2022年門源6.9級地震前后b值時空特征研究

郭瑛霞 朱益民 余 騰 李啟雷 張麗峰 余 娜

1 中國地震局青海格爾木青藏高原內(nèi)部地球動力學(xué)野外科學(xué)觀測研究站,西寧市柴達木路153號,810000 2 青海省地震局,西寧市柴達木路153號,810000 3 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京市學(xué)院路29號,100083 4 宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇省宿遷市黃河南路399號,223800

地震震級與頻度之間的經(jīng)驗關(guān)系式[1]為lgN=a-bM,式中a、b為常數(shù),N為震級M滿足大于等于最小完備震級MC的地震累積次數(shù),b值則具有直接的物理意義,可衡量區(qū)域內(nèi)應(yīng)力的大小與分布[2-3]。研究指出,強震往往發(fā)生在活動斷裂帶上高應(yīng)力積累的凹凸體段或閉鎖段,b值與介質(zhì)的非均勻程度、有效剪應(yīng)力等參數(shù)有關(guān),并與應(yīng)力大小成反比[4-6],巖石破碎實驗也可發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象[7-8]。此后,國內(nèi)外學(xué)者利用低b值區(qū)探索凹凸體位置,分析活動斷裂帶上具有強震危險性的潛在段落[9-12]。目前b值計算方法主要為線性最小二乘法和最大似然法,已廣泛應(yīng)用于不同活動構(gòu)造的強震危險性分析中,可反映震源區(qū)震前應(yīng)力狀態(tài)[13-16],也有部分學(xué)者將b值方法與其他測震學(xué)方法相結(jié)合,并取得更可靠的研究成果[17-19]?；谙嚓P(guān)研究結(jié)果,本文嘗試對2022-01-08門源6.9級地震前后b值時空變化特征進行研究。

1 地震概述及地震序列重定位

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定,北京時間2022-01-08 01:45青海省海北州門源縣(37.77°N,101.26°E)發(fā)生MS6.9地震,此次地震落入2022年度全國地震重點危險區(qū)——甘肅嘉峪關(guān)-青海門源危險區(qū),同時落入青海省地震局2022年度重點危險區(qū)——青海祁連-門源地區(qū)內(nèi),震源深度10 km,微觀震中屬于無人區(qū),西北多地震感強烈。門源地震地處青藏地塊和阿拉善地塊擠壓縫合地帶,該區(qū)構(gòu)造活動強烈,地震活動十分頻繁,震中位于托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂之間。余震西段主要沿NWW向展布,01-08 MS5.1余震發(fā)生在西段中東部;余震東段主要沿SE向展布,01-12 MS5.2余震發(fā)生在東南部;主震位于東西段交匯區(qū)域。為獲取更為精細的地震分布特征并分析發(fā)震斷層性質(zhì),利用雙差定位方法對門源地震序列進行重定位[20],采用左可楨等[21]的速度模型,選取震中距400 km內(nèi)的震相數(shù)據(jù)進行重定位,圖1(a)為重定位前門源地震序列震中分布,圖1(b)為重定位后震中分布,重定位前后地震展布形態(tài)未發(fā)生明顯變化,但主震位置向西側(cè)偏移,即更加靠近冷龍嶺斷裂,重定位后主震震中位置為37.770°N、101.270°E,震源深度為9.94 km。

