李　霞，蔣長勝，閆德橋，張志慧，尹相好，陳傳華，王　錚

(1.山東省地震局，山東 濟南 250014；2.中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

1989年以來華北地區(qū)中強震前地震矩加速釋放空間掃描特征的研究*

李霞1，蔣長勝2，閆德橋1，張志慧1，尹相好1，陳傳華1，王錚1

(1.山東省地震局，山東 濟南 250014；2.中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

摘要：利用地震矩釋放程度m值對1989年以來華北地區(qū)12次MS≥5.0中強地震前的矩加速釋放現(xiàn)象進行了研究?；趧h除余震后的地震目錄，提取了與矩加速釋放相關的特征時—空尺度作為AMR現(xiàn)象在華北地區(qū)的掃描模型參數。采用震前1年逐3個月的掃描方式，得到了12次震例在震中附近與時間相依的m值的空間演變圖像，并考察了震前震源區(qū)附近的Benioff應變釋放情況。結果表明，華北地區(qū)MS5.0～5.5地震前AMR現(xiàn)象與實際震中和發(fā)震時刻的關聯(lián)性不明顯；而MS5.6～6.4地震前67%的震例在震中附近出現(xiàn)穩(wěn)定和集中分布的矩釋放加速區(qū)域，說明華北地區(qū)MS≥5.5中強震前AMR現(xiàn)象具有一定程度的普遍性，利用AMR現(xiàn)象對未來中強震發(fā)震地點的預測有一定的潛能和可挖掘性，但仍需其他方法相互佐證。

關鍵詞：地震矩加速釋放；Benioff應變釋放；空間掃描；華北地區(qū)

0引言

根據臨界點理論，地震的孕育過程是一種臨界現(xiàn)象(Vere-Jones，1977)，這一臨界現(xiàn)象的典型特征是大地震之前往往存在地震活動的相關長度增長及主震周圍矩釋放加速(AMR)現(xiàn)象。Bowman等(1998)研究發(fā)現(xiàn)，幾次大震前震源區(qū)地震能量會出現(xiàn)明顯冪率加速釋放過程，符合臨界理論的標度率，進而使用震前累積應變釋放曲線的冪率擬合和線性擬合的均方根殘差比最小來定量描述AMR的“臨界”時、空尺度。隨后人們對世界上其他地區(qū)的震例進行了類似的研究，Sykes和Jaume(1990)研究表明美國舊金山幾次強震前都有5.0級左右中等地震活動的矩釋放加速過程；Ellsworth 等(1981)指出，強震前小震發(fā)生率并沒有明顯變化，而中等地震的累積應變能呈指數增長。我國地震學家在長期預報研究實踐中也將AMR現(xiàn)象作為強震預測的主要前兆之一(劉蒲雄，1982)。楊文政和馬麗(1999)用類似方法對中國震例開展研究，發(fā)現(xiàn)三分之二以上的中強震在震前較長時間均出現(xiàn)了地震矩釋放加速的現(xiàn)象；Jiang和Wu(2005)的研究指出，中國大陸有60%的MS≥6.0地震前存在穩(wěn)定的地震矩釋放加速特征，但在多時、空尺度的二維空間，一些地震前的矩釋放表現(xiàn)出加、減速交替出現(xiàn)的復雜現(xiàn)象。更有研究表明，主震前臨界區(qū)范圍內地震活動呈現(xiàn)加速釋放，而在較小的孕震區(qū)范圍則出現(xiàn)地震活動的減弱態(tài)勢(苗青壯，蔣海昆，2008；Papazachosetal.，2000，2006)。

華北地區(qū)是一個內部結構復雜和斷裂活動強烈的地區(qū)。按其主要地震構造帶和區(qū)域地震構造格局，可劃分為兩個一級活動地塊：鄂爾多斯活動塊體和太行冀魯西活動塊體，其分界帶為山西地塹系，其中太行冀魯西地塊又可分為太行山塊體、華北平原塊體和膠遼塊體，其分界帶為太行山山前斷裂帶和郯廬斷裂帶，還有華北北部的陰山—燕山塊體，其分界帶為燕山—渤海斷裂帶(Xu，Gao，2000；Huang，Guo，1998)。華北地區(qū)的強烈地震幾乎全部發(fā)生在這些活動塊體的邊界帶上，其中山西地震帶發(fā)生MS>7地震8次，華北平原帶3次，郯廬地震帶3次以及燕山—渤海地震帶8次，給我們的國計民生帶來了巨大的損失。因此，華北地區(qū)一直是我國地震監(jiān)測防預的重點監(jiān)視區(qū)和研究地震前兆機理、檢驗地震預測理論和探索地震數值預測方法的一個重要的“實驗場地”。

