薛 丁

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

地震活動是非線性的，導致地震處于短臨階段直到發(fā)生時難有準確的預測，但人類研究地震有多種方法。因為地震發(fā)生總是與活動構(gòu)造相關(guān)；而且地震活動還具有非均勻性和非平穩(wěn)性，地震活動總有平靜和活躍過程，即周期性，同時也包含強弱程度。所以，要想預測地震，就必須知道預測的地方有沒有活動構(gòu)造，有活動構(gòu)造時，要對其中活動斷層的活動性和地震活動的非均勻性與非平穩(wěn)性非常清楚，進而作出中長期趨勢判定[1-5]，提出回避和遠離震源區(qū)等的預防措施。特別地，人類要對已經(jīng)發(fā)生了強震地區(qū)的地震構(gòu)造和地震活動進行詳細的研究。針對活動構(gòu)造單元岷山斷塊隆起，本文對2017年8月8日九寨溝7.0級地震的地震構(gòu)造和地震活動進行了分析和研究。

1 資料選取

活動構(gòu)造單元的地震活動受地震大環(huán)境的影響是無疑的，但更有其自己的特點。岷山斷塊隆起近南北向分布，勾勒岷山斷塊隆起的邊緣，從劃定矩形區(qū)域(32°20′～33°40′，103°20′～104°30′)選取地震活動資料，研究該活動構(gòu)造單元的地震活動性。同一活動構(gòu)造單元動力學、運動學特性一致[6-7]，按其邊界劃分選取資料，研究其地震活動性，具有相對獨立性和針對性。因為不同的邊界決定了地震樣本的不同歸屬，不同的資料選取可能會得到不同的研究結(jié)果，或?qū)е卵芯康牟町愋?所以應采用研究成熟的方案。本文采用Mapsis軟件方案[8]，選取了有地震記錄以來的Ms≥5.0歷史地震和強震震源機制(參見圖1a)。1970年以來到現(xiàn)今儀器記錄的地震，按照區(qū)間極值法BMM(Block Maximum Method) 選取極大值地震，其做法是將觀測時間劃分為一系列等間隔時間區(qū)間，在每個區(qū)間上選取觀測的極大值[9-10]。本文以季度為區(qū)間(即采樣頻率Fs=4，依采樣定理可分辨的最小周期為半年)，選取1970年以來的極大值地震，構(gòu)建岷山斷塊隆起極大值地震活動序列(參見圖1b)?；顒訕?gòu)造單元的極大值地震序列應具有地震活動水平的代表性和方便使用計算研究的實用性[1-5]。

2 地震構(gòu)造與地震活動

2017年8月8日九寨溝7.0級地震震區(qū)的新構(gòu)造單元是岷山斷塊隆起。岷山斷塊隆起位于龍門山逆掩推覆構(gòu)造帶中段以北，作南北向延伸，長達150 km，寬50～60 km。向北至西秦嶺地區(qū)已不明顯，向南合并于龍門山中段的中高山區(qū)(參見圖1)。它是一個運動十分強烈的隆起帶，由一系列海拔 4 500 m以上的山峰組成，最高峰雪寶頂海拔高度達 5 588 m。它構(gòu)成了岷江和涪江兩大水系的分水嶺[11]。岷山斷塊隆起的東、西邊界分別受岷江斷裂帶與虎牙斷裂帶的控制，由岷江斷裂和虎牙斷裂自西向東的斜推覆逆掩運動所形成，處于我國南北地震帶的中段，為強地震活動帶。岷江斷裂帶第四紀以來表現(xiàn)為明顯的推覆逆掩運動并具有一定的左旋走滑分量，左旋滑動速率為1 mm/a，水平位錯量與垂直位錯量大致相當。岷江斷裂帶由數(shù)條次級斷裂呈羽列組合而成，右階羽列區(qū)的羽列距最大達3 km，控制了低序次的地震破裂單元[12-13]。6級以上強震叢集于強烈活動的斷塊邊界斷裂上，與斷裂的活動性質(zhì)具有密切的成因聯(lián)系。

