梁向軍 李麗 宋美琴 孟曉琴 劉林飛

1)山西省地震局，太原市晉詞路二段69號(hào) 030021

2)太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，太原市晉源區(qū)太原基準(zhǔn)地震臺(tái) 030025

0 引言

地震孕育過程中可能伴隨著地殼應(yīng)力變化，研究其變化與地震的關(guān)系是揭示地震前兆、探索具有明確物理意義的地震預(yù)報(bào)方法的途徑之一。隨著我國(guó)數(shù)字化地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的建立，空間分辨率逐步提高，地震監(jiān)測(cè)能力得以明顯提升。近年來，視應(yīng)力作為一個(gè)地震震源參數(shù)，在地殼應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化監(jiān)視和地震預(yù)測(cè)研究中受到重視(程萬正等，2006;王衛(wèi)東等，2004;黃顯良等，2005;喬慧珍等，2006;吳忠良，2002)。劉紅桂等(2006、2007)認(rèn)為地震視應(yīng)力具有較好的預(yù)測(cè)意義，可將中小地震的視應(yīng)力值超過0.9MPa作為云南地區(qū)預(yù)測(cè)未來可能發(fā)生中強(qiáng)地震的參考指標(biāo)，且在云南地區(qū)高視應(yīng)力與地震頻次相關(guān)(秦嘉政等，2006)。易桂喜(2011)、李艷娥(2012)等研究了汶川8.0級(jí)地震前四川地區(qū)地震視應(yīng)力時(shí)空變化特征，結(jié)果表明在震前5年的時(shí)間內(nèi)，汶川地震震區(qū)的應(yīng)力顯示了清晰的上升-下降過程，且在臨震前又有一定幅度的上升。陳學(xué)忠等(2003、2007、2011)對(duì)多次強(qiáng)震的地震視應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算后認(rèn)為可將視應(yīng)力用于強(qiáng)震震后趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

山西及周邊地區(qū)的地震活動(dòng)性受到諸多學(xué)者的關(guān)注，楊文政等(1999)用地震活動(dòng)性加速模型分析后認(rèn)為山西地震帶的下一次強(qiáng)震將發(fā)生時(shí)間為2004年，但到目前為止仍未發(fā)生預(yù)期地震。自2009年原平4.2級(jí)地震以來，山西相繼發(fā)生4次4級(jí)以上地震，呈現(xiàn)出活躍的態(tài)勢(shì)。雖然在震后趨勢(shì)判定中用視應(yīng)力來判斷震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)(宋美琴等，2012a、2012b、2011、2013)，但缺乏系統(tǒng)的分析研究，因此，有必要對(duì)山西地區(qū)的視應(yīng)力時(shí)空變化特征進(jìn)行深入分析。

1 研究資料

本文選用山西測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的2001～2011年的ML≥2.0地震的數(shù)字化波形，考慮到視應(yīng)力計(jì)算條件，在近震源條件下，選用了震中距≤200km、信噪比較高、記錄清晰的臺(tái)站波形數(shù)據(jù)。首先對(duì)資料進(jìn)行去傾斜及儀器響應(yīng)的校正處理，然后選取S波段1.0～20Hz范圍內(nèi)的波形進(jìn)行震源譜計(jì)算，最終取得1061次地震的震源參數(shù)。這些地震主要分布在山西斷陷盆地內(nèi)，隆起區(qū)有零星分布(圖1)。

圖1 參與計(jì)算的地震震中(空心圓)和所用臺(tái)站(實(shí)心三角形)的分布

2 地震視應(yīng)力測(cè)定方法

地震視應(yīng)力為地震效率與平均應(yīng)力的乘積，是平均應(yīng)力的下限，表示單位地震矩的震源輻射出的地震波能量，可以作為對(duì)當(dāng)?shù)亟^對(duì)應(yīng)力水平的間接估計(jì)(吳忠良等，1999)。得到地震矩和地震能量的平均值后，地震視應(yīng)力為

式中，μ為剪切模量，ES和M0分別為地震輻射能量和標(biāo)量地震矩。

對(duì)于某次地震，據(jù)上述方法分別求得每個(gè)臺(tái)站的地震矩M0和地震能量ES，再由各臺(tái)站的平均值得到最后結(jié)果。為了消除個(gè)別臺(tái)站的異常高值對(duì)平均值的影響，在由各個(gè)臺(tái)站的值求平均值時(shí)采用Archuleta等(1982)的方法。

式中xi為第i個(gè)臺(tái)站的地震矩或地震能量，N為臺(tái)站數(shù)。Δx為誤差因子，其意義為當(dāng)x取對(duì)數(shù)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差。

