2017年8月8日四川九寨溝MS 7.0地震前甘肅南部地區(qū)視應(yīng)力變化

陳麗娟 陳繼鋒 龔麗文 陳學(xué)忠

1）重慶市地震局，重慶市渝北區(qū)紅黃路339號(hào) 401147

2）甘肅省地震局，蘭州 730000

3）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

2017年8月8日21時(shí)19分四川省阿壩州九寨溝縣發(fā)生MS7.0地震。該地震發(fā)生在東昆侖斷裂帶的東端，震中位于川西北倒三角形斷塊東部區(qū)域。該區(qū)由其南東側(cè)的龍門山NE向活動(dòng)斷裂帶、北側(cè)西秦嶺近EW向構(gòu)造帶的南緣活動(dòng)斷裂帶及近SN向岷山隆起斷裂帶的岷江斷裂、虎牙斷裂等活動(dòng)斷裂帶組合，構(gòu)成了由西向東逐漸收斂的平臥“A”形活動(dòng)構(gòu)造體系。在強(qiáng)大的近EW向構(gòu)造應(yīng)力場的驅(qū)動(dòng)下，該區(qū)由西向東沿兩側(cè)邊界活動(dòng)斷裂向東強(qiáng)力楔入，而相對穩(wěn)定的西秦嶺東緣形成阻擋，于武都、文縣-平武、青川形成構(gòu)造急劇收口帶，使得甘東南地區(qū)應(yīng)力逐年累積，在該區(qū)沿 104°E線附近形成近SN向展布的強(qiáng)震活動(dòng)帶，強(qiáng)震沿該帶有規(guī)律的南、北往返遷移，重復(fù)發(fā)生（蔣良文等，2005）。

地震是構(gòu)造應(yīng)力積累的結(jié)果，僅由地震資料較難得到應(yīng)力的大小，但在一些合理假定的前提下，由地震資料可得到對于應(yīng)力大小的某種有物理意義的估計(jì)，如視應(yīng)力（Wyss et al，1968）。通過地震波形計(jì)算得到地震能量和地震矩，二者的比值乘以剪切模量即為視應(yīng)力。地震學(xué)中，一般用視應(yīng)力作為應(yīng)力水平的下限估計(jì)（吳忠良，2001）。張彬等（2007）利用中強(qiáng)地震資料計(jì)算中國大陸地震的視應(yīng)力空間分布，得到的應(yīng)力場特征與GPS給出的中國最大剪應(yīng)變場西強(qiáng)東弱的特征一致。易志剛（2007）等通過對1970年以來中國大陸7級以上強(qiáng)震的震例總結(jié)發(fā)現(xiàn)，地震視應(yīng)力異常區(qū)的變化與遷移可能是構(gòu)造大區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變場中顯著應(yīng)力變化區(qū)變化與遷移的反映，可用于強(qiáng)震發(fā)生地區(qū)的預(yù)測。劉紅桂等（2006、2007）發(fā)現(xiàn)，視應(yīng)力對于云南發(fā)生的地震具有較好的預(yù)測意義，當(dāng)中小地震的視應(yīng)力值超過某個(gè)臨界值時(shí)，即可作為預(yù)測該區(qū)未來中強(qiáng)震的參考指標(biāo)。

