蘆山地震前后龍門山斷裂帶南段視應力研究1

宮 悅 龍 鋒 易桂喜 趙 敏 喬慧珍 王宇璽

（四川省地震局，成都 610041）

引言

2013年4月20日蘆山MS7.0級地震發生在青藏高原東緣龍門山斷裂帶南段，該地區自1970年大邑M6.2級地震之后，未發生過MS5級以上地震，并且至少在過去的1100多年中無M≥7的大地震歷史記載，屬于長期缺少大震級（M≥7.0）地震事件的破裂空區（聞學澤等，2009）。蘆山M7.0級地震的發生打破了該區域7級地震的平靜，此次地震是繼2008年汶川8.0級地震5年之后，在龍門山推覆構造帶上再次發生的破壞性地震。那么在蘆山地震發生之前，震源區是否有明確的地球物理響應、地震發生之后余震的應力狀態如何以及序列發展趨勢的判定，都是人們關注的焦點。

近年來，隨著數字化地震記錄的普及，反映地下平均應力水平的地震視應力值也逐漸應用于斷裂帶應力狀態分析與地震趨勢判定（吳忠良等，2002；陳學忠等，2003；易桂喜等，2011），如吳忠良等（2002）根據與Choy等（1995）類似的方法和資料來源，計算了中國大陸地震的視應力分布，得到中國大陸地震的視應力平均為0.8MPa，青藏高原東緣的視應力最高為2.6MPa，平均水平高于其鄰近地區一倍以上，視應力分布與20世紀的累積地震能量分布具有一定的相關性的結果；秦嘉政等（2006）利用地面運動峰值速度與地震波能量之間的經驗關系式，計算了云南地區2002年6月—2003年7月的中小地震視應力值，認為地震視應力可能具有預測地震危險性的意義；程萬正等（2006）研究了四川地區的視應力特征，得到視應力值的相對高值區分布在四川南部的川滇交界和北部的川甘交界一帶的結果；喬慧珍等（2006）研究了安寧河-則木河斷裂帶的視應力前兆特征，認為安寧河斷裂帶視應力相對更高；易桂喜等（2011）發現，汶川地震前龍門山斷裂帶中北段視應力明顯偏高。筆者利用四川數字化觀測臺網記錄到的地震波形資料，分析了本次蘆山 M7.0級地震發生之前龍門山南段視應力變化特征以及蘆山地震序列視應力時空分布特征，以期找到蘆山地震的可能前兆信號以及地震序列的應力分布狀態。

1 計算方法

1.1 視應力計算方法

視應力是平均應力下限值的一個估計（吳忠良等，2002；陳運泰，2003），定義為（Wyss等，1968）：

式中，μ為震源區介質剪切模量，通常取μ=3.0×104MPa；ES和M0分別為地震波輻射能量和標量地震矩。ES與M0之比表示單位地震矩輻射出的地震波能量。σapp值越高，震源區應力水平越高。

式（1）反應了地震視應力是單位位錯輻射的地震波能量的量度，可用地震視應力對一個地區的絕對應力水平進行間接估算。為了消除個別臺站異常高值對結果的影響，筆者采用了Archuleta等（1982）的方法求取視應力的平均值x與標準差Δx，并將它們作為單個地震的計算結果：

式中，N為計算使用的臺站數；xi為第i個臺站的計算結果。

1.2 歸準化視應力

已有研究表明，視應力與震級呈正相關（喬慧珍，2005）。當研究樣本的震級范圍跨度大，不采取任何震級校正措施而去研究視應力的時空分布時，得到的可能是地震輻射能的時空特征而不是應力水平。因此，扣除震級影響進而還原真實的應力水平是后續研究的關鍵。從筆者計算的龍門山南段的地震震級與視應力關系曲線（圖1）中可以看出，盡管數據較為離散，但仍有視應力隨震級增大的趨勢。采用線性最小二乘法擬合，得到視應力與震級的擬合關系為：