本文在以往研究的基礎上，以1989年以來華北地區(qū)12次MS≥5.0中強地震為例，利用地震矩釋放程度的時—空掃描方法，系統(tǒng)驗證華北地區(qū)中強震前地震能量的釋放特征，進而討論AMR現(xiàn)象在華北地區(qū)是否具有普遍性的前兆意義。

1地震矩加速釋放現(xiàn)象和釋放程度的時—空掃描

“地震破裂時間分析”法是利用給定區(qū)域的前兆性地震活動來預測未來地震的發(fā)震時間和強度的一種中長期預測方法，其函數定義一般可表示為(Bufe，Varnes，1993)

S(t)=A+B(tf-t)m.

(1)

式中，S(t)是[0,t]時段內地震活動的累積應變能，tf為預期地震的破裂時間，t為前兆性地震事件的發(fā)震時間，t1表征 Benioff應變?yōu)闇p速釋放狀態(tài)，相應的m越大減速釋放特征越明顯；m=1表示Benioff應變勻速釋放。

對臨界區(qū)域的估算依據是使區(qū)域內的樣本數據能被冪率關系擬合得最好，“最優(yōu)搜索辦法”(Bowanetal.，1998)是以強震震中為圓心，用不同半徑范圍內的觀測數據連續(xù)計算曲率參數C值(震前Benioff應變釋放的冪律擬和均方差與線性擬和均方差之比)，參數C為最小且冪指數m<0.8的圓型區(qū)域被認為是主震的臨界區(qū)域?；谏鲜隼碚?，楊文政和馬麗(1999)利用空間臨界圓重疊率最高的方法來尋找未來強震的臨界區(qū)域；也有研究認為這種“最優(yōu)搜索”僅僅是對區(qū)域數據本身的擬合，顯著存在的問題是相同區(qū)域構造和相近震級的中強震之間的臨界時、空尺度差異較大*Kossobokovv.2007.Earthquake forecast/prediction：problem of verification，accuracy and limitations.ICTP.。因此蔣長勝和吳忠良(2009)僅利用m值作為描述震前矩加速釋放“程度”的參量，在時—空—地震序列的完整性震級組成的三維空間內，使用固定時間尺度和多空間尺度系統(tǒng)研究了2008年3月21日新疆于田MS7.3強震前AMR現(xiàn)象存在的客觀性。研究表明矩加速釋放特征在時間上有逐漸逼近臨界狀態(tài)的趨勢，空間上與實際震中位置也有較好的對應的關系。這種利用m值的時—空演化來研究地震孕育的物理過程和尋找未來中強震的臨界區(qū)域的方法稱為地震矩釋放程度的時—空掃描。這種方法實質上是假定實際震中和發(fā)震時刻未知，使用固定的時—空尺度，在時—空坐標上掃描震前的矩釋放程度，考察研究區(qū)中強震前AMR現(xiàn)象與實際震中和發(fā)震時刻之間的相關性。

2震例選取和所用資料

筆者以1989年以來華北地區(qū)12次MS≥5.0地震作為研究對象，選取(34°～42°N，108°～123°E)的空間范圍為研究區(qū)域。研究區(qū)中強地震的活動表現(xiàn)出明顯的分區(qū)、交替、成組發(fā)生的特征，在同一地震活躍期中發(fā)生的中強地震，往往時間相連，地點相近，構成一個典型的地震成組集中活動區(qū)，而與此同時其他地區(qū)幾乎沒有6級以上地震發(fā)生。1900年以來，華北地區(qū)中強地震的活動經歷了5次周期性輪回過程(孫加林，章瑞，2007)，目前正處于第五活躍期的末期或第五個平靜期(圖1)。第五活躍期以1989年山西大同和陽高間MS5.9地震為起始，至今已發(fā)生了12次MS≥5.0的中強地震。如圖2所示，這12次地震主要分布在燕山—渤海地震帶和山西地震帶，而在活動地塊內部及郯廬地震帶、華北平原地震帶和黃海地震帶僅有個別地震發(fā)生，在空間上分區(qū)成組分布的特征明顯。

