鄒文軒, 馮建剛,2

(1. 中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000; 2. 甘肅省地震局, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

地震觸發(fā)問題是地震界比較關(guān)注的重點問題之一,很多研究表明地震觸發(fā)是斷層間應力重新分布的結(jié)果,如果該地區(qū)的斷層處于應力變化區(qū)同時又在自身地震發(fā)生周期內(nèi),地震極有可能因此被觸發(fā)。強震破裂產(chǎn)生并激發(fā)出的地震波在距離較遠某一背景地震活動區(qū)域時產(chǎn)生的應力變化對后續(xù)地震的觸發(fā)作用被稱為遠程動態(tài)觸發(fā)。一次大范圍地震的遠距離觸發(fā),可由動態(tài)地震波的傳播路徑較好地進行解釋。在1992年蘭德斯地震發(fā)生后,通過分析美國西部12個地區(qū)隨時間變化的地震累積數(shù)量的曲線,發(fā)現(xiàn)該地震發(fā)生后立即導致了遠場地震活動的突然增加。Hill等[1]對蘭德斯地震遠程觸發(fā)不同地區(qū)繼發(fā)性地震的研究是掌握大地震遠程觸發(fā)小地震一個強有力的證據(jù)。Tibi等[2]對2002年湯加深源地震及其觸發(fā)第二次主震序列的分析,得出其第二次主震破裂不是由第一次主震的靜態(tài)庫侖應力改變而觸發(fā)的,而是由深源地震產(chǎn)生的體波所攜帶的動態(tài)應變遠程觸發(fā)。湯加深震觸發(fā)的序列分布在其西南方向的一個無震區(qū),破裂在這些地方可能較難自主發(fā)生[3],但其主震產(chǎn)生的應力變化使其突破了臨界破裂點,導致地震的發(fā)生,分析得出斷層處于臨界破裂狀態(tài)時才更容易觸發(fā)地震[4]。也有學者從主震對余震的動態(tài)應力觸發(fā)作用、對后續(xù)遠場地震活動的動態(tài)應力觸發(fā)作用、不同破裂類型的地震動態(tài)應力觸發(fā)作用等多個方面研究動態(tài)應力觸發(fā)[5],目前尚未全面了解和掌握遠程動態(tài)應力觸發(fā)機制。國內(nèi)專家在其機制探索研究方面開展了大量的研究工作[6-8]。解朝娣等[9]通過實際地震記錄資料的計算結(jié)合理論計算的方式,較完善地分析了強遠震在云南不同構(gòu)造區(qū)域所產(chǎn)生的遠場動態(tài)應力觸發(fā)作用及其影響,并討論了其動態(tài)庫侖破裂應力作用特征的差別及其物理機制。

研究遠程強震后區(qū)域小震頻度的異常活動特征不僅對完善動態(tài)應力觸發(fā)理論,甚至對于震源物理的發(fā)展都有著極其重要的意義,這有利于更清晰地了解震源破裂過程中地震波所攜帶應力傳遞的方式,對地震現(xiàn)有認識有更深層次的突破。有關(guān)地震遠程動態(tài)應力觸發(fā)的研究結(jié)果表明,遠程動態(tài)應力觸發(fā)地震活動在全球廣泛存在,動態(tài)應力觸發(fā)地震的研究得到了迅速和廣泛地應用[10]。雖然其觸發(fā)機制尚未完全搞清楚,但這種遠程動態(tài)觸發(fā)的現(xiàn)象確實客觀存在,并且已被諸多震例研究成果所證實。最早發(fā)現(xiàn)遠程觸發(fā)地震方法是通過統(tǒng)計觸發(fā)小地震頻度的方法,遠震發(fā)生后區(qū)域小震在遠震發(fā)生后幾小時或數(shù)天、甚至數(shù)月小震頻度明顯增強活動,這種統(tǒng)計方法在實際的震例統(tǒng)計中會存在如下問題:一是觸發(fā)地震活動統(tǒng)計存在遺漏,尤其是在觸發(fā)小震活動不特別明顯時,無法有效區(qū)分正常背景下的小震觸發(fā)活動;二是遠震發(fā)生時間和區(qū)域小震活動增強恰好一致,在實際的頻度統(tǒng)計中也無法有效排除這種時間上“巧合”現(xiàn)象。上述兩方面的問題可能是導致遠程動態(tài)觸發(fā)小震異?；顒釉趯ξ磥韽娬痤A測中應用較少的主要原因。本文將采用多次遠震影響區(qū)域小震活動“疊加”的思路,有效突出區(qū)域小震活動受遠震活動影響的異?；顒犹卣?統(tǒng)計汶川8.0級地震的發(fā)震斷裂龍門山斷裂帶2000年1月至2008年5月10日期間區(qū)域小震記錄資料,分析震前龍門山斷裂帶小震活動受遠程動態(tài)觸發(fā)的異?；顒犹卣?通過對各時間尺度和小震震級下限進行逐步分析計算,經(jīng)過對比分析,篩選出最適宜的地震活動性參數(shù)。

