江蘇及鄰近地區地震視應力特征研究*

孫業君，劉紅桂，江昊琳，詹小艷，居海華，楊 云

0 前言

利用地震資料來研究地殼的應力狀態，已越來越引起地震學家們的興趣。然而，在彈性力學框架下，由地震資料得到應力的大小，原則上是不可能的。但是，在一些合理假設的前提下，由地震資料可以得到關于應力大小的某種有物理意義的估計，其中一個常用的估計是視應力 (Wyss，Brunne，1968;Wyss，1970a，1970b)。視應力與引起地震滑動的平均應力水平之間可以通過地震波輻射效率聯系在一起，這一概念近年來已得到越來越多的野外實驗和觀測結果的證實 (McGarr，1999)。Choy和Boatwright(1995)根據美國國家地震信息中心 (NEIC)的寬頻帶輻射能量和哈佛矩心矩張量 (CMT)測定結果，討論了全球地震視應力的分布，得到全球地震視應力的平均值為0.5 MPa。吳忠良等 (2002)采用NEIC的寬頻帶輻射能量和CMT的測定結果計算了中國大陸地震的視應力分布，發現中國大陸地震的視應力略高于全球平均水平，其中青藏高原東緣的視應力比其鄰近地區高一倍以上。Newman和Okal(1998)研究發現可以將視應力作為海嘯地震的一個判據。

地震視應力的計算關鍵為地震輻射能量與地震矩的計算。秦嘉政和錢曉東 (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月至2003年7月的中小地震視應力值。黃福明和易志剛 (2000)利用地震能量、地震矩與震級的經驗關系式計算了中國M≥4.5地震的視應變值。這兩種方法均是建立在經驗公式的基礎上，其結果可能存在一定的偏差。

本文利用2000年以來江蘇數字地震臺網記錄到的近震波形資料，采用劉紅桂等 (2006，2007)提出的中小地震視應力的數學公式計算了江蘇及鄰近地區中小地震的視應力值，討論了視應力與震級之間的關系，進而分析研究區域內視應力空間分布特征。

1 計算方法

地震視應力的定義為 (Wyss，Brunne，1968;Wyss，1970a，1970b)

式中，σapp為視應力，η為地震效率，〈σ〉為平均應力，μ為震源區介質剪切模量，ES是地震輻射能量，M0為地震矩。

Eric和Chael(1987)的研究表明，中小地震的震源位移譜很好地符合Brune(1970)的ω2模型，而與ω3模型偏差很大。根據ω2模型，地震事件的震源位移振幅譜可由震源譜的低頻水平Ω0和拐角頻率fc表示為

因此，中小地震的視應力值可以通過其震源位移譜低頻水平Ω0與拐角頻率fc來計算，具體的表達式為 (劉紅桂等，2006，2007)

式中，σa為地震視應力;β為S波速度，根據江蘇省地震局 (1987)的地球物理研究結果，本文計算時取地殼S波平均速度β=3.5×103m/s;μ為震源區介質剪切模量，實際計算時取μ=3.0×1010Pa(Choy，Boatwright，1995);Rθφ為 S 波的輻射圖型因子，實際計算時取Rθφ=(Andrews，1986)。

為了得到各次地震的視應力，整個計算過程分為三步 (劉紅桂等，2006、2007):

第一步，采用成熟的方法 (劉紅桂等，2004;劉杰等，2003)計算研究地區的介質衰減特征及臺站的場地響應，具體結果見楊云 (2007)。介質幾何擴散特征 (R01、R02)及非彈性衰減特征表達式為

第二步，利用第一步得到的結果對每一條地震波形記錄進行校正，得到各記錄的校正位移譜，并利用遺傳算法反演ω2模型中的震源位移譜低頻水平Ω0與拐角頻率fc。

第三步根據式 (3)計算各次地震的視應力值。

2 資料選取及處理

本文的研究范圍為 (31°～35°N，117°～122°E)。選取了2000～2010年江蘇省數字地震臺網記錄到的發生在江蘇及鄰區的ML≥1.5中小地震，這些地震的波形數據采樣時間為0.02 s。臺站位置與各地震的震中分布見圖1。