筆者使用中國地震臺網中心提供的1970年以來《中國地震月報目錄》，該目錄由各區(qū)域臺網產出的資料匯編而成。地震目錄的完整性震級MC是進行區(qū)域地震活動性和地震危險性分析的重要基礎，使用“最大曲率”法(MAXC)、分別為90%和95%的擬合優(yōu)度檢驗法(GFT)計算研究區(qū)MC隨時間的演化過程。通過設定優(yōu)先級為GFT95%>GFT90%>MAXC，選取優(yōu)先級高的MC結果作為最終結果。由圖3可見，除1993年和2000年研究區(qū)最優(yōu)MC分別為ML2.2和ML2.4，其它時段均小于或等于ML2.0，因此使用ML2.5作為計算Benioff應變釋放的最小完整性震級。Benioff應變被定義為地震波能量的平方根，據經驗關系可由震級直接得到應變能(Gutenberg，Richter，1956；Kanamori，1977)。再據式(1)即可計算出某一時段內地震矩釋放參數A、B、m及未來中強地震的發(fā)震時刻。為更客觀地考察華北地區(qū)中強震前的AMR現(xiàn)象，我們利用矩釋放程度的時—空掃描方法對上述12次MS≥5.0地震進行回顧性檢驗，表1給出了12次震例的震源參數。

3矩加速釋放時—空掃描模型參數的選取

本文在矩釋放時—空掃描模型參數的選取中，結合前人給出的有關AMR現(xiàn)象中震級與“臨界”時、空尺度的關系(Ben-Zion，Lyakhovsky，2002；彭克銀，尹祥礎，2003)分別計算了12次震例前的前兆性地震序列在時—空(t-r)二維空間內m值的分布特征，然后用歸一化的方法給出華北地區(qū)中強震前具有普遍意義的AMR現(xiàn)象的“臨界”時—空尺度。近年來在許多地震預測模型的研究中對所使用地震目錄是否刪除余震都采取了折衷的做法，同時給出刪除余震前、后的兩種預測結果。在以往對AMR現(xiàn)象的研究中，蔣長勝(2004)研究指出余震刪除與否，對m值計算結果的影響并不明顯；李宇彤和蔣長勝(2010)對東北地區(qū)中強震的研究表明，使用刪除余震目錄得到的時—空尺度與前人研究結果更接近。因此本文使用G-K法(Gardner，Knopoff，1974)刪除余震后的地震目錄，將(1)式中的tf固定為研究震例的實際發(fā)震時刻；t為震前2～14 a，以1 a為滑動窗長；r則是以實際震中為圓心，10 km為滑動步長，在30～250 km的范圍內多尺度半徑選取地震樣本進行Benioff應變釋放曲線的冪律擬和，由此得到m值及m值的擬合標準差Δm。在對累積Benioff應變釋放曲線進行非線性擬合時，給定參數的初值，進行迭代計算函數極小點參數值。擬合參數的結果通常與初值的選取有關，因此選取多初值擬合，用擬合的最小殘差值確定“擬合最佳解”的辦法來提高擬合的精確度(蔣長勝，2004)。在計算結果中為確保m值的可靠性，刪除了樣本數少于5個、非線性擬合與線性擬合均方差殘差比C>1、擬合標準差Δm>0.5的計算結果。因本文僅考慮地震矩加速釋放模型(即m<1的情況)，圖4給出研究時段內華北地區(qū)12次中強震前m值在t-r二維空間內克里金插值法繪出的等值線分布圖，表1中t-r列給出各次震例前m最低值出現(xiàn)的時—空二維尺度。

表1　1989年以來華北地區(qū)MS≥5.0地震震源參數

注：-表示Benioff累積應變減速釋放；+表示Benioff累積應變加速釋放；0表示Benioff累積應變勻速釋放.