已有震例表明，強(qiáng)震前視應(yīng)力的變化較為復(fù)雜，視應(yīng)力的時(shí)間變化特征可分為2種形態(tài)，一是大部分地震前視應(yīng)力隨時(shí)間升高，中強(qiáng)震發(fā)生在升高的變化過程中，如1999年11月29日岫巖MS5.4地震及其5.1級最大強(qiáng)余震前視應(yīng)力均有明顯升高（王瓊等，2005）；2006年7月4日河北文安MS5.1地震前，視應(yīng)力隨時(shí)間有明顯的升高變化過程，并出現(xiàn)相對高值集中區(qū)（陳學(xué)忠等，2007、2011）；1970～1975年的地震視應(yīng)變場研究結(jié)果表明，地震視應(yīng)變總體上逐年增加，松潘-平武地震就發(fā)生在地震視應(yīng)變異常區(qū)（張彬等，2007）；新疆巴楚-伽師MS6.8、烏什MS6.3強(qiáng)震前視應(yīng)力均表現(xiàn)出震前低視應(yīng)力—主震前的逐漸上升—震后逐漸恢復(fù)的變化過程（孫燕萍等，2007）；2012年5月28日唐山MS4.8地震前，視應(yīng)力表現(xiàn)出震前趨勢性上升，震時(shí)達(dá)到峰值，震后趨勢性下降（李赫等，2014）；2013年吉林前郭地震MS5.8地震前，MS3.0～3.9震級段視應(yīng)力存在明顯上升過程（康建紅等，2016）。二是震前上升—下降的變化形態(tài)，即部分中強(qiáng)震前視應(yīng)力有長時(shí)間上升過程，但在臨震前有所下降，如2007年云南濘洱MS6.4地震前，滇西南地區(qū)視應(yīng)力出現(xiàn)明顯升高—下降過程（李艷娥等，2012）；2008年汶川MS8.0地震前，震區(qū)的視應(yīng)力顯示出清晰的上升—下降過程，但在臨震前有一定幅度的上升（李艷娥等，2012）。

視應(yīng)力高值異常區(qū)與地震震中的關(guān)系則表明，中強(qiáng)震一般發(fā)生在高值區(qū)域或高值與低值的交界處。首都圈中強(qiáng)地震前多次出現(xiàn)顯著的視應(yīng)力高值異常，地震多發(fā)生在視應(yīng)力高值異常區(qū)域附近（岳曉媛等，2016）。天津及鄰區(qū)中小地震視應(yīng)力的分析結(jié)果表明，視應(yīng)力高值與低值的過渡區(qū)可能是中強(qiáng)地震過渡的有利條件（許可等，2016）。三峽庫區(qū)巴東地震前，不同震級段視應(yīng)力在震中區(qū)附近的2條斷裂帶同時(shí)出現(xiàn)高值，幾次顯著的地震均發(fā)生在視應(yīng)力上升過程中（戴苗等，2017）。

2013年7月22日距此次九寨溝MS7.0地震以北約150km處發(fā)生過岷縣漳縣MS6.6地震，岷縣漳縣地震前甘南地區(qū)視應(yīng)力隨時(shí)間升高且震中附近有高值異常，岷縣漳縣地震1年后甘南地區(qū)視應(yīng)力沒有下降，并在甘肅文縣附近出現(xiàn)高值異常（陳麗娟等，2015）。本文計(jì)算了甘肅南部地區(qū)地震的波形數(shù)據(jù)，分析了九寨溝地震前視應(yīng)力的時(shí)空演化，旨在提取該區(qū)強(qiáng)震前視應(yīng)力的異常特征。

1 資料

利用甘肅區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)地震數(shù)字波形資料，計(jì)算2010年1月～2017年8月ML≥2.0地震的波譜參數(shù)，選取長達(dá)近8年的數(shù)據(jù)是為了得到該區(qū)域視應(yīng)力的長期背景值，以利于進(jìn)一步的數(shù)據(jù)對比分析。圖1為地震震中、臺(tái)站、該區(qū)斷層的分布圖，因2013年7月22日甘肅岷縣漳縣曾發(fā)生MS6.6地震，為排除岷縣漳縣地震余震的影響，數(shù)據(jù)分析以2014年1月為時(shí)間界線劃分。在近震源條件下，選用震中距小于200km的臺(tái)站的數(shù)據(jù)，選取信噪比較高的波形計(jì)算視應(yīng)力。

圖1 研究區(qū)域地震及臺(tái)站分布概況

2 視應(yīng)力計(jì)算方法

將波形數(shù)據(jù)進(jìn)行傅氏變換得到觀測譜，通過儀器響應(yīng)、幾何擴(kuò)散校正和介質(zhì)衰減校正等，即可得到震源譜。對中小地震，震源譜符合 Brune圓盤模型（Brune，1970），震源譜可表示為

