汶川8.0級地震前鄰區(qū)遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)小震活動異常特征研究

鄒文軒, 馮建剛,2

(1. 中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000; 2. 甘肅省地震局, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

地震觸發(fā)問題是地震界比較關(guān)注的重點(diǎn)問題之一,很多研究表明地震觸發(fā)是斷層間應(yīng)力重新分布的結(jié)果,如果該地區(qū)的斷層處于應(yīng)力變化區(qū)同時(shí)又在自身地震發(fā)生周期內(nèi),地震極有可能因此被觸發(fā)。強(qiáng)震破裂產(chǎn)生并激發(fā)出的地震波在距離較遠(yuǎn)某一背景地震活動區(qū)域時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力變化對后續(xù)地震的觸發(fā)作用被稱為遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)。一次大范圍地震的遠(yuǎn)距離觸發(fā),可由動態(tài)地震波的傳播路徑較好地進(jìn)行解釋。在1992年蘭德斯地震發(fā)生后,通過分析美國西部12個(gè)地區(qū)隨時(shí)間變化的地震累積數(shù)量的曲線,發(fā)現(xiàn)該地震發(fā)生后立即導(dǎo)致了遠(yuǎn)場地震活動的突然增加。Hill等[1]對蘭德斯地震遠(yuǎn)程觸發(fā)不同地區(qū)繼發(fā)性地震的研究是掌握大地震遠(yuǎn)程觸發(fā)小地震一個(gè)強(qiáng)有力的證據(jù)。Tibi等[2]對2002年湯加深源地震及其觸發(fā)第二次主震序列的分析,得出其第二次主震破裂不是由第一次主震的靜態(tài)庫侖應(yīng)力改變而觸發(fā)的,而是由深源地震產(chǎn)生的體波所攜帶的動態(tài)應(yīng)變遠(yuǎn)程觸發(fā)。湯加深震觸發(fā)的序列分布在其西南方向的一個(gè)無震區(qū),破裂在這些地方可能較難自主發(fā)生[3],但其主震產(chǎn)生的應(yīng)力變化使其突破了臨界破裂點(diǎn),導(dǎo)致地震的發(fā)生,分析得出斷層處于臨界破裂狀態(tài)時(shí)才更容易觸發(fā)地震[4]。也有學(xué)者從主震對余震的動態(tài)應(yīng)力觸發(fā)作用、對后續(xù)遠(yuǎn)場地震活動的動態(tài)應(yīng)力觸發(fā)作用、不同破裂類型的地震動態(tài)應(yīng)力觸發(fā)作用等多個(gè)方面研究動態(tài)應(yīng)力觸發(fā)[5],目前尚未全面了解和掌握遠(yuǎn)程動態(tài)應(yīng)力觸發(fā)機(jī)制。國內(nèi)專家在其機(jī)制探索研究方面開展了大量的研究工作[6-8]。解朝娣等[9]通過實(shí)際地震記錄資料的計(jì)算結(jié)合理論計(jì)算的方式,較完善地分析了強(qiáng)遠(yuǎn)震在云南不同構(gòu)造區(qū)域所產(chǎn)生的遠(yuǎn)場動態(tài)應(yīng)力觸發(fā)作用及其影響,并討論了其動態(tài)庫侖破裂應(yīng)力作用特征的差別及其物理機(jī)制。

