2020年西藏波密ML4.9震群活動的潮汐觸發特征

李夢圓 蔣海昆 宋金 李金

1)中國地震局地震預測研究所，北京 100036 2)中國地震臺網中心，北京 100045 3)新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊 830011

0 引言

2020年7—8月，西藏波密縣易貢鄉發生顯著震群(以下簡稱波密震群)。自7月19日至8月18日短短1個月時間內，連續發生4.0級及以上地震20余次(ML標度，下同)，最大為4.9級地震。波密震群距離2017年11月18日米林MS6.9地震震中約70km，且位于嘉黎斷裂附近，加之震中附近人員分布相對密集、震感強烈，因而這一短時間內持續不斷的4.0級及以上地震活動引起廣泛關注。已有研究從不同角度證實該局部區域地震活動在時間上與降雨等季節性變化密切相關，認為雨季集中降水以及夏季高溫導致的高山融雪等因素，可能是該局部區域地震活動的主要誘發/觸發因素(Mukhopadhyay et al，2015)。

在對波密震群地震活動的進一步分析中發現，部分相鄰地震時間間隔多次出現大體上為24h或12h的情形，例如就ML≥3.0地震而言，7月19—20日緊鄰的4.9級、4.5級地震時間間隔為13.3h，7月22—23日相繼發生的2次地震時間間隔為23.8h，7月23—24日緊鄰的2次4.4級地震時間間隔為36.7h，7月27—28日緊鄰的2次地震時間間隔為13.5h，7月28～29日緊鄰的2次地震時間間隔為23.3h，7月30日2次緊鄰的地震時間間隔為14.4h，8月8日2次緊鄰的地震時間間隔為14.1h，8月14—15日2次緊鄰的地震時間間隔為23.4h，8月17—18日2次緊鄰的地震時間間隔為23.2h。這些現象意味著，除季節性降水影響外，2020年波密震群地震活動可能還受不同周期潮汐變化的影響。事實上，對于大暴雨誘發/觸發的震群活動，在震群地震持續活動期間，地震活動明顯受潮汐引力疊加影響的現象此前已有研究(蔣海昆等，2011)。具體就波密震群而言，上述現象似乎說明，部分地震的發生時間可能受潮汐日波、半日波調制。關于地震活動的日潮調制已有許多研究，近期張涵等(2019)基于Schuster檢驗的最新工作還顯示，日本部分區域微震活動受半日潮調制影響也較為明顯。

地震活動受潮汐調制影響的統計研究由來已久(Heaton，1975、1982)，固體潮對消減帶淺源低頻地震事件(VLFEs)存在統計可信的觸發影響這一觀點已屬共識(Nakamura et al，2017)，但對其他地震活動、尤其是對板內地震活動的影響，仍存在頗多爭議(黃元敏等，2008)。盡管有研究認為潮汐應力似乎僅對巨大地震的發生有統計可信的觸發影響(Ide et al，2016)，但也有許多研究證實，小地震群體受潮汐調制作用同樣顯著(孫長青等，2014；李金等，2014；張涵等，2019；陳全等，2019)。

當地震數量足夠多時，通常從統計的角度研究地震活動的潮汐觸發，即基于大量地震樣本，通過嚴格的統計檢驗，考察地震活動受潮汐調制的顯著程度。其中使用較廣泛的是Schuster檢驗方法(Tsuruoka et al，1995；Tanaka et al，2002a、2002b、2006；Fischer et al，2006；李金等，2014；張涵等，2019)，該方法給每個地震賦予一個潮汐相位角后，通過統計參量p值來判定地震的發生是否受到潮汐的觸發。但當地震數量較少時，統計學方法難以發揮作用，此時可以逐個對比分析地震發生時刻震源斷層面上的潮汐應力狀態，從物理角度討論該地震的發生是否受到潮汐應力的觸發。

基于波密震群地震數量較少但相對高震級地震較多的特點，本文擬對20次有震源機制結果的4.0級及以上地震，分別計算地震前后震源機制解2個節面上的潮汐正應力、潮汐剪應力和潮汐庫侖破裂應力變化，在此基礎上討論波密震群的潮汐觸發特征。

