川東南長寧地區地震活動及b值演化特征

解孟雨 孟令媛

中國地震臺網中心，北京 100045

0 引言

四川盆地位于揚子板塊西北緣，是在前震旦系結晶基底上發育有海陸相地層并經歷多期構造演化的疊合盆地，其以華鎣山斷裂帶和龍泉山斷裂帶為界，可劃分為3個構造單元，華鎣山斷裂帶以東為川東南高陡構造區，龍泉山斷裂帶以西為川西前陸盆地，兩者之間的區域為川中隆起低緩構造區(何登發等，2011；谷志東等，2012；鄧賓，2013)。四川盆地東南部地區(簡稱川東南地區)主要位于川中隆起低緩構造區和川東南高陡構造區，是我國最重要的海相頁巖氣勘探開發先導實驗示范區和未來頁巖氣的重要生產區(鄒才能等，2015、2016)。川東南地區包括盆地內蜀南低陡褶皺帶和盆地外滇黔北斷褶帶，構造呈北陡南緩的特征，其中位于興文縣、長寧雙河、珙縣至高縣天星橋一帶的長寧背斜具有多期構造變形疊加特征，其東南部較寬，西北部較窄，呈NW-SE走向，在核部發育了一系列逆斷層(耿一凱，2017；何登發等，2019)。

川東南地區位于四川盆地東南部，是歷史上的弱震區、少震區，尤其是長寧背斜及其鄰區(簡稱長寧地區)，1900—2017年未發生過5級以上歷史地震(圖1(a))，2018—2020年共發生5級以上地震7次，其中5.0～5.9級地震6次，6.0級地震1次，即2019年6月17日長寧6.0級地震(圖1(b))。川東南地區存在如工業采鹵采鹽、常規天然氣和非常規天然氣開采等多種形式的工業活動，尤其是長寧地區自2017年開始進行了大規模的頁巖氣開采活動，因此對于上述中強地震的成因存在較大的爭議(Meng et al，2019；易桂喜等，2019；何登發等，2019；Lei et al，2019；雷興林等，2020)。

圖 1 四川盆地及長寧地區地震活動圖(a)1900年以來四川盆地5級地震分布；(b)1970年以來長寧地區ML≥3.0地震分布，震源機制解據易桂喜等(2019)

從地震發生時間來看，長寧地區地震活動顯現出明顯的時間分段特征，1970—2017年，長寧地區共發生3級以上地震109次，其中3.0～3.9級地震98次，4.0～4.9級地震11次，最大為2017年1月28日四川筠連4.9級和5月4日四川珙縣4.9級地震，即2017年以前地震活動主要以3級、4級地震為主；2018年之后地震活動則顯著增強，主要以4級、5級地震為主。同時該地區2018年以來的5級震例顯示，在構造穩定的四川盆地內部及邊緣，雖然沒有大尺度的活動構造，但是仍存在發生強震的可能，需要重新評估區域的地震危險性(易桂喜等，2019；Long et al，2020)。因此，為給后續研究長寧地區工業活動影響以及進行相應地震震情監視跟蹤工作提供參考依據，本文利用統一地震目錄和該區域加密臺網目錄的合成目錄，系統分析了四川盆地川東南長寧地區地震頻次、強度的時空分布特征，并在此基礎上分析了長寧地區區域b值的時空演化，討論了區域應力狀態的變化，同時針對區域內中強地震，重點分析了震前低b值異常的時空特征。