圖1 九寨溝7.0級地震震中附近主要斷裂和地震活動

虎牙斷裂總體走向為北北西向，長度60 km以上。斷裂分段大致以小河為界，北段走向由北北西轉(zhuǎn)南北，傾向東，傾角 80°左右，北段仍在向北北西繼續(xù)延伸，地貌顯示新生隆起帶；南段走向由南北轉(zhuǎn)南東，傾向西，傾角由北往南，由 70°變?yōu)?30°。南段發(fā)育有一系列相互平行的沖斷層，斷面上可見斜向擦痕，具壓扭特征。喜馬拉雅山運動以來，伴隨著青藏高原的解體和岷山南北向隆起，沿虎牙斷裂帶形成宏偉壯觀的斷裂谷地。虎牙斷裂的左旋走滑速率為1.4 mm/a[14]。

震中附近的主要斷裂及歷史地震震中分布(參見圖1)。該地區(qū)是地震多發(fā)區(qū)域，地震震中位于岷江斷裂、虎牙斷裂附近。此次九寨溝7.0級地震位于虎牙斷裂的端部。1630年以來，共發(fā)生8次6級以上地震：1630年01月16日四川松潘小河6級、1748年5月2日四川松潘北6級、1960年11月9日四川松潘6.7級、1973年8月11日四川松潘東北6.5級、1976年8月16日四川松潘小河7.2級、1976年8月22日四川平武北6.7級、 1976年8月23日四川松潘、平武間7.2級。最大為1976年8月16日、23日發(fā)生在松潘—平武的兩次7.2級地震。1976年8月16～23日，四川省松潘—平武交界地區(qū)的虎牙斷裂帶中南段發(fā)生了由7.2、6.7、7.2級3次地震組成的強震群，此前的1973年8月11日還在虎牙斷裂帶北段發(fā)生松潘黃龍6.5強震，這4次強震在空間沿虎牙斷裂帶由北而南分布[15]。岷山斷塊強震的震源機制解表明，區(qū)域應力場的P軸優(yōu)勢取向為NWW(近EW向)，仰角較小，強震具有較大的逆沖滑動分量(參見表1、圖1a)。分析認為，始新世末印度板塊與歐亞板塊發(fā)生碰撞向北東方向推擠，青藏高原形成，位于青藏高原內(nèi)部的川西高原次級地塊，在主壓應力軸方位為NWW向的現(xiàn)代應力場作用下，向ES方向擠出，走滑兼旋轉(zhuǎn)運動是岷山斷塊隆起形成并在邊界斷裂伴隨發(fā)生強震的主要動力來源。

2017年08月08日九寨溝7.0級地震的震中附近，除了岷江斷裂、虎牙斷裂，北面有北西向的塔藏斷裂帶分支斷裂，南面有東西向的雪寶頂斷裂，都是邊界活動斷裂，具有發(fā)生強震的構(gòu)造條件。這次地震的余震分布明顯呈NNW向，與上述主要活動斷裂中的虎牙斷裂方向相符，地震震區(qū)地震強度圖呈明顯橢圓形，長軸方向為NNW向(www.csi.ac.cn)。主震震源機制解主節(jié)面之一為NW向(參見表1、圖1a)。1970年極大值地震序列主要沿虎牙斷裂NW向分布(參見圖1b)，其地震活動性明顯高于岷江斷裂。因此可以推斷這次地震的發(fā)生是虎牙斷裂北北西向延伸。發(fā)震構(gòu)造可以是發(fā)生錯動產(chǎn)生地震的先存活動斷層，也可以是超過巖石強度極限發(fā)生破裂產(chǎn)生地震的新生斷層，九寨溝7.0級地震是先存活動斷層虎牙斷裂北北西向繼續(xù)延伸破裂的結(jié)果，破裂為左旋走滑扭動。

注：1 中國震例[23]；2 美國哈佛大學Harvard CMT

3 現(xiàn)今地震活動分析

3.1 小波變換方法

用小波進行分析研究時，首先要進行小波窗函數(shù)(基函數(shù))的選擇，選擇時要考慮小波窗函數(shù)的正交與非正交、實數(shù)與復數(shù)、寬度與形狀等因素[17-18]。本文選擇Morlet小波，它具有非正交特性，由高斯函數(shù)調(diào)節(jié)零均值平穩(wěn)波得到：