1 斷層面上潮汐應力計算

潮汐應力分解首先需要計算月球和太陽在震源處球坐標下的潮汐應力，常用的有球諧展開方法(吳小平等，2001)和基于勒夫數的計算方法(郗欽文等，1986；駱鳴津等，1986；孫文科，1991；蔣駿等，1995)。進而由已知的地震震源機制解斷層面走向φs、傾角δ和滑動角λ，將震源處球坐標系下的潮汐應力轉換到斷層面上，從而得到斷層面上的潮汐正應力和剪應力。鑒于許多文獻已有詳細的斷層面上應力計算公式推導，本文不再贅述。

斷層面上潮汐正應力σn、潮汐剪應力τn計算公式為(蔣駿等，1995)

(1)

(2)

式(1)中正應力σn張開為正(地下深部環境條件下，所謂“張開”意味著擠壓減弱)，式(2)中剪應力τn沿滑動方向為正。

式(1)、式(2)中αn1、αn2、αn3為斷層面空間取向的方向余弦，αD1、αD2、αD3為滑移矢量的方向余弦，它們在球坐標系中的表達式分別為

(3)

(4)

(5)

發震斷層面上由潮汐引起的庫侖應力變化ΔCFS為(Fischer et al，2006；Wan et al，2004；Cochran et al，2004)

ΔCFS=Δτn+μ′Δσn

(6)

式中，Δτn、Δσn分別為式(1)、式(2)給出的潮汐正應力和沿滑動方向的潮汐剪應力的變化量；μ′為斷層有效摩擦系數，μ′=μ(1-B)，μ為摩擦系數，B為Skempton系數，其理論范圍為0～1。斷層有效摩擦系數μ′通常分布在0.2～0.8之間，不同研究者的取值有一定差異，最常用的為μ′=0.4。

2 波密震群活動概況

2020年7月19日18時15分45秒，西藏波密易貢鄉發生4.9級地震，震中位置為30.37°N、94.87° E。之后在一個非常小的范圍內(約15km×20km)頻繁發生3、4級地震，直至8月19日震群活動結束，持續約1個月。圖1 為波密震群及附近區域2020年以來大體上1°×1°范圍內ML≥2.0地震分布，圖中嘉黎斷裂北側地震密集區域即為波密震群區域(圖1中方框所示)，嘉黎斷裂南側緊鄰帕龍-旁辛斷層的近NW向相對密集的地震分布區域為2017年米林MS6.9地震余震區。由圖1 可以直觀看出，波密震群既不是嘉黎斷裂活動的直接結果，也與米林地震余震活動無關，因為從地震分布簡單來看，它們之間并無明顯的構造關聯。

圖1 波密震群附近區域構造及2020年1—10月ML≥2.0地震分布圖中方框為波密震群區域；Jiali F：嘉黎斷裂；Milin F：米林斷裂；Palong-Pangxin F：帕隆-旁辛斷裂

據中國地震臺網中心統一編目數據，2020年7月19日至8月19日期間，圖1 中方框所示波密震群區域共記錄ML≥2.0地震62次，其中2.0≤ML≤2.9地震9次，3.0≤ML≤3.9地震28次，4.0≤ML≤4.9地震25次，最大為7月19日ML4.9地震。這一時期地震活動又可分為2個密集時段(圖2)，分別為7月19日—8月1日時段和8月8—19日時段，密集時段持續時間大體相當，分別約為13天和12天，期間僅在8月4日發生1次ML3.4地震，地震平靜持續約7天。

圖2 波密震群ML≥2.0地震M-t圖及部分ML≥4.0地震震源機制

檢索圖1 中方框所示區域2020年1月1日—12月31日期間的所有地震，除圖2 所示7月19日—8月19日期間高頻次、高強度的波密震群外，其他時段僅有4月24日2.3級、6月24日3.0級和10月7日2.6級3次小地震，可見波密震區2020年地震活動主要集中在7月、8月。從地震震級分布來看，波密震群地震震級主要分布在3.0級左右和4.5級左右2個震級段(圖2)。3.0級與該區域當前地震監測的最小完備性震級大體相當(1)中國地震臺網中心等,2019. 青藏高原監測能力提升項目初步設計. 內部資料.。作為一個完整的地震序列，波密震群大、小地震比例失衡，3.0～4.5級震級區間地震較少，高震級地震數量偏多。

