中國大陸6級以上強(qiáng)震及震前小震固體潮調(diào)制異常特征分析

李文君,曾憲偉,馬翀之

(寧夏地震局,寧夏 銀川 750001)

0 引言

大地震的孕育和發(fā)生是震源區(qū)及其附近地殼應(yīng)變能的積累和快速釋放過程,一個大地震的震源區(qū)是由應(yīng)力積累單元和其兩端的調(diào)整單元組合而成,應(yīng)力調(diào)整單元由于具有巖石強(qiáng)度低、介質(zhì)脆、易于變形等特點(diǎn)容易積累和釋放能量,當(dāng)?shù)卣鹪杏胶笃?震源區(qū)及其附近應(yīng)變能高度積累,處于極不穩(wěn)定的臨界狀態(tài),臨界狀態(tài)時觸發(fā)因素將會使固體潮的作用更加顯著,當(dāng)固體潮作用到應(yīng)力調(diào)整單元時就容易觸發(fā)小震[1-2]。已有不少研究表明,在一些中強(qiáng)震發(fā)生前震中周圍固體潮調(diào)制比存在一定的規(guī)律,即固體潮引潮力對地震活動有調(diào)制和觸發(fā)作用[2,3-8]。秦保燕等[9-10]用小震調(diào)制比Rm來反映一個強(qiáng)震前小震活動頻次在朔望大潮期間異常增高的現(xiàn)象,Rm=N/N總,N和N總分別表示某一時段朔望大潮期間小震累積頻次和該時段中小震的總頻次和,當(dāng)Rm高于閾值時即存在調(diào)制作用。

基于上述觀點(diǎn),國內(nèi)外學(xué)者對固體潮調(diào)制作用與地震之間的關(guān)系進(jìn)行了廣泛的研究,主要集中于以下3個方面:一是研究地震發(fā)震時刻與月相之間的相關(guān)性[1,9,11-16];二是通過主震震源機(jī)制解與引潮力相結(jié)合來判斷引潮力對大震是否有觸發(fā)作用[7,16-17];三是研究固體潮調(diào)制比在某些震例中的具體應(yīng)用和空間分布特征及其指示意義,例如,晉冀蒙交界地區(qū)[18]、新疆地區(qū)[19-20]、甘肅地區(qū)[21]、山西地區(qū)[22-23]、山東地區(qū)[24]、華北地區(qū)[15]、云南地區(qū)[25]和川滇地區(qū)[26]等。

中國大陸西部地區(qū)由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,構(gòu)造變形最為強(qiáng)烈,也是地震活動發(fā)生最為頻繁的地區(qū)之一[27-28],2009年以來,中國大陸6級以上淺源強(qiáng)震多集中分布于此。通過對調(diào)制比方法的研究,前人獲得了許多調(diào)制觸發(fā)地震活動的證據(jù),其研究結(jié)果表明固體潮調(diào)制比在強(qiáng)震前出現(xiàn)的異常具有明確的前兆意義。如,應(yīng)用引潮力的地震短臨預(yù)報方法曾成功地預(yù)報了1997年4月新疆伽師6級強(qiáng)震群,1999年11月遼寧岫巖5.4級地震和2001年2月四川雅江6.0級強(qiáng)震[7]。隨著地震監(jiān)測能力的提升,小震調(diào)制比可分析的震級下限越來越小,且近些年中國大陸地區(qū)發(fā)生了較多的MS≥6.0地震。為豐富中國大陸強(qiáng)震前小震調(diào)制比的應(yīng)用研究資料,本文擬利用小震調(diào)制比方法綜合分析2009年以來中國大陸13次6級以上淺源強(qiáng)震的固體潮調(diào)制作用,研究主震調(diào)制作用及與震源機(jī)制解的關(guān)系、震前小震的調(diào)制空間分布特征等,以期該研究能夠為震情研究提供有價值的參考依據(jù)。

