李文君,曾憲偉,馬翀之

(寧夏地震局,寧夏 銀川 750001)

0 引言

大地震的孕育和發(fā)生是震源區(qū)及其附近地殼應(yīng)變能的積累和快速釋放過程,一個(gè)大地震的震源區(qū)是由應(yīng)力積累單元和其兩端的調(diào)整單元組合而成,應(yīng)力調(diào)整單元由于具有巖石強(qiáng)度低、介質(zhì)脆、易于變形等特點(diǎn)容易積累和釋放能量,當(dāng)?shù)卣鹪杏胶笃?震源區(qū)及其附近應(yīng)變能高度積累,處于極不穩(wěn)定的臨界狀態(tài),臨界狀態(tài)時(shí)觸發(fā)因素將會(huì)使固體潮的作用更加顯著,當(dāng)固體潮作用到應(yīng)力調(diào)整單元時(shí)就容易觸發(fā)小震[1-2]。已有不少研究表明,在一些中強(qiáng)震發(fā)生前震中周圍固體潮調(diào)制比存在一定的規(guī)律,即固體潮引潮力對地震活動(dòng)有調(diào)制和觸發(fā)作用[2,3-8]。秦保燕等[9-10]用小震調(diào)制比Rm來反映一個(gè)強(qiáng)震前小震活動(dòng)頻次在朔望大潮期間異常增高的現(xiàn)象,Rm=N/N總,N和N總分別表示某一時(shí)段朔望大潮期間小震累積頻次和該時(shí)段中小震的總頻次和,當(dāng)Rm高于閾值時(shí)即存在調(diào)制作用。

基于上述觀點(diǎn),國內(nèi)外學(xué)者對固體潮調(diào)制作用與地震之間的關(guān)系進(jìn)行了廣泛的研究,主要集中于以下3個(gè)方面:一是研究地震發(fā)震時(shí)刻與月相之間的相關(guān)性[1,9,11-16];二是通過主震震源機(jī)制解與引潮力相結(jié)合來判斷引潮力對大震是否有觸發(fā)作用[7,16-17];三是研究固體潮調(diào)制比在某些震例中的具體應(yīng)用和空間分布特征及其指示意義,例如,晉冀蒙交界地區(qū)[18]、新疆地區(qū)[19-20]、甘肅地區(qū)[21]、山西地區(qū)[22-23]、山東地區(qū)[24]、華北地區(qū)[15]、云南地區(qū)[25]和川滇地區(qū)[26]等。

中國大陸西部地區(qū)由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,構(gòu)造變形最為強(qiáng)烈,也是地震活動(dòng)發(fā)生最為頻繁的地區(qū)之一[27-28],2009年以來,中國大陸6級(jí)以上淺源強(qiáng)震多集中分布于此。通過對調(diào)制比方法的研究,前人獲得了許多調(diào)制觸發(fā)地震活動(dòng)的證據(jù),其研究結(jié)果表明固體潮調(diào)制比在強(qiáng)震前出現(xiàn)的異常具有明確的前兆意義。如,應(yīng)用引潮力的地震短臨預(yù)報(bào)方法曾成功地預(yù)報(bào)了1997年4月新疆伽師6級(jí)強(qiáng)震群,1999年11月遼寧岫巖5.4級(jí)地震和2001年2月四川雅江6.0級(jí)強(qiáng)震[7]。隨著地震監(jiān)測能力的提升,小震調(diào)制比可分析的震級(jí)下限越來越小,且近些年中國大陸地區(qū)發(fā)生了較多的MS≥6.0地震。為豐富中國大陸強(qiáng)震前小震調(diào)制比的應(yīng)用研究資料,本文擬利用小震調(diào)制比方法綜合分析2009年以來中國大陸13次6級(jí)以上淺源強(qiáng)震的固體潮調(diào)制作用,研究主震調(diào)制作用及與震源機(jī)制解的關(guān)系、震前小震的調(diào)制空間分布特征等,以期該研究能夠?yàn)檎鹎檠芯刻峁┯袃r(jià)值的參考依據(jù)。

1 方法和資料選取

1.1 地震目錄及震例選取

本文使用中國地震臺(tái)網(wǎng)中心提供的《中國強(qiáng)震目錄(2009-01-01—2020-05-20)》,選取中國大陸6級(jí)以上的淺源強(qiáng)震(圖1)。根據(jù)焦遠(yuǎn)碧等[29]對中國臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測能力的研究結(jié)果、觀測條件質(zhì)量的評定方法和全國監(jiān)測臺(tái)站的空間分布情況,即當(dāng)震中距Δ≤30 km為A類觀測條件,Δ≤50 km為B類觀測條件,Δ≤100 km為C類觀測條件,Δ>100 km為D類觀測條件。本文僅分析滿足A、B兩類觀測條件的地震。共篩選出13個(gè)震例(表1,圖1),其中,對于2010年4月14日青海玉樹7.1級(jí)和6.3級(jí)強(qiáng)震僅分析主震。

