2022年門源6.9級地震前后b值時空特征研究

郭瑛霞 朱益民 余 騰 李啟雷 張麗峰 余 娜

1 中國地震局青海格爾木青藏高原內部地球動力學野外科學觀測研究站,西寧市柴達木路153號,810000 2 青海省地震局,西寧市柴達木路153號,810000 3 中國地質大學(北京)土地科學技術學院,北京市學院路29號,100083 4 宿遷學院建筑工程學院,江蘇省宿遷市黃河南路399號,223800

地震震級與頻度之間的經驗關系式[1]為lgN=a-bM,式中a、b為常數,N為震級M滿足大于等于最小完備震級MC的地震累積次數,b值則具有直接的物理意義,可衡量區域內應力的大小與分布[2-3]。研究指出,強震往往發生在活動斷裂帶上高應力積累的凹凸體段或閉鎖段,b值與介質的非均勻程度、有效剪應力等參數有關,并與應力大小成反比[4-6],巖石破碎實驗也可發現該現象[7-8]。此后,國內外學者利用低b值區探索凹凸體位置,分析活動斷裂帶上具有強震危險性的潛在段落[9-12]。目前b值計算方法主要為線性最小二乘法和最大似然法,已廣泛應用于不同活動構造的強震危險性分析中,可反映震源區震前應力狀態[13-16],也有部分學者將b值方法與其他測震學方法相結合,并取得更可靠的研究成果[17-19]。基于相關研究結果,本文嘗試對2022-01-08門源6.9級地震前后b值時空變化特征進行研究。

1 地震概述及地震序列重定位

據中國地震臺網測定,北京時間2022-01-08 01:45青海省海北州門源縣(37.77°N,101.26°E)發生MS6.9地震,此次地震落入2022年度全國地震重點危險區——甘肅嘉峪關-青海門源危險區,同時落入青海省地震局2022年度重點危險區——青海祁連-門源地區內,震源深度10 km,微觀震中屬于無人區,西北多地震感強烈。門源地震地處青藏地塊和阿拉善地塊擠壓縫合地帶,該區構造活動強烈,地震活動十分頻繁,震中位于托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂之間。余震西段主要沿NWW向展布,01-08 MS5.1余震發生在西段中東部;余震東段主要沿SE向展布,01-12 MS5.2余震發生在東南部;主震位于東西段交匯區域。為獲取更為精細的地震分布特征并分析發震斷層性質,利用雙差定位方法對門源地震序列進行重定位[20],采用左可楨等[21]的速度模型,選取震中距400 km內的震相數據進行重定位,圖1(a)為重定位前門源地震序列震中分布,圖1(b)為重定位后震中分布,重定位前后地震展布形態未發生明顯變化,但主震位置向西側偏移,即更加靠近冷龍嶺斷裂,重定位后主震震中位置為37.770°N、101.270°E,震源深度為9.94 km。

圖1 地震序列重定位結果Fig.1 Relocation results of earthquake sequence

門源地震震中附近的走滑斷裂與逆沖斷裂、主斷裂與次斷裂組成的復雜構造體系,是青藏高原東北緣近1 000 km大型左旋走滑斷裂帶的重要組成部分,用來調節高原相對于阿拉善地塊的東北向擠壓運動[22]。該地震是繼2016-01-21門源MS6.4地震后發生在冷龍嶺斷裂附近的又一次破壞性地震,兩者震中相距32 km。據青海地震臺網測定,截至2023-01-08,門源6.9級地震序列共記錄ML1.0以上余震1 424次,其中5.0～5.9級3次,4.0～4.9級19次,3.0～3.9級74次,2.0～2.9級409次,1.0～1.9級919次,最大余震為01-12 MS5.2地震,整個序列衰減正常。由圖2可以看出,距地震發生時間越長,地震平靜的間隔時間也越長,累積頻次從01-26開始變緩,地震序列在1 400次之前地震間隔時間很短,幾乎為連續發生,而在約1 400次之后地震間隔時間逐漸變長,尤其是在1 416次前后,地震間隔時間明顯增長,表明序列已進入結束狀態。

圖2 門源地震M-T、累積頻次及地震間隔時間變化Fig.2 M-T and cumulative frequency and interval time variation of Menyuan earthquake