表1 2020年波密震群ML≥4.0地震及震源機制解CAP計算結果

3 波密震群地震發生時間的潮汐影響

3.1 震源機制

2020年波密震群共發生25次ML≥4.0地震，震后中國地震臺網中心預警速報部利用CAP方法計算并提供了其中20次地震的震源機制結果(表1)，即80%(20/25)的4級以上地震給出了震源機制解，因而根據這些震源機制解進一步開展的潮汐觸發研究具有一定的代表性。CAP方法(Zhao et al，1994；Zhu et al，1996)將地震波分成面波和體波部分，分別對截取的震相利用相關性方法進行擬合，在給定的參數空間中進行網格搜索，求解最佳矩心深度和震源機制解。該方法的優勢之一是反演結果對速度模型和地殼橫向變化的依賴性相對較小(鄭勇等，2009)，這對于研究像波密地區這樣研究基礎薄弱、精細速度結構缺乏的區域有一定優勢。

3.2 波密震群較大地震發生時間的潮汐影響分析

3.2.1 震源機制解節面上的潮汐應力分解

利用表2 所列20次4.0以上地震震源機制解，基于本文前述斷層面上潮汐應力計算方法，計算斷層面上地震當天以及地震前、后各1天共3天的潮汐正應力、潮汐剪應力及潮汐庫侖破裂應力隨時間的變化，時間分辨率為分鐘。由于無法確定震源機制哪個節面與真實的發震斷層相吻合，對2個節面均進行同樣的計算，結果如圖3 所示。

表2 波密震群較大地震潮汐應力觸發定性分析

圖3 波密震群20次ML≥4.0地震前后3天的潮汐正應力、剪應力和庫侖應力變化各子圖分別為基于震源機制解節面I和節面Ⅱ的計算結果；子圖序號與表2 序號相對應；地震時間、震級標示于各子圖上方；綠色垂直線指示地震發生時刻；有促滑或阻滑的地震同時給出震源機制結果

3.2.2 較大地震潮汐應力影響分類

由于主要關注潮汐變化對地震發生是否具有觸發影響，因而首先應判定地震發生時刻是否處于應力變化的極大或極小值附近，在此基礎上進一步討論具體的應力觸發因素。依據前述約定，斷層面上潮汐正應力σn張開為正、潮汐剪應力τn沿滑動方向為正，因而就本文結果定性來看，潮汐正應力σn增大、潮汐剪應力τn增大或正的潮汐庫侖破裂應力變化(ΔCFS>0)均有利于斷層滑動，可視為對地震發生具有觸發作用(促滑)；而斷層面上潮汐正應力σn減小、潮汐剪應力τn減小或斷層面上負的潮汐庫侖破裂應力變化(ΔCFS<0)均不利于斷層滑動，潮汐作用阻止地震的發生(阻滑)。

據此，圖3 所列地震活動的潮汐應力影響可分為4種情形：

(1)潮汐應力對地震發生具有明顯的促滑作用，依據斷層面上潮汐應力狀態，可粗略推測可能的發震斷層。

以圖3(4)所列7月21日21時26分4.3級地震為例，節面Ⅰ計算結果顯示，地震發生時間與潮汐正應力極小值時間基本吻合，該時刻節面I上σn=-6627.6Pa、τn=1339.1Pa、ΔCFS=-1311.9Pa<0，依據σn和ΔCFS可判定潮汐應力的綜合作用對節面I具有阻滑作用，不利于地震發生；節面Ⅱ計算結果顯示，地震發生時刻與潮汐剪應力和潮汐庫侖應力變化最大值基本吻合，該時刻節面Ⅱ上σn=-261.2Pa、τn=1335.2Pa、ΔCFS=1230.7Pa>0，依據τn和ΔCFS判定潮汐應力對節面Ⅱ具有促滑作用，有利于地震的發生；由2個節面所受潮汐應力狀況綜合分析，可判定潮汐應力對該次地震具有促滑作用，節面Ⅱ為可能的發震斷層。

(2)潮汐應力對地震發生具有明確的促滑作用，但無法認定可能的發震斷層。

如圖3(13)所列8月9日16時50分4.8級地震，無論節面I還是節面Ⅱ，地震發生時刻與斷層面上潮汐正應力、潮汐剪應力和潮汐庫侖應力變化最大值在時間上均基本吻合，各項潮汐應力均顯示對地震發生具有明確的促滑作用，但無法判定哪個節面為真實的發震斷層。