1 區域地震活動特征

本文選擇川東南長寧地區作為研究區(104.39°E～105.18°E，27.95°N～28.60°N)。在該區域內，根據固定臺站得到的全國統一目錄，篩選出1970年以來共59664個ML≥0地震事件數據。同時該區域自2015年2月以來，先后分兩批布設了21個流動地震臺站(圖2)，顯著增強了該區域的監測能力(Meng et al，2019)。為擴大數據量，獲得更多有效信息，本文收集了21個加密觀測臺站2015—2020年記錄到的25137個ML≥0地震目錄數據。為將全國統一目錄和加密觀測臺站目錄合在一起，首先對比了全國統一目錄和加密觀測臺站目錄，當二者的記錄時間差小于1s且震中距小于10km時，認為是同一個地震，此時將全國統一目錄中的記錄替換為加密觀測臺站的記錄。對于其他不是同一個地震的記錄，則以全國統一目錄為主，將加密觀測臺站目錄中的記錄按時間順序添加到全國統一目錄中，最終將二者合并為一個目錄。本文采用該合成目錄分析長寧地區的地震活動特征。

圖 2 長寧地區地震監測臺站分布(臺站信息據Meng等(2019))

由圖 1 可見，在空間上長寧地區的地震活動主要叢集在以28.3°N為界的南北2個區域，將北區記為A區，南區記為B區(圖1(b))，而在時間上則存在明顯的分段特征。2000年之前長寧地區的地震以ML≥3.0為主，除1975年12月4日發生的ML5.1地震外，其余地震震級未超過ML4.5，ML≥1.0地震平均日頻次為0.01次/天；2000年之后，該區域ML≤3.0地震記錄較豐富，地震累積個數也隨時間快速升高，特別是在2015年后地震累積速度增大。2000—2015年ML≥1.0地震平均日頻次為1.02次/天，2015—2020年ML≥1.0地震平均日頻次為13.54次/天，3個月ML≥1.0地震頻次在2015年后也呈現明顯的升高特征，特別是2019年6月17日長寧6.0級地震發生后，3個月ML≥1.0地震頻次接近4000次，達到歷史最高值，其后續的頻次雖然持續衰減，但相對于長寧6.0級地震發震前，頻次仍然較高，整體上地震活動明顯增強(圖3)。

圖 3 長寧地區ML≥1.0地震M-t圖和累積頻度以及3個月頻次

2 方法與原理

通常情況下，在給定的區域和時間段內，大于震級M的地震數N(≥M)滿足 Gutenberg-Richter 定律(簡稱G-R定律)，即

lgN(≥M)=a-bM

(1)

其中，M大于等于最小完備震級Mc；a、b為正常數，a給出了選定區域和時間段內0級以上地震數的對數，其依賴于選定區域和觀測數據時間尺度的大小，而b值則刻畫了區域內地震大小的相對分布情況，其值為0.6～1.4(Marzocchi et al，2003；Shcherbakov et al，2004；Wang et al，2015；Hamdache et al，2017)。

實驗研究表明b值大小與應力水平呈反比(Scholz，1968；Schorlemmer et al，2005b；Ricière et al，2018)，同時實際斷層計算顯示凹凸體區域的b值一般較低(Wiemer et al，1997；Schorlemmer et al，2004；Schorlemmer et al，2005a；易桂喜等，2008；聞學澤等，2013)，且在大震前表現出明顯的低b值異常(Gulia et al，2019)。因此，b值的大小可以用來指示區域地震危險性水平(吳開統等，1984；吳萍萍等，2015；Hamdache et al，2017)。

本文利用合成目錄計算b值，用來分析長寧地區中強地震前和不同區域的應力演化特征。在計算b值時，應首先確定目錄的最小完備震級Mc，即在給定的時間、空間范圍內可全部測定地震的最小震級。若Mc值估算得太高，會導致地震數據使用不充足，不能獲得完整的地震信息，而如果Mc估算值比真實值低，則會使得后續分析時使用不完整的數據，導致計算出錯誤的模型參數值，進而得出錯誤的結論(Mignan et al，2012；蔣長勝等，2013)。