可采用下式：

來判斷地震視應力的高低。

式（5）中appσ為實際視應力值，appσ′為根據式（4）換算得到的視應力值，appσΔ表征消除了震級影響的相對視應力值，稱為歸準化視應力。

圖1 龍門山南段地震震級與視應力關系曲線Fig. 1 Relation curve between the earthquakes magnitude and apparent stress on the southern segment of Longmen Shan fault zone

另外，筆者對蘆山震級序列與視應力的關系進行了計算，得到的地震震級與視應力關系曲線如圖（2）所示，采用線性最小二乘法擬合，得到的擬合關系為：

再利用式（5）可計算出該地震序列歸準化視應力值。

圖2 蘆山地震序列地震震級與視應力關系曲線Fig. 2 Relation curve between earthquakes magnitude and apparent stress of the Lushan earthquake sequence

2 資料

選擇2008年汶川地震后至蘆山地震前龍門山斷裂帶南段（圖3中多邊形所示范圍）36次ML3.0級以上地震，以及46次ML4.0級以上蘆山地震余震。使用震中距≤200km的臺站，選取記錄清晰、信噪比較高的波形數據，經扣除儀器響應和濾波后，按上一節的方法進行了視應力的計算。計算中所使用的地震和臺站如圖3所示。

圖3 蘆山7.0級地震M3.5級以上余震震中分布圖和蘆山地震之前龍門山南段ML3級以上地震震中分布及臺站分布圖Fig. 3 Distribution of aftershocks and foreshocks of Lushan 7.0 earthquake on the southern segment of Longmen Shan fault zone

3 地震視應力時空變化特征

3.1 蘆山地震前龍門山斷裂帶南段視應力時空分布特征

從汶川地震之后至蘆山地震之前5年時間內該地區視應力appσ、appσΔ值隨時間變化趨勢（圖4）可以看出，從汶川地震之后到2009年9月之間，appσΔ與appσ波動比較大，認為可能是受汶川地震的影響，之后，汶川地震對該區域的影響趨于結束，該區域的視應力值處于比較穩定的狀態。從龍門山南段視應力值的空間分布（圖5）可以看出，視應力的高值區主要沿中央斷裂分布，主要分布在未來蘆山地震主震的西南側，后山斷裂視應力不高，結合時空分布圖來看，在蘆山地震之前，出現過視應力明顯增高的現象，有應力水平上升的調節過程。尤其是發生在2012年10月19日的天全—蘆山間ML4.6級地震視應力值遠高于擬合趨勢線，明顯處于擬合趨勢線上方（圖1），說明該段在蘆山地震之前已有一定的應力積累，具備發生中-強地震的應力條件（易桂喜等，2013）。

圖4 蘆山地震前龍門山南段ML>3.0級地震的σapp與Δσapp隨時間變化趨勢Fig. 4 Temporal variation of σapp and Δσapp of ML>3.0 earthquakes on the southern segment of Longmen Shan fault zone before Lushan earthquake

圖5 蘆山地震前龍門山南段ML>3.0級地震視應力值的空間分布Fig. 5 Spatial distribution of apparent stress of ML>3.0 earthquake on the southern segment of Longmen Shan fault zone before Lushan earthquake