(3)潮汐應力對地震發生起阻滑作用。

如圖3(15)所列8月12日02時14分4.6級地震，無論節面I還是節面Ⅱ，地震發生時刻與斷層面上潮汐正應力、潮汐剪應力和潮汐庫侖應力變化最小值在時間上均基本吻合，各項潮汐應力均顯示對該地震的發生具有明確的阻滑作用。

(4)潮汐應力對地震發生無明顯的調制影響。

以圖3(14)所列8月10日01時13分4.4級地震為例，無論節面I還是節面Ⅱ，地震發生時刻與各項潮汐應力極大或極小值在時間上均不吻合，這類情形即可視為該次地震無明顯的潮汐觸發影響。

3.2.3 較大地震潮汐應力影響的統計分析

按上述模式對圖3 所有地震的潮汐應力調制情況逐個進行分析，結果列于表2。由表2、圖3 可見：

(1)潮汐應力對波密震群較大地震有一定的觸發作用。

波密震群20次可計算震源機制解的4.0級以上較大地震中，潮汐應力對其中13次地震具有促滑作用(表2 和圖3 第0、2、3、4、6、7、8、11、12、13、16、18、19號)，觸發地震比例占總數的65%(13/20)；潮汐應力對其中3次地震具有阻滑作用(表2圖3 第1、5、15號)，占總數的15%(3/20)；4次地震未受到明顯的潮汐調制影響(表2圖3 第9、10、14、17號)，地震發生時刻與各項潮汐應力的極大、極小值均不吻合，這類地震占總數的20%(4/20)。盡管統計樣本數量有限，但從“促滑”、“阻滑”、“無影響”3類震例數量來看，觸發地震所占比例相對較高。

(2)潮汐應力導致的斷層張性作用增強是觸發地震的一個可能原因。

13次潮汐應力具有促滑影響的震例中，6次地震發震時刻處于潮汐正應力和潮汐剪應力極大值(潮汐正應力張性作用增強、潮汐剪應力增大)時段(表2 和圖3 第4、8、11、13、16、19號)，6次處于潮汐正應力極大值(張性作用增強)時段(表2 和圖3 第0、2、6、7、12、18號)，1次處于潮汐剪切應力極大值時段(表2 和圖3 第4號)。從這個角度來看，潮汐應力導致的斷層張性作用增強(擠壓作用減弱)可能是地震發生的一個主要觸發因素。

(3)有觸發影響的地震大多發生在潮汐應力極大值及之后的緊鄰時段。

13次有潮汐觸發影響的震例中，地震發生在潮汐應力極大值處的有6次(表2 和圖3 第0、2、3、11、12、19號)，在極大值之后緊鄰極大值的有5次(表2 和圖3 第4、6、7、8、13號)，在極大值之前緊鄰極大值的有2次(表2 和圖3 第16、18號)。

(4)潮汐應力的促滑或阻滑影響對地震發生可能并不起主導作用。

圖 3所列20次較大地震中，還有3次地震發生時刻潮汐應力顯示明顯的阻滑作用，其中2次處于潮汐正應力張性作用減弱同時潮汐剪切應力也減小的時段(表2 和圖3 第1、15號)，1次處于潮汐剪切應力明顯減小的時段(表2 和圖3 第5號)。即便潮汐應力起阻滑作用，但這幾次地震還是“如期”發生了。這也意味著，潮汐應力的促滑或阻滑影響對地震發生可能并不起決定性的主導作用。

4 討論與結論

(1)2020年7—8月西藏波密發生顯著震群活動，震群大小地震比例失衡、高震級地震數量偏多，共發生ML≥4.0地震25次，最大為7月19日4.9級地震。波密震群部分相鄰地震具有大約24h或12h的時間間隔，這意味著波密震群地震活動可能受不同周期潮汐變化的影響。