目前，Mc值的估算方法主要有最大曲率(MAXC)方法、最優擬合度(GFT)方法、完整性震級范圍(EMR)方法、b值穩定性(MBS)方法、基于概率的完整性震級(PMC)方法等(Hamdache et al，2017；司政亞，2019)。其中，MAXC方法不需要任何的參數擬合，是一種快速直接且穩健性好的方法。同時該方法也可在目錄數據較少的情況下得出合理的Mc值(Mignan et al，2012)。然而，MAXC方法會低估地震目錄的最小完備震級，需要添加修正系數，一般設定修正系數為0.2(Woessner et al，2005)，即Mc=Mc(MAXC)+0.2。本文采用上述修正的MAXC方法進行最小完備震級Mc值的估算。

對于b值的計算方法，主要分為最小二乘法和最大似然法兩類。為避免b值計算中出現系統性偏差(Sandri et al，2007；Hamdache et al，2017)，本文選擇最大似然法估計b值，即b值及不確定度(Uncertainty)δb的計算公式(Marzocchi et al，2003)為

(2)

(3)

3 計算結果

長寧地區自2005年開始加密觀測，地震目錄個數顯著增多(Meng et al，2019)，本文選擇參與計算的目錄時間范圍為2005年1月1日—2020年12月31日，同時采用滑動地震個數窗的方式，計算不同時間點的b值。參照易桂喜等(2008)的計算方法，同時為了保證每次計算時地震個數盡量一致，也考慮到不同大小計算范圍內2005—2010年地震個數相差較大，因此對于A區和B區的計算，分別取300個地震為一個地震窗，然后以30個地震為步長滑動，由2005年逐步滑動至2010年并計算出不同地震窗的b值和Mc值；而對于震例b值的計算，則取地震窗個數為80個，滑動步長為5個。此外，在采用最大似然法計算b值時，震級M滿足M≥Mc的地震個數N必須足夠大，一般需要滿足N≥30(Aki，1965；吳果，2018)。Benber(1983)在研究非連續震級條件下b值的計算時指出，當N太小時，無論使用何種形式的公式，b值的估計值均不可信，且N越大b值的可信度就越高。因此，本文設定N需要滿足N≥50。在實際計算過程中，對于每300個或80個地震的地震窗，首先計算出最小完備震級Mc，然后判斷N是否滿足N≥50，如果滿足則計算出相應地震窗的b值，否則不進行計算。同時，本文還設定b值的時刻為地震窗最后一個地震的時刻。為方便分析低b值異常，采用Gulia等(2019)提出的背景b值的思路，選擇2005—2010年的地震目錄計算不同時刻的背景b值，并選擇計算結果的中位數作為背景b值。計算背景b值時，地震窗和滑動步長的取值與計算后續關注時段b值時相應參數的取值一致。

圖 4 川東南長寧地區地震窗參數、b值和最小完備震級Mc演化圖(a)、(b)為計算A區、B區b值時，每個地震窗中的地震個數N散點圖及覆蓋時間T曲線；(c)、(d)A區的b值及最小完備震級Mc曲線；(e)、(f)B區的b值及最小完備震級Mc曲線

3.1 完備震級和b值特征

長寧地區的地震活動顯示出明顯的地震活動空間叢集分區特征，主要集中在以28.3°N分隔的以北、以南2個區域，即A區和B區，因此，為更詳細地分析長寧地區b值的變化特征，分別計算出A區和B區的最小完備震級Mc值(圖4(c)、4(e))及b值的演化曲線(圖4(d)、 4(f))。對于每個地震窗的參數N和地震窗的覆蓋時間T，其分布特征如圖4(a)、 4(b)所示。其中A區和B區的N值主要在100～250個之間，遠大于設定的50個地震閾值。對于覆蓋時間T，整體上隨著時間流逝，T值逐漸減小，顯示出區域內地震活動隨時間越來越活躍。具體而言，2015年7月前，B區T值明顯大于A區，表明2015年7月前A區地震活動較強；2015年7月至長寧6.0級地震前，A區T值則相對較高，顯示在這一時段內A區活動較弱，而在長寧6.0級地震后，兩區T值相近，反映長寧6.0級地震后兩區域地震活動活躍程度相近。