研究遠(yuǎn)程強(qiáng)震后區(qū)域小震頻度的異?；顒犹卣鞑粌H對完善動態(tài)應(yīng)力觸發(fā)理論,甚至對于震源物理的發(fā)展都有著極其重要的意義,這有利于更清晰地了解震源破裂過程中地震波所攜帶應(yīng)力傳遞的方式,對地震現(xiàn)有認(rèn)識有更深層次的突破。有關(guān)地震遠(yuǎn)程動態(tài)應(yīng)力觸發(fā)的研究結(jié)果表明,遠(yuǎn)程動態(tài)應(yīng)力觸發(fā)地震活動在全球廣泛存在,動態(tài)應(yīng)力觸發(fā)地震的研究得到了迅速和廣泛地應(yīng)用[10]。雖然其觸發(fā)機(jī)制尚未完全搞清楚,但這種遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)的現(xiàn)象確實(shí)客觀存在,并且已被諸多震例研究成果所證實(shí)。最早發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程觸發(fā)地震方法是通過統(tǒng)計(jì)觸發(fā)小地震頻度的方法,遠(yuǎn)震發(fā)生后區(qū)域小震在遠(yuǎn)震發(fā)生后幾小時(shí)或數(shù)天、甚至數(shù)月小震頻度明顯增強(qiáng)活動,這種統(tǒng)計(jì)方法在實(shí)際的震例統(tǒng)計(jì)中會存在如下問題:一是觸發(fā)地震活動統(tǒng)計(jì)存在遺漏,尤其是在觸發(fā)小震活動不特別明顯時(shí),無法有效區(qū)分正常背景下的小震觸發(fā)活動;二是遠(yuǎn)震發(fā)生時(shí)間和區(qū)域小震活動增強(qiáng)恰好一致,在實(shí)際的頻度統(tǒng)計(jì)中也無法有效排除這種時(shí)間上“巧合”現(xiàn)象。上述兩方面的問題可能是導(dǎo)致遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)小震異常活動在對未來強(qiáng)震預(yù)測中應(yīng)用較少的主要原因。本文將采用多次遠(yuǎn)震影響區(qū)域小震活動“疊加”的思路,有效突出區(qū)域小震活動受遠(yuǎn)震活動影響的異常活動特征,統(tǒng)計(jì)汶川8.0級地震的發(fā)震斷裂龍門山斷裂帶2000年1月至2008年5月10日期間區(qū)域小震記錄資料,分析震前龍門山斷裂帶小震活動受遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)的異?；顒犹卣?通過對各時(shí)間尺度和小震震級下限進(jìn)行逐步分析計(jì)算,經(jīng)過對比分析,篩選出最適宜的地震活動性參數(shù)。

1 研究區(qū)域與背景

汶川8.0級地震發(fā)生在南北地震帶的龍門山斷裂帶上,致使龍門山斷裂帶成為了近年來重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域之一。本文選取龍門山斷裂帶及鄰區(qū)(29°～34°N,100°～110°E)作為研究區(qū)域。龍門山斷裂帶地處青藏高原東部邊緣與四川盆地西部的交匯地帶,屬逆沖推覆構(gòu)造帶,是由強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動所形成的陸內(nèi)造山帶,迄今仍處于活動狀態(tài)[11]。龍門山斷裂帶總體上呈NE-SW向分布,長約500 km,寬約30～50 km,其形成與發(fā)展主要經(jīng)歷了印支期華南地塊與華北地塊拼合,以及喜馬拉雅期印度板塊與歐亞大陸板塊碰撞的地質(zhì)事件[12]。龍門山斷裂帶強(qiáng)震活動頻繁,先后發(fā)生了1327年天全6級、1657年汶川6.5級、1941年寶興6級、1958年北川6.2級、1970年大邑6.3級和2008年汶川8.0級地震。已有研究結(jié)果顯示,相關(guān)研究按照已經(jīng)發(fā)生的地震與“被觸發(fā)”地震之間的關(guān)系,大致上可分為以下三類:地震觸發(fā)余震研究[13-15];大地震觸發(fā)另一次大地震的研究[16];潮汐觸發(fā)地震的研究[17-19]等。另一方面,經(jīng)過系統(tǒng)研究汶川地震前鄰區(qū)小震活動特征,在震前龍門山斷裂帶及鄰區(qū)的小震活動并未發(fā)現(xiàn)明顯的增強(qiáng)或平靜特征(圖1,圖2)。因此,本文擬從遠(yuǎn)震動態(tài)觸發(fā)角度,分析研究龍門山斷裂帶及鄰區(qū)汶川8.0級地震前小震活動規(guī)律,重點(diǎn)研究汶川8.0級地震前龍門山斷裂帶及鄰區(qū)受遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)小震的異常活動特征,討論遠(yuǎn)程地震觸發(fā)小震異?；顒优c主震之間的可能關(guān)系。