由圖4可見，12次中強震前均存在或強或弱的AMR現(xiàn)象，但m值空間分布較為復雜，低值出現(xiàn)的時—空尺度差異顯著。如1998年河北張北MS6.2、1999年MS5.6和2006年河北文安MS5.1地震前m低值現(xiàn)象明顯，均出現(xiàn)m<0.3的時—空分布；1992年黃海MS5.3和1991年山西大同MS5.8地震前出現(xiàn)大范圍矩釋放的加速與減速交替發(fā)生的復雜圖像；1995年山東蒼山MS5.2地震與1995年河北唐山MS5.0地震前累積應變能幾乎為勻速釋放狀態(tài)；1991年山西忻州MS5.1、1989年山西大同MS5.7和1999年山西渾源MS5.6地震前，距離震中較遠的區(qū)域出現(xiàn)應變能釋放加速，而離震中較近的孕震區(qū)則表現(xiàn)出地震矩的勻速釋放特征。為提取華北地區(qū)具有普遍應用價值的AMR時—空特征尺度，本文將12次中強震按震級大小分為兩類，即MS5.0～5.5和MS5.6～6.4，同時定義了地震矩加速特征q值為

(2)

式中，n為震例個數，t和r是計算Benioff應變曲線的時、空參數，mi(t,r)為i第個震例的冪指數m值在二維空間的分布；RMSi-linear和RMSi-nonlinear分別為第i個震例在t-r二維空間中計算樣本的線性擬合和冪律擬合的均方根殘差，其中RMSi-linear/RMSi-nonlinear即為Bowman等(1998)定義的曲率參數，用于判斷臨界圓“最優(yōu)搜索半徑”的C值。這里的矩加速特征q值實際上是每個震例的特征值qi歸一化后，多震例所反映的地震矩加速釋放的平均時、空特征。圖5為提取出的華北地區(qū)中強震前AMR“優(yōu)勢”時—空特征尺度，即MS5.0～5.5地震優(yōu)勢時間窗t=4 a、掃描半徑r=110 km；MS5.6～6.4地震優(yōu)勢時間窗t=6 a、掃描半徑r=180 km，此參數與前人研究結果較為接近，基本符合最佳搜索半徑r與震級的線性相關。

