青海北部中小地震視應(yīng)力特征研究

劉文邦, 李啟雷, 張朋濤, 屠泓為(青海省地震局, 青海 西寧 810001)

0 引言

青海北部位于青藏高原東北緣,在NEE向的阿爾金斷裂帶、NWW向祁連山斷裂帶和NWW向東昆侖斷裂帶等3條巨型左旋走滑斷裂所圍限的活動(dòng)塊體內(nèi)部。該地區(qū)構(gòu)造變形強(qiáng)烈,發(fā)育了大量褶皺、逆沖和走滑斷裂,是高原隆升和變形最敏感的地區(qū)之一[1]。有研究表明,自1997年西藏瑪尼7.5級(jí)地震以來(lái),中國(guó)大陸圍繞青藏高原巴顏喀拉地塊邊界發(fā)生了昆侖山口西8.1級(jí)地震、汶川8.0級(jí)地震及玉樹(shù)7.1級(jí)地震等8次7級(jí)以上地震,然而,近年來(lái)一些6級(jí)以上地震未發(fā)生在巴顏喀拉地塊及鄰區(qū),而是發(fā)生在青藏地塊周緣的邊界構(gòu)造上[2]。作為巴顏喀拉塊體的相鄰構(gòu)造區(qū),青海北部發(fā)生了2014年10月2日青海烏蘭5.1級(jí)、2015年11月23日青海祁連5.2級(jí)、2016年1月21日青海門(mén)源6.4級(jí)、2019年9月16日甘肅甘州5.0級(jí)、2019年10月28日甘肅夏河5.7級(jí)等地震,地震活動(dòng)顯著增強(qiáng)。青海北部地區(qū)的地震危險(xiǎn)性有待進(jìn)一步研究。

地震孕育過(guò)程中可能伴隨著地殼應(yīng)力變化,研究其變化與地震的關(guān)系是揭示地震前兆、探索具有明確物理意義的地震預(yù)報(bào)方法的途徑之一。近年來(lái),視應(yīng)力是一個(gè)與震源動(dòng)力學(xué)過(guò)程相關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù),可以反映區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱,在地殼應(yīng)力場(chǎng)監(jiān)視和地震預(yù)報(bào)中得到廣泛應(yīng)用[3-8]。吳忠良等[9]分析了視應(yīng)力在地震危險(xiǎn)性及地震預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。易桂喜等[10]發(fā)現(xiàn)蘆山7.0級(jí)地震前龍門(mén)山斷裂帶南段發(fā)生高視應(yīng)力地震。李艷娥等[11]研究了日本MW9.1地震前后破裂區(qū)地震視應(yīng)力時(shí)空變化,發(fā)現(xiàn)震前數(shù)年裂區(qū)存在大面積視應(yīng)力高值。劉紅桂等[12]研究發(fā)現(xiàn)在云南地區(qū),高視應(yīng)力地震的發(fā)生可作為預(yù)測(cè)該地區(qū)未來(lái)發(fā)生中強(qiáng)地震的一個(gè)參考指標(biāo)。楊志高等[13]認(rèn)為水庫(kù)地區(qū)蓄水前后視應(yīng)力標(biāo)度率存在顯著變化。鄭建常和張博等[14-15]通過(guò)視應(yīng)力等震源動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)震群類(lèi)型和發(fā)震過(guò)程進(jìn)行了分析。

本文利用青海北部地區(qū)的數(shù)字化地震波資料,反演計(jì)算了2010年以來(lái)青海北部地區(qū)中小地震視應(yīng)力。通過(guò)分析研究及預(yù)測(cè)效能檢驗(yàn),得到一些有意義的結(jié)果,對(duì)青海北部地震視應(yīng)力的預(yù)測(cè)指示作用有一定的認(rèn)識(shí)。

1 計(jì)算方法

根據(jù)視應(yīng)力(σapp)定義[16]:

(1)

式中:ES為地震輻射能量;M0為地震矩;μ為剪切能量(對(duì)于地殼介質(zhì) ,μ取3×104MPa)。由上式可知,計(jì)算地震視應(yīng)力的關(guān)鍵是先計(jì)算地震波輻射能量和地震矩。 通過(guò)對(duì)數(shù)字波形資料進(jìn)行震源譜反演分析,可計(jì)算得到地震輻射能量和地震矩。本文具體計(jì)算步驟參考文獻(xiàn)[17]。

對(duì)中小地震,震源譜符合Brune圓盤(pán)模型[18],震源譜可表示為:

(2)

