險性較大.本研究的結(jié)果可以與通過其他方法得到的應(yīng)力狀態(tài)相印證. Shan等(2013)指出小江斷裂帶北部自上一次強震之后，由于震后的黏彈性釋放效應(yīng)以及構(gòu)造應(yīng)力的持續(xù)加載，庫倫應(yīng)力處于較高的水平，處于不穩(wěn)定狀態(tài).

圖5 遠(yuǎn)震的動態(tài)應(yīng)力與震中距關(guān)系圖 這里以QJ08/22臺站作為臺網(wǎng)中心位置(102.99°E, 26.78 °N)計算震中距；動態(tài)應(yīng)力為遠(yuǎn)震在所有臺站上產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)力的平均值.紅色、橘色、粉色及灰色實心圓圈分別代表A、B、C和D 類型的遠(yuǎn)震.Fig.5 Epicentral distances and dynamic stresses of remote earthquakes The epicentral distance is calculated taking the location of Station QJ08/22 as the central point of the seismic array. The dynamic stress value is the average stress disturbance at all stations for one distance earthquake. The red, orange, pink and gray circles represent type A, B, C and D remote earthquakes, respectively.

3.3 臺站觸發(fā)潛能發(fā)布

在這一節(jié)中暫不考慮地震定位的結(jié)果和信息，只考量以臺站為衡量標(biāo)準(zhǔn)的觸發(fā)潛能分布.利用2.1中人工識別方法的結(jié)果，統(tǒng)計2012年3月1日至2014年12月31日每個臺站記錄到的觸發(fā)了區(qū)域地震的遠(yuǎn)震個數(shù).但由于臺網(wǎng)內(nèi)每個臺站架設(shè)時間不一致、實際記錄連續(xù)性有差異，因此采用研究時間范圍內(nèi)臺站記錄到的遠(yuǎn)震總數(shù)進行歸一化，均衡此差異.臺站i的觸發(fā)潛能計算公式如下：

(7)

其中Ni為臺站i在研究時間范圍內(nèi)記錄到的遠(yuǎn)震總數(shù)，ni為在Ni個遠(yuǎn)震中觸發(fā)了區(qū)域地震的遠(yuǎn)震數(shù)目.

這種做法的假設(shè)前提是小震信號微弱，那么臺站記錄到的小震信號源必然在臺站附近.因此，一個臺站記錄到的觸發(fā)小震個數(shù)在一定程度上可以反映臺站附近的區(qū)域構(gòu)造、斷層在同等擾動下的破裂難易程度，即斷層在該位置所處的應(yīng)力狀態(tài).

研究區(qū)域內(nèi)臺站觸發(fā)潛能分布如圖6所示，對每一個臺站的觸發(fā)潛能數(shù)值進行插值，得到小江斷裂帶北段的觸發(fā)潛能分布.一個地區(qū)的觸發(fā)潛能分布，對于該地區(qū)的活躍程度，斷層上的應(yīng)力分布及危險性分析有一定啟示.從圖中可以看出，在研究區(qū)域的西北部及南部有著很高的觸發(fā)潛能值，而中西部及北部則相對穩(wěn)定.這種方法的優(yōu)點是計算簡單、無需定位，可以快速給出地區(qū)的觸發(fā)潛能值作為參考.這種以臺站為基準(zhǔn)，忽略地震具體位置的定義方法也存在著一定的局限性.由于臺陣孔徑的限制，只能看到有限的區(qū)域內(nèi)的觸發(fā)活動強度，沒有臺站的地方將形成空區(qū).備受關(guān)注的魯?shù)榈貐^(qū)，由于沒有臺站的分布，無法通過插值而得到有效可信的結(jié)果.

圖6 臺站觸發(fā)潛能分布圖 三角形代表臺站.沙灘球為研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生的三個中強震(同圖1).填充顏色區(qū)域為 以臺站為中心、對觸發(fā)潛能數(shù)值進行半徑為0.15°插值后得到的結(jié)果.Fig.6 Spatial distribution of the triggering potential Stations are displayed by triangles. The beach balls represent three moderately strong earthquakes in the study area (the same asFig.1). The potential values are centered on the locations of stations and interpolated with a radius of 0.15°.

3.4 觸發(fā)強度分布

震級足夠大的遠(yuǎn)震可以觸發(fā)大量地震，這些被觸發(fā)的地震遍布研究區(qū)域.如果利用微小地震定位及檢測信息，則可以對觸發(fā)現(xiàn)象進行定性和定量的分析，研究目標(biāo)區(qū)域內(nèi)不同子區(qū)域內(nèi)的觸發(fā)強度.這里定義觸發(fā)強度(I)為遠(yuǎn)震之后相對于遠(yuǎn)震來臨之前的地震活動率變化：

(8)

其中λ1和λ2分別為遠(yuǎn)震來臨前、后時間窗(T1和T2)內(nèi)的平均地震活動率：

(9)

(10)

n1和n2分別為T1和T2時間窗內(nèi)的區(qū)域地震數(shù)目.