2 資料與方法

2.1 資料選取

由于背景分析需要,本文研究區包含門源6.9級主震及其余震震源區,范圍為36°～40°N、98°～104°E(圖3),選用1970-01-01～2023-01-08青海數字地震臺網地震目錄資料,共有ML1.0以上地震1 785次。青海地區6.0級以上地震的重現期最短為34個月,最長為95個月。研究區地質構造復雜,圖中黃色五角星為1970年以來發生的6級以上地震,在空間上零散分布,祁連山地震帶附近發生的地震主要有1986年門源6.5級地震、1990年甘肅天祝-景泰6.2級地震、1993年天峻6.0級地震、2003年甘肅民樂6.1級地震、2016年門源6.4級地震和2022年門源6.9級地震,6.0級以上地震的重現期最短為37個月。

2.2 地震b值計算方法

2.3 最小完備震級計算與分析

將偏離震級-頻度關系擬合直線的最小震級定義為最小完備震級MC[25],其對b值計算影響較大。基于監測能力,根據歷史地震事件時間和觀測儀器的變革時段,按年劃分為4個階段(1970～1986年、1987～2006年、2007～2016年、2017～2022年)。采用最大曲率法得到G-R關系的M-T分布,以0.1級為震級間隔,統計不同震級區間的地震頻次N,計算得到4個時段的最小完備震級MC,結果如圖4所示,圖中無明顯甩尾和掉頭現象,4個時段計算的MC結果分別為ML2.2、ML2.0、ML1.6、ML1.5,可以看出,MC自1970年以來呈減小趨勢,表明總體監測能力逐年提高,2017年以來震區基本可保證ML≥1.5地震的完整性。為直觀理解研究區地震M-T關系,將1970～2022年ML≥1.5地震全部篩選出來,共計22 644次地震,其中5.0級以上地震52次,結果如圖5所示。

圖4 研究區不同時段地震完整性分析Fig.4 The earthquake integrity analysis of the study area in 4 periods

圖5 研究區M-T統計Fig.5 The relationship between earthquake magnitude and time in the study area

2.4 2022年門源地震序列b值分析

研究發現,大地震發生后震源區b值有回升跡象[16,26],采用余震地震目錄進行分時段b值計算,1個星期內最小完備震級為ML1.7,線性擬合b值為0.76,a值為3.98;1個月內最小完備震級為ML1.7,線性擬合b值為0.80,a值為4.16;6個月內最小完備震級為ML1.7,線性擬合b值為0.81,a值為4.30。由圖6可以看出,a、b值隨序列略微增大,說明震源區應力狀態逐漸緩解,序列衰減相對正常,根據最大截距外推震級為ML5.3左右,但實際為MS5.2,說明最大余震可能已經發生。為進一步探討2022年門源6.9級地震余震演化過程中b值的空間變化,利用Zmap程序對門源地震后1個月和6個月的余震數據進行b值空間掃描計算,然后相減得到Δb值,結果如圖7所示。由圖可知,門源6.9級地震震源區b值變化不大,并未快速上升,而發震斷層西端b值略有回升,東端b值降低,表明該區域仍有較高的應力積累,存在繼續發生余震的可能,該預測結果與后續余震的發生具有較好的一致性。

圖6 門源6.9級地震序列不同時段a、b值計算Fig.6 Calculation of a and b values in different periods of Menyuan MS6.9 earthquake sequence

圖7 門源6.9級地震序列b值空間變化Fig.7 Spatial distribution of b-value of Menyuan MS6.9 earthquake sequence

3 b值時空掃描特征

3.1 b值時間掃描特征

由G-R關系圖可以看出,研究區b值除在1987～2006年較低外,其余3個階段均在0.70以上,在已獲得的b值基礎上按不同取樣標準,依次以每1 a、5 a和10 a為間隔研究b值的變化特征,研究區b值-時間關系如圖8所示。由圖可知,b值中、短期變化無一致趨勢,長期變化具有較大的升降過程,認為b值變化與選取周期有關,均值為0.80左右。

圖8 不同時間間隔b值變化Fig.8 The variation of b-value of different time intervals

大地震通常會引發許多中小余震,改變該區域地震發生速率,打破地震活動正常的時空分布,影響地震活動的平穩性,因此在進行地震活動性研究時需要考慮刪除小余震活動對結果的影響[27]。b值時間分布特征可以反映研究區不同時段所處應力場狀態,且在部分大震前震源區b值均呈現出趨勢性降低的特征[3,16],b值時間變化特征分析可為判定b值異常區強震危險緊迫性提供參考依據。b值時間掃描計算方法是基于臺網穩定運行以來2012～2022年震級大于MC的地震目錄,共10 a時間尺度,當地震達到一定數目后,計算結果更趨于穩定。以固定地震樣本數作為窗長和步長,選用最大似然法計算每個時間窗的b值,獲得研究區b值隨時間的分布曲線(圖9),圖中δb表示95%置信度標準差范圍。由圖可知,2016年門源地震后b值逐步上升,之后呈下降趨勢,尤其在2021-03之后區域內b值出現明顯下降,2022-01-08門源6.9級地震后出現小幅回升,這可能與震后區域應力得到釋放有關,因此b值作為破壞性地震的預測指標具有一定指示意義。