式中，Ω0為震源譜零頻極限值；f為頻率；fc為拐角頻率。給定Ω0和fc即可確定震源譜，具體方法可參考陳學(xué)忠等（2007）文獻(xiàn)。

地震矩M0可以根據(jù)下式求得（Brune，1970）。

其中，ρ為地殼介質(zhì)密度（可取2.71mg/cm3）；v為波速（S波取3.5km/s）；d為震源距；Ω0為震源譜零頻極限值；R為輻射因子，可用其均方根代替（S波為0.63）（Aki et al，1980）。

地震輻射能量ES可由對速度譜的平方積分求得（Andews，1986）

地震計(jì)的頻帶寬度有限，而地震能量則分布在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)，尤其是中小地震含有較多的高頻成分，有限的頻帶寬度可能會(huì)導(dǎo)致地震輻射能量的低估，所以，在計(jì)算過程中應(yīng)考慮低頻、高頻補(bǔ)償（Snoke，1987）。

得到地震矩M0和地震輻射能量ES，即可計(jì)算得到地震視應(yīng)力（Wyss，1970）

其中，μ為剪切模量（對于地殼介質(zhì)，μ取3×104MPa）。

對某次地震，一般有多個(gè)臺(tái)站記錄到波形資料，根據(jù)上述方法分別求得每個(gè)臺(tái)站的震源力學(xué)參數(shù)，再由各臺(tái)站的值求平均得到多臺(tái)平均值。為了消除個(gè)別臺(tái)站的異常高值對平均值的影響，在計(jì)算多臺(tái)平均值時(shí)采用Archuleta等（1982）的方法，具體如下

式中，xi為各臺(tái)站的波譜參數(shù)；N為臺(tái)站數(shù)；Δx為各誤差因子，其意義為當(dāng)x以對數(shù)坐標(biāo)作圖時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差。

3 標(biāo)度關(guān)系

圖2為研究區(qū)內(nèi)各參數(shù)的標(biāo)度關(guān)系。由圖2可見，地震輻射能量、地震矩均隨震級的增加而增加，相關(guān)系數(shù)較高，均大于0.9；拐角頻率隨震級的增加而減小，相關(guān)系數(shù)約為0.5，表明二者的相關(guān)性相對較差；視應(yīng)力隨震級的增加而增大，相關(guān)系數(shù)為0.75，擬合較好。由于視應(yīng)力與震級間存在一定的相關(guān)關(guān)系，所以，分析視應(yīng)力的時(shí)空演化特征時(shí)需消除震級對視應(yīng)力的影響。本文采取分震級段的方法，即分ML2.0～2.5、ML2.6～3.1兩個(gè)震級段來研究該區(qū)域視應(yīng)力的時(shí)空演化特征。

4 視應(yīng)力時(shí)空變化特征

4.1 視應(yīng)力隨時(shí)間的變化

由于各個(gè)區(qū)域構(gòu)造存在差異，各區(qū)的應(yīng)力大小也不相同，而視應(yīng)力能夠間接反映地下應(yīng)力，因此，視應(yīng)力在各區(qū)的大小亦不盡相同。所以，在分析視應(yīng)力的變化時(shí)不能給定一個(gè)準(zhǔn)確的臨界值來界定視應(yīng)力的高低，只能從時(shí)間序列上去提取視應(yīng)力的相對變化。

為了對視應(yīng)力的時(shí)間變化進(jìn)行更為詳細(xì)的分析，將研究區(qū)域劃分為A、B、C、D等4個(gè)小區(qū)域（圖3），其中，A區(qū)域?yàn)榫耪瘻系卣鹫鹬懈浇男^(qū)域；D區(qū)域作為龍門山斷裂北段汶川地震余震區(qū)域單獨(dú)劃分；A、B、C區(qū)域則是按照區(qū)域從小到大的順序劃分。劃分區(qū)域的目的在于對各區(qū)域的視應(yīng)力進(jìn)行時(shí)間分析，討論由地震震中到區(qū)域大范圍內(nèi)視應(yīng)力隨時(shí)間的變化形態(tài)差異，旨在提取出異常較明顯的區(qū)域。

