陳學(xué)忠 李艷娥 宮 悅 陳麗娟

1) 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2) 四川省地震局，成都 610041

3) 重慶市地震局，重慶 401147

引言

2019 年6 月17 日四川長寧發(fā)生強(qiáng)烈地震，由中國地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的震中位置為（28.34°N，104.9°E），位于云貴川交界地區(qū)，震級(jí)為MS6.0。根據(jù)全球質(zhì)心矩張量（GCMT）反演結(jié)果以及余震的震中分布，這次地震的發(fā)震機(jī)制為在SWW 方向的主壓應(yīng)力作用下NWW 走向的斷層面發(fā)生左旋走滑錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果（圖1）。

歷史上，在長寧MS6.0 地震本地及鄰近區(qū)域內(nèi)沒有發(fā)生過MS≥6.0 地震，但位于其西北的峨邊—大關(guān)一帶有一個(gè)強(qiáng)發(fā)震活動(dòng)區(qū)。根據(jù)歷史地震記載，這個(gè)地區(qū)曾經(jīng)發(fā)生過8 次MS≥6.0 地震，包括1216 年雷波MS7.0、1917 年大關(guān)MS6.7、1936 年馬邊MS6.7以及1974 年鹽津MS7.1 等強(qiáng)烈地震（圖1b）。2019 年長寧MS6.0 地震顯然不屬于這個(gè)地震活動(dòng)區(qū)的地震。

圖1 （a）長寧地震余震空間分布（2019 年6 月17 日—7 月31 日，ML≥0.0）以及全球質(zhì)心矩張量解（沙灘球，箭頭表示斷層面錯(cuò)動(dòng)方向）； （b）長寧地震以及歷史上發(fā)生的MS≥6.0 地震（“○”）。F1：華蓉山斷裂帶；F2：馬邊—鹽津斷裂帶；F3：蓮峰斷裂帶；F4：峨邊—金陽斷裂帶。 “☆”為長寧地震震中Fig. 1 （a）Spatial distribution of epicenters of ML≥ 0.0 aftershocks that occurred from June 17，2019 to July 31，2019 and the GCMT solution for the June 17，2019 Changning MS6.0 earthquake（beach ball，arrows indicate the slipping direction of the focal fault）. F1 indicates the Huarongshan fault；F2 indicates the Mabian-Yanjin fault；F3 indicates the Lianfeng fault and F4 indicates the Ebian-Jinyang fault. The star shows the epicenter of the Changning earthquake

一般認(rèn)為，地殼中的構(gòu)造應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間而變化。在大地震的加載周期中，應(yīng)力可能會(huì)增加，而在強(qiáng)烈的地震破裂發(fā)生后應(yīng)力可能會(huì)迅速減小。在幾千米到幾十千米的震源深度范圍內(nèi)，目前很難直接探測(cè)到震源處的應(yīng)力，因此，很難提供強(qiáng)烈地震發(fā)生前震源處應(yīng)力增加的直接證據(jù)。地震波信號(hào)的特性既受構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)弱的影響，又受震源特征或震源模式的影響，然而，高應(yīng)力地殼介質(zhì)通常被認(rèn)為是富含高頻能量的脈沖源[1-4]。許多研究人員已經(jīng)報(bào)道了大地震發(fā)生前微地震的地震波頻率會(huì)發(fā)生變化[5-9]。

在地震學(xué)中，視應(yīng)力是剪切模量和地震能量與地震矩之比的乘積[10]。一些研究人員利用視應(yīng)力來研究地震前的應(yīng)力變化。平均視應(yīng)力在沿海區(qū)域較大，而在近海溝區(qū)域較低[11]。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在主震發(fā)生的區(qū)域會(huì)發(fā)生具有高視應(yīng)力的小地震，而在大地震發(fā)生之前，視應(yīng)力顯著增加[12-14]。較高視應(yīng)力的地震發(fā)生在障礙體內(nèi)[15]。此外，最近的一項(xiàng)研究表明，主震前的視應(yīng)力是增加的，震后是下降的[16]。然而，在2009年4 月6 日拉奎拉MW6.1 地震期間，沒有觀測(cè)到前震和余震的視應(yīng)力變化，主震前的視應(yīng)力也沒有增加[17]。

Mogi 和Scholz 等通過巖石破裂實(shí)驗(yàn)報(bào)道了b值與應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[18-19]。古登堡-里希特關(guān)系lgN=a-bM中b值的降低被解釋為地震主震來臨前應(yīng)力的增加[20-24]。據(jù)報(bào)道，在世界各地發(fā)生大地震之前，b值會(huì)在幾個(gè)月或幾年的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)下降過程。比如，Nuannin 等[25]報(bào)告了兩次b值的顯著下降，分別與2002 年兩次大地震（MS≥7.0）和2004 年的MW9.0事件相對(duì)應(yīng)。在其他研究中也觀察到在某些大地震震中附近b值的減少或低b值[26-29]。