圖9 研究區2012-01～2022-01地震b值時序曲線Fig.9 Time series of earthquake b-value from January 2012 to January 2022 in the study area

3.2 b值空間掃描特征

利用青海測震臺網1970年以來小震目錄,采用最大似然法,選取門源6.9級地震震源附近區域(36°～40°N,98°～104°E)刪除小余震后共10 328個地震,在前述的地震目錄完整性分析基礎上對滿足樣本量的劃分時段進行b值空間掃描,掃描方形網格為1°×1°,步長為0.05°,要求網格內地震數不少于20個,最大震級和最小震級之差大于1.5級,震級下限為ML1.5[26],以保證參數擬合的可靠性。異常判別指標為b<0.7,b值空間分布結果見圖10。門源地區b值在0.50～0.90之間,震前有低b值異常區域,2022年門源地震發生在冷龍嶺斷裂和托萊山斷裂附近的高低b值過渡區、靠近低b值區域邊緣,表明該區域具有較高的應力積累(圖10(a)),這與孫安輝等[18]的結果具有較好的一致性。在掃描計算中,選取地震目錄起止時間分別為2017-01-01～2022-01-07、2017-01-01～2021-01-07,相減得到Δb值,Δb值升高為正,表明應力水平降低;Δb值降低為負,表明應力水平升高。震前1 a震中區Δb值變化不顯著,但在震中區附近東偏南方向區域b值下降(圖10(b)),可能表明震中區應力積累主要發生在2021年之前。2000年以來該地震鄰區100 km范圍內共記錄到2次6.0級以上地震,分別為2003-10-25甘肅民樂6.1級地震和2016-01-21青海門源6.4級地震,均發生在青海省與甘肅省交界附近,區域構造上位于祁連山斷裂帶中東段,祁連山斷裂帶在青藏高原內部地震活動極為強烈,歷史上曾發生多次6.0級以上地震,塊體內部地震頻發可能會引起其局部應力調整,使地震危險性趨勢增強。另外從低b值區大小與震級強度的關系來看,可能存在異常區范圍越大,其強震潛在危險性就越大的特征[15]。由于冷龍嶺斷裂的發震機制受地下復雜構造的影響,具有不同的分段特征,2016年門源6.4級地震發生在冷龍嶺斷裂與民樂-大馬營斷裂之間的一條潛在斷層上,b值空間掃描和震前1年Δb值結果顯示,門源6.4級地震發生在相對低b值區,數值在0.7以下,Δb值降低區域面積較小,應力水平升高(圖10(c)和10(d))。

4 結 語

本文主要對門源6.9級地震前后b值進行研究,首先通過前人計算的速度模型,采用雙差定位方法對門源地震進行重定位,并根據門源地震序列獲得震后b值時空分布,然后根據青海測震臺網2000年以來小震目錄,采用最大似然法,在最小完備震級基礎上進行b值空間掃描,得出以下結論:

1)采用雙差定位方法對門源地震進行重定位,重定位前后地震展布形態未發生明顯變化,但主震位置向西側稍偏移,即更加靠近冷龍嶺斷裂。

2)采用最大曲率法,選取1970～2022年門源地震震源區及周邊地震目錄,計算得到最小完備震級結果:1970～1986年為ML2.2,1987～2006年為ML2.0,2007～2016年為ML1.6,2017～2022年為ML1.5。近年臺網測震能力逐步增強,選取完備震級以上的震例數據計算b值具有合理性,可為后續研究提供基礎依據。

3)根據b值時間掃描特征,選取震前10 a數據發現,門源6.9級地震發生前區域內b值有一定程度的下降,地震后出現小幅回升,這可能與震后區域應力得到釋放有關,可作為大地震臨近的支撐依據,具有一定的預測指示意義。

4)通過對門源6.9級地震余震序列b值變化進行分析,認為早期b值變化可為后期余震的位置預測提供一定參考。

5)根據震前b值空間分布特征可知,2022年門源地震發生在冷龍嶺斷裂和托萊山斷裂附近的高低b值過渡區,靠近低b值區域邊緣,且震前1 a震源區Δb值變化不顯著,表明門源6.9級地震前區域應力積累主要發生在2021年之前。