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),式(2) 即確定。因此,確定Ω0和fC就成為震源譜計(jì)算的主要內(nèi)容。地震矩M0可以根據(jù)式(3)求得:

(3)

式中:ρ為地殼介質(zhì)密度(可取2.71 kg/m3);v為波速(P波取6.1 km/s,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。

本文所用的波形資料都為速度記錄,三分向速度記錄變換到頻率域,利用下式可得到速度譜V(f),即:

(4)

地震能量ES可由對(duì)速度譜的平方積分求得,即:

(5)

由于地震計(jì)頻帶寬度的有限性,在計(jì)算過(guò)程中考慮低頻和高頻補(bǔ)償,即:

(6)

式中:Ω0為零頻極限;β為S波速度;f1、f3分別為擬合震源譜過(guò)程中選擇的最低頻率和最高頻率,中小地震振幅譜符合Brune 模型,低頻段為水平段,高頻段為衰減段,計(jì)算過(guò)程中f1和f2根據(jù)實(shí)際情況在振幅譜的平坦部分選擇,而f3選在振幅譜的衰減段。Ω(f3)對(duì)應(yīng)頻率f3的振幅值,可由將Ω0、fc和f3代入式(2)中計(jì)算理論值代替。由于地震能量由S波攜帶,本文主要計(jì)算S波的地震能量。

對(duì)某一地震,由于地震輻射花樣及破裂方向的影響,每個(gè)臺(tái)站計(jì)算結(jié)果有所不同,圖1為2020年4月7日青海祁連ML3.7地震QIL、TIJ兩個(gè)臺(tái)站的位移譜。

圖1 2020年4月7日祁連ML3.7地震QIL、TIJ兩個(gè)臺(tái)位移譜Fig.1 Displacement spectra of QIL and TIJ stations during the Qilian ML3.7 earthquake on April 7,2020

為了消除個(gè)別臺(tái)站的異常高值對(duì)平均值的影響,在由各個(gè)臺(tái)站的值求平均時(shí)采用Archuleta等的方法[19],即式中,xi為各臺(tái)站的地震矩或地震能量;N為臺(tái)站數(shù);Δx為誤差因子,其意義為當(dāng)x以對(duì)數(shù)坐標(biāo)作圖時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差。

(7)

(8)

2 使用資料

本文使用了青海測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的青海北部2010年01月至2020年5月的ML≥3.0地震數(shù)字化波形資料,考慮到視應(yīng)力計(jì)算要求,選用了震中距在180 km以?xún)?nèi)的臺(tái)站,性噪比較高記錄清晰的臺(tái)站波形資料。對(duì)這些資料進(jìn)行去傾斜及儀器響應(yīng)的校正處理,選用S波段波形進(jìn)行震源譜計(jì)算。圖2為震中、臺(tái)站及次級(jí)塊體分布。

3 計(jì)算結(jié)果

利用青海區(qū)域臺(tái)網(wǎng)地震波形資料,計(jì)算了青海北部2010年1月至2020年5月共637個(gè)ML3.0以上地震的震源譜參數(shù),其中ML3.0～3.9地震537個(gè),ML4.0～4.9地震85個(gè),ML≥5.0地震15個(gè)。計(jì)算得到了它們的拐角頻率、地震矩、地震輻射能量及視應(yīng)力等震源動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

圖2 研究區(qū)域2010年1月至2020年5月 ML≥3.0地震震中及臺(tái)站分布Fig.2 Epicenter and station distribution of ML ≥ 3.0 earthquakes in the study area from January 2010 to May 2020

3.1 震源參數(shù)的標(biāo)度關(guān)系

通過(guò)分析637個(gè)ML3.0以上地震的震源參數(shù),得到震源參數(shù)與震級(jí)的標(biāo)度關(guān)系,如圖3所示。

如圖3,震源參數(shù)與震級(jí)的擬合線(xiàn)性趨勢(shì)明顯。其中地震矩、地震輻射能量與震級(jí)均呈正相關(guān)性,拐角頻率與震級(jí)呈負(fù)相關(guān)性,地震矩、地震輻射能量與震級(jí)的相關(guān)性較拐角頻率及視應(yīng)力與震級(jí)相關(guān)性更強(qiáng)。ML3.0～6.4地震的拐角頻率分布在0.23～6.75 Hz,拐角頻率與震級(jí)呈負(fù)相關(guān)。拐角頻率反映震源尺度大小的物理量,研究發(fā)現(xiàn)拐角頻率和震級(jí)存在相關(guān)關(guān)系,地震越大其頻譜的低頻成分越豐富,拐角頻率越低[14]。

