彭關(guān)靈,趙小艷,劉自鳳,孔德育
(云南省地震局,云南 昆明 650224)
地震孕育過程研究的一個(gè)基本問題是震源區(qū)周邊的應(yīng)力調(diào)整過程,即對(duì)其空間分布和時(shí)間演變特征進(jìn)行分析,以及對(duì)其作為前兆現(xiàn)象的特征進(jìn)行提取。但由于多方面的原因,目前難以對(duì)應(yīng)力分布情況和應(yīng)力水平做出一個(gè)直接的測(cè)量或估計(jì)。地震視應(yīng)力定義為單位地震矩或單位面積斷層上的單位錯(cuò)動(dòng)釋放的地震波能量,是震源輻射地震波能力的一種量度,可作為震源區(qū)絕對(duì)應(yīng)力水平的下限估計(jì)(Wu,2001;吳忠良等,2002)。近年來(lái),地震視應(yīng)力逐漸被應(yīng)用于斷裂帶應(yīng)力狀態(tài)分析與地震趨勢(shì)判定。易桂喜等(2011)計(jì)算了2018年汶川8.0級(jí)地震前研究區(qū)的地震視應(yīng)力,結(jié)果顯示龍門山斷裂帶中北段的綿竹—茂縣段與江油—平武段地震視應(yīng)力較高,這2個(gè)地段也是汶川主震破裂的中心部分和地面嚴(yán)重破壞的地段。李艷娥等(2012)研究了2007年6月3日云南寧洱6.4級(jí)地震前視應(yīng)力時(shí)空變化特征,結(jié)果顯示地震前震中周邊存在視應(yīng)力高值異常區(qū)域。劉紅桂等(2007)計(jì)算1999年7月—2005年4月云南地區(qū)中小地震視應(yīng)力,分析發(fā)現(xiàn)云南地區(qū)中小地震的視應(yīng)力值超過0.9 MPa,可以作為預(yù)測(cè)該地區(qū)未來(lái)可能發(fā)生中強(qiáng)地震的一個(gè)參考指標(biāo)。
2018年8月13日1時(shí)44分云南通海發(fā)生MS5.0地震,8月14日3時(shí)50分該地再次發(fā)生MS5.0地震。2次地震的震中位置相同,且距1970年通海7.8級(jí)地震震中約31 km,引起了社會(huì)各界及災(zāi)區(qū)群眾的廣泛關(guān)注。本文利用云南數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)波形資料,測(cè)定了2008年1月1日至2018年8月13日,通海MS5.0地震震中100 km范圍內(nèi)的中小地震的震源參數(shù),分析震源參數(shù)的定標(biāo)律關(guān)系以及地震視應(yīng)力值的時(shí)空變化特征,探討通海地震前異常變化。
2018年云南通海MS5.0地震發(fā)生在川滇菱形塊體南端,距震中約100 km范圍內(nèi)主要發(fā)育有NW向的紅河斷裂、楚雄—建水?dāng)嗔押颓瓟嗔?,以及近SN向的元謀—綠汁江斷裂、湯郎—易門斷裂、普渡河斷裂和小江斷裂南段等主要活動(dòng)斷裂,是幾條大斷裂交匯位置,構(gòu)造復(fù)雜。震區(qū)鄰近斷裂有曲江—石屏斷裂帶的次級(jí)斷裂玉江斷裂、小江斷裂帶西支南段的次級(jí)斷裂明星—二街?jǐn)嗔?圖1)。小江斷裂帶形成于古生代并定形于中生代,向下至少深切至下地殼(Mouslopoulouetal,2007)。新生代早期以來(lái),隨著川滇活動(dòng)塊體的形成及其朝SE—SSE的主動(dòng)滑移運(yùn)動(dòng)(Tapponnieretal,1982;張培震等,2003),小江斷裂帶成為該塊體東邊界的南段(或東南邊界),呈現(xiàn)以西盤為主動(dòng)盤的強(qiáng)烈左旋走滑運(yùn)動(dòng)。該斷裂帶華寧以北平均左旋滑動(dòng)速率8~10 mm/a,如此高速率的活動(dòng)性使得小江斷裂帶成為云南地區(qū)最強(qiáng)烈的地震發(fā)生帶,500多年來(lái),已發(fā)生M≥6地震16次,其中M≥7地震4次、M≥8地震1次(聞學(xué)澤等,2011)。曲江斷裂帶形成于古生代,新生代以來(lái)由于川滇塊體SSE向的擠出運(yùn)動(dòng),表現(xiàn)出以右旋走滑為主、兼擠壓逆沖的運(yùn)動(dòng)特征(Wang,1998;劉祖蔭等,1999),現(xiàn)代右旋水平滑動(dòng)/剪切變形總速率約為4.5 mm/a。高速率的活動(dòng)性使得該斷裂帶成為云南地區(qū)第二個(gè)最活動(dòng)的強(qiáng)震發(fā)生帶(聞學(xué)澤等,2011)。1970年通海7.8級(jí)地震就發(fā)生于該斷裂帶。本次通海MS5.0地震與該區(qū)的強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)密切相關(guān)。