4華北地區(qū)中強震前的矩加速釋放時空掃描

按照地震的臨界性概念，一次大地震的孕育初期，孕震系統(tǒng)并非一直處于臨界狀態(tài)，而是隨著周圍應力狀態(tài)的不斷演化逐漸接近并進入臨界狀態(tài)。在這一過程中，通常情況下孕震區(qū)中小地震活動的頻度和強度不斷增加，應變能釋放加速，直到強震發(fā)生，臨界狀態(tài)被破壞(Ben-Zio，Lyakhovsky，2002)。如果主震的震中在臨界點附近，主震發(fā)生前就可以通過對周圍地震的頻度或強度在一定時—空范圍的掃描尋找未來震中的位置。本文利用上述提取出的華北地區(qū)矩加速釋放時—空掃描模型參數對研究時段內12次MS≥5.0中強震進行時空掃描。首先將研究區(qū)劃分為0.15°×0.15°的網格空間，網格節(jié)點作為未來可能的震中位置，地震可能的“破裂時間”tf假定為震前1年、9個月、6個月、3個月、1個月和實際發(fā)震時刻，分別計算震前矩釋放程度m值的空間分布。掃描結果顯示，6次MS5.0～5.5地震前m值空間分布均雜亂無序，沒有明顯的應力優(yōu)勢集中區(qū)，并且與實際震中和發(fā)震時刻之間沒有關聯(lián)性可言。圖6為2006年7月4日河北文安MS5.1地震前AMR現(xiàn)象的掃描圖像，震中附近沒有出現(xiàn)明顯的矩釋放加速區(qū)域，而是隨著實際發(fā)震時刻的逐漸逼近，AMR現(xiàn)象逐漸遠離實際震中，外圍遠場的AMR演化圖像也沒有任何與實際震例時間相依的規(guī)律可言。對于6次MS5.6～6.4震例的AMR掃描結果則理想很多，6次中強震前都出現(xiàn)較長時間的AMR現(xiàn)象，且空間分布較為集中與實際震中有很好的對應關系。以1998年1月10日河北張北MS6.2地震為例(圖7)，震前1年至6個月，在實際震中附近出現(xiàn)明顯、穩(wěn)定的矩加速釋放區(qū)，隨著周圍應力場的調整，震前3個月至發(fā)震，震中附近的異常區(qū)域逐漸收縮，m<0.5的低值區(qū)域從不同方位向震中區(qū)逐漸逼近，時間上也表現(xiàn)出逐漸趨近于臨界狀態(tài)的趨勢，這種時—空上的一致性說明地震的孕育過程與AMR現(xiàn)象在物理上有一定的相關性。與此同時在沂沭帶南段也逐漸形成一個M<1的矩加速釋放區(qū)，但在之后的時間里，沂沭帶南段及周圍地區(qū)并未發(fā)生MS≥5地震，也說明了AMR現(xiàn)象及“破裂時間分析”等方法在實際地震預測中的不確定性和復雜性。為進一步考察華北地區(qū)中強震前震中區(qū)附近的矩加速釋放情況，分別以實際震中為圓心，采用與時—空掃描相同的模型參數(即MS5.0～5.5的地震半徑r=110 km，時間窗t=4 a；MS5.6～6.4的地震半徑r=180 km，時間窗t=6 a)，計算了12次MS≥5.0 地震震中區(qū)附近的Benioff累積應變能釋放情況，相應的Benioff應變釋放線性和非線性擬合情況(圖8)。從6次MS5.0～5.5地震的Benioff應變釋放曲線來看，除1992年黃海MS5.3地震外均表現(xiàn)為近勻速釋放狀態(tài)，與對m值的時—空掃描圖像結果基本一致，即震前在孕震區(qū)沒有明顯的應變能加速釋放或地震頻次增加的現(xiàn)象。而6次MS5.6～6.4中強震雖然在時—空掃描中存在大面積、穩(wěn)定的AMR現(xiàn)象，但對于破裂成核點附近的Benioff應變能釋曲線僅4例地震存在矩加速釋放現(xiàn)象，這說明AMR現(xiàn)象僅是中強震孕育發(fā)生的模式之一。從表1中可以清晰的看出，12次震例中僅5例震前在破裂成核點附近存在加速釋放特征，3例震前表現(xiàn)出應變的減速釋放特征，另外4例為勻速釋放。值得一提的是，在MS5.0～5.5震例中僅1例在震前表現(xiàn)出應變能加速，占總數的17%；而MS5.6～6.4的震例中有4例在震前存在矩加速釋放特征，占總數的67%。因此認為華北地區(qū)MS≥5.5中強震前的AMR現(xiàn)象更具有一定的普遍性，但卻不是充要條件。

中小地震叢集現(xiàn)象往往被認為是強震發(fā)生的前兆或構造活動的外釋信號，成為了地震預測的重要依據之一。2012年以來，華北地區(qū)最值得關注的震情活動是環(huán)渤海地區(qū)的中等地震及震群事件的頻發(fā)，先后發(fā)生了遼寧燈塔M5.1、內蒙通遼M5.3、吉林前郭M5.8和河北灤縣M4.8、山東萊州M4.6、乳山M4.3等中等地震，以及山東長島、萊州、乳山、遼寧海城、蓋州和河北贊皇、蔚縣等一系列圍繞渤海及郯廬斷裂帶北段的典型事件，這足以說明環(huán)渤海地區(qū)的應力背景處于高值水平。本文應用提取出的華北地區(qū)矩加速釋放模型參數，采用刪除余震并剔除干擾事件(M≥5.0)后MC2.5的地震目錄，假定發(fā)震時刻為2014年1月26日，來檢驗目前環(huán)渤海地區(qū)的AMR現(xiàn)象及Benioff應變釋放曲線情況，結果如圖9所示。

圖9a中顯示，在環(huán)渤海及黃海地區(qū)集中出現(xiàn)了北北西向展布的大面積的低值區(qū)域，矩加速釋放特征顯著。Benioff應變釋放曲線表明自2012年開始該區(qū)域處于應變能加速累積的階段，曲率參數C值為0.62，低于華北地區(qū)1989年以來12次中強震前的任何一次(圖9b)。