圖1 地震序列重定位結(jié)果Fig.1 Relocation results of earthquake sequence

門源地震震中附近的走滑斷裂與逆沖斷裂、主斷裂與次斷裂組成的復(fù)雜構(gòu)造體系,是青藏高原東北緣近1 000 km大型左旋走滑斷裂帶的重要組成部分,用來調(diào)節(jié)高原相對于阿拉善地塊的東北向擠壓運動[22]。該地震是繼2016-01-21門源MS6.4地震后發(fā)生在冷龍嶺斷裂附近的又一次破壞性地震,兩者震中相距32 km。據(jù)青海地震臺網(wǎng)測定,截至2023-01-08,門源6.9級地震序列共記錄ML1.0以上余震1 424次,其中5.0～5.9級3次,4.0～4.9級19次,3.0～3.9級74次,2.0～2.9級409次,1.0～1.9級919次,最大余震為01-12 MS5.2地震,整個序列衰減正常。由圖2可以看出,距地震發(fā)生時間越長,地震平靜的間隔時間也越長,累積頻次從01-26開始變緩,地震序列在1 400次之前地震間隔時間很短,幾乎為連續(xù)發(fā)生,而在約1 400次之后地震間隔時間逐漸變長,尤其是在1 416次前后,地震間隔時間明顯增長,表明序列已進入結(jié)束狀態(tài)。

圖2 門源地震M-T、累積頻次及地震間隔時間變化Fig.2 M-T and cumulative frequency and interval time variation of Menyuan earthquake

2 資料與方法

2.1 資料選取

由于背景分析需要,本文研究區(qū)包含門源6.9級主震及其余震震源區(qū),范圍為36°～40°N、98°～104°E(圖3),選用1970-01-01～2023-01-08青海數(shù)字地震臺網(wǎng)地震目錄資料,共有ML1.0以上地震1 785次。青海地區(qū)6.0級以上地震的重現(xiàn)期最短為34個月,最長為95個月。研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,圖中黃色五角星為1970年以來發(fā)生的6級以上地震,在空間上零散分布,祁連山地震帶附近發(fā)生的地震主要有1986年門源6.5級地震、1990年甘肅天祝-景泰6.2級地震、1993年天峻6.0級地震、2003年甘肅民樂6.1級地震、2016年門源6.4級地震和2022年門源6.9級地震,6.0級以上地震的重現(xiàn)期最短為37個月。

2.2 地震b值計算方法

2.3 最小完備震級計算與分析

將偏離震級-頻度關(guān)系擬合直線的最小震級定義為最小完備震級MC[25],其對b值計算影響較大?；诒O(jiān)測能力,根據(jù)歷史地震事件時間和觀測儀器的變革時段,按年劃分為4個階段(1970～1986年、1987～2006年、2007～2016年、2017～2022年)。采用最大曲率法得到G-R關(guān)系的M-T分布,以0.1級為震級間隔,統(tǒng)計不同震級區(qū)間的地震頻次N,計算得到4個時段的最小完備震級MC,結(jié)果如圖4所示,圖中無明顯甩尾和掉頭現(xiàn)象,4個時段計算的MC結(jié)果分別為ML2.2、ML2.0、ML1.6、ML1.5,可以看出,MC自1970年以來呈減小趨勢,表明總體監(jiān)測能力逐年提高,2017年以來震區(qū)基本可保證ML≥1.5地震的完整性。為直觀理解研究區(qū)地震M-T關(guān)系,將1970～2022年ML≥1.5地震全部篩選出來,共計22 644次地震,其中5.0級以上地震52次,結(jié)果如圖5所示。

圖4 研究區(qū)不同時段地震完整性分析Fig.4 The earthquake integrity analysis of the study area in 4 periods

圖5 研究區(qū)M-T統(tǒng)計Fig.5 The relationship between earthquake magnitude and time in the study area

2.4 2022年門源地震序列b值分析

研究發(fā)現(xiàn),大地震發(fā)生后震源區(qū)b值有回升跡象[16,26],采用余震地震目錄進行分時段b值計算,1個星期內(nèi)最小完備震級為ML1.7,線性擬合b值為0.76,a值為3.98;1個月內(nèi)最小完備震級為ML1.7,線性擬合b值為0.80,a值為4.16;6個月內(nèi)最小完備震級為ML1.7,線性擬合b值為0.81,a值為4.30。由圖6可以看出,a、b值隨序列略微增大,說明震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)逐漸緩解,序列衰減相對正常,根據(jù)最大截距外推震級為ML5.3左右,但實際為MS5.2,說明最大余震可能已經(jīng)發(fā)生。為進一步探討2022年門源6.9級地震余震演化過程中b值的空間變化,利用Zmap程序?qū)﹂T源地震后1個月和6個月的余震數(shù)據(jù)進行b值空間掃描計算,然后相減得到Δb值,結(jié)果如圖7所示。由圖可知,門源6.9級地震震源區(qū)b值變化不大,并未快速上升,而發(fā)震斷層西端b值略有回升,東端b值降低,表明該區(qū)域仍有較高的應(yīng)力積累,存在繼續(xù)發(fā)生余震的可能,該預(yù)測結(jié)果與后續(xù)余震的發(fā)生具有較好的一致性。