對于A區，2011年3月至2012年3月最小完備震級Mc持續下降，顯示地震監測能力逐步增強。之后2012年4月至2019年6月17日長寧6.0級地震前，最小完備震級Mc演化曲線雖然存在不同程度的振蕩變化，然而整體上最小完備震級Mc基本穩定在ML1.0附近，其均值為ML0.9，標準差為ML0.2。長寧6.0級地震發生后，最小完備震級Mc突升至ML2.0，之后Mc值大幅振蕩后逐步上升至ML1.2附近(圖4(c))。

A區的b值整體上呈現不同幅度的起伏變化(圖4(d))，從b值曲線的趨勢來看，可以分為4個階段：第一階段自2011年6月至2013年9月，b值主要在均值0.86上下振蕩變化，均值小于背景b值(0.93±0.09)，顯示該時期內A區地下應力水平高于背景時段；第二階段自2013年9月至2019年6月17日長寧6.0級地震前，在此時段內b值振蕩變化，且振幅較大，總體上在均值1.10附近變化，顯示在該時段內總體上應力水平有所降低；第三階段自長寧6.0級地震起至2019年12月，在該階段b值振蕩幅度較低，而且在長寧6.0級地震后b值降至最低值 0.42±0.02，其均值為0.72，為背景b值的77%，這一階段b值較低可能是因為長寧6.0級地震后在該區域相繼發生了一系列較大震級的地震，包括2019年6月17日珙縣5.1級、2019年6月18日長寧5.3級、2019年6月22日珙縣5.4級和2019年7月4日珙縣5.6級等地震；第四階段自2019年12月至2020年12月，該階段b值振蕩幅度增大，同時相比第三階段整體b值有所上升，其均值為0.90，與背景b值基本一致。

1.1 試驗試劑 硝酸銀(AgNO3)、二水合檸檬酸三鈉(C6H5Na3O7·2H2O)、氯化鈉(NaCl)、三羥甲基氨基甲烷(Tris)均為分析純，購買于江蘇強盛功能化工股份有限公司；BPA及其類似物，分析純，購買于上海百靈威科技；試驗用水均為超純水。BPA核酸適配子ssDNA，其序列為5’-CCGGTGGGTGGTCAGGTGGGATAGCGTTCCGCGTATGGCCCAGCGCATCACGGGTTCGCACCA-3’，購買于上海生工公司。

對于B區，2012年1月至2013年2月最小完備震級Mc持續下降(圖4(e))，降至ML1.0附近，同樣顯示出隨時間推移區域監測能力逐步增強。隨后在2013年2月至2015年12月最小完備震級Mc未顯現出明顯的上升或者下降趨勢，其均值為ML0.94。2015年12月至2018年7月最小完備震級Mc突降至ML0.1±0.1后逐步上升至ML1.5±0.2，然后降回ML1.0左右。之后2018年7月至2020年1月最小完備震級Mc重新穩定在ML1.0附近振蕩變化，其均值為ML1.03。2020年1月至2020年12月，最小完備震級Mc先降至 0.3±0.2，后升高至ML1.0左右。

B區的b值按照其變化特征可以分為2個階段(圖4(f))：第一階段自2012年1月至2016年6月，在該時間段內地震個數較少，b值振蕩變化弱，其變化趨勢為先平穩，后下降再上升，其均值為0.69，大于背景b值(0.57±0.00)，顯示區域應力水平相比于背景時段有所降低；第二階段為2016年6月至2020年12月，該時段內b值振蕩變化明顯加劇，總體上未有上升或下降的趨勢，其均值為0.95，大于背景b值(0.57±0.00)以及第一階段均值，顯示在總體上區域應力水平相比于前一時段有所降低。

3.2 中強地震前b值特征

為分析總結長寧地區中強地震震前短期b值的演化特征，針對長寧地區3個主要的5級以上地震事件，即2018年12月16日興文5.7級、2019年1月3日珙縣5.3級和2019年6月17日長寧6.0級地震，分別計算了震前、震后短期內震中10km、15km、20km、25km、30km和50km范圍內b值的空間演化情況，背景b值則由主震前5年且在主震震中50km范圍內的地震目錄計算得到。