圖1 龍門山斷裂帶及鄰區(qū)小震分布圖Fig.1 Distribution map of small earthquakes in Longmenshan fault zone and adjacent areas

圖2 龍門山斷裂及鄰區(qū)ML2.0以上小震頻度圖及M-t圖Fig.2 Frequency diagram and M-t diagram of earthquakes above ML2.0 in Longmenshan fault and adjacent areas

2 觀測資料及研究方法

本文采用的小地震目錄資料全部來源于全國地震速報(bào)編目網(wǎng) “統(tǒng)一正式目錄”(http://10.5.160.18/console/index.action),選擇龍門山斷裂帶及鄰區(qū)(29°～34°N,100°～110°E)的小震地震目錄資料。從汶川8.0級地震發(fā)震構(gòu)造龍門山斷裂帶小震活動的月頻度來看,其震前并未表現(xiàn)出顯著的增強(qiáng)或平靜異常(圖2)。同時(shí),也未發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)震(7級以上地震)后地震活動明顯增強(qiáng)的特征。本文采取遠(yuǎn)震影響(全球7級以上)“疊加”的思路,研究龍門山斷裂帶及鄰區(qū)小震活動受遠(yuǎn)震動態(tài)觸發(fā)的異常特征,選取汶川8.0級地震前(2007年1月1日—2008年5月10日)全球31次7級以上地震,挑選出龍門山斷裂帶在每次7級以上地震發(fā)生前后各1天內(nèi)的ML2.0以上地震目錄,將全球7級以上地震的發(fā)震時(shí)間歸零,將選擇出的龍門山斷裂及鄰區(qū)小震目錄疊加(圖3)。發(fā)現(xiàn)全球7級以上地震發(fā)生后1天龍門山斷裂帶的小震活動頻度明顯高于震前1天,震后頻度為9次,震前僅3次,震后頻度為震前的3倍。如果在一定區(qū)域隨機(jī)選擇兩天的地震目錄進(jìn)行對比,小震頻度比值應(yīng)該接近于1,但實(shí)際選擇結(jié)果明顯震后頻度高于震前,這表明龍門山斷裂帶的小震活動受遠(yuǎn)震影響較大。另外,龍門山斷裂帶上被觸發(fā)的小震頻度與遠(yuǎn)震的空間距離、震級大小、地震類型并無直接關(guān)系,本文重點(diǎn)研究全球7級以上地震前后龍門山斷裂帶小震頻度的比值,通過多次全球7級以上地震影響疊加,突出汶川地震前龍門山斷裂帶上的小震受遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)的異?；顒犹卣?。

圖3 全球7級以上地震發(fā)生前后1天龍門山斷裂帶及鄰區(qū)小震M-t圖與頻度統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 M-t plots and frequency statistics of earthquakes in the Longmenshan fault zone and adjacent areas 1 day before and after global earthquakes with magnitude above 7

3 結(jié)果分析

采用遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)影響“疊加”的思路,計(jì)算龍門山斷裂帶及鄰區(qū)小震受遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)的時(shí)間序列和空間掃描結(jié)果,并給出隨機(jī)檢驗(yàn)及不同參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。

3.1 時(shí)間序列計(jì)算結(jié)果分析

為分析龍門山斷裂帶小震活動受遠(yuǎn)震動態(tài)觸發(fā)特征,選擇2000年以來龍門山斷裂帶的小震目錄(圖1)(時(shí)間窗長為2年、時(shí)間步長為1個(gè)月),計(jì)算獲得汶川8.0級地震前全球強(qiáng)震前后1天的龍門山斷裂帶小震(ML2.0以上)頻度比值的時(shí)間序列。發(fā)現(xiàn)2000—2007年小震頻度比值雖有波動,但其變化幅度不大,比值接近于 1,但在震前約1年其比值呈大幅度上升趨勢,在2007年10月比值達(dá)到2000年以來的最高值,超過了15倍,表明汶川8.0級地震前龍門山斷裂帶小震活動受遠(yuǎn)震動態(tài)觸發(fā)的特征明顯(圖4)。

為檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的可靠性,假定全球每年7級以上地震發(fā)震時(shí)間是隨機(jī)的。隨機(jī)檢驗(yàn)結(jié)果顯示,其小震頻度比值的變化幅度不大,比值接近于1,表明在汶川8.0級地震前龍門山斷裂帶上的小震活動受到遠(yuǎn)震動態(tài)觸發(fā)活動的特征明顯,該異常信度較高,并非隨機(jī)“巧合”對應(yīng)結(jié)果。

圖4 全球7級以上地震前后1天龍門山斷裂帶小震頻度之比(窗長2年,步長1月)Fig.4 Frequency ratio of small earthquakes in the Longmenshan fault zone 1 day before and after global earthquakes with magnitude above 7 (Window length:2 years, time step:1 month)

地震活動性參數(shù)類計(jì)算結(jié)果往往受參數(shù)選擇的影響較大,如龍門山斷裂帶小震的震級下限、遠(yuǎn)震影響時(shí)間等參數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響可能較大。為討論不同參數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響,分別對不同震級下限和不同影響時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。首先,分析震后影響時(shí)間選擇對結(jié)果的影響,對研究區(qū)全球7級以上地震前后不同時(shí)間尺度進(jìn)行劃分,以0.1天為步長,分別計(jì)算0.5～2.0天的時(shí)間序列結(jié)果(圖5)。發(fā)現(xiàn)不同時(shí)間尺度的震前異常幅度不同,選擇時(shí)間為1天時(shí),震前的異常幅度最顯著,遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)區(qū)域小震活動的優(yōu)勢時(shí)間可能為1天左右。其次,分析龍門山斷裂帶小震不同震級對時(shí)間序列計(jì)算結(jié)果的影響,分別計(jì)算給出不同震級下限(ML1.8～2.5)的時(shí)間序列結(jié)果(圖6)。結(jié)果顯示龍門山斷裂帶小震震級下限為ML2.0時(shí)震前的異常特征最明顯,其異常幅度遠(yuǎn)超過了其他震級下限的異常幅度,表明龍門山斷裂帶ML2.0以上地震受遠(yuǎn)震動態(tài)觸發(fā)的異?；顒犹卣鬏^顯著。由隨機(jī)檢驗(yàn)和不同參數(shù)(震級下限和影響時(shí)間)的計(jì)算結(jié)果可以看出,其異常特征受參數(shù)的影響不大,其異常特征較顯著,不同參數(shù)對異常的幅度有影響,選擇時(shí)間越短或震級越高,其異常幅度越小,這可能與統(tǒng)計(jì)樣本量較少有關(guān)。

圖5 全球7級以上地震前后不同時(shí)間長度(0.5～2天)龍門山斷裂帶小震頻度之比(窗長2年,步長1月)Fig.5 Frequency ratio of small earthquakes in the Longmenshan fault zone before and after global earthquakes with magnitude above 7 for different lengths of time (0.5-2 days) (Window length:2 years, time step: 1 month)

圖6 全球7級以上地震前后1天龍門山斷裂帶不同震級下限(ML1.8～2.0)的小震頻度之比(窗長2年,步長1月)Fig.6 Frequency ratio of small earthquakes with different lower limits of magnitude (ML1.8-2.0) in the Longmenshan fault zone 1 day before and after global earthquakes with magnitude above 7 (Window length:2 years, time step: 1 month)