1 方法和資料選取

1.1 地震目錄及震例選取

本文使用中國地震臺網(wǎng)中心提供的《中國強(qiáng)震目錄(2009-01-01—2020-05-20)》,選取中國大陸6級以上的淺源強(qiáng)震(圖1)。根據(jù)焦遠(yuǎn)碧等[29]對中國臺網(wǎng)監(jiān)測能力的研究結(jié)果、觀測條件質(zhì)量的評定方法和全國監(jiān)測臺站的空間分布情況,即當(dāng)震中距Δ≤30 km為A類觀測條件,Δ≤50 km為B類觀測條件,Δ≤100 km為C類觀測條件,Δ>100 km為D類觀測條件。本文僅分析滿足A、B兩類觀測條件的地震。共篩選出13個震例(表1,圖1),其中,對于2010年4月14日青海玉樹7.1級和6.3級強(qiáng)震僅分析主震。

圖1 2009年以來中國大陸6級以上淺源強(qiáng)震及全國監(jiān)測臺站分布圖Fig.1 Distribution map of strong shallow earthquakes with M≥6 in Chinese Mainland and national monitoring stations since 2009

1.2 最小完整性震級

為保證使用資料的可靠性,需要對研究區(qū)作最小完整性震級分析。根據(jù)lgN-M曲線分析(圖2),ML≥2.0地震記錄是完整的。分別計算13次強(qiáng)震震中附近的最小完整性震級(表1),結(jié)果表明臺站分布密度不同,最小完整性震級也存在一定區(qū)別。在具體震例分析時,若某次強(qiáng)震附近的最小完整性震級≤ML2.0,則以ML2.0為最低震級檔,反之,則以實(shí)際最小完整性震級為最低震級檔,由此保證了所用地震目錄的獨(dú)立性和科學(xué)性。

圖2 研究區(qū)內(nèi)所有地震最小完整性震級Fig.2 Minimum magnitude of completeness of all earthquakes in the study area

表1 2009年以來中國大陸13次6級以上強(qiáng)震附近區(qū)域的最小完整性震級計算結(jié)果Table 1 Calculation results of minimum magnitude of completeness in the area near 13 strong earthquakes with M≥6 in Chinese Mainland since 2009

1.3 陰歷調(diào)制日期

不同研究者定義的陰歷調(diào)制日期(表2)不同,固體潮調(diào)制比掃描結(jié)果也存在差異。秦保燕等[1]選擇引潮力最大時段作為調(diào)制陰歷時段,即朔日前后4天,望日前后4天,共計8天,并定義發(fā)生在此8天內(nèi)的小震為調(diào)制小震,占全月時長的26.7%,即調(diào)制比異常閾值為0.27。王煒等[15]將小震調(diào)制比應(yīng)用于華北地震中期預(yù)報時將上述8天調(diào)制時段擴(kuò)展為對稱于朔望的10天,取陰歷廿九至初三、十三至十七為調(diào)制陰歷時段,共計10天,占全月時長33.3%,調(diào)制比異常閾值為0.33。張國民等[16]通過統(tǒng)計我國大陸地區(qū)MS7.0強(qiáng)震的陰歷日期分布認(rèn)為,該分布中的4個峰值區(qū)分別對應(yīng)朔、望日和上、下弦,其中朔日對應(yīng)廿八至初二,望日對應(yīng)十五至十七,上弦對應(yīng)初八和初九,下弦對應(yīng)廿二至廿五,共14天,占全月時長的46.7%,調(diào)制比異常閾值為0.47。韓顏顏等[8]研究西北地區(qū)中強(qiáng)震前固體潮調(diào)制比時空特征時重新給出的調(diào)制陰歷時段為初一和初二(朔),初七至初九(上弦),十五至十七(望),廿二至廿五(下弦),共計12天,占全月時長的40%,調(diào)制比異常閾值為0.4。

表2 不同研究者定義的陰歷調(diào)制日期Table 2 Lunar modulation dates as defined by different researchers

2 資料處理

2.1 主震日月相分析

分析了13次震例的主震發(fā)震日期(表3),有8次強(qiáng)震發(fā)生于文獻(xiàn)[8,16]定義的陰歷調(diào)制日期的月相期內(nèi),占總月相期的61.54%,顯著高于調(diào)制比異常閾值0.47和0.4。有7個調(diào)制強(qiáng)震發(fā)生在文獻(xiàn)[1,15]定義的陰歷調(diào)制日期內(nèi),占比53.85%,均大于調(diào)制比異常閾值0.27和0.33。由此不難得出,2009年以來中國大陸6級以上淺源強(qiáng)震在月相期內(nèi)發(fā)震頻率較高,即受潮汐調(diào)制作用明顯。