3 地震視應(yīng)力時(shí)空變化特征

由式(1)可知，視應(yīng)力與地震能量成正比，而震級(jí)與能量大小直接相關(guān)。為了獲得震級(jí)與視應(yīng)力的關(guān)系，本文將所有地震的視應(yīng)力值與震級(jí)進(jìn)行擬合(圖2)，由圖2可見，山西地區(qū)中小地震視應(yīng)力水平與震級(jí)正相關(guān)，即震級(jí)越大，視應(yīng)力值越高;反之，震級(jí)越小，視應(yīng)力值越低，其中2.5～4.0級(jí)地震視應(yīng)力變化范圍較大。如何有效消除震級(jí)的影響，是今后需要深入探討的問題。

圖2 視應(yīng)力與震級(jí)的關(guān)系

在日常震情跟蹤分析中，視應(yīng)力越來越受到研究人員的關(guān)注。為了獲取山西地區(qū)視應(yīng)力變化特征，本文從以下兩方面進(jìn)行了探討。

3.1 視應(yīng)力時(shí)序變化特征

考慮到視應(yīng)力與震級(jí)的正相關(guān)關(guān)系，將相差較大的兩個(gè)震級(jí)檔地震放在一起比較，很難排除是震級(jí)大、能量高導(dǎo)致的高視應(yīng)力還是客觀存在視應(yīng)力高值。鑒于此，本文采用相近的震級(jí)檔地震進(jìn)行對(duì)比，最終選用2.0≤ML≤2.5、2.6≤ML≤3.0、3.1≤ML≤4.0即4個(gè)震級(jí)檔對(duì)地震的視應(yīng)力進(jìn)行分析，揭示視應(yīng)力與中等以上地震之間的關(guān)系。

為了獲得視應(yīng)力變化細(xì)節(jié)，本文分兩個(gè)時(shí)間段來探討視應(yīng)力時(shí)序變化特征。圖3為山西地區(qū)2001年1月至2008年5月2.0≤ML≤4.0地震的視應(yīng)力時(shí)序曲線(分2.0≤ML≤2.5、2.6≤ML≤3.0、3.1≤ML≤4.0三個(gè)震級(jí)檔)，由圖可見，3個(gè)震級(jí)檔的地震視應(yīng)力在2001年6月至2002年8月同步出現(xiàn)高值趨勢(shì)變化，尤其是2.6≤ML≤3.0和3.1≤ML≤4.0地震視應(yīng)力在2002年2月至8月出現(xiàn)準(zhǔn)同步高值異常，在高值回落的過程中發(fā)生2002年9月3日太原4.6級(jí)地震。之后視應(yīng)力有所回落，2.6≤ML≤3.0地震視應(yīng)力于2003年3月至10月再次出現(xiàn)異常，同樣在高值回落的過程中發(fā)生2003年11月25日洪洞4.6級(jí)地震。之后視應(yīng)力逐漸降低，表明在太原和洪洞兩次4.6級(jí)地震前均有高視應(yīng)力現(xiàn)象。

圖3 2001～2008年山西地區(qū) ML2.0～2.5、ML2.6～3.0、ML3.1～4.0地震的視應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

圖4為山西地區(qū)2009年1月至2011年12月2.0≤ML≤4.9地震視應(yīng)力時(shí)序變化曲線，由于本時(shí)段3.1≤ML≤4.0地震偏少，于是將震級(jí)范圍擴(kuò)大到ML4.9。

由圖可見，在2010年1月24日河津4.8級(jí)、4月4日大同-陽(yáng)高4.5級(jí)和6月5日陽(yáng)曲4.6級(jí)地震前均有高視應(yīng)力現(xiàn)象，這一過程從2009年開始上升，直到2010年6月5日陽(yáng)曲4.6級(jí)地震前。這3次地震前有高視應(yīng)力現(xiàn)象，震后回落的變化過程;這一過程說明在3次地震前存在應(yīng)力逐步積累-主破裂發(fā)生-釋放部分能量-應(yīng)力降低-背景水平的變化過程，與滑動(dòng)弱動(dòng)化模式(張國(guó)民等，2001;蔣海昆等，2002)相吻合。

3.2 視應(yīng)力空間演化特征

圖4 2009～2011年山西地區(qū) ML2.0～2.5、ML2.6～3.0、ML3.1～4.9級(jí)地震的視應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