圖1 2008年1月1日—2018年8月13日滇南地區(qū)3.0≤ML≤5.0震中分布及構(gòu)造圖Fig.1 Distribution of 3.0≤ML≤5.0 earthquakes from Jan.1,2008 to Aug.13,2018 and active tectonics in the southern Yunnan
由于介質(zhì)幾何擴(kuò)散、非彈性衰減、臺(tái)站響應(yīng)、儀器響應(yīng)和震源輻射花樣等因素的影響,由波形數(shù)據(jù)計(jì)算震源參數(shù)的結(jié)果存在不確定性(楊志高,張曉東,2010)。另外,地震視應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與地震臺(tái)站布局密切相關(guān)。通海地震震中200 km范圍內(nèi)有20個(gè)固定地震臺(tái),形成了密集且包圍較好的觀測(cè)臺(tái)網(wǎng),為震源參數(shù)計(jì)算提供了豐富的地震波形和觀測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù),且波形數(shù)據(jù)信噪比較高。
利用云南地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)字波形資料,在近震源條件下,選用震中距在200 km以內(nèi)的臺(tái)站,根據(jù)各臺(tái)站記錄到的波形情況,選取信噪比較高、記錄較清晰的波形數(shù)據(jù),計(jì)算了2008年1月1日—2018年8月13日共85個(gè)3.0≤ML<5.0地震的震源參數(shù)(圖1)。在進(jìn)行震源譜計(jì)算時(shí),選取S波波段1.0~20.0 Hz范圍內(nèi)的波形進(jìn)行分析。選取P波到時(shí)前256個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為背景噪聲數(shù)據(jù)(劉紅桂等,2004),在頻率域中,由信號(hào)譜減去噪聲譜得到S波的譜信息。
在頻率域,臺(tái)站j記錄到的地震i的觀測(cè)位移Uij(f)可表示為(趙翠萍等,2011):
Uij(f)=[Si(f)ΦPij(f)Lj(f)+Nj(f)]Ij(f)Surj
(1)
式中:f為頻率;Si(f)即為地震i的震源譜;Φ為震源輻射圖形因子;Pij(f)為地震波從震源i到臺(tái)站j的傳播路徑效應(yīng)項(xiàng),描述地震波在傳播過程中的衰減,其中包括了地震波的幾何擴(kuò)散和非彈性衰減;Lj(f)為臺(tái)站j的局部場(chǎng)地效應(yīng),描述臺(tái)站附近近地表地層介質(zhì)對(duì)地震波動(dòng)的放大作用;Nj(f)為臺(tái)站j記錄的噪音;Ij(f)為臺(tái)站j的儀器響應(yīng)函數(shù);Surj為地表自由表面效應(yīng),描述地震波入射地表自由表面時(shí)的反射特征。
理論上SH波入射地表時(shí),只產(chǎn)生反射的SH波,反射波的位移與入射波的位移相等,記錄的SH波位移正好為入射波位移的2倍,即對(duì)地表臺(tái)站的SH波記錄,式(1)中的Surj=2,而對(duì)井下擺記錄Surj=1。消除噪音項(xiàng)Nj(f)、儀器項(xiàng)Ij(f)后,Uij(f)表示為:
Uij(f)=Si(f)ΦPij(f)Lj(f)
(2)