選取地震波形資料的原則是:(1)每一個地震至少有如圖1所示的3個以上臺站的波形記錄，(2)每條地震波形記錄的信噪比不小于2。

計算中使用的數據是每條波形記錄中的S波數據。S波數據截取方法 (Atkinson，Mereu，1992):為了保證所選取的資料包含剪切波所有重要的震相信息，對于每一條速度記錄，選取資料時均以可辨識的首個S波到時為起點，所取資料窗長應包括整個S波能量的90%。為了獲得穩定可靠的傅里葉譜估計，計算時采用延遲窗技術 (Eric，Chael，1987)，把整個資料窗分成若干個小段，每一小段數據為256個點，并以128個點為滑動窗長，在每段數據的兩端加入5%邊辨的漢寧窗，然后進行快速傅里葉變換。為了剔除噪聲的影響，取P波到時之前的256個數據點作為背景噪聲信息，同樣在兩端加入5%邊辨的漢寧窗，并進行快速傅里葉變換，在頻域中由信號譜減去噪聲譜從而得到S波的譜信息。

3 計算結果及分析

本文中所有物理量的單位均轉換成了SI單位制，最終計算得到江蘇及鄰近地區561個中小地震視應力值，視應力值主要集中在0.01～10 MPa，占98%以上，最大為 15.07MPa，最小為0.000 3 MPa，平均值為0.91 MPa。由于計算方法中不能給出震源位移譜低頻水平Ω0與拐角頻率fc的估計偏差，因此，本文所給出的視應力值也無法給出偏差估計。

圖2給出了江蘇及鄰近地區中小地震視應力值與其震級的對應情況?？傮w具有地震震級越大視應力值越大的趨勢特點，但兩者線性關系不明顯。值得注意的是絕大多數ML≤2.0地震視應力低于0.05 MPa，而ML≥3.0地震的視應力集中在0.1 MPa以上，ML≥4.0地震的視應力值也較高，都高于3 MPa。

國內很多學者 (劉紅桂等，2006;程萬正等，2006;李芳等，2006;王瓊等，2005)對中小地震視應力值與其震級之間的相關性已經開展相關研究。劉紅桂等 (2006)研究云南地區4個地震序列的視應力值過程中發現視應力與地震震級沒有顯著相關關系。程萬正等 (2006)研究結果表明四川地區地震視應力與震級ML大體成正比，地震視應力值與震級的分布，鑒于數據分布較寬，不是一一對應關系。李芳等 (2006)，王瓊等(2005)研究發現視應力與震級存在一定的相關性，曲線表現為指數形態，視應力與震級關系具有顯著的分段性，在一定震級區間內存在較好的線性相關，而大于一定震級兩者不存在線性相關。本文研究結果和以上學者的研究結果均顯示，實際計算得到的中小地震視應力與其震級之間的關系較為復雜，不同地區、不同震級檔表現出了不同的相關關系。

4 視應力空間分布特征

4.1 視應力總體空間分布特征

為了更直觀體現視應力的真實性，我們把視應力值分為4檔:0～0.1 MPa、0.1～1.0 MPa、1～5 MPa和5～10 MPa。不同視應力值檔用不同的顏色表示 (震級大小未表示出來)，這樣可以更直觀和客觀表示視應力高低分布 (圖3)。從圖3可以看出，視應力5～10 MPa高值主要分布在蘇中至南黃海海域 (A區)，該區域內分布有多條北東東向斷裂，如淮陰—響水斷裂，洪澤—溝墩斷裂，鹽城—南洋岸斷裂，陳家堡—小海斷裂等。該區歷史上多次發生過中強以上地震，最大地震為1846年的7.0級地震，該地區一直以來是江蘇地區中等地震活動的主體地區。另外，5～10 MPa視應力值在1984年5月21日黃海6.2級地震震中附近 (B區)也有集中分布，該地震是1970年以來華東地區中強震后余震序列最為發育的一次，目前中等地震仍時有發生。視應力值在1～5 MPa之間地震除了在蘇中至南黃海海域有分布外，在蘇魯交界地區 (C區)、安徽固鎮至定遠附近地區(D區)和肥東、巢湖一帶 (E區)均有較為集中分布。其中2005年6月10日郯城ML4.3地震和2006年7月26日定遠ML4.7地震視應力值達到了10 MPa左右。值得重視的是以上地區均位于郯廬斷裂帶中南段附近地區。