ψ(η)=π-1/4eiωηe-η2/2

(1)

式中，ω為無量綱頻率；η為時間參數(shù)。假定信號xn(n=1,2,…,N)為等時間間隔的時間序列，其連續(xù)小波變換定義為信號和小波窗函數(shù)ψ(η)的卷積：

(2)

式中，*表示共軛復小波，wn(s)為小波變換系數(shù)。定義2為小波功率譜(waveletpowerspectrum)，該功率譜表達了在一系列小波尺度下時頻域內(nèi)的功率變化[17-20]。

3.2 結(jié)果及分析

傳統(tǒng)頻譜分析方法只能在頻域進行分析，不具有聯(lián)合時域進行綜合分析的能力，不能對地震活動非平穩(wěn)、非均勻性對應于時間、頻率的局部細化特征有所了解，即無法進行時頻域高分辨率綜合分析。但是，地震活動強度對應時間、頻率上的規(guī)律或特性在時頻域局部特性上有別于一般隨機白噪聲，因此，可用先進的小波時頻功率譜結(jié)合傳統(tǒng)頻譜方法進行綜合分析地震活動規(guī)律的研究。

岷山斷塊是活動構(gòu)造，是一個強地震活動帶，每個季度會發(fā)生數(shù)次地震(可能有的季度未記錄到地震，以極小值地震代替)，選擇其極大值地震為代表來構(gòu)成地震活動的時間過程(參見圖2a)。用該地震序列進行小波時頻功率譜分析(參見圖2b)，圖2b是地震活動時間序列通過方差標準化的小波時頻功率譜，給出地震強度在時頻譜中的相對變化特征。從小波時頻功率譜中，我們可以看到地震功率在時間和頻率上的變化特征，充分地展示了岷山斷塊地震活動的周期性、非均勻性分布特征，成為做出中長期趨勢判定的依據(jù)。

粗等值線區(qū)域高于背景譜具有95%置信水平，粗短劃線以下為邊界效應區(qū)域圖2 岷山斷塊地震構(gòu)造的季度極值地震活動序列及其小波時頻功率譜

分析功率譜的年際變化，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采用季采樣的數(shù)據(jù)，可分析半年以上時間尺度的周期特征[21]。時間段在1973～1979年顯著周期為0.5～4年，功率強。1991～1997年，顯著周期為0.5～3年，功率強。2017年開始顯著周期為0.5～4年，功率強，時間可能持續(xù)6年到2023年，地震活動又進入活躍期。時間段在1980～1990年，顯著周期在1.5年之內(nèi)，功率弱。時間段在1998～2016年顯著周期在1.5年之內(nèi)，功率弱對應地震活動顯示為較小波動，為平靜期。從整體時間、頻率域綜合分析功率譜，地震活動的時頻強特征非常明顯，顯著周期表現(xiàn)為從4～1.5年到從1.5～4年的明顯轉(zhuǎn)移變化，功率的強弱有從強到弱、從弱到強的演化過程。顯著周期較長，地震強度較強；顯著周期較短，地震活動強度較小。

粗點畫線為95%置信度線圖3 地震極值序列的全局周期譜

傅立葉頻譜分析給出了全局周期譜(參見圖3)，顯示了有20年、4年、1.5年左右的顯著周期。但在小波時頻功率譜圖中(參見圖2b)，觀測資料的有限性顯然會影響到可分析的最長周期，對于20年左右的長周期來說，受到觀測資料長度有限性的影響，出現(xiàn)邊界效應。與背景譜對比，使用顯著性檢驗[17-18,21-22]，檢驗不顯著，置信水平低于95%，小波時頻功率譜中未顯示20年左右周期上的較強功率。隨著資料長度的逐漸積累，對長周期顯著性檢驗的影響越來越小，邊界效應逐漸減小。但綜合分析傅立葉全局周期譜時，可根據(jù)20年左右的周期判定當前的地震趨勢，1976年前后為活躍期，經(jīng)過2個周期，2016年左右應進入活躍期。