圖1 2009年以來中國大陸6級(jí)以上淺源強(qiáng)震及全國監(jiān)測臺(tái)站分布圖Fig.1 Distribution map of strong shallow earthquakes with M≥6 in Chinese Mainland and national monitoring stations since 2009

1.2 最小完整性震級(jí)

為保證使用資料的可靠性,需要對研究區(qū)作最小完整性震級(jí)分析。根據(jù)lgN-M曲線分析(圖2),ML≥2.0地震記錄是完整的。分別計(jì)算13次強(qiáng)震震中附近的最小完整性震級(jí)(表1),結(jié)果表明臺(tái)站分布密度不同,最小完整性震級(jí)也存在一定區(qū)別。在具體震例分析時(shí),若某次強(qiáng)震附近的最小完整性震級(jí)≤ML2.0,則以ML2.0為最低震級(jí)檔,反之,則以實(shí)際最小完整性震級(jí)為最低震級(jí)檔,由此保證了所用地震目錄的獨(dú)立性和科學(xué)性。

圖2 研究區(qū)內(nèi)所有地震最小完整性震級(jí)Fig.2 Minimum magnitude of completeness of all earthquakes in the study area

表1 2009年以來中國大陸13次6級(jí)以上強(qiáng)震附近區(qū)域的最小完整性震級(jí)計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of minimum magnitude of completeness in the area near 13 strong earthquakes with M≥6 in Chinese Mainland since 2009

1.3 陰歷調(diào)制日期

不同研究者定義的陰歷調(diào)制日期(表2)不同,固體潮調(diào)制比掃描結(jié)果也存在差異。秦保燕等[1]選擇引潮力最大時(shí)段作為調(diào)制陰歷時(shí)段,即朔日前后4天,望日前后4天,共計(jì)8天,并定義發(fā)生在此8天內(nèi)的小震為調(diào)制小震,占全月時(shí)長的26.7%,即調(diào)制比異常閾值為0.27。王煒等[15]將小震調(diào)制比應(yīng)用于華北地震中期預(yù)報(bào)時(shí)將上述8天調(diào)制時(shí)段擴(kuò)展為對稱于朔望的10天,取陰歷廿九至初三、十三至十七為調(diào)制陰歷時(shí)段,共計(jì)10天,占全月時(shí)長33.3%,調(diào)制比異常閾值為0.33。張國民等[16]通過統(tǒng)計(jì)我國大陸地區(qū)MS7.0強(qiáng)震的陰歷日期分布認(rèn)為,該分布中的4個(gè)峰值區(qū)分別對應(yīng)朔、望日和上、下弦,其中朔日對應(yīng)廿八至初二,望日對應(yīng)十五至十七,上弦對應(yīng)初八和初九,下弦對應(yīng)廿二至廿五,共14天,占全月時(shí)長的46.7%,調(diào)制比異常閾值為0.47。韓顏顏等[8]研究西北地區(qū)中強(qiáng)震前固體潮調(diào)制比時(shí)空特征時(shí)重新給出的調(diào)制陰歷時(shí)段為初一和初二(朔),初七至初九(上弦),十五至十七(望),廿二至廿五(下弦),共計(jì)12天,占全月時(shí)長的40%,調(diào)制比異常閾值為0.4。

表2 不同研究者定義的陰歷調(diào)制日期Table 2 Lunar modulation dates as defined by different researchers

2 資料處理

2.1 主震日月相分析

分析了13次震例的主震發(fā)震日期(表3),有8次強(qiáng)震發(fā)生于文獻(xiàn)[8,16]定義的陰歷調(diào)制日期的月相期內(nèi),占總月相期的61.54%,顯著高于調(diào)制比異常閾值0.47和0.4。有7個(gè)調(diào)制強(qiáng)震發(fā)生在文獻(xiàn)[1,15]定義的陰歷調(diào)制日期內(nèi),占比53.85%,均大于調(diào)制比異常閾值0.27和0.33。由此不難得出,2009年以來中國大陸6級(jí)以上淺源強(qiáng)震在月相期內(nèi)發(fā)震頻率較高,即受潮汐調(diào)制作用明顯。