圖6 門源6.9級地震序列不同時段a、b值計算Fig.6 Calculation of a and b values in different periods of Menyuan MS6.9 earthquake sequence

圖7 門源6.9級地震序列b值空間變化Fig.7 Spatial distribution of b-value of Menyuan MS6.9 earthquake sequence

3 b值時空掃描特征

3.1 b值時間掃描特征

由G-R關(guān)系圖可以看出,研究區(qū)b值除在1987～2006年較低外,其余3個階段均在0.70以上,在已獲得的b值基礎(chǔ)上按不同取樣標準,依次以每1 a、5 a和10 a為間隔研究b值的變化特征,研究區(qū)b值-時間關(guān)系如圖8所示。由圖可知,b值中、短期變化無一致趨勢,長期變化具有較大的升降過程,認為b值變化與選取周期有關(guān),均值為0.80左右。

圖8 不同時間間隔b值變化Fig.8 The variation of b-value of different time intervals

大地震通常會引發(fā)許多中小余震,改變該區(qū)域地震發(fā)生速率,打破地震活動正常的時空分布,影響地震活動的平穩(wěn)性,因此在進行地震活動性研究時需要考慮刪除小余震活動對結(jié)果的影響[27]。b值時間分布特征可以反映研究區(qū)不同時段所處應(yīng)力場狀態(tài),且在部分大震前震源區(qū)b值均呈現(xiàn)出趨勢性降低的特征[3,16],b值時間變化特征分析可為判定b值異常區(qū)強震危險緊迫性提供參考依據(jù)。b值時間掃描計算方法是基于臺網(wǎng)穩(wěn)定運行以來2012～2022年震級大于MC的地震目錄,共10 a時間尺度,當?shù)卣疬_到一定數(shù)目后,計算結(jié)果更趨于穩(wěn)定。以固定地震樣本數(shù)作為窗長和步長,選用最大似然法計算每個時間窗的b值,獲得研究區(qū)b值隨時間的分布曲線(圖9),圖中δb表示95%置信度標準差范圍。由圖可知,2016年門源地震后b值逐步上升,之后呈下降趨勢,尤其在2021-03之后區(qū)域內(nèi)b值出現(xiàn)明顯下降,2022-01-08門源6.9級地震后出現(xiàn)小幅回升,這可能與震后區(qū)域應(yīng)力得到釋放有關(guān),因此b值作為破壞性地震的預(yù)測指標具有一定指示意義。

圖9 研究區(qū)2012-01～2022-01地震b值時序曲線Fig.9 Time series of earthquake b-value from January 2012 to January 2022 in the study area