表3 主震陰歷日期及各研究者月相類型Table 3 Lunar calendar dates of the main shock and lunar phase types from different researchers

2.2 主震調(diào)制作用與震源機(jī)制解的關(guān)系分析

日月引潮力引起的固體潮汐會在地震斷層面上產(chǎn)生周期變化的潮汐應(yīng)力,已有研究表明,地震所處斷層面上潮汐應(yīng)力與斷層的走向、傾角和滑動角有關(guān)[30]。張國民等[16]研究震源破裂機(jī)制與觸發(fā)類型之間的相互關(guān)系,分析了3種震源破裂機(jī)制和受力狀況與錯動方式,認(rèn)為朔望期由于垂向最大主壓應(yīng)力增大,而其增大作用可直接觸發(fā)地震,易發(fā)生走滑型和正斷型破裂。上下弦期間是潮汐垂向作用最小的時段,有利于對于逆沖型破裂的觸發(fā)。根據(jù)斷層類型的劃分[31-32],將地震發(fā)震斷層分為正斷層、逆斷層、走滑型和斜滑型。以發(fā)震斷層類型和是否受到調(diào)制作用為統(tǒng)計參數(shù),對震源機(jī)制解類型和是否受到調(diào)制作用結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析(表3),結(jié)果顯示:

在研究的13次震例中,有8次發(fā)生于調(diào)制日的強(qiáng)震中5次強(qiáng)震符合上述觸發(fā)機(jī)制,2次基本符合以上觸發(fā)機(jī)制,1次不符合以上觸發(fā)機(jī)制,即2014年魯?shù)?.5級強(qiáng)震,該地震發(fā)震日位于上弦期,但其破裂機(jī)制為走滑型。歷史地震資料顯示川滇地區(qū)多發(fā)生走滑型地震[16,33],因此魯?shù)?.5級地震的破裂機(jī)制應(yīng)主要與構(gòu)造塊體的運(yùn)動方式有關(guān),潮汐力可觸發(fā)地震,但尚不能影響地震的破裂機(jī)制。另外,5次符合以上觸發(fā)機(jī)制的地震中發(fā)生于朔望期的有4次,其中3次為走滑型。因此,朔望期潮汐應(yīng)力的作用有利于研究區(qū)走滑型和正斷型地震的活動,其中對走滑型地震的觸發(fā)效應(yīng)較顯著;固體潮汐對不同展布方向和運(yùn)動性質(zhì)的地震斷層所產(chǎn)生的觸發(fā)作用存在差異。

2.3 不同調(diào)制日期的檢驗

為了更加清晰地呈現(xiàn)全國6級以上強(qiáng)震前的小震調(diào)制比變化過程,本文對小震調(diào)制比的空間掃描參數(shù)做了多次嘗試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)掃描步長為0.03°,掃描的最小半徑為10 km,最大半徑為30 km,每個節(jié)點(diǎn)搜索到的最小地震個數(shù)為5個時,能夠得到較好的結(jié)果。同時,考慮到掃描步長較小,因此節(jié)點(diǎn)能夠搜索的地震數(shù)不宜設(shè)置太大,掃描半徑的范圍也不宜設(shè)置過大。本文在掃描參數(shù)的設(shè)置方面充分考慮了幾個參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,盡可能給出合理的參數(shù)設(shè)置,由此保證了結(jié)果的合理性。

表4 主震陰歷日期及各研究者月相類型和震例震源機(jī)制解Table 4 Lunar calendar dates of the main shock and the lunar phase types and focal mechanism solutions of earthquake cases from different researchers

基于以上條件,在秦保燕等[1]、王煒等[15]、張國民等[16]定義的月相期下,分別計算了13次6級以上淺源強(qiáng)震震前2年、1年、0.5年的固體潮調(diào)制比,通過繪制不同時間段的固體潮調(diào)制比空間分布圖,分析震前是否存在調(diào)制作用(表5)。結(jié)果表明,張國民等[16]定義下的月相日期內(nèi),震中位于小震調(diào)制比高值異常區(qū)的有8個地震,占比61.54%;秦保燕等[1]、王煒等[15]定義下的月相日期內(nèi),震中位于調(diào)制比高值異常區(qū)的有6個地震,占比41.15%。由于樣本量有限,2個地震震前小震調(diào)制比無法給出掃描結(jié)果。