表3 主震陰歷日期及各研究者月相類型Table 3 Lunar calendar dates of the main shock and lunar phase types from different researchers

2.2 主震調(diào)制作用與震源機(jī)制解的關(guān)系分析

日月引潮力引起的固體潮汐會(huì)在地震斷層面上產(chǎn)生周期變化的潮汐應(yīng)力,已有研究表明,地震所處斷層面上潮汐應(yīng)力與斷層的走向、傾角和滑動(dòng)角有關(guān)[30]。張國民等[16]研究震源破裂機(jī)制與觸發(fā)類型之間的相互關(guān)系,分析了3種震源破裂機(jī)制和受力狀況與錯(cuò)動(dòng)方式,認(rèn)為朔望期由于垂向最大主壓應(yīng)力增大,而其增大作用可直接觸發(fā)地震,易發(fā)生走滑型和正斷型破裂。上下弦期間是潮汐垂向作用最小的時(shí)段,有利于對于逆沖型破裂的觸發(fā)。根據(jù)斷層類型的劃分[31-32],將地震發(fā)震斷層分為正斷層、逆斷層、走滑型和斜滑型。以發(fā)震斷層類型和是否受到調(diào)制作用為統(tǒng)計(jì)參數(shù),對震源機(jī)制解類型和是否受到調(diào)制作用結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表3),結(jié)果顯示:

在研究的13次震例中,有8次發(fā)生于調(diào)制日的強(qiáng)震中5次強(qiáng)震符合上述觸發(fā)機(jī)制,2次基本符合以上觸發(fā)機(jī)制,1次不符合以上觸發(fā)機(jī)制,即2014年魯?shù)?.5級(jí)強(qiáng)震,該地震發(fā)震日位于上弦期,但其破裂機(jī)制為走滑型。歷史地震資料顯示川滇地區(qū)多發(fā)生走滑型地震[16,33],因此魯?shù)?.5級(jí)地震的破裂機(jī)制應(yīng)主要與構(gòu)造塊體的運(yùn)動(dòng)方式有關(guān),潮汐力可觸發(fā)地震,但尚不能影響地震的破裂機(jī)制。另外,5次符合以上觸發(fā)機(jī)制的地震中發(fā)生于朔望期的有4次,其中3次為走滑型。因此,朔望期潮汐應(yīng)力的作用有利于研究區(qū)走滑型和正斷型地震的活動(dòng),其中對走滑型地震的觸發(fā)效應(yīng)較顯著;固體潮汐對不同展布方向和運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的地震斷層所產(chǎn)生的觸發(fā)作用存在差異。

2.3 不同調(diào)制日期的檢驗(yàn)

為了更加清晰地呈現(xiàn)全國6級(jí)以上強(qiáng)震前的小震調(diào)制比變化過程,本文對小震調(diào)制比的空間掃描參數(shù)做了多次嘗試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)掃描步長為0.03°,掃描的最小半徑為10 km,最大半徑為30 km,每個(gè)節(jié)點(diǎn)搜索到的最小地震個(gè)數(shù)為5個(gè)時(shí),能夠得到較好的結(jié)果。同時(shí),考慮到掃描步長較小,因此節(jié)點(diǎn)能夠搜索的地震數(shù)不宜設(shè)置太大,掃描半徑的范圍也不宜設(shè)置過大。本文在掃描參數(shù)的設(shè)置方面充分考慮了幾個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,盡可能給出合理的參數(shù)設(shè)置,由此保證了結(jié)果的合理性。

表4 主震陰歷日期及各研究者月相類型和震例震源機(jī)制解Table 4 Lunar calendar dates of the main shock and the lunar phase types and focal mechanism solutions of earthquake cases from different researchers

基于以上條件,在秦保燕等[1]、王煒等[15]、張國民等[16]定義的月相期下,分別計(jì)算了13次6級(jí)以上淺源強(qiáng)震震前2年、1年、0.5年的固體潮調(diào)制比,通過繪制不同時(shí)間段的固體潮調(diào)制比空間分布圖,分析震前是否存在調(diào)制作用(表5)。結(jié)果表明,張國民等[16]定義下的月相日期內(nèi),震中位于小震調(diào)制比高值異常區(qū)的有8個(gè)地震,占比61.54%;秦保燕等[1]、王煒等[15]定義下的月相日期內(nèi),震中位于調(diào)制比高值異常區(qū)的有6個(gè)地震,占比41.15%。由于樣本量有限,2個(gè)地震震前小震調(diào)制比無法給出掃描結(jié)果。