3.2.1 2018年12月16日興文5.7級地震

興文5.7級地震前后不同計算范圍內地震窗參數N和b值演化曲線，如圖5 所示。對于N值，不同計算范圍下的變化情況基本一致，主要集中在50～56個。T值曲線則整體上隨時間推移而降低，特別是在興文5.7級和珙縣5.3級地震后，T值存在明顯降低，表明在這2個5級地震后，興文5.7級地震震中附近地震活動明顯增強。此外，計算范圍越大，其中包含的地震越多，因而相近時段地震窗的T值越小。

圖 5 興文5.7級地震前不同計算范圍內地震窗參數和b值曲線(a)不同計算范圍內每個地震窗中地震個數N的散點圖；(b)不同計算范圍內每個地震窗覆蓋時間T的曲線；(c)計算范圍10km；(d)計算范圍15km；(e)計算范圍20km；(f)計算范圍25km；(g)計算范圍30km；(h)計算范圍50km

圖 6 珙縣5.3級地震前不同計算范圍內地震窗參數和b值曲線(a)不同計算范圍內每個地震窗中地震個數N的散點圖；(b)不同計算范圍內每個地震窗覆蓋時間T的曲線；(c)計算范圍10km；(d)計算范圍15km；(e)計算范圍20km；(f)計算范圍25km；(g)計算范圍30km；(h)計算范圍50km

3.2.3 2019年6月17日長寧6.0級地震

長寧6.0級地震前后不同計算范圍內地震窗參數和b值演化曲線，如圖7 所示。對于地震窗參數N，不同計算范圍內的變化情況相近。以長寧6.0級地震為分界，震前N值相對較小，主要集中在50～55個之間，而長寧6.0級地震后，N值明顯增加，主要集中在50～65個之間。T值曲線總體上也以長寧6.0級地震為分界，震前T值較大，震后T值先明顯減小后逐步增大。同時計算范圍越小，長寧6.0級地震前后T值曲線變化的差異越顯著，這可能是由于震前震中附近的地震活動相對較弱引起的。

圖 7 長寧6.0級地震前不同計算范圍內地震窗參數和b值曲線(a)不同計算范圍內每個地震窗中地震個數N的散點圖；(b)不同計算范圍內每個地震窗覆蓋時間T的曲線；(c)計算范圍10km；(d)計算范圍15km；(e)計算范圍20km；(f)計算范圍25km；(g)計算范圍30km；(h)計算范圍50km

對于長寧6.0級地震前后的b值曲線，10～50km計算范圍內主震前b值的均值分別為0.87、0.90、0.78、0.88、0.86和0.80，主震震后的b值均值則分別為0.72、0.74、0.74、0.74、0.73和0.73，總體上主震發生后b值有所降低，且近2個月時間內b值大都小于背景b值(0.93±0.30)(圖7)。出現這一現象的原因可能是長寧6.0級地震發生后，又接連發生了包括珙縣5.1級、長寧5.3級、珙縣5.4級和珙縣5.6級地震在內的一系列較大震級的地震。而主震前的b值曲線，則隨計算范圍的擴大，變化趨勢存在差異，且曲線的振蕩變化逐漸加劇。具體而言，當計算范圍為10～15km時，震前地震活動較少，在震前近1個月范圍內的b值均小于背景b值，且b值逐漸降低直至主震發生，出現了較長時間的低b值異常，其均值分別為0.87和0.88，最低值分別為 0.76±0.08和 0.80±0.10，為背景b值(0.93±0.03)的82%和86%，明顯低于Gulia等(2018)統計全球范圍內58個地震序列后發現的震前最小b值(背景b值的90%)；當計算范圍為20～25km時，主震近1個月前的b值依然持續下降且低于背景b值，然而相比于計算范圍10～15km，在該計算范圍內震前地震個數較多，且相對b值更低，其b值均值分別為0.77和0.84，b值最小值分別為 0.68±0.08和 0.73±0.08，為背景值的73%和78%，且z評分為-1.34 和-1.12，顯示低b值異常較為顯著。當計算范圍為 30～50km 時，震前1個月b值未出現長時間的低b值異常。