表5 不同研究者定義月相日期掃描結(jié)果Table 5 Scanning results of lunar phase dates defined by different researchers

掃描時空窗內(nèi)樣本量較少,筆者認(rèn)為主要有以下3點(diǎn)原因:①考慮到隨著時間步長的縮短,總體有效地震的樣本量逐漸減少,導(dǎo)致能夠掃描到的地震個數(shù)減少,異常幅度和范圍隨之明顯減弱。②根據(jù)地震前兆性平靜假說,在一個地震孕育區(qū)的有限段上地震活動率在統(tǒng)計上有顯著的下降。典型的情況是在1至幾年期間內(nèi)有下降50%至70%的地震活動率的異常[47]。由此推斷,該地震發(fā)生前,可能出現(xiàn)明顯的小震平靜時段,導(dǎo)致小震數(shù)量顯著減少。③根據(jù)巖石破裂實(shí)驗,盡管地震發(fā)生時巖石破裂最有力最劇烈,但震前信號卻并沒有隨著地震強(qiáng)度的增加而達(dá)到最大值[48],因此,積累應(yīng)力階段不足以激發(fā)小震,即這種狀態(tài)不利于小震的發(fā)生。

綜上,在秦保燕等[1]、張國民等[16]定義的月相期內(nèi)計算的小震空間調(diào)制比異常區(qū)與發(fā)震位置的相關(guān)性較好,且6級以上強(qiáng)震前固體潮調(diào)制異?，F(xiàn)象普遍存在的。

3 結(jié)果分析

采用上述方法,計算了13次強(qiáng)震震前小震調(diào)制比并繪制了空間分布圖。本文僅挑選其中兩個震例進(jìn)行分析,以說明調(diào)制比高值異常位置與發(fā)震位置間的關(guān)系。

圖3 2009年以來中國大陸6級以上強(qiáng)震空間分布及震源機(jī)制Fig.3 Spatial distribution and focal mechanism of strong earthquakes with magnitude over 6 in Chinese Mainland since 2009

3.1 2013年4月20日廬山地震

2013年4月20日北京時間8時2分46秒,四川省雅安市廬山縣境內(nèi)發(fā)生了MS7.0地震,震中位置30.3°N,103.0°E,震源深度13 km(中國地震臺網(wǎng),http://ceic.ac.cn)。廬山地震是龍門山推覆構(gòu)造帶上繼2008年汶川8.0級大地震5年后的又一次破壞性地震,震中位于龍門山推覆構(gòu)造帶南段廬山縣境內(nèi)。

本文選取101.62°～104.42°E,28.65°～31.75°N范圍內(nèi)ML≥2.1地震為統(tǒng)計樣本,樣本中刪除余震,掃描半徑設(shè)置為30～50 km,各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)內(nèi)的統(tǒng)計樣本量為15,得到廬山地震前2年、1年、0.5年的小震調(diào)制比空間掃描圖像。

廬山7.0級地震前2年、1年、0.5年的小震調(diào)制比空間掃描結(jié)果(圖4)顯示,震前三個時間段震中附近小震調(diào)制比均出現(xiàn)了高值異常,且隨著時間的逼近,異常區(qū)域向震中收縮,異常區(qū)域面積逐漸減小,發(fā)震位置位于高值異常區(qū)邊緣。

圖4 2013年 4月20日廬山7.0級地震震前2年(a)、1年(b)、0.5年(c)調(diào)制比空間分布圖Fig.4 Spatial distribution map of modulation ratios two years (a),one year (b), and half a year (c) before Lushan M7.0 earthquake on April 20,2013

3.2 2017年8月9日精河地震

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心正式測定,北京時間2017年8月9日7時 27分,新疆博爾塔拉州精河縣境內(nèi)發(fā)生MS6.6地震,震中位于44.27°N,82.89°E,震源深度11 km。震中位于精河縣城西南約37 km的山區(qū),由于震級大,震源淺,震中附近地區(qū)震感強(qiáng)烈。