3.2 蘆山地震序列視應力時間分布

σapp和震級隨時間的變化如圖6所示。第二節已經提過，視應力大小與震級大小具有相關性，震級較高的地震視應力較高，反之亦然。當這種相關性被打破時，可視為異常，喬慧珍（2005）曾利用這種相關性的被打破，對魯甸地震序列進行研究，得到“地震序列中視應力的變化，尤其是視應力和震級相關性的被打破，可以作為雙震以及強余震的預測依據”。對于本次蘆山地震序列，由圖6所示的變化曲線可以看出，也存在幾次這種相關性被打破的現象發生：4月20日9點04分和9點10分的兩次地震，震級均為ML4.3級未變，但是視應力卻從0.45MPa增加到1.16MPa，隨后即發生了9點11分的ML5級地震，但是該ML5級地震的視應力僅為0.59MPa，遠低于之前的ML4.3級地震，達到0.57MPa；隨后，震級下降到ML4.5，視應力卻反增加到0.64MPa，其后即發生9點37分的ML5.1級地震；在這次強余震發生之后，震級從9點39分的ML4.9級降低到10點01分的ML4.1級，視應力卻從0.68MPa增加到1.01MPa，增值達到0.33MPa，2小時候之后即發生ML5.3級強余震。還有異常發生在 4月20日的18點58分和19點12分，這兩次地震震級分別為ML4.6級和ML4.8級，其視應力卻僅為0.44MPa和0.56MPa，遠低于該兩次地震之前17點45分的ML4.7級地震視應力1.1MPa和之后21日00點14分的ML4.5級地震視應力0.65MPa，隨后，在21日04點53分，發生ML5.4級強余震，并在21日當天11點59分和17點05分，分別發生兩次ML5.2級地震。以上分析表明，地震序列中視應力的突升突降變化，視應力與震級相關性的被打破，都可視為序列中強余震的預測依據。

從蘆山地震序列Δσapp的時間變化曲線（圖7）可以看出，在主震后3個小時，序列視應力即有明顯的下降。在此之后，雖然視應力呈起伏變化，但是總體依舊低于主震后2個小時內的視應力水平，呈下降趨勢。從這兩個不同時段的視應力水平可以看出，在主震發生后的一個比較短的時間內，有一個應力大幅度釋放的過程，這也進一步說明，視應力參數的確可以反映一定地區的應力變化過程及其所處的狀態（錢曉東等，2007）。

圖6 蘆山序列M≥3.5級地震appσ和震級隨時間變化的分布圖Fig. 6 Variation of σapp of M≥3.5 earthquakes of Lushan sequence and magnitude with time

圖7 蘆山序列M≥3.5級地震appσΔ隨時間變化的分布圖Fig. 7 Variation of Δσapp of M≥3.5 earthquakes of Lushan sequence with time

3.3 蘆山地震序列視應力空間分布

從插值后的appσΔ空間分布（圖8）可以看出，兩個具有高視應力水平的區域分布在主震的西南方向，說明主破裂可能向西南段擴展，且這兩個高值區分布在整個余震區東南邊緣，結合斷裂的北西傾向，該兩個高視應力區正好分布在該斷層面與華南地塊緊密接觸的邊緣；主震以北區域的視應力則相對較低，說明該段不是破裂的主體方向。同時筆者也注意到，主震西側有一片視應力相對較高的區域，有可能反應了該區域分支斷裂的應力狀態。

圖8 蘆山序列Δσapp空間分布圖Fig. 8 Spatial distribution of the Δσapp of Lushan earthquake sequence

4 結論

本文利用 2008—2013年四川臺網數字地震記錄資料，對蘆山地震之前龍門山斷裂帶南段以及蘆山地震之后序列的視應力值進行了計算分析，得到的結果表明，蘆山地震之前，龍門山斷裂帶南段視應力存在上升過程，其中最突出的事件為2012年10月19日的天全—蘆山間的地震。由于視應力可作為絕對應力水平的一個間接估計，所以可認為在蘆山地震之前，龍門山南段的天全—蘆山段應力水平明顯升高，該段距蘆山7.0級主震僅23km，因此，此次視應力增高的事件可能是蘆山地震前兆。

對蘆山地震序列而言，其視應力存在幾次比較突出的視應力與震級相關性的被打破以及視應力的突降異常，且在震后3個小時之后，視應力即有一個明顯下降的過程?？梢哉J為，在主震發生之后的較短時間內，應力得到大幅度的釋放；從序列視應力的空間分布來看，視應力高值區主要分布在主震的西南方向，說明主破裂向西南段擴展，且這兩個高值區分布在整個余震區東南邊緣，結合斷裂的北西傾向，該兩個高視應力區正好分布在該斷層面與華南地塊緊密接觸的邊緣；同時，筆者也注意到主震西側有一片視應力相對較高的區域，反映了該區域分支斷裂的應力狀態；主震以北區域的視應力則相對較低，說明該方向不是破裂的主體方向。

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