圖 8 長寧地區合成目錄和全國統一目錄的震級-頻次對比

4 討論

本研究將四川省地震臺網、宜賓市地震臺網和珙縣境內的21個流動觀測臺站自2015年2月至2020年12月記錄的地震目錄與全國統一目錄合并，用于地震活動和地震參數的分析。從總體上看，相比全國統一地震目錄，合成目錄地震記錄增加了9856個地震，增量約為全國統一地震目錄的17%，同時也為其余重復的地震提供了更高精度的位置信息。如圖8 所示，震級在ML0.3～2.8時，合成目錄地震頻次均大于全國統一目錄，而在ML≥2.8，特別是ML5.0左右時，全國統一目錄的地震頻次大于合成目錄，表明流動臺站記錄的數據震級相對偏低。此外，地震目錄數量的增加并未明顯改變震級-頻次分布的特征，合成地震目錄與全國統一目錄的Mc值一致，而b值則分別為 0.89±0.01和 0.86±0.01，兩者相差不大。

實驗室和實際震例的研究表明，b值的升降變化不僅直接反映了區域內不同震級地震的比例關系，也體現了區域內地下介質的應力狀態變化，一般應力水平升高則b值降低，b值升高則反映應力水平的降低(易桂喜等，2013；El-Isa et al，2014)。在巖石實驗中，斷層失穩前剪切應力不斷增大，微破裂個數顯著增加，b值不斷降低(Rivière et al，2018)。然而在實際震例中，中強地震前b值的變化有多種不同的形式(El-Isa et al，2014)，是否廣泛存在類似前震出現時的震前低b值現象(蔣海昆等，2020)，也是一直未解決的問題。

對興文5.7級、珙縣5.3級和長寧6.0級地震b值的研究結果顯示，在震中不同范圍內的b值計算結果存在明顯的差異，例如對于長寧6.0級地震，當計算范圍為20km時，震前持續存在低b值異常，而計算范圍為50km時，類似的低b值異常則不存在了，因此，b值計算范圍的差異是造成中強地震前b值變化形式多樣性的可能原因之一。

此外，本文的震例研究表明在主震前震中20km范圍內均存在低b值異常，且總體上20km范圍內低b值異常的z評分更低、占背景b值的比例更低，因而后續的研究中可以重點關注20km范圍內的低b值異常。同時，震例的研究也顯示長寧地區內5級地震發生前b值最低可低于背景b值的90%，這一現象與Gulia等(2018)針對58個地震序列的統計結果一致，同時也符合Gulia等(2019)針對MW6.0以上前震提出的識別準則，表明在長寧地區可以以背景b值的90%為閾值，進而對區域未來地震危險性進行評估。

5 結論

本文利用全國統一地震目錄和流動臺站目錄的合成目錄，分析了長寧地區的地震活動特征和區域b值的演化特征。結果顯示，長寧地區的地震活動在時間上存在明顯的分段特征，即2015年以后地震活動明顯更加活躍；在空間上，長寧地區的地震則主要集中在以28.3°N為界的北、南2個區域(A區、B區)，2個區域的b值在時間上也呈現明顯的分段特征，并且2個區域的b值變化也呈現不同的形式，總體上A區的b值低于背景b值，而B區的b值高于背景b值。

此外，針對長寧地區的興文5.7級、珙縣5.3級和長寧6.0級地震，計算了不同統計范圍內主震前、后b值的時間演化曲線。計算結果顯示，不同計算范圍內b值曲線的演化特征存在明顯的差異，當計算范圍為20km時，主震前短期內存在較顯著的低b值異常，表明在利用b值分析區域地震危險性時可以采用較小的計算范圍。