由式(2)可知:要由地震記錄Uij(f)獲得震源譜Si(f),必須消除公式右側(cè)其他各項(xiàng)的影響;Pij(f)項(xiàng)與臺(tái)站-震源的傳播路徑及頻率有關(guān);Lj(f)與各個(gè)臺(tái)站具體的場(chǎng)地及頻率有關(guān)。在用觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合震源譜并計(jì)算震源參數(shù)時(shí),由于路徑、場(chǎng)地等影響之間的相互耦合及不確定性,本文不考慮場(chǎng)地的影響。在近震源條件下,震中距較小,可以忽略非彈性衰減的影響(陳學(xué)忠,李艷娥,2007),對(duì)于Pij(f)項(xiàng)的幾何擴(kuò)散,本文采用Atkinson(1992)提出的三段幾何擴(kuò)散模型進(jìn)行校正。
視應(yīng)力(σapp)定義為:
(3)
式中:ES為地震波的輻射能量;M0為地震矩;μ為震源區(qū)的介質(zhì)剪切模量(對(duì)于地殼介質(zhì),μ取3×104MPa)(Wyss,Brune,1968;Choy,Boatwright,1995;Wu,2001)。地震矩表示為:
M0=μAD
(4)
式中:A是斷層面積;D是平均錯(cuò)距。把式(4)代入式(3),可得:
(5)
所以,視應(yīng)力表示單位斷層面發(fā)生平均錯(cuò)動(dòng)所輻射的地震波能量。
對(duì)中小地震,震源譜符合Brune圓盤模型(Brune,1970),震源譜可表示為:
(6)
式中:Ω0為震源譜的零頻極限值;fc為拐角頻率。
將地震震源譜與理論震源譜進(jìn)行擬合,即可得到相應(yīng)的震源譜參數(shù),進(jìn)而得到震源參數(shù)Ω0,fc。
根據(jù)上述方法分別求得每個(gè)臺(tái)站的地震矩M0、地震波輻射能量ES及地震視應(yīng)力σapp,再由各臺(tái)站的值求其平均值。為了消除個(gè)別臺(tái)站的異常高值對(duì)平均值的影響,采用Archuleta(1982)的方法:
(7)
式中:xi為各臺(tái)站的地震矩或地震能量或地震視應(yīng)力;N為臺(tái)站數(shù)。
通過分析85個(gè)3.0≤ML<5.0地震的震源參數(shù),得到震源參數(shù)之間的標(biāo)度關(guān)系,如圖2,3所示。
視應(yīng)力與震級(jí)之間的擬合關(guān)系式為:
lgσapp=0.599ML-3.924
(8)
輻射能量與震級(jí)之間的擬合關(guān)系式為:
lgES=1.801ML-3.897
(9)
ρ=0.73
地震矩與震級(jí)之間的擬合關(guān)系式為:
lgM0=1.290ML-1.792
(10)
ρ=0.74
視應(yīng)力與地震矩之間的擬合關(guān)系式為:
(1)工程管理?xiàng)l線系統(tǒng)一體化:工程管理系統(tǒng)及移動(dòng)應(yīng)用全面深入使用,將工程管理體系及制定整合進(jìn)入系統(tǒng),全面提升工程管理的效率及質(zhì)量。(2)客戶服務(wù)條線系統(tǒng)一體化:營(yíng)收、報(bào)裝、表務(wù)、客戶信息、抄表全部納入一個(gè)系統(tǒng)中,微信公眾號(hào)、熱線系統(tǒng)及機(jī)器人等。(3)管網(wǎng)運(yùn)行條線系統(tǒng)一體化:GIS為基礎(chǔ),整合水力模型、SCADA、工程系統(tǒng)、DMA、產(chǎn)銷差計(jì)算、外業(yè)巡線、消火栓等內(nèi)容。(4)動(dòng)態(tài)水力模型,智慧生產(chǎn)。(5)系統(tǒng)辦公全面、高效、便捷、充分。(6)智慧水務(wù)管控一體化平臺(tái)基本建成,試用磨合及優(yōu)化。
lgσapp=0.323lgM0-2.722
(11)
ρ=0.37
拐角頻率與地震矩之間的擬合關(guān)系式為:
lgfc=0.225lgM0+0.493
(12)
ρ=-0.41
式中:ρ表示皮爾遜相關(guān)系數(shù),當(dāng)ρ=1時(shí),為完全正相關(guān);當(dāng)ρ=-1時(shí),為完全負(fù)相關(guān);相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大,相關(guān)性越強(qiáng);相關(guān)系數(shù)越接近于0,相關(guān)性越弱。