通過分析視應(yīng)力時(shí)序曲線可知，在山西數(shù)次中等地震前均有高視應(yīng)力現(xiàn)象，但由于所采用的樣本為山西地區(qū)的綜合結(jié)果，很難從時(shí)序曲線了解高視應(yīng)力的空間分布。為此，選取上述5次地震前的地震視應(yīng)力來探討其空間演化過程。從圖3、圖4可以看出，不同震級(jí)檔地震的高視應(yīng)力現(xiàn)象有一定的同步性，于是在分析其空間演化過程中，將2.0≤ML≤2.5、2.6≤ML≤3.0地震合并在一起進(jìn)行討論(圖5)。

為了探討視應(yīng)力高值異常區(qū)與未來中等地震發(fā)震地點(diǎn)是否存在關(guān)聯(lián)，本文選取5次地震前的數(shù)據(jù)繪制了山西地區(qū)前述5次地震前的視應(yīng)力等值線線圖(圖6)。其中兩側(cè)隆起區(qū)地震樣本少(圖5)，在分析中不再討論這些區(qū)域的視應(yīng)力變化特征。

圖5 分析5次地震前視應(yīng)力空間變化所用的地震分布

由圖6可見，視應(yīng)力高值區(qū)主要沿中部的斷陷盆地區(qū)展布。2002年9月3日太原地震就發(fā)生在高視應(yīng)力區(qū)域附近，與此同時(shí)，在山西南部也有高值異常區(qū)(圖6(a))，時(shí)隔1年后該區(qū)域發(fā)生了洪洞4.6級(jí)地震(圖6(b))。

圖6 山西地區(qū)5次地震前的視應(yīng)力空間分布圖

2010年1～6月在短短的半年內(nèi)山西南、中、北相繼發(fā)生3次4.5級(jí)以上的地震。由圖6(c)可見，2010年1月24日河津地震發(fā)生在高值異常區(qū)附近，同期，山西北、中、南多個(gè)區(qū)域存在高值異常，且山西北部異常區(qū)域面積最大，中部次之(宋美琴等，2010)，結(jié)果在這些高值區(qū)附近發(fā)生了4月4日大同-陽(yáng)高4.5級(jí)和6月5日陽(yáng)曲4.6級(jí)(圖6(d)、圖6(e))地震。之所以出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的高視應(yīng)力異常，與這3次地震間隔較短，且2009年6月至2009年12月這一時(shí)段發(fā)生的地震在空間上有一定程度的疊加有關(guān)。

從震例的視應(yīng)力時(shí)空演化來看，中等地震與高視應(yīng)力異常區(qū)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即地震一般發(fā)生在異常區(qū)附近或邊緣。這可能與地殼在構(gòu)造應(yīng)力的長(zhǎng)期連續(xù)作用下，彈性應(yīng)變不斷積累，導(dǎo)致構(gòu)造的突然失穩(wěn)破裂。地震發(fā)生在地殼內(nèi)的一定范圍內(nèi)，由于介質(zhì)的不均勻性，在應(yīng)力場(chǎng)的作用下，地下物質(zhì)的運(yùn)移和局部介質(zhì)的密度變化在空間上有一定的差異，會(huì)在某些特殊部位(例如活動(dòng)斷裂帶)出現(xiàn)劇烈變化，震前視應(yīng)力的變化就是對(duì)區(qū)域地下物質(zhì)變化的一種反映。

4 結(jié)論與討論

(1)山西地區(qū)中小地震視應(yīng)力與震級(jí)存在正相關(guān)，即震級(jí)越大，視應(yīng)力值越高;震級(jí)越小，視應(yīng)力值越低。

(2)山西地區(qū)2001年至2011年發(fā)生的5次4.5級(jí)以上地震前均出現(xiàn)了視應(yīng)力趨勢(shì)性上升現(xiàn)象，地震發(fā)生在視應(yīng)力回落過程中。

(3)5次4.5級(jí)以上地震前，在震中附近均有高視應(yīng)力異常區(qū)，且視應(yīng)力的變化較大，分布較集中，反映了震中所在區(qū)域內(nèi)能量高度積累和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)的信息。

(4)對(duì)山西5次4.5級(jí)以上地震前的中小地震的視應(yīng)力時(shí)空演化特征的分析表明視應(yīng)力能夠反映震源區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。通過實(shí)時(shí)跟蹤山西地區(qū)視應(yīng)力時(shí)空演化圖像中的高值異常區(qū)，可為山西地區(qū)的地震危險(xiǎn)區(qū)域判定和地震預(yù)測(cè)提供一定的參考依據(jù)。

致謝:對(duì)中國(guó)地震局地球物理研究所李艷娥副研究員的指導(dǎo)，作者表示衷心的感謝。