3.2 b值空間掃描特征

利用青海測震臺網(wǎng)1970年以來小震目錄,采用最大似然法,選取門源6.9級地震震源附近區(qū)域(36°～40°N,98°～104°E)刪除小余震后共10 328個地震,在前述的地震目錄完整性分析基礎(chǔ)上對滿足樣本量的劃分時段進行b值空間掃描,掃描方形網(wǎng)格為1°×1°,步長為0.05°,要求網(wǎng)格內(nèi)地震數(shù)不少于20個,最大震級和最小震級之差大于1.5級,震級下限為ML1.5[26],以保證參數(shù)擬合的可靠性。異常判別指標為b<0.7,b值空間分布結(jié)果見圖10。門源地區(qū)b值在0.50～0.90之間,震前有低b值異常區(qū)域,2022年門源地震發(fā)生在冷龍嶺斷裂和托萊山斷裂附近的高低b值過渡區(qū)、靠近低b值區(qū)域邊緣,表明該區(qū)域具有較高的應(yīng)力積累(圖10(a)),這與孫安輝等[18]的結(jié)果具有較好的一致性。在掃描計算中,選取地震目錄起止時間分別為2017-01-01～2022-01-07、2017-01-01～2021-01-07,相減得到Δb值,Δb值升高為正,表明應(yīng)力水平降低;Δb值降低為負,表明應(yīng)力水平升高。震前1 a震中區(qū)Δb值變化不顯著,但在震中區(qū)附近東偏南方向區(qū)域b值下降(圖10(b)),可能表明震中區(qū)應(yīng)力積累主要發(fā)生在2021年之前。2000年以來該地震鄰區(qū)100 km范圍內(nèi)共記錄到2次6.0級以上地震,分別為2003-10-25甘肅民樂6.1級地震和2016-01-21青海門源6.4級地震,均發(fā)生在青海省與甘肅省交界附近,區(qū)域構(gòu)造上位于祁連山斷裂帶中東段,祁連山斷裂帶在青藏高原內(nèi)部地震活動極為強烈,歷史上曾發(fā)生多次6.0級以上地震,塊體內(nèi)部地震頻發(fā)可能會引起其局部應(yīng)力調(diào)整,使地震危險性趨勢增強。另外從低b值區(qū)大小與震級強度的關(guān)系來看,可能存在異常區(qū)范圍越大,其強震潛在危險性就越大的特征[15]。由于冷龍嶺斷裂的發(fā)震機制受地下復(fù)雜構(gòu)造的影響,具有不同的分段特征,2016年門源6.4級地震發(fā)生在冷龍嶺斷裂與民樂-大馬營斷裂之間的一條潛在斷層上,b值空間掃描和震前1年Δb值結(jié)果顯示,門源6.4級地震發(fā)生在相對低b值區(qū),數(shù)值在0.7以下,Δb值降低區(qū)域面積較小,應(yīng)力水平升高(圖10(c)和10(d))。

4 結(jié) 語

本文主要對門源6.9級地震前后b值進行研究,首先通過前人計算的速度模型,采用雙差定位方法對門源地震進行重定位,并根據(jù)門源地震序列獲得震后b值時空分布,然后根據(jù)青海測震臺網(wǎng)2000年以來小震目錄,采用最大似然法,在最小完備震級基礎(chǔ)上進行b值空間掃描,得出以下結(jié)論:

1)采用雙差定位方法對門源地震進行重定位,重定位前后地震展布形態(tài)未發(fā)生明顯變化,但主震位置向西側(cè)稍偏移,即更加靠近冷龍嶺斷裂。

2)采用最大曲率法,選取1970～2022年門源地震震源區(qū)及周邊地震目錄,計算得到最小完備震級結(jié)果:1970～1986年為ML2.2,1987～2006年為ML2.0,2007～2016年為ML1.6,2017～2022年為ML1.5。近年臺網(wǎng)測震能力逐步增強,選取完備震級以上的震例數(shù)據(jù)計算b值具有合理性,可為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。

3)根據(jù)b值時間掃描特征,選取震前10 a數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),門源6.9級地震發(fā)生前區(qū)域內(nèi)b值有一定程度的下降,地震后出現(xiàn)小幅回升,這可能與震后區(qū)域應(yīng)力得到釋放有關(guān),可作為大地震臨近的支撐依據(jù),具有一定的預(yù)測指示意義。

4)通過對門源6.9級地震余震序列b值變化進行分析,認為早期b值變化可為后期余震的位置預(yù)測提供一定參考。

5)根據(jù)震前b值空間分布特征可知,2022年門源地震發(fā)生在冷龍嶺斷裂和托萊山斷裂附近的高低b值過渡區(qū),靠近低b值區(qū)域邊緣,且震前1 a震源區(qū)Δb值變化不顯著,表明門源6.9級地震前區(qū)域應(yīng)力積累主要發(fā)生在2021年之前。