以上視應力較高值區域的表現有些不同，蘇中至南黃海海域地震發生頻次最高，各震級檔均有分布，視應力分布情況也最為復雜;沿郯廬斷裂帶分布的幾個高值區域除個別地震視應力較小外，多數分布在1～5 MPa之間。視應力高值區域反映了該地區地質構造的活躍程度，同時也反映了地震活動水平及其地殼應力狀態。

4.2 ML2震級檔視應力特征

為了盡量避免地震震級的影響，重點分析研究區域內占據主體的ML2.0～2.9視應力結果，這樣可以更直觀的顯示不同地區地震視應力差異，以此分析地震積累應力的不同。ML2.0～2.9地震共279次，空間分布較為分散，其中以蘇中沿岸至黃海海域最為集中。地震的視應力值分布在0.03～7.9 MPa之間，其中0.03～0.9 MPa，1.0～3.9 MPa，4.0～7.9 MPa分別為145次、103次和31次，可以看出，ML2震級檔地震視應力值大于1 MPa和小于1 MPa的地震數量基本相當。圖4給出了視應力值大于2 MPa的等值線區域，可以看出，高視應力值主要分布在郯廬斷裂帶安徽段南段、郯廬斷裂帶江蘇段及以西地區和黃海南部至長江口附近地區。另外，蘇中沿岸至南黃海海域也有小片高視應力值分布。筆者結合地質構造、地震活動等情況對ML2震級檔地震視應力空間分布特征予以初步解釋:

(1)郯廬斷裂帶安徽段地震整體活動水平基本相當，但南段地震的視應力值明顯高于北段，顯示出南段地殼應力水平高于北段，2009年4月6日肥東ML4.1地震的發生也表明了該地區應力水平較高。該區域處于大別碰撞帶、下揚子塊體和華北塊體交匯部位，區域受力狀態較為復雜，歷史上發生過1585年3月6日巢縣南5.8級和1673年3月29日合肥5.0級地震。郯廬斷裂帶在該段落走向從NNE向轉為NE向，傾向由原來的NW向轉為SE向，斷面近直立，并顯示早期壓扭性為主，后期張扭性為主 (萬桂梅等，2009)。

(2)郯廬斷裂帶江蘇段及以西地區地震頻次較低，但在ML2震級檔的視應力值最高，反映了該區域積累的應力水平較高。該區域歷史地震和現代小震活動水平均較低，李家靈和晁洪太(1994)認為該段地震活動較弱的原因是斷層可能處于活動閉鎖狀態。龔偉等 (2010)根據GPS觀測資料分析認為郯廬斷裂帶的整體活動性質在江蘇段發生轉變，江蘇段整體表現為拉張性質，是北部左旋壓扭運動向南部右旋拉張運動的過渡區，在整個郯廬斷裂帶中，該段屬于復雜過渡區。

(3)黃海南部至長江口附近地區位于揚子斷塊南端，南鄰華南斷褶系，處于勿南沙隆起地區，分布有栟茶河斷裂、南通—嘉定斷裂等。視應力高值區域主要覆蓋了1984年5月21日黃海6.2級地震區，2010年7月9日、19日黃海 ML4.2及ML4.6地震的發生也反映了老震區應力水平仍處于較高水平。