由圖2、圖3可見,震源參數(shù)間擬合線性趨勢(shì)明顯。視應(yīng)力與震級(jí)之間ρ=0.63,表明視應(yīng)力與震級(jí)的相關(guān)性較強(qiáng)。視應(yīng)力與地震矩之間ρ=0.37,表明視應(yīng)力與地震矩的相關(guān)性不顯著。
吳忠良(2001)針對(duì)1987年1月—1998年12月全球走滑型和非走滑型淺源地震,給出了能量和地震矩之比與地震矩的關(guān)系。結(jié)果顯示,盡管數(shù)據(jù)離散很大,仍能看出走滑型地震的能量與地震矩之比基本保持不變,并略有上升,而非走滑型地震的能量與地震矩之比呈明顯的下降趨勢(shì)。本次研究與第一種情況相符,這也符合研究區(qū)域的構(gòu)造特征。
由于視應(yīng)力與震級(jí)的相關(guān)性較高。當(dāng)研究樣本的震級(jí)范圍變大,不采取任何震級(jí)校正措施研究視應(yīng)力的時(shí)空分布時(shí),可能得到的是地震輻射能量的時(shí)空特征而不是視應(yīng)力水平。另外,視應(yīng)力與震級(jí)的擬合結(jié)果也顯示視應(yīng)力受地震大小影響較明顯,大地震視應(yīng)力高,小地震視應(yīng)力低。因此,扣除震級(jí)影響還原真實(shí)的視應(yīng)力水平是后續(xù)研究的關(guān)鍵。為了扣除震級(jí)對(duì)視應(yīng)力分析的影響,本文采用以下公式:
σnor=σapp-σfit
(13)
式中:σnor為規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力;σapp為上述理論和方法計(jì)算得到的視應(yīng)力;σfit為視應(yīng)力與震級(jí)的標(biāo)度關(guān)系式得到的視應(yīng)力。
視應(yīng)力滑動(dòng)平均值和規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力滑動(dòng)平均值時(shí)間進(jìn)程如圖4所示,以窗長(zhǎng)為10個(gè)值,步長(zhǎng)為1個(gè)值,10個(gè)值求平均值進(jìn)行滑動(dòng)。從圖4a,b中可以看出,2018年通海地震前都出現(xiàn)過視應(yīng)力高值異常(圖4中紅色橢圓位置),時(shí)間間隔為15.6個(gè)月,本次高值也是研究區(qū)自2008年以來(lái)最高值。
把2008年1月1日以來(lái),研究區(qū)4.0≤ML<5.0地震視應(yīng)力值列于表1中,表中顯示,同震級(jí)比較,2017年5月1日ML4.0地震視應(yīng)力值明顯較高。
圖4 2008年1月1日—2018年8月13日研究區(qū)3.0≤ML<5.0地震視應(yīng)力(a)、規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力(b)滑動(dòng)平均時(shí)間進(jìn)程圖以及M-T圖(c)Fig.4 The Temporal process based on apparent stress (a),normalized apparent stress(b)values moving average from 3.0≤ML<5.0 earthquakes in the research area and the M-T diagram(c)
圖5為2008年1月1日—2018年8月13日通海MS5.0地震震中100 km范圍內(nèi)3.0≤ML<5.0地震的規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力空間分布。藍(lán)色實(shí)心圓點(diǎn)代表地震震中,依據(jù)發(fā)震時(shí)間先后編號(hào),序號(hào)對(duì)應(yīng)表1,震中附近分別標(biāo)出該地震的震級(jí)與視應(yīng)力值。其中,插值方法采用自然鄰近網(wǎng)格化法。