4 討論與結(jié)論

活動斷塊是現(xiàn)今構(gòu)造運動最基本的型式，它控制了主要活動構(gòu)造帶和地震活動帶的分布，也控制了不同地區(qū)地震活動特征的差異。斷塊邊界構(gòu)造帶是在構(gòu)造變形和運動場中的不連續(xù)變形帶，應力在此釋放，位移在此發(fā)生，其差異活動最為強烈，因此，斷塊邊界構(gòu)造帶是強震發(fā)生帶，其活動性質(zhì)會控制震源斷層的特性[23]。大地震孕育和發(fā)生在邊界構(gòu)造帶的端部、轉(zhuǎn)折等某些特殊部位，對其孕育的構(gòu)造和物理過程需深入研究。

震中附近的主要斷裂及歷史地震震中分布，主震震源機制解主節(jié)面之一為NW向。1970年極大值地震序列分布NW向。九寨溝7.0級地震是活動斷塊邊界斷裂持續(xù)活動的結(jié)果，九寨溝7.0級地震可能是原活動斷層虎牙斷裂的北北西端部繼續(xù)延伸破裂的結(jié)果，破裂為左旋走滑扭動。它與2008年汶川8.0級地震、2013年的雅安7.0級地震成因一樣，處于同一大地構(gòu)造背景，都是印度板塊與歐亞板塊碰撞施加構(gòu)造應力所致[24-29]。

功率譜的年際變化表明，時間段在1973～1979年顯著周期為0.5～4年，功率強。1991～1997年，顯著周期為0.5～3年，功率強。2017年開始顯著周期為0.5～4年，功率強，地震活動又進入活躍期。傅立葉頻譜分析給出了全局周期譜，顯示了有20年、4年和1.5年左右的顯著周期。1976年前后為活躍期，經(jīng)過2個周期，2016年左右應進入活躍期。小波時頻功率譜具有多分辨分析(Multi-resolutionanalysis)的特點，在時頻域都具有表征信號局部特征的能力。在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，克服了傅立葉頻譜分析非平穩(wěn)信號單一分辨率的困難，可以準確地表達信號時頻的局部特性。實際資料的應用表明，小波功率譜結(jié)合傳統(tǒng)傅立葉頻譜進行分析，更好地反映了信號的幅值隨時間和頻率的變化規(guī)律。小波功率譜成為中長期趨勢判定的依據(jù)有一定的參考意義。

本文針對地震活動的構(gòu)造單元，依據(jù)統(tǒng)計極大值地震活動序列的小波時頻功率譜，探討了震區(qū)岷山斷塊隆起地震趨勢，認為其未來處于活躍水平階段。

[1] 薛丁,曹井泉.基于活動地塊的測震學參數(shù)中期地震預測應用[J].西北地震學報,2005,27(S1):77-82.

[2] 薛丁.基于活動地塊邊界帶的測震學參數(shù)Mf值對麗江地震的預測應用[J].地震,2008,28(2):74-78.

[3] 薛丁,王立巍,趙蒙生.汾渭地震帶地震趨勢數(shù)學建模分析[J].地震,2010,30(1):147-151.

[4] 薛丁.昆侖山地震亞區(qū)地震趨勢建模探討[J].高原地震,2014,26(4):1-4.

[5] 薛丁,高立新,丁風和,戴勇.三角級數(shù)建模對臺灣地震區(qū)單步預測檢驗及地震趨勢探討[J].華南地震,2017,37(01):17-21.

[6] 鄧起東,陳社發(fā),趙小麟.龍門山及其鄰區(qū)的構(gòu)造和地震活動及動力學[J].地震地質(zhì),1994,16(4):389-403.

[7] 胡聿賢.地震安全性評價技術(shù)教程[M].2nded.北京:地震出版社,2003：65-73,322-342.

[8] 陸遠忠，李勝樂，鄧志輝，等．基于GIS的地震分析預報系統(tǒng)[M]．成都：成都地圖出版社，2002.

[9]PickandsJ.Statisticalinferenceusingextremeorderstatistics[J].AnnStat,1975,3:119-131.