(2)針對20次有震源機制結果的4.0級以上地震，分別計算地震前后震源機制解2個節面上的潮汐正應力、潮汐剪應力和潮汐庫侖破裂應力變化，在此基礎上討論了波密震群的潮汐觸發特征。結果顯示，潮汐應力對波密震群中較大地震有一定的觸發作用，在20次可計算震源機制的較大地震中，潮汐應力對其中13次地震具有促滑作用，占總數的65%。波密震群時間上可分為2個密集時段(圖2)，與2次大的降雨過程相關聯。分別統計2個密集時段的地震活動，前一個時段持續13天，發生4級以上地震15次，有震源機制解的地震12次，其中潮汐應力具有促滑特征的地震8次、潮汐應力無影響的2次、潮汐應力具有阻滑特征的2次；第二個時段持續12天，發生4級以上地震9次，有震源機制解的地震8次，其中潮汐應力具有促滑特征的地震5次、潮汐應力無影響的2次、潮汐應力具有阻滑特征的1次。簡單對比來看，2個時段具有潮汐應力促滑影響地震的比例大體相當，分別約為0.67(8/12)和0.63(5/8)。

(3)潮汐應力導致的斷層張性作用增強(擠壓減弱)是觸發地震的一個可能原因。13次潮汐應力具有促滑作用的地震中，12次與潮汐正應力張性作用增強有關。張性作用增強有利于斷層滑動，而斷層張性作用增強(擠壓減弱)與日月潮汐對地球內部固定位置拉張引力作用增強相對應。

(4)有觸發影響的地震發生時刻大多位于潮汐應力極大值及其后的緊鄰時段。這一結果與張晶等(2007)的結果既有相似之處，也有不同之處。相似之處是地震大多發生于潮汐應力極大值及之后的緊鄰時段，不同之處是張晶等(2007)的結果中潮汐剪應力發揮主要作用而潮汐正應力變化過程與地震發生關系不明顯，但本文波密震群結果則顯示潮汐正應力變化與地震發生關系更為密切。這一差異可能與研究震例的破裂形式差異有關，波密震群震源機制以張性、逆沖以及具有較大張性或逆沖成分的走滑型破裂為主(表2、圖3)，而張晶等(2007)研究的1966—1976年中國九大地震則大多以走滑或走滑為主的斜滑型破裂為主。周江存等(2013)的研究則顯示，無論何種斷層破裂形式，斷層面上的潮汐正應力與地震發震時刻具有更為明顯的相關性。可見，實際情況更為復雜。

(5)有幾次地震發生時刻潮汐應力顯示明顯的阻滑作用但地震仍“如期”發生，這意味著潮汐應力的促滑或阻滑影響對地震的發生可能并不起主導作用。一方面如前所述，由于處于臨界狀態的不穩定系統更容易受到微小外加載荷的擾動影響(張國民等，2001；蔣海昆等，2015)，因而潮汐應力對諸如余震、震群活動區等已處于不穩定狀態的區域具有更為明顯的調制作用(黎凱武，1998；蔣海昆等，2008、2011；李金等，2011；Yan et al，2020)； 另一方面，固體潮與構造應力對地震的觸發作用實際上具有某種疊加效應，即相對于原有構造運動作用力方向而言，潮汐應力的作用是同向促滑、反向阻滑(Scholz et al，2019；劉冠男等，2020)，但致使地震發生的關鍵還是原有的構造應力加載作用。例如走滑為主的鮮水河-安寧河構造區域，絕大多數地震事件的觸發在很大程度上受潮汐剪切應力的影響(劉冠男等，2020)。就波密震群而言，持續構造加載基礎上集中降水導致的孔隙壓力快速增加，才是波密震群集中發生的主要因素。

(6)還需要討論的一個問題是潮汐觸發應力的大小。潮汐應力的量級在103Pa左右(周江存等，2013；Nakamura et al，2017；Ide et al，2016)，這從圖3 也可粗略看出。103Pa與構造應力相比小得多，也比公認的可觸發地震的庫侖應力變化10-2～10-1MPa(萬永革等，2000)低1～2個量級。如何理解潮汐應力對地震發生的促滑作用？一是如前所述，潮汐應力與構造應力對地震“同向促滑、反向阻滑”的疊加觸發效應，另一方面潮汐應力的變化率可達102Pa/min，這比構造應力的平均積累速率大2個數量級(Heaton，1975)，因而當應力積累達到臨界狀態時，附加潮汐應力的動態變化即可能對地震產生觸發影響(張晶等，2007；Ide et al，2016)。

致謝：經同意使用了中國地震臺網中心預警速報部震后產出的震源機制結果；西藏自治區地震局高錦瑞高級工程師在資料收集中提供幫助。一并致以衷心的感謝!