對(duì)于2019 年長寧MS6.0 地震前破裂區(qū)內(nèi)應(yīng)力變化的研究尚未有前人涉及，在本研究中，我們將通過視應(yīng)力和b值，著眼于本次地震前破裂區(qū)內(nèi)應(yīng)力變化，揭示震前構(gòu)造應(yīng)力的變化過程。

1 研究區(qū)域和資料

本文選擇長寧MS6.0 地震的余震震中分布區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，是一個(gè)大約35 km×20 km 的四邊形區(qū)域（圖1a 中黑色粗實(shí)線圍成的區(qū)域）。一般情況下，余震震中分布區(qū)域與地震破裂區(qū)是一致的。

地震視應(yīng)力定義為[10]

式中，μ為剪切模量（對(duì)地殼介質(zhì)，μ可取3×104MPa），和M0分別為地震輻射能量和標(biāo)量地震矩。

選取研究區(qū)內(nèi)2000 年1 月—2019 年12 月間發(fā)生的ML≥3.0 地震，共156 次。根據(jù)四川數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的波形數(shù)據(jù)，將波形數(shù)據(jù)進(jìn)行去傾和儀器響應(yīng)校正處理之后，取S 波段的波形數(shù)據(jù)，在近震源條件下計(jì)算震源譜，得到震源譜參數(shù)，進(jìn)而根據(jù)震源譜參數(shù)可以得到地震矩、地震能量，再由式（1）計(jì)算視應(yīng)力，結(jié)果見表1。

表1 地震矩、地震能量和視應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculated seismic moment，seismic energy and apparent stress for the studied earthquakes

續(xù)表 1

續(xù)表 1

續(xù)表 1

續(xù)表 1

利用表1 中的數(shù)據(jù)得到的視應(yīng)力與震級(jí)之間的關(guān)系，見式（2）和圖2，相關(guān)系數(shù)為0.92，標(biāo)準(zhǔn)差為0.42。由此可見，視應(yīng)力與震級(jí)有關(guān)，總體上，震級(jí)越大，視應(yīng)力越高。在進(jìn)行視應(yīng)力分析時(shí)，為了降低震級(jí)對(duì)視應(yīng)力的影響，應(yīng)選取較小震級(jí)范圍內(nèi)的地震。本文中，為了盡量降低震級(jí)對(duì)視應(yīng)力的影響，同時(shí)保證足夠的數(shù)據(jù)量，我們選取3.0≤ML≤3.6 的地震，共110 次，占總數(shù)的70.5%。

圖2 視應(yīng)力與震級(jí)的關(guān)系Fig. 2 Apparent stress versus magnitude

我們選擇研究區(qū)內(nèi)的地震目錄來計(jì)算b值隨時(shí)間的變化。圖3 為2000 年1 月—2019 年12 月研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的ML≥1.0 地震震級(jí)隨時(shí)間變化，從圖上可見，從2006 年起地震活動(dòng)明顯增多，我們將數(shù)據(jù)的起始時(shí)間定在2006 年。圖4 給出了研究區(qū)內(nèi)不同時(shí)期發(fā)生的地震的G-R 關(guān)系，可以看出，截止到2010 年，地震目錄的完全震級(jí)大約為Mc=2.0；2010 年以后，Mc可以達(dá)到1.0 級(jí)。因此，本文在計(jì)算b值隨時(shí)間的變化時(shí)，震級(jí)下限取ML=2.0，而震級(jí)上限則根據(jù)GR 關(guān)系曲線上線性關(guān)系比較好的震級(jí)范圍來選取，本文中取4.3 級(jí)。即在計(jì)算b值時(shí)，我們選取研究區(qū)內(nèi)2.0≤ML≤4.3 的地震，共計(jì)1 861 次。

2 結(jié)果

2.1 視應(yīng)力隨時(shí)間的變化

我們分別使用20 個(gè)和30 個(gè)事件的滑動(dòng)窗口計(jì)算平均視應(yīng)力，每次滑動(dòng)2 個(gè)事件，將每個(gè)窗口中最后一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間作為計(jì)算的平均視應(yīng)力的時(shí)間，可以得到平均視應(yīng)力隨時(shí)間的變化（圖5）。圖5a為20 個(gè)事件滑動(dòng)窗口計(jì)算的結(jié)果，圖5b 為30 個(gè)事件滑動(dòng)窗口計(jì)算的結(jié)果，兩個(gè)結(jié)果一致性較好。2013 年2 月—2017 年3 月期間，視應(yīng)力呈趨勢(shì)上升變化，歷時(shí)約4 年。在震前兩年時(shí)間內(nèi)，視應(yīng)力仍維持在較高水平。

圖3 研究區(qū)內(nèi)ML≥1.0 地震震級(jí)隨時(shí)間變化Fig. 3 Magnitude versus time for earthquakes（ML≥1.0）that occurred in the study area