(4)另外值得關注的是蘇中至黃海海域，該區域位于蘇北—南黃海盆地內，地質構造復雜，有北東向的淮陰—響水斷裂、洪澤—溝墩斷裂、鹽城—南洋岸斷裂等。從圖3中可以看出，該區域現代小震活動水平較高，各震級檔均有分布，是視應力高值區域之一。但ML2震級檔的視應力值處于中等水平，僅有個別地震視應力值超過4 MPa，表明該區域應力積累水平不高。孫業君等(2014)研究表明該地區尾波Q值較低，反映了該區域介質的非均勻程度相對較高，介質相對破碎，不利于積累能量。

5 結論與討論

本文利用2000～2010年江蘇數字地震臺網記錄到的近震波形資料，采用劉紅桂等 (2006，2007)提出的計算中小地震視應力的數學公式計算了江蘇及鄰近地區中小地震的視應力值，分析了視應力與震級之間的關系，并討論了研究區域內視應力空間分布特征。初步結論如下:(1)江蘇及鄰區平均視應力為0.91 MPa，與吳忠良等(2002)研究所得的中國大陸平均視應力水平為0.8 MPa基本相當。視應力與震級不存在明顯的線性關系，但在震級相對較大時表現出一定的高震級對應高視應力的特點。(2)視應力高值地區主要集中分布在蘇中至南黃海海域，次高值集中分布在郯廬斷裂帶中南段的蘇魯交界地區、安徽固鎮至定遠附近地區和肥東、巢湖一帶，基本反映了高視應力區域較高的地震活動水平及其地殼應力狀態。(3)ML2震級檔地震視應力空間結果顯示，郯廬斷裂帶安徽段南段、江蘇段及以西地區和黃海南部至長江口地區視應力高值特征明顯。

國內學者 (秦嘉政，錢曉東，2006;劉紅桂等，2007;吳晶，顧瑾萍，2004)指出，高視應力異常和未來發生中強或大地震有對應關系。秦嘉政和錢曉東 (2006)發現2003年大姚MS6.2余震序列視應力值在8月10日左右出現了較高值，之后于10月16日再次發生MS6.1地震，且較高視應力集中在主震附近。劉紅桂等 (2007)研究云南地區視應力后指出，超過1 MPa的地震視應力和后續中強地震有較好對應關系。吳晶和顧瑾萍(2004)計算了2000年6月6日甘肅景泰MS5.9地震前后周圍小地震視應力，結果顯示震前視應力出現高值異常。若將相對高視應力分布區作為未來強震危險性的估計指標之一，則蘇中至南黃海海域、郯廬斷裂帶中南段的蘇魯交界地區、安徽固鎮至定遠附近地區和肥東、巢湖一帶存在發生中強震的可能。在這些相對高視應力分布區近幾年中小震活動的頻度和強度均有所升高，中小地震的活動異常也是地震危險的佐證之一。

視應力是否隨地震大小變化依然是學術界爭議頗大的一個問題，一部分學者認為折合能量即地震輻射能量Es和標量地震矩M0的比是隨地震大小系統地變化的 (Abercrombie，1995;Mayeda，Walter，1996;Prejean，Ellsworth，2001;Mori et al.，2003)，另一部分學者認為不會變化 (Choy，Boatwright，1995;Ide，Beroza，2001;Ide et al.，2003;Baltay et al.，2010)。爭議持續的一個主要因素是輻射能量和地震矩的精確獲取很難，因為地震波受震源輻射花樣、破裂方向，傳播路徑的衰減 (范小平等，2009，2011)、散射 (范小平等，2009，2013)，場地效應等眾多因素的影響。

本文在撰寫過程中得到了江蘇省地震局鄭江蓉研究員，王俊工程師、四川省地震局阮祥、云南省地震局趙小艷工程師的幫助，地震波形資料由江蘇數字地震臺網提供，在此一并表示感謝!

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