圖3 震源參數(shù)與震級(jí)之間的標(biāo)度關(guān)系Fig.3 Scaling relationship between focal parameters and magnitude

視應(yīng)力分布在0.003～2.39 MPa,平均值為0.15 MPa,視應(yīng)力與震級(jí)存在較明顯正相關(guān)性,一般來(lái)說(shuō),震級(jí)越大視應(yīng)力越高,但也存在一些低震級(jí)高視應(yīng)力地震。視應(yīng)力與震級(jí)間的變化關(guān)系較復(fù)雜,研究認(rèn)為與斷層的滑動(dòng)類(lèi)型、破裂過(guò)程及介質(zhì)強(qiáng)度等有關(guān),在介質(zhì)較破碎的斷層弱化帶無(wú)法積累較大的應(yīng)力,在堅(jiān)硬的巖石層發(fā)生的地震導(dǎo)致應(yīng)力的集中釋放可以導(dǎo)致區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的改變而引發(fā)地震,高應(yīng)力的中小地震可以作為預(yù)測(cè)中強(qiáng)地震的重要參考指標(biāo)之一[10-12],下面在研究視應(yīng)力時(shí)空分布時(shí),主要討論高視應(yīng)力地震與中強(qiáng)地震的關(guān)系。

3.2 青海北部視應(yīng)力隨時(shí)間變化特征

考慮到視應(yīng)力與震級(jí)之間存在正相關(guān)性,將相差較大的兩個(gè)震級(jí)檔地震放在一起比較,很難區(qū)分震級(jí)大導(dǎo)致的高視應(yīng)力還是高視應(yīng)力地震。鑒于此,在分析視應(yīng)力時(shí)空變化特征時(shí),選取震級(jí)相近的震級(jí)檔的進(jìn)行視應(yīng)力對(duì)比,本文通過(guò)ML3.0～3.5、ML3.6～4.0兩個(gè)震級(jí)檔的視應(yīng)力時(shí)空變化特征,研究青海北部中小地震視應(yīng)力與中強(qiáng)地震的關(guān)系。

由圖4可知,分震級(jí)檔視應(yīng)力隨時(shí)間變化,ML3.0～3.5震級(jí)檔視應(yīng)力在兩個(gè)時(shí)間段視應(yīng)力出現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象:2013—2015年間高視應(yīng)力地震顯著增多,尤其是多次地震視應(yīng)力超過(guò)0.5 MPa,5級(jí)以上地震同步有所增強(qiáng),在柴達(dá)木盆地內(nèi)部發(fā)生了2013年2月12日冷湖5.1級(jí)、2013年6月5日大柴旦5.0級(jí)、2014年10月2日烏蘭5.1級(jí)等地震,在祁連山地震帶發(fā)生了2013年9月20日門(mén)源5.1級(jí)、2015年11月23日祁連5.2級(jí)、2016年1月21日門(mén)源6.4級(jí)等地震;2018—2019年間視應(yīng)力高值異常顯著,發(fā)生了2019年3月28日茫崖5.0級(jí)、2019年9月6日甘州5.0級(jí)、2019年10月28日夏河5.7級(jí)等地震。ML3.6～4.0震級(jí)檔視應(yīng)力變化曲線(xiàn)在2013年底存在突升變化,2018年前后存在高值異常,兩震級(jí)檔視應(yīng)力均存在同步變化。

3.3 青海北部視應(yīng)力的空間分布特征

如圖5所示,ML3.0～3.5、ML3.6～4.0震級(jí)檔視應(yīng)力空間分布,兩個(gè)震級(jí)檔高視應(yīng)力異常區(qū)集中在柴達(dá)木中東部的柴達(dá)木北中央斷裂、柴達(dá)木北緣斷裂、宗務(wù)隆山斷裂、鄂拉山斷裂附近,在附近發(fā)生了大柴旦5.0級(jí)、烏蘭5.1級(jí)地震;青海東部的高視應(yīng)力異常區(qū)主要分布在貴德斷裂、拉脊山南緣斷裂、光蓋山—迭山北麓斷裂、托萊山斷裂等斷裂附近,在其附近發(fā)生了祁連5.2級(jí)、門(mén)源6.4級(jí)、甘州5.0級(jí)及夏河5.7級(jí)地震。在空間上,絕大部分5級(jí)地震發(fā)生在高視應(yīng)力異常區(qū)邊緣,也有些地震與異常在空間上存在一定距離。研究認(rèn)為高應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力釋放后,會(huì)引起應(yīng)力快速調(diào)整并使其它地區(qū)的應(yīng)力水平快速增長(zhǎng)而引發(fā)地震,區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)快速調(diào)整,在應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整范圍內(nèi)可能發(fā)生中強(qiáng)地震[12],這與本文得到結(jié)論基本一致,大部分中強(qiáng)地震前屬同構(gòu)造區(qū)域?qū)?yīng)有高視應(yīng)力異常。