圖2 研究區(qū)內(nèi)各參數(shù)的標(biāo)度關(guān)系

圖3 研究區(qū)域的劃分

在進(jìn)行時(shí)間分析時(shí)，采取分震級段來消除震級對視應(yīng)力的影響，各區(qū)域可分別得到ML2.6～3.1、ML2.0～2.5地震的視應(yīng)力隨時(shí)間的變化（圖4）。由圖4可見，ML2.6～3.1地震的視應(yīng)力約為ML2.0～2.5地震的2倍，在各個(gè)研究區(qū)域內(nèi)，不同震級段的視應(yīng)力隨時(shí)間的變化趨勢大體一致，但某些時(shí)間段略有差異。

圖4 各區(qū)域分震級段視應(yīng)力隨時(shí)間的變化特征

圖5為震中附近區(qū)域（圖3中A區(qū)）研究時(shí)段內(nèi)的M-t圖。由圖5可見，2個(gè)震級段的地震在時(shí)間上非均勻分布，且ML2.6～3.1地震明顯少于ML2.0～2.5地震。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該區(qū)研究時(shí)段內(nèi)ML2.6～3.1地震共計(jì)86個(gè)，ML2.0～2.5地震共計(jì)47個(gè)。不同震級段地震的非均勻分布及數(shù)量上的差異導(dǎo)致不同震級段的視應(yīng)力隨時(shí)間的變化存在差異，但從圖4可知，各區(qū)域內(nèi)2個(gè)震級段地震視應(yīng)力隨時(shí)間的變化趨勢大體一致，但在某些時(shí)間段有不同之處。

圖5 震中附近區(qū)域（圖3中A區(qū)）的M-t圖

對比圖4（c）、（d）可見，加上B區(qū)域之后的 A、B區(qū)域與 A區(qū)域的變化趨勢基本一致，但A區(qū)域2個(gè)震級段視應(yīng)力的變化趨勢十分同步。A區(qū)域ML2.6～3.1地震視應(yīng)力至2017年3月升高為0.8bar，為2013年底0.4bar的2倍。ML2.0～2.5地震視應(yīng)力也在2017年3月升至最高值0.3bar，2017年3月之后，ML2.0～2.5、ML2.6～3.1地震視應(yīng)力同步出現(xiàn)快速下降變化，2017年8月8日發(fā)生九寨溝地震。綜上，九寨溝地震前，震中附近區(qū)域（圖3中A區(qū)），2個(gè)震級段視應(yīng)力的變化趨勢十分同步，均呈現(xiàn)出“震前長時(shí)間升高—震前幾個(gè)月快速下降”的變化趨勢。

圖4（e）為C區(qū)視應(yīng)力隨時(shí)間的變化，該區(qū)為研究區(qū)域的北段，該區(qū)ML2.0～2.5、ML2.6～3.1地震視應(yīng)力隨時(shí)間的變化也較為同步，均在岷縣漳縣地震后快速上升，至2015年底達(dá)到最高值，之后略有下降，但仍為2013年1月以前視應(yīng)力的2倍，并保持高值至九寨溝地震發(fā)生前。

綜合分析，由圖4（a）～4（f）各個(gè)區(qū)域視應(yīng)力隨時(shí)間的變化可見，九寨溝地震前，整個(gè)甘肅南部大范圍地區(qū)（圖3中A、B、C、D區(qū)）ML2.6～3.1地震視應(yīng)力有明顯的升高；隨著區(qū)域范圍向震中縮小（A、B、C、D區(qū)＞A、B、C區(qū)＞A、B區(qū)＞A區(qū)），九寨溝地震震中附近地區(qū)（圖 3中A區(qū)）ML2.0～2.5、ML2.6～3.1地震視應(yīng)力有十分同步的“升高—下降”變化；龍門山斷裂帶北段余震區(qū)（圖3中D區(qū)）視應(yīng)力明顯高于甘南其他地區(qū)，但該區(qū)ML2.6～3.1地震視應(yīng)力在岷縣漳縣地震、九寨溝地震前也均有明顯的快速升高變化。