5結論和討論

本文利用地震矩釋放程度m值對1989年以來華北地區(qū)12次中強震前的AMR現(xiàn)象進行了回顧性震例檢驗。(1)通過對值在t-r二維空間的圖像分析，提取出了研究區(qū)與AMR現(xiàn)象有關的特征時—空尺度，即MS5.0～5.5地震在半徑r=110 km，時間窗長t=4 a，MS5.6～6.4 地震在半徑r=180 km，時間窗長t=6 a的情況下，AMR現(xiàn)象更具有“優(yōu)勢”和普遍性。(2)利用得到的特征時—空尺度對每個震例進行震前1 a至震時，依次遞減3個月在空間范圍的掃描。結果顯示，除1992年黃海MS5.3地震外的5次MS5.0～5.5地震前AMR現(xiàn)象沒有形成明顯的優(yōu)勢集中區(qū)，與實際震中和發(fā)震時刻沒有關聯(lián)性；6次MS5.6～6.4地震前在震中區(qū)附近均出現(xiàn)顯著、穩(wěn)定的距加速釋放區(qū)域，值隨著實際發(fā)震時刻的臨近而逐漸減小或向震中位置逐漸收縮，AMR現(xiàn)象出現(xiàn)的空間區(qū)域與實際震中也有較好的對應關系。(3)考察了震前震中區(qū)附近的Benioff應變釋放情況，12次震例中有5例在破裂成核點附近存在AMR現(xiàn)象，與空間掃描結果基本一致，說明華北地區(qū)MS≥5.5中強震前AMR現(xiàn)象存在一定的普遍性，與區(qū)域地震孕育的物理過程有一定的相關性。(4)對研究區(qū)目前地震矩釋放程度時—空掃描的結果顯示，環(huán)渤海地區(qū)存在顯著的矩加速釋放特征，Benioff應變釋放曲線表明背景應力水平較高。(5)通過上述研究，不難發(fā)現(xiàn)地震能量的累積釋放與時間的關系比簡單的用AMR模型來描述要復雜很多，一些地震前沒有AMR現(xiàn)象出現(xiàn)，出現(xiàn)AMR現(xiàn)象也不一定會有中強地震發(fā)生，因此用矩釋放程度的時—空掃描方法對未來中強震發(fā)震地點的預測需要與其它地震學預測方法相互映證，綜合考慮。

本研究在成文過程中得到山東省地震局劉希強研究員、山長侖高級工程師的幫助，審稿專家提出了諸多有益建議，在此深表感謝。

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Firstly，we study the accelerating moment release(AMR)before the 12MS≥5.0 moderate-strong earthquakes in North China region since 1989 by using the accelerating moment releasem-value.Secondly，based on the catalogue of deleted aftershock，we extracted a temporal-spatial window related with AMR as the scanning model parameter in North China.Using the three monthly spatial scanning modes in one year before the earthquake，we obtained the temporal evolution variation ofm-value with time，and investigated the Benioff train release around the epicenter area of 12 earthquakes.The result indicates that there was no obvious correlation between the AMR appeared beforeMS5.6～6.4 earthquakes and origin time.There appeared stable and concentrated AMR area before the 67% earthquakes out of theMS5.6～6.4 studied events around the epicenter area，which showed that the AMR phenomenon appeared beforeMS≥5.0 moderate-strong earthquakes had a certain universality in North China.Using AMR to forecast the site of future moderate-strong earthquakes has some potential and develop ability，but it still needed other ways to evident.

Key words：seismic accelerating moment release；Benioff strain release；spatial scanning；the north China region

*收稿日期：2014-02-27. 基金項目：2012年度山東省自然科學基金青年項目(ZR2012DQ009)和“中國大陸未來10年M≥7.0地震危險區(qū)預測”工作專項聯(lián)合資助.

中圖分類號：P315.5

文獻標識碼：A

文章編號：1000-0666(2015)03-0359-11

Research on Spatial Scanning Characteristic of Accelerating Moment Release before Moderate-strong Earthquakes in North China Region since 1989

LI Xia1，JIANG Chang-sheng2，YAN De-qiao1，ZHANG Zhi-hui1，YIN Xiang-hao1，CHEN Chuan-hua1，WANG Zheng1

(1.Earthquake Administration of Shandong Province，Jinan 250014，Shandong，China) (2.Institute of Geophysics，CEA，Beijing 100081，China)

Abstract