圖4 地震序列視應(yīng)力隨時(shí)間變化及M-T圖Fig.4 Variation of apparent stress with time and M-T diagram of the earthquake sequence

圖5 研究區(qū)ML3.0～3.5、ML3.6～4.0震級(jí)檔地震視應(yīng)力空間分布Fig.5 Spatial distribution of seismic apparent stress of ML3.0～3.5 and ML3.6～4.0 earthquakes in the study area

3.4 高視應(yīng)力異常的預(yù)測(cè)效能檢驗(yàn)

本文針對(duì)青海北部ML3.0～4.9地震高視應(yīng)力異常與5級(jí)以上地震的對(duì)應(yīng)情況,進(jìn)行預(yù)測(cè)效能R值檢驗(yàn)。R=報(bào)對(duì)地震數(shù)/應(yīng)報(bào)地震數(shù)-預(yù)測(cè)占用時(shí)間/統(tǒng)計(jì)時(shí)間段總長(zhǎng)度,其中應(yīng)報(bào)地震數(shù)為發(fā)生在給定統(tǒng)計(jì)區(qū)域、給定統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)滿(mǎn)足震級(jí)條件的強(qiáng)震總數(shù);報(bào)對(duì)地震數(shù)為統(tǒng)計(jì)區(qū)預(yù)測(cè)時(shí)間內(nèi)發(fā)生的強(qiáng)震總數(shù);預(yù)測(cè)占用時(shí)間為所有異常預(yù)測(cè)時(shí)間總和。只有當(dāng)R>R0時(shí),預(yù)測(cè)意義顯著,其中R0表示考慮報(bào)準(zhǔn)率和漏報(bào)率、置信度為97.5%時(shí)的最低R值[20]。

計(jì)算得到研究區(qū)ML3.0～4.9地震視應(yīng)力平均值為0.14 MPa。本文分別以1 MPa、0.5 MPa和0.3 MPa為視應(yīng)力異常閾值進(jìn)行內(nèi)符檢驗(yàn)。

(1) 預(yù)測(cè)規(guī)則1:以單次視應(yīng)力大于1 MPa的地震認(rèn)定為異常,共有12次地震視應(yīng)力大于1 MPa,以地震發(fā)生當(dāng)月為異常時(shí)間,共有9組異常,如表1所列。計(jì)算R值,得到的最佳預(yù)測(cè)時(shí)間為210天,R=0.55,R0=0.37。R>R0,通過(guò)顯著性檢驗(yàn),具有預(yù)測(cè)意義。

表1 青海北部高視應(yīng)力中小地震與后續(xù)5級(jí)以上地震統(tǒng)計(jì)

(2) 預(yù)測(cè)規(guī)則2:以單次視應(yīng)力大于0.5 MPa的地震認(rèn)定為異常,共33次地震視應(yīng)力大于0.5 MPa,無(wú)法通過(guò)檢驗(yàn)。為了提高異常的信度,對(duì)同一地點(diǎn)或鄰近區(qū)域連續(xù)發(fā)生3次以上視應(yīng)力大于0.5 MPa的地震定為一次異常,以最后一次地震為異常統(tǒng)計(jì)時(shí)間點(diǎn),共確認(rèn)5組異常,計(jì)算R值,得到的最佳預(yù)測(cè)時(shí)間為480天,R=0.45,R0=0.37。R>R0,通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),具有預(yù)測(cè)意義。

(3) 預(yù)測(cè)規(guī)則3:以單次視應(yīng)力大于0.3 MPa地震為異常,共80次地震視應(yīng)力大于0.3 MPa,同樣無(wú)法通過(guò)檢驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)高視應(yīng)力地震年頻次異常顯著,2013年、2014年、2018年及2019年發(fā)生的視應(yīng)力大于0.3 MPa地震頻次均超過(guò)10次,地震頻次明顯偏高,以青海北部發(fā)生視應(yīng)力大于0.3 MPa年頻次大于10次為異常,共確認(rèn)4組異常,計(jì)算R值,得到的最佳預(yù)測(cè)時(shí)間為300天,R=0.48,R0=0.38。R>R0,通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),具有預(yù)測(cè)意義。