由圖4各區(qū)域視應(yīng)力隨時(shí)間的變化可知，2013年岷縣漳縣地震和2017年九寨溝地震前，研究區(qū)域大范圍內(nèi)視應(yīng)力均升高，各個(gè)區(qū)域由于構(gòu)造差異，其應(yīng)力集中方式以及應(yīng)力大小均不同，因此，視應(yīng)力的異常變化也存在差異，而震中附近區(qū)域應(yīng)力的積累則表現(xiàn)出較為同步的變化。由圖4可見，岷縣漳縣地震前各區(qū)域視應(yīng)力升高，該地震后視應(yīng)力并沒有逐漸調(diào)整恢復(fù)至正常水平，而是繼續(xù)上升，在視應(yīng)力升至最高水平后發(fā)生了九寨溝地震。說明甘南地區(qū)在強(qiáng)大的近EW向構(gòu)造應(yīng)力作用下一直處于應(yīng)力積累狀態(tài)，岷縣漳縣地震、九寨溝地震均是整個(gè)應(yīng)力累積過程中發(fā)生的地震，該區(qū)附近歷史上也曾多發(fā)強(qiáng)震。甘川交界地區(qū)是東昆侖構(gòu)造帶、龍門山構(gòu)造帶及秦嶺構(gòu)造帶的交界地區(qū)，形成了復(fù)雜的構(gòu)造結(jié)（任治坤等，2005），在青藏高原的近東西向擠壓下，該區(qū)未來的地震危險(xiǎn)性仍值得關(guān)注。

4.2 視應(yīng)力的空間分布

較強(qiáng)地震前震源區(qū)一般存在視應(yīng)力高值異常，汶川地震前主震破裂所處的龍門山斷裂帶中-北段的視應(yīng)力明顯高于南西段（易桂喜等，2011），蘆山地震前震中天全-寶興段視應(yīng)力較高（易桂喜等，2013）。本文計(jì)算得到了此次九寨溝地震前的視應(yīng)力空間分布，以發(fā)現(xiàn)高值異常區(qū)與震中位置間的關(guān)系。

為避免2013年7月22日岷縣漳縣MS6.6地震余震的影響，取2014年1月～2017年8月的數(shù)據(jù)，以0.2°×0.2°為空間窗，0.1°為滑動(dòng)步長，對視應(yīng)力進(jìn)行空間掃描，得到視應(yīng)力的空間分布（圖6），圖6中的空白部分為無值區(qū)域。

圖6 2014年1月～2017年8月研究區(qū)域內(nèi)地震視應(yīng)力的空間分布

由圖6可見，ML2.6～3.1地震視應(yīng)力明顯大于ML2.0～2.5地震，這是因震級與視應(yīng)力間有一定的相關(guān)性所致。但是，2個(gè)不同震級段視應(yīng)力的空間分布具有較好的一致性，高值視應(yīng)力主要集中分布在甘肅南部與四川交界地區(qū)。2017年8月8日九寨溝MS7.0地震前，九寨溝地震震中附近川甘交界地區(qū)的舟曲、文縣、青川、平武等地呈現(xiàn)出較為集中的視應(yīng)力高值異常，青川、平武地區(qū)（即圖3中的D區(qū)域）由圖4（f）D區(qū)域視應(yīng)力隨時(shí)間的變化可知，該區(qū)視應(yīng)力明顯高于甘南其他地區(qū)，該區(qū)為汶川地震余震區(qū)，受余震影響，該區(qū)的視應(yīng)力背景值一直較高。剔除汶川地震余震區(qū)后，高值異常區(qū)為舟曲、文縣等地，九寨溝地震的震中并未在高值異常區(qū)內(nèi)，而是位于高值異常區(qū)的西側(cè)附近。九寨溝地震發(fā)生在該應(yīng)力集中區(qū)域的邊緣，說明由于相對穩(wěn)定的西秦嶺東緣的阻擋作用，高值異常區(qū)并沒有破裂，但其邊緣薄弱區(qū)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致此次九寨溝地震的發(fā)生。高值異常區(qū)未來是否存在強(qiáng)震危險(xiǎn)，還需繼續(xù)跟蹤研究九寨溝地震后該區(qū)的視應(yīng)力。