3.2 空間掃描結(jié)果分析

上述時(shí)間序列的分析結(jié)果均以龍門山斷裂帶及鄰區(qū)的小震為研究對象,其范圍為汶川余震區(qū)的展布范圍(圖1中藍(lán)色虛線選擇范圍),在研究范圍選擇上具有一定不確定性。為了討論選擇范圍不同對計(jì)算結(jié)果的影響,采用一定空間窗和步長(空間窗:100 km,步長:0.1°),選擇汶川8.0級地震前2年全球7級以上地震,進(jìn)行空間掃描計(jì)算,圖中不同顏色代表小震頻度比值的大小,從藍(lán)色到紅色的漸變代表比值由小變大(圖7)。計(jì)算結(jié)果顯示,2008年5月12日汶川8.0級地震前在震源區(qū)及鄰區(qū)的異常特征較突出,其比值均超過4.0,明顯高出隨機(jī)檢驗(yàn)的結(jié)果,可能與龍門山斷裂帶應(yīng)力水平較高有關(guān),且處于臨震極不穩(wěn)定的狀態(tài),遠(yuǎn)震地震波微小的應(yīng)力擾動,即可引起區(qū)域小震活動異?；顒?導(dǎo)致遠(yuǎn)震前后龍門山斷裂帶小震活動狀態(tài)存在較明顯差異,遠(yuǎn)震震后1天龍門山斷裂帶的小震頻度明顯高于震前,比值最高達(dá)10,而距離龍門山斷裂帶較遠(yuǎn)的區(qū)域絕大多數(shù)網(wǎng)格點(diǎn)的比值較小,介于1～2之間,與隨機(jī)檢驗(yàn)的結(jié)果接近,表明汶川地震前龍門山斷裂帶小震活動受遠(yuǎn)震活動的影響較顯著。

圖7 全球7級以上地震前后1天龍門山斷裂帶及鄰區(qū)小震頻度比的空間掃描結(jié)果(空間窗:100 km,步長:0.1°,時(shí)間:2006年5月10日—2008年5月10日)Fig.7 Spatial scanning results of the frequency ratio of small earthquakes in the Longmenshan fault zone and adjacent areas 1 day before and after global earthquakes with magnitude above 7 (Space window:100 km, step size:0.1°,time: from May 10,2006 to May 10,2008)

4 結(jié)論及討論

4.1 結(jié)論

通過對汶川8.0級地震前龍門山斷裂帶受遠(yuǎn)震動態(tài)觸發(fā)小震異?；顒犹卣鞯难芯?得出如下結(jié)論:

(1) 采用遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)影響“疊加”的思路,可能將成為研究遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)小震活動的有效途徑和重要技術(shù)方法,該方法能有效突出震前發(fā)震斷層上遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)小震的異?；顒犹卣?

(2) 2008年汶川8.0級地震前,龍門山斷裂帶上的小震活動受遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)活動的異常特征突出,通過隨機(jī)檢驗(yàn)和不同參數(shù)的計(jì)算結(jié)果,排除異?！扒珊稀睂?yīng)地震的可能,進(jìn)一步驗(yàn)證了汶川8.0級地震前鄰區(qū)遠(yuǎn)程動態(tài)觸發(fā)小震活動異常的可靠性。

4.2 討論

(1) 遠(yuǎn)震動態(tài)觸發(fā)機(jī)制非常復(fù)雜,這種小震觸發(fā)活動可能受區(qū)域地震背景、孕震斷層應(yīng)力水平及遠(yuǎn)震類型、遠(yuǎn)震距離等因素影響,隨著對觸發(fā)地震研究的不斷深入,可能會逐步揭開不同區(qū)域遠(yuǎn)程地震之間的相互作用的物理機(jī)制,為區(qū)域強(qiáng)震危險(xiǎn)性評估提供科學(xué)依據(jù),還可能通過觸發(fā)的小震活動實(shí)時(shí)監(jiān)測區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)[20];

(2) 基于遠(yuǎn)場地震波動態(tài)觸發(fā)所帶來的應(yīng)力擾動響應(yīng),以此來預(yù)測斷裂帶未來的強(qiáng)震危險(xiǎn)性,理論上可能成為分析強(qiáng)震危險(xiǎn)性的有效方法之一,但仍需更多實(shí)際震例進(jìn)一步驗(yàn)證其可行性,這是一個(gè)極具研究價(jià)值的方向。