圖4 不同時(shí)期地震的G-R 關(guān)系Fig. 4 The G-R relation of earthquakes in different periods

圖5 視應(yīng)力隨時(shí)間的變化Fig. 5 Apparent stress as a function of time

2.2 b 值隨時(shí)間的變化

如上所述，在2019 年長寧MS6.0 主震發(fā)生前，余震區(qū)視應(yīng)力有明顯的增加過程。接下來，我們將研究震前余震區(qū)內(nèi)b值隨時(shí)間的變化，考察b值的變化是否能夠支持這個(gè)結(jié)果。

我們采用極大似然法計(jì)算b值[30]：

圖6 b 值（黑色實(shí)線）隨時(shí)間的變化。以400 次地震為滑動(dòng)窗口計(jì)算b 值，20 次地震滑動(dòng)。 “↓”標(biāo)注長寧MS6.0 地震發(fā)生時(shí)間。 “○”為視應(yīng)力的30 個(gè)事件平均值Fig. 6 b value（the black solid line）as a function of time obtained by applying a sliding time window of 400 events moved by 20 events. The down arrow“↓”shows the original time of the Changning MS6.0 main event. The circle “○” denotes the 30-event mean of the apparent stress

其中，M和Mmin分別為給定地震事件樣本的平均震級(jí)和最小震級(jí)，N為樣本總數(shù)。計(jì)算b值隨時(shí)間的變化時(shí)，使用了一個(gè)等事件數(shù)量的窗口，將該窗口以等事件數(shù)的增量進(jìn)行滑動(dòng)。b值是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，一般會(huì)受樣本量的影響。我們選取等事件數(shù)量的窗口，而不是等時(shí)間寬度的窗口，目的是為了確保分析結(jié)果不受樣本大小變化的影響。利用研究區(qū)內(nèi)2006—2009年的1 861 次2.0≤ML≤4.3 的地震，以400 次地震為滑動(dòng)窗口計(jì)算b值，20 次地震滑動(dòng)，得到了b值隨時(shí)間的變化（圖6）。圖中黑色實(shí)線為b值，同時(shí)給出了圖5b 中的視應(yīng)力（圓圈“○” ）?？梢钥闯?，在圖中虛線框所示的時(shí)間范圍內(nèi)，b值呈下降趨勢(shì)變化，大約從1.07 下降到0.9，下降幅度約為16%。此期間，視應(yīng)力呈趨勢(shì)上升變化。2008—2012 年，b值呈上升趨勢(shì)變化，而視應(yīng)力呈趨勢(shì)下降變化。視應(yīng)力和b值之間呈現(xiàn)出良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討論和結(jié)論

通過分析長寧MS6.0 地震破裂區(qū)內(nèi)地震的視應(yīng)力隨時(shí)間的變化，發(fā)現(xiàn)在長寧MS6.0 地震發(fā)生前存在明顯的視應(yīng)力增加現(xiàn)象。此外，我們利用長寧MS6.0地震破裂區(qū)內(nèi)的地震目錄計(jì)算了b值隨時(shí)間的變化，發(fā)現(xiàn)在視應(yīng)力增加期間，b值降低。這個(gè)結(jié)果與Mogi 和Scholz 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一致性[18-19]。

探索構(gòu)造應(yīng)力的變化與強(qiáng)震發(fā)生之間的關(guān)系是地震孕育過程與地震預(yù)測(cè)研究的主要內(nèi)容之一。由于地震通常是發(fā)生在地下數(shù)千米至數(shù)十千米深處，由于地下應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)的局限性，要直接探測(cè)到震源處的應(yīng)力是非常困難的。視應(yīng)力是根據(jù)來自地震震源處的地震波的譜參數(shù)得到，攜帶著震源處的應(yīng)力信息。視應(yīng)力還可以寫為[31]：

式中， σ為斷層面上的平均應(yīng)力，η為地震效率。所以，影響視應(yīng)力的因素除了斷層面上的平均應(yīng)力，還有地震效率。b值的影響因素除了應(yīng)力外，還有介質(zhì)的均勻度，介質(zhì)越均勻，b值越低；反之，b值越高[32]。無論是b值，還是視應(yīng)力，都不能單獨(dú)反映構(gòu)造應(yīng)力的變化。如果將b值和視應(yīng)力結(jié)合起來，當(dāng)b值下降，同時(shí)視應(yīng)力增加時(shí)，就可以確定構(gòu)造應(yīng)力增加；反之，構(gòu)造應(yīng)力下降。

因此，本文將b值和視應(yīng)力結(jié)合起來，為探測(cè)地殼構(gòu)造應(yīng)力的變化提供了一條可行的途徑，揭示了2019 年長寧MS6.0 地震發(fā)生前破裂區(qū)內(nèi)存在明顯的構(gòu)造應(yīng)力增加過程。這對(duì)地震孕育過程的認(rèn)識(shí)和地震預(yù)測(cè)研究具有啟示意義。