5 結(jié)論與討論

通過對甘肅南部區(qū)域2010年1月1日～2017年8月ML≥2.0地震視應(yīng)力的計(jì)算，得到該區(qū)域視應(yīng)力的空間分布及各個(gè)區(qū)域視應(yīng)力隨時(shí)間的變化特征，所得結(jié)論如下。

（1）視應(yīng)力空間分布顯示，ML2.6～3.1、ML2.0～2.5兩個(gè)震級段地震視應(yīng)力的空間分布具有較好的一致性，2017年8月8日九寨溝MS7.0地震前，距震中較近的川甘交界地區(qū)的舟曲、文縣等地呈現(xiàn)出較為集中的視應(yīng)力高值異常。

（2）ML2.0～2.5、ML2.6～3.1地震視應(yīng)力在較大區(qū)域范圍內(nèi)隨時(shí)間的變化趨勢有一定差異，ML2.6～3.1地震視應(yīng)力在各區(qū)域的變化更為明顯，在較大區(qū)域范圍內(nèi)表現(xiàn)為震前升高；而ML2.0～2.5地震視應(yīng)力則在震前一兩年內(nèi)開始下降。

（3）隨著區(qū)域范圍向震中縮小，ML2.0～2.5、ML2.6～3.1地震視應(yīng)力隨時(shí)間的變化逐漸趨于同步，當(dāng)區(qū)域縮小到震中附近地區(qū)時(shí)，2個(gè)震級段地震視應(yīng)力變化大體一致，表現(xiàn)為“震前幾年長時(shí)間升高—臨震前幾個(gè)月下降”的同步變化。

甘南地區(qū)的視應(yīng)力分析表明，2013年岷縣漳縣MS6.6地震前視應(yīng)力有升高變化，該地震發(fā)生后視應(yīng)力并沒有調(diào)整恢復(fù)到背景水平，而是升至更高水平，直至2017年九寨溝MS7.0地震的發(fā)生。這說明研究區(qū)域內(nèi)一直在累積應(yīng)力，應(yīng)力累積過程中先后發(fā)生了岷縣漳縣MS6.6地震和九寨溝MS7.0地震。九寨溝地震前，甘南各個(gè)研究區(qū)內(nèi)視應(yīng)力均有不同程度的上升，說明整個(gè)甘南地區(qū)的應(yīng)力均有所累積，隨著區(qū)域范圍向震中縮小，2個(gè)震級段地震視應(yīng)力隨時(shí)間的變化逐漸趨于同步，震中附近地區(qū)2個(gè)震級段地震視應(yīng)力均表現(xiàn)為“震前幾年長時(shí)間升高—臨震前幾個(gè)月下降”的同步變化。震前幾年視應(yīng)力的升高表明，區(qū)域內(nèi)應(yīng)力長時(shí)間累積；臨震前短時(shí)間內(nèi)視應(yīng)力的下降變化表明，斷層介質(zhì)在構(gòu)造應(yīng)力擠壓作用下發(fā)生小的破碎，臨震前應(yīng)力有所釋放，隨后斷層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)震。岷縣漳縣MS6.6地震后視應(yīng)力高值異常集中分布在甘川交界的舟曲、文縣一帶，九寨溝地震發(fā)生于高值異常區(qū)的邊緣地帶，而高值異常區(qū)內(nèi)并沒有發(fā)生破裂，邊緣薄弱區(qū)發(fā)生的錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致了此次九寨溝地震的發(fā)生，本文研究結(jié)果表明，視應(yīng)力升高的異常變化可作為該區(qū)中強(qiáng)震的預(yù)測參考指標(biāo)。