根據(jù)研究區(qū)的地震監(jiān)測能力,選取掃描范圍為101.62°～104.42°E,28.65°～31.75°N,掃描半徑為30～50 km,各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)內(nèi)的統(tǒng)計樣本量為7。精河6.6級地震前2年、1年、0.5年的小震調(diào)制比空間掃描結(jié)果顯示(圖5),震前2年,震中附近小震調(diào)制比異常最顯著;震前1年,異常區(qū)東移;震前0.5年,異常區(qū)再次移至震中附近。因此,精河6.6級地震與區(qū)域小震調(diào)制比異常之間存在較好的對應(yīng)關(guān)系,且異常區(qū)存在動態(tài)變化現(xiàn)象。

圖5 2017年8月9日精河6.6級地震震前2年(a)、1年(b)、0.5(c)年調(diào)制比空間分布圖Fig.5 Spatial distribution map of modulation ratios two years (a),one year (b),and half a year (c) before Jinghe M6.6 earthquake on August 9,2017

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

如果說把發(fā)生于月相期內(nèi)的地震稱之為時間調(diào)制,那么空間掃描結(jié)果中震中落于調(diào)制比高值異常區(qū)域的現(xiàn)象就可以稱之為空間調(diào)制。根據(jù)統(tǒng)計得出(表6),13次強(qiáng)震中受到時間調(diào)制的占61.54%,受空間調(diào)制的占61.54%(扣除2次無法得到掃描結(jié)果的地震),同時受到時間和空間調(diào)制作用的占38.46%,受到時間或空間調(diào)制作用的占84.62%。上述統(tǒng)計進(jìn)一步映證了中國大陸西部、西南地區(qū)6級以上強(qiáng)震前有較明顯的小震調(diào)制作用。

表6 時間調(diào)制和空間調(diào)制結(jié)果Table 6 Time and space modulation results

4.2 結(jié)論

基于不同研究者定義的陰歷調(diào)制日期的不同,本文對2009年以來中國大陸監(jiān)測能力較好的地區(qū)發(fā)生的13次6級以上淺源強(qiáng)震進(jìn)行了固體潮時間調(diào)制和小震空間調(diào)制回顧分析,結(jié)果表明:

(1) 13次6級以上強(qiáng)震中的8次發(fā)生于張國民等[16]定義的陰歷調(diào)制日期的月相期內(nèi),占總月相期的61.54%,顯著高于調(diào)制比異常閾值0.47;其中7次強(qiáng)震發(fā)生在秦保燕等[1]、王煒等[15]定義的陰歷調(diào)制日期內(nèi),占比53.85%,均大于調(diào)制比異常閾值0.27和0.33。因此,中國大陸6級以上淺源強(qiáng)震在月相期內(nèi)發(fā)震頻率較高,即受潮汐調(diào)制作用明顯。

(2) 通過分析6級以上強(qiáng)震震源破裂機(jī)制與潮汐觸發(fā)類型之間的相互關(guān)系,認(rèn)為朔望期潮汐應(yīng)力的作用有利于研究區(qū)走滑型和正斷型地震的活動,其中對走滑型地震的觸發(fā)效應(yīng)較顯著;固體潮汐對不同展布方向和運(yùn)動性質(zhì)的地震斷層所產(chǎn)生的觸發(fā)作用存在差異。該認(rèn)識與已有研究結(jié)果一致[16]。

(3) 采用文獻(xiàn)[1,16]定義的陰歷調(diào)制日期計算小震空間調(diào)制比,結(jié)果顯示調(diào)制比異常區(qū)與發(fā)震位置的相關(guān)性較好,且6級以上強(qiáng)震前小震固體潮調(diào)制異常現(xiàn)象普遍存在的。同時,隨著時間逼近,有的強(qiáng)震震前小震調(diào)制比異常區(qū)向震中收縮,異常區(qū)面積逐漸減小,發(fā)震位置位于高值異常區(qū)邊緣,如廬山7.0級地震;有的強(qiáng)震震前的小震調(diào)制比異常區(qū)隨時間發(fā)生遷移,出現(xiàn)動態(tài)變化現(xiàn)象,如精河6.6級地震。綜合來看,小震調(diào)制比異常區(qū)對中國大陸6級以上地震的發(fā)生地點(diǎn)具有較好的指示意義。

致謝:本文成文過程中使用的調(diào)制比計算程序由甘肅省地震局研究員馮建剛老師提供,審稿專家為本文給出的寶貴修改意見,在此表示一并感謝！