[10]LonginFM.Fromvalueatrisktostresstesting:Theextremevalueapproach[J].JournalofBankingandFinance, 2000,24:1097-1130.

[11] 鄧起東,陳社發(fā),趙小麟.龍門山及其鄰區(qū)的構(gòu)造和地震活動及動力學[J].地震地質(zhì),1994,16(4):389-403.

[12] 周榮軍,蒲曉虹,何玉林,等.四川岷江斷裂帶北段的新活動、岷山斷塊的隆起及其與地震活動的關(guān)系[J].地震地質(zhì),2000, 22(3):285-294.

[13] 蔣良文,王士天,王運生,等.川西北斷塊東部區(qū)域活動構(gòu)造體系及其對地震活動的控制作用[J].成都理工大學學報(自科版),2005,32(4):340-344.

[14] 鄧起東.龍門山及鄰區(qū)區(qū)域活動構(gòu)造與汶川8.0級地震[J].國際地震動態(tài),2010(6):6-7.

[15] 朱航,聞學澤.1973～1976年四川松潘強震序列的應力觸發(fā)過程[J].地球物理學報,2009,52(4):994-1003.

[16] 程式,任昭明,陳農(nóng).1973年8月11日四川松潘(黃龍)6.5級地震[M].北京:中國震例，地震出版社，1988。

[17]TorrenceC,CompoGP.Apracticalguidetowaveletanalysis.BulletinoftheAmericanMeteorologicalSociety.1998.79(1):61-78.

[18]TorrenceC,WebsterPJ.InterdecadalChangesintheENSO-Monsoonsystem.1999.Journalofclimate.1999.12:2679-2690.

[19]LafrenièreM,SharpM.Waveletanalysisofinter-annualvariabilityintherunoffregimesofglacialandnivalstreamcatchments,BowLake,Alberta.HydrologicalProcess.2003.17,1093-1118.

[20]GrinstedA,JevrejevaS,MooreJ.Applicationofthecrosswavelettransformandwaveletcoherencetogeophysicaltimeseries.NonlinearProcessesinGeophysics.2004.11:561-566.

[21] 林從容,賈平,謝求成.Shannon采樣定理的由來和一些數(shù)學方面的發(fā)展[J].遙測遙控,1998,19(3):41-46.

[22] 尹繼堯,朱元清,宋治平,張國民,薛艷,劉杰.Morlet小波顯著性檢驗和精度分析在地磁場和地震活動性周期分析中的應用[J].地震學報,2011,33(5):663-671

[23] 鄧起東,高翔,楊虎.斷塊構(gòu)造、活動斷塊構(gòu)造與地震活動[J].地質(zhì)科學,2009,44(4):1083-1093.

[24] 杜方,龍鋒,阮祥,易桂喜,宮悅,趙敏,張致偉,喬慧珍,汪智,吳江. 四川蘆山7.0級地震及其與汶川8.0級地震的關(guān)系[J]. 地球物理學報,2013,56(05):1772-1783.

[25] 杜方,蘇有錦,龍鋒,趙小艷,吳江.蘆山7.0級、汶川8.0級地震與巴顏喀拉地塊東緣區(qū)域歷史地震[J].地球物理學進展,2015,30(04):1569-1579.

[26] 聞學澤,杜方,張培震,龍鋒.巴顏喀拉塊體北和東邊界大地震序列的關(guān)聯(lián)性與2008年汶川地震[J].地球物理學報,2011,54(03):706-716.

[27] 聞學澤,張培震,杜方,龍鋒.2008年汶川8.0級地震發(fā)生的歷史與現(xiàn)今地震活動背景[J].地球物理學報,2009,52(02):444-454.

[28] 徐錫偉,聞學澤,韓竹軍,陳桂華,李傳友,鄭文俊,張世民,任治坤,許沖,譚錫斌,魏占玉,王明明,任俊杰,何仲,梁明劍.四川蘆山7.0級強震:一次典型的盲逆斷層型地震[J].科學通報,2013,58(20):1887-1893.

[29] 張永久. 2008年汶川8.0級地震前川青塊體及鄰區(qū)地震活動性分析[J].四川地震,2012(1):17-23.