表5 不同研究者定義月相日期掃描結(jié)果Table 5 Scanning results of lunar phase dates defined by different researchers

掃描時(shí)空窗內(nèi)樣本量較少,筆者認(rèn)為主要有以下3點(diǎn)原因:①考慮到隨著時(shí)間步長的縮短,總體有效地震的樣本量逐漸減少,導(dǎo)致能夠掃描到的地震個(gè)數(shù)減少,異常幅度和范圍隨之明顯減弱。②根據(jù)地震前兆性平靜假說,在一個(gè)地震孕育區(qū)的有限段上地震活動(dòng)率在統(tǒng)計(jì)上有顯著的下降。典型的情況是在1至幾年期間內(nèi)有下降50%至70%的地震活動(dòng)率的異常[47]。由此推斷,該地震發(fā)生前,可能出現(xiàn)明顯的小震平靜時(shí)段,導(dǎo)致小震數(shù)量顯著減少。③根據(jù)巖石破裂實(shí)驗(yàn),盡管地震發(fā)生時(shí)巖石破裂最有力最劇烈,但震前信號(hào)卻并沒有隨著地震強(qiáng)度的增加而達(dá)到最大值[48],因此,積累應(yīng)力階段不足以激發(fā)小震,即這種狀態(tài)不利于小震的發(fā)生。

綜上,在秦保燕等[1]、張國民等[16]定義的月相期內(nèi)計(jì)算的小震空間調(diào)制比異常區(qū)與發(fā)震位置的相關(guān)性較好,且6級(jí)以上強(qiáng)震前固體潮調(diào)制異常現(xiàn)象普遍存在的。

3 結(jié)果分析

采用上述方法,計(jì)算了13次強(qiáng)震震前小震調(diào)制比并繪制了空間分布圖。本文僅挑選其中兩個(gè)震例進(jìn)行分析,以說明調(diào)制比高值異常位置與發(fā)震位置間的關(guān)系。

圖3 2009年以來中國大陸6級(jí)以上強(qiáng)震空間分布及震源機(jī)制Fig.3 Spatial distribution and focal mechanism of strong earthquakes with magnitude over 6 in Chinese Mainland since 2009

3.1 2013年4月20日廬山地震

2013年4月20日北京時(shí)間8時(shí)2分46秒,四川省雅安市廬山縣境內(nèi)發(fā)生了MS7.0地震,震中位置30.3°N,103.0°E,震源深度13 km(中國地震臺(tái)網(wǎng),http://ceic.ac.cn)。廬山地震是龍門山推覆構(gòu)造帶上繼2008年汶川8.0級(jí)大地震5年后的又一次破壞性地震,震中位于龍門山推覆構(gòu)造帶南段廬山縣境內(nèi)。

本文選取101.62°～104.42°E,28.65°～31.75°N范圍內(nèi)ML≥2.1地震為統(tǒng)計(jì)樣本,樣本中刪除余震,掃描半徑設(shè)置為30～50 km,各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)內(nèi)的統(tǒng)計(jì)樣本量為15,得到廬山地震前2年、1年、0.5年的小震調(diào)制比空間掃描圖像。

廬山7.0級(jí)地震前2年、1年、0.5年的小震調(diào)制比空間掃描結(jié)果(圖4)顯示,震前三個(gè)時(shí)間段震中附近小震調(diào)制比均出現(xiàn)了高值異常,且隨著時(shí)間的逼近,異常區(qū)域向震中收縮,異常區(qū)域面積逐漸減小,發(fā)震位置位于高值異常區(qū)邊緣。

圖4 2013年 4月20日廬山7.0級(jí)地震震前2年(a)、1年(b)、0.5年(c)調(diào)制比空間分布圖Fig.4 Spatial distribution map of modulation ratios two years (a),one year (b), and half a year (c) before Lushan M7.0 earthquake on April 20,2013

3.2 2017年8月9日精河地震

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心正式測定,北京時(shí)間2017年8月9日7時(shí) 27分,新疆博爾塔拉州精河縣境內(nèi)發(fā)生MS6.6地震,震中位于44.27°N,82.89°E,震源深度11 km。震中位于精河縣城西南約37 km的山區(qū),由于震級(jí)大,震源淺,震中附近地區(qū)震感強(qiáng)烈。