本文將選擇臺網(wǎng)記錄到的所有遠(yuǎn)震的連續(xù)波形，利用對遠(yuǎn)震P波到時前5 h及P波到時后5 h連續(xù)波形進行模板識別掃描得到的目錄(M≥-1.40)，將研究區(qū)域分為0.1°×0.1°的網(wǎng)格點，計算每個格點的λ1和λ2，從而得到觸發(fā)強度I的空間分布(圖7).

圖7 地區(qū)觸發(fā)強度分布圖 三角形代表臺站.沙灘球為研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生的三個中強震(同圖1).Fig.7 Spatial distribution of the triggering intensity Stations are displayed by triangles. The beach balls represent three moderately strong earthquakes in the study area (the same asFig.1).

結(jié)果顯示，觸發(fā)強度在臺網(wǎng)中西部、西南部及臺站QJ17附近很高，其余地方甚至魯?shù)閰^(qū)域的活動性并沒有明顯的增強.研究區(qū)域的網(wǎng)格化避免了某一區(qū)域活動強度極高對結(jié)果的影響.由于地震目錄并非完整覆蓋整個研究區(qū)域，即便對結(jié)果進行插值

后，數(shù)據(jù)仍不可避免存在空缺地段.可能存在的系統(tǒng)偏差在于，如果研究區(qū)域本身處于不活躍地區(qū)，背景活動性較低，那么遠(yuǎn)震前的時間窗長度可能是不足的，無法準(zhǔn)確的估計背景活動性，使得遠(yuǎn)震后地震數(shù)目的一點擾動也可能使其活動率的相對變化很大.

3.5 觸發(fā)潛能與觸發(fā)強度的結(jié)果比較

基于臺站的觸發(fā)潛能分布圖與基于小地震定位目錄的觸發(fā)強度圖在某種程度上都在試圖闡述小江斷裂帶北段區(qū)域的斷層及其周邊對于已知動態(tài)應(yīng)力的響應(yīng).斷層對于已知動態(tài)應(yīng)力的擾動又在一定程度上代表了其所處于的狀態(tài).探尋斷層上的應(yīng)力狀態(tài)對于研究地震的發(fā)生與孕育以及地震預(yù)測都有著重要的啟示.

兩幅圖像進行對比，研究區(qū)域南部結(jié)果是比較吻合的，在臺站觸發(fā)潛能大的地方，同樣觸發(fā)強度也很強，有理由認(rèn)為在這段時間內(nèi)斷層在南部處于相對活躍的狀態(tài).但在研究區(qū)域的中西部，其具有相對來說較低的觸發(fā)潛能，卻出現(xiàn)了高觸發(fā)強度.而在研究區(qū)域西北部高觸發(fā)潛能地區(qū)，卻有著低觸發(fā)強度.出現(xiàn)這種矛盾的原因可能由于觸發(fā)強度對于平均地震活動率低的地方更敏感，這種響應(yīng)性的差異導(dǎo)致了矛盾的產(chǎn)生.在研究區(qū)域內(nèi)，觸發(fā)潛能與觸發(fā)強度互相印證、相輔相成，均在一定程度上反映了研究區(qū)域內(nèi)斷層的應(yīng)力狀態(tài).

4 結(jié)論

根據(jù)上述討論，給出主要結(jié)論如下：

(1) 在小江斷裂帶北段，產(chǎn)生明顯觸發(fā)現(xiàn)象的最小動態(tài)應(yīng)力約為0.1 kPa，但由于缺乏0.1 kPa以下遠(yuǎn)震的觀測數(shù)據(jù)支撐，在本文中暫不能給出該地區(qū)的觸發(fā)閾值.但低觸發(fā)應(yīng)力一定程度反映了小江斷裂帶可能趨于臨近破裂階段，對該地區(qū)的地震危險性需要特別關(guān)注.

(2) 遠(yuǎn)震的確存在對于區(qū)域地震活動性增強的觸發(fā)作用，表現(xiàn)為即時性的同震觸發(fā).區(qū)域地震活動性的微小變化在區(qū)域目錄中無法觀測，需要利用微震檢測技術(shù)實現(xiàn)觀測.

(3) 基于臺站的觸發(fā)潛能分布圖以及基于小震目錄的觸發(fā)強度分布圖都在一定程度上體現(xiàn)了小江斷裂帶北部斷層應(yīng)力狀態(tài).前者局限于臺站位置及其自身的噪聲水平，而后者依賴于區(qū)域背景地震活動性，結(jié)合兩者進行比較，可以在一定程度上推斷出斷層所處應(yīng)力狀態(tài).

致謝中國地震局地球物理研究所許力生課題組慷慨地給我們提供了地震臺陣記錄資料.3位匿名評審專家給本文提出了許多很好的建設(shè)性修改意見，在此衷心感謝.

附錄 遠(yuǎn)震目錄與觸發(fā)信息

續(xù)表

續(xù)表