在青海北部地區(qū),發(fā)生視應(yīng)力大于1 MPa的中小地震或較大范圍高視應(yīng)力地震年頻次異常,其實(shí)就是中小地震反映了地殼應(yīng)力場(chǎng)前兆異常的表現(xiàn)。高視應(yīng)力異?？赡苁钦鹪磮?chǎng)前兆,如2012年9月27日發(fā)生大柴旦ML4.3地震后,2013年在震中附近發(fā)生了5.0級(jí)地震;也有可能是是區(qū)域構(gòu)造場(chǎng)前兆,有些區(qū)域性質(zhì)的中小地震發(fā)生后,區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)快速調(diào)整,在離震中較遠(yuǎn)的構(gòu)造相關(guān)區(qū)域發(fā)生中強(qiáng)地震,如2015年7月26日共和ML3.2地震后,在其東北方向約130 km的托萊山—冷龍嶺斷裂先后發(fā)生了2015年11月23日祁連5.2級(jí)地震和2016年1月21日門(mén)源6.4級(jí)地震。較大范圍高視應(yīng)力地震年頻次異常可能反映了地震增強(qiáng)活動(dòng)及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整的過(guò)程,2013年、2014年、2018年及2019年高視應(yīng)力地震頻次偏高,5級(jí)地震也相對(duì)活躍。本文通過(guò)不同預(yù)測(cè)規(guī)則下的R值評(píng)分顯著性檢驗(yàn)結(jié)果顯示,高視應(yīng)力中小地震對(duì)研究區(qū)域未來(lái)一段時(shí)間發(fā)生中強(qiáng)地震具有一定預(yù)測(cè)意義,可以發(fā)現(xiàn)視應(yīng)力越高單次地震異常的可信度越高,同一地點(diǎn)發(fā)生多次高視應(yīng)力地震或高視應(yīng)力中小地震的年度高頻次異常,均有利于青海北部地區(qū)發(fā)生中強(qiáng)以上地震,預(yù)測(cè)的優(yōu)勢(shì)時(shí)段為半年至一年。

4 結(jié)論與討論

本文計(jì)算了2010年以來(lái)青海北部發(fā)生的ML≥3.0地震的震源參數(shù),通過(guò)分析震源參數(shù)間的標(biāo)度關(guān)系、ML3.0～3.5、ML3.6～4.0兩個(gè)震級(jí)檔視應(yīng)力的時(shí)空特征、高視應(yīng)力中小地震與中強(qiáng)震的對(duì)應(yīng)關(guān)系及預(yù)測(cè)效能檢驗(yàn),主要得出以下結(jié)論:

(1) 通過(guò)分析震源參數(shù)的標(biāo)度關(guān)系,地震矩、地震輻射能量與震級(jí)存在較好的正相關(guān)性;拐角頻率、視應(yīng)力與震級(jí)也存在明顯的相關(guān)性,拐角頻率隨震級(jí)增大而減小,視應(yīng)力隨震級(jí)增大而增大。

(2) 視應(yīng)力隨時(shí)間變化:ML3.0～3.5震級(jí)檔在2013—2015年及2018—2019年兩個(gè)時(shí)間段高視應(yīng)力異常顯著,ML3.6～4.0震級(jí)檔在2013年底和2018年前后存在高視應(yīng)力異常,該時(shí)間段5級(jí)地震相對(duì)活躍。

(3) 分析視應(yīng)力的空間分布特征,高視應(yīng)力集中在柴達(dá)木盆地中東部的柴達(dá)木北中央斷裂、柴達(dá)木北緣斷裂、宗務(wù)隆山斷裂及鄂拉山斷裂附近,青海東部視應(yīng)力異常分布在貴德斷裂、拉脊山南緣斷裂、光蓋山—迭山北麓斷裂及托萊山斷裂等斷裂附近。大部分5級(jí)地震發(fā)生在異常區(qū)邊緣,這可能與應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整后發(fā)生中強(qiáng)地震有關(guān)。

(4) 本文通過(guò)不同預(yù)測(cè)規(guī)則的R值顯著性檢驗(yàn),結(jié)果顯示視應(yīng)力越高地震異常的可信度越高,相鄰區(qū)域發(fā)生多次高視應(yīng)力地震或整個(gè)區(qū)域高視應(yīng)力中小地震的年高頻次異常,均有利于青海北部地區(qū)發(fā)生中強(qiáng)以上地震,預(yù)測(cè)的優(yōu)勢(shì)時(shí)段為半年至一年。

致謝:中國(guó)地震局地球物理研究所李艷娥副研究員提供了計(jì)算程序,在此表示感謝。