根據(jù)研究區(qū)的地震監(jiān)測能力,選取掃描范圍為101.62°～104.42°E,28.65°～31.75°N,掃描半徑為30～50 km,各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)內(nèi)的統(tǒng)計(jì)樣本量為7。精河6.6級(jí)地震前2年、1年、0.5年的小震調(diào)制比空間掃描結(jié)果顯示(圖5),震前2年,震中附近小震調(diào)制比異常最顯著;震前1年,異常區(qū)東移;震前0.5年,異常區(qū)再次移至震中附近。因此,精河6.6級(jí)地震與區(qū)域小震調(diào)制比異常之間存在較好的對應(yīng)關(guān)系,且異常區(qū)存在動(dòng)態(tài)變化現(xiàn)象。

圖5 2017年8月9日精河6.6級(jí)地震震前2年(a)、1年(b)、0.5(c)年調(diào)制比空間分布圖Fig.5 Spatial distribution map of modulation ratios two years (a),one year (b),and half a year (c) before Jinghe M6.6 earthquake on August 9,2017

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

如果說把發(fā)生于月相期內(nèi)的地震稱之為時(shí)間調(diào)制,那么空間掃描結(jié)果中震中落于調(diào)制比高值異常區(qū)域的現(xiàn)象就可以稱之為空間調(diào)制。根據(jù)統(tǒng)計(jì)得出(表6),13次強(qiáng)震中受到時(shí)間調(diào)制的占61.54%,受空間調(diào)制的占61.54%(扣除2次無法得到掃描結(jié)果的地震),同時(shí)受到時(shí)間和空間調(diào)制作用的占38.46%,受到時(shí)間或空間調(diào)制作用的占84.62%。上述統(tǒng)計(jì)進(jìn)一步映證了中國大陸西部、西南地區(qū)6級(jí)以上強(qiáng)震前有較明顯的小震調(diào)制作用。

表6 時(shí)間調(diào)制和空間調(diào)制結(jié)果Table 6 Time and space modulation results

4.2 結(jié)論

基于不同研究者定義的陰歷調(diào)制日期的不同,本文對2009年以來中國大陸監(jiān)測能力較好的地區(qū)發(fā)生的13次6級(jí)以上淺源強(qiáng)震進(jìn)行了固體潮時(shí)間調(diào)制和小震空間調(diào)制回顧分析,結(jié)果表明:

(1) 13次6級(jí)以上強(qiáng)震中的8次發(fā)生于張國民等[16]定義的陰歷調(diào)制日期的月相期內(nèi),占總月相期的61.54%,顯著高于調(diào)制比異常閾值0.47;其中7次強(qiáng)震發(fā)生在秦保燕等[1]、王煒等[15]定義的陰歷調(diào)制日期內(nèi),占比53.85%,均大于調(diào)制比異常閾值0.27和0.33。因此,中國大陸6級(jí)以上淺源強(qiáng)震在月相期內(nèi)發(fā)震頻率較高,即受潮汐調(diào)制作用明顯。

(2) 通過分析6級(jí)以上強(qiáng)震震源破裂機(jī)制與潮汐觸發(fā)類型之間的相互關(guān)系,認(rèn)為朔望期潮汐應(yīng)力的作用有利于研究區(qū)走滑型和正斷型地震的活動(dòng),其中對走滑型地震的觸發(fā)效應(yīng)較顯著;固體潮汐對不同展布方向和運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的地震斷層所產(chǎn)生的觸發(fā)作用存在差異。該認(rèn)識(shí)與已有研究結(jié)果一致[16]。

(3) 采用文獻(xiàn)[1,16]定義的陰歷調(diào)制日期計(jì)算小震空間調(diào)制比,結(jié)果顯示調(diào)制比異常區(qū)與發(fā)震位置的相關(guān)性較好,且6級(jí)以上強(qiáng)震前小震固體潮調(diào)制異?，F(xiàn)象普遍存在的。同時(shí),隨著時(shí)間逼近,有的強(qiáng)震震前小震調(diào)制比異常區(qū)向震中收縮,異常區(qū)面積逐漸減小,發(fā)震位置位于高值異常區(qū)邊緣,如廬山7.0級(jí)地震;有的強(qiáng)震震前的小震調(diào)制比異常區(qū)隨時(shí)間發(fā)生遷移,出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化現(xiàn)象,如精河6.6級(jí)地震。綜合來看,小震調(diào)制比異常區(qū)對中國大陸6級(jí)以上地震的發(fā)生地點(diǎn)具有較好的指示意義。

致謝:本文成文過程中使用的調(diào)制比計(jì)算程序由甘肅省地震局研究員馮建剛老師提供,審稿專家為本文給出的寶貴修改意見,在此表示一并感謝！