從圖5可以看出,湯郎—易門斷裂以西,普渡河斷裂南段以西,曲江斷裂以南,為視應(yīng)力高值區(qū)域。其中,受2017年5月1日峨山ML4.0地震的影響,出現(xiàn)以該地震震中為中心的高值異常區(qū)域,異常區(qū)域位于曲江斷裂西段。高值異常區(qū)域中心距離2018年通海地震震中46 km。由于視應(yīng)力在一定程度上可顯示區(qū)域應(yīng)力水平的大小,從圖5可看出,近NS向展布的小江斷裂帶所在區(qū)域應(yīng)力水平不高,而NW—SE展布的多條斷裂所在區(qū)域則應(yīng)力水平較高,體現(xiàn)了不同構(gòu)造區(qū)的應(yīng)力狀態(tài),通海5.0級(jí)地震發(fā)生在應(yīng)力變化梯度高的位置。
表1 2008年1月1日—2018年8月13日研究區(qū)4.0≤ML<5.0地震震中100 km范圍內(nèi)地震視應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表
圖5 2018通海地震前規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力空間分布
本文計(jì)算了2008年1月1日至2018年8月13日,2018年通海MS5.0地震震中100 km范圍內(nèi)的3.0≤ML<5.0 地震的震源參數(shù)。通過分析震源參數(shù)間的定標(biāo)律關(guān)系、規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力的時(shí)間變化和空間分布特征,獲得的結(jié)論如下:
(1)地震視應(yīng)力與震級(jí)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.63,呈正相關(guān)關(guān)系,地震視應(yīng)力與地震矩的相關(guān)系數(shù)為0.37,相關(guān)性不顯著;視應(yīng)力標(biāo)度率特征符合區(qū)域構(gòu)造特征。
(2)2018年通海地震震前15.6個(gè)月,視應(yīng)力和規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力均出現(xiàn)高值異常。距離通海地震震中46 km處,出現(xiàn)高值異常區(qū)域。
(3)研究區(qū)的中小地震的視應(yīng)力高值異常點(diǎn),對(duì)5級(jí)以上地震的發(fā)生具有一定指示意義。地震視應(yīng)力為震源區(qū)絕對(duì)應(yīng)力水平的下限估計(jì)(Wu,2001;吳忠良等,2002)。視應(yīng)力值越高,震源區(qū)應(yīng)力水平越高(吳忠良等,2002;陳學(xué)忠等,2003;王瓊等,2005;喬慧珍等,2006;李艷娥等,2012)。視應(yīng)力的異常變化,可能反映了震源區(qū)周邊應(yīng)力場(chǎng)的調(diào)整變化,通海MS5.0地震恰好發(fā)生在應(yīng)力場(chǎng)的調(diào)整過程之中。
(4)本文視應(yīng)力標(biāo)度率特征可能主要與區(qū)域構(gòu)造特征有關(guān)。Choy和Boatwright(1995)認(rèn)為視應(yīng)力與發(fā)震區(qū)域、斷層類型相關(guān);楊志高和張曉東(2010)認(rèn)為視應(yīng)力的標(biāo)度率與滑動(dòng)類型、破裂過程和介質(zhì)強(qiáng)度等有關(guān),視應(yīng)力隨地震矩的變化不顯著;Aki(1967)提出地震的自相似觀點(diǎn),認(rèn)為地震視應(yīng)力不隨地震矩變化而變化;也有很多研究認(rèn)為視應(yīng)力隨地震矩的增加而增加(Abercrombie,1995;Mayeda,Walter,1996;Izutani,Kanamori,2001;Takahashi,2005;Mayedaetal,2005)。
(5)通海5.0級(jí)地震發(fā)生在應(yīng)力變化梯度高的位置,是否表明應(yīng)力梯度變化大的位置是中強(qiáng)地震危險(xiǎn)性高的地帶?需做進(jìn)一步深入的研究。
本文在撰寫過程中,徐甫坤博士提供了視應(yīng)力計(jì)算程序,付虹研究員給予了悉心指導(dǎo),在此向他們表示衷心感謝。