1 研究區(qū)域與背景

汶川8.0級地震發(fā)生在南北地震帶的龍門山斷裂帶上,致使龍門山斷裂帶成為了近年來重點關(guān)注的區(qū)域之一。本文選取龍門山斷裂帶及鄰區(qū)(29°～34°N,100°～110°E)作為研究區(qū)域。龍門山斷裂帶地處青藏高原東部邊緣與四川盆地西部的交匯地帶,屬逆沖推覆構(gòu)造帶,是由強烈的地殼運動所形成的陸內(nèi)造山帶,迄今仍處于活動狀態(tài)[11]。龍門山斷裂帶總體上呈NE-SW向分布,長約500 km,寬約30～50 km,其形成與發(fā)展主要經(jīng)歷了印支期華南地塊與華北地塊拼合,以及喜馬拉雅期印度板塊與歐亞大陸板塊碰撞的地質(zhì)事件[12]。龍門山斷裂帶強震活動頻繁,先后發(fā)生了1327年天全6級、1657年汶川6.5級、1941年寶興6級、1958年北川6.2級、1970年大邑6.3級和2008年汶川8.0級地震。已有研究結(jié)果顯示,相關(guān)研究按照已經(jīng)發(fā)生的地震與“被觸發(fā)”地震之間的關(guān)系,大致上可分為以下三類:地震觸發(fā)余震研究[13-15];大地震觸發(fā)另一次大地震的研究[16];潮汐觸發(fā)地震的研究[17-19]等。另一方面,經(jīng)過系統(tǒng)研究汶川地震前鄰區(qū)小震活動特征,在震前龍門山斷裂帶及鄰區(qū)的小震活動并未發(fā)現(xiàn)明顯的增強或平靜特征(圖1,圖2)。因此,本文擬從遠震動態(tài)觸發(fā)角度,分析研究龍門山斷裂帶及鄰區(qū)汶川8.0級地震前小震活動規(guī)律,重點研究汶川8.0級地震前龍門山斷裂帶及鄰區(qū)受遠程動態(tài)觸發(fā)小震的異?；顒犹卣?討論遠程地震觸發(fā)小震異?；顒优c主震之間的可能關(guān)系。

圖1 龍門山斷裂帶及鄰區(qū)小震分布圖Fig.1 Distribution map of small earthquakes in Longmenshan fault zone and adjacent areas

圖2 龍門山斷裂及鄰區(qū)ML2.0以上小震頻度圖及M-t圖Fig.2 Frequency diagram and M-t diagram of earthquakes above ML2.0 in Longmenshan fault and adjacent areas

2 觀測資料及研究方法

本文采用的小地震目錄資料全部來源于全國地震速報編目網(wǎng) “統(tǒng)一正式目錄”(http://10.5.160.18/console/index.action),選擇龍門山斷裂帶及鄰區(qū)(29°～34°N,100°～110°E)的小震地震目錄資料。從汶川8.0級地震發(fā)震構(gòu)造龍門山斷裂帶小震活動的月頻度來看,其震前并未表現(xiàn)出顯著的增強或平靜異常(圖2)。同時,也未發(fā)現(xiàn)遠震(7級以上地震)后地震活動明顯增強的特征。本文采取遠震影響(全球7級以上)“疊加”的思路,研究龍門山斷裂帶及鄰區(qū)小震活動受遠震動態(tài)觸發(fā)的異常特征,選取汶川8.0級地震前(2007年1月1日—2008年5月10日)全球31次7級以上地震,挑選出龍門山斷裂帶在每次7級以上地震發(fā)生前后各1天內(nèi)的ML2.0以上地震目錄,將全球7級以上地震的發(fā)震時間歸零,將選擇出的龍門山斷裂及鄰區(qū)小震目錄疊加(圖3)。發(fā)現(xiàn)全球7級以上地震發(fā)生后1天龍門山斷裂帶的小震活動頻度明顯高于震前1天,震后頻度為9次,震前僅3次,震后頻度為震前的3倍。如果在一定區(qū)域隨機選擇兩天的地震目錄進行對比,小震頻度比值應該接近于1,但實際選擇結(jié)果明顯震后頻度高于震前,這表明龍門山斷裂帶的小震活動受遠震影響較大。另外,龍門山斷裂帶上被觸發(fā)的小震頻度與遠震的空間距離、震級大小、地震類型并無直接關(guān)系,本文重點研究全球7級以上地震前后龍門山斷裂帶小震頻度的比值,通過多次全球7級以上地震影響疊加,突出汶川地震前龍門山斷裂帶上的小震受遠程動態(tài)觸發(fā)的異常活動特征。

圖3 全球7級以上地震發(fā)生前后1天龍門山斷裂帶及鄰區(qū)小震M-t圖與頻度統(tǒng)計圖Fig.3 M-t plots and frequency statistics of earthquakes in the Longmenshan fault zone and adjacent areas 1 day before and after global earthquakes with magnitude above 7

3 結(jié)果分析

采用遠程動態(tài)觸發(fā)影響“疊加”的思路,計算龍門山斷裂帶及鄰區(qū)小震受遠程動態(tài)觸發(fā)的時間序列和空間掃描結(jié)果,并給出隨機檢驗及不同參數(shù)的計算結(jié)果。

3.1 時間序列計算結(jié)果分析

為分析龍門山斷裂帶小震活動受遠震動態(tài)觸發(fā)特征,選擇2000年以來龍門山斷裂帶的小震目錄(圖1)(時間窗長為2年、時間步長為1個月),計算獲得汶川8.0級地震前全球強震前后1天的龍門山斷裂帶小震(ML2.0以上)頻度比值的時間序列。發(fā)現(xiàn)2000—2007年小震頻度比值雖有波動,但其變化幅度不大,比值接近于 1,但在震前約1年其比值呈大幅度上升趨勢,在2007年10月比值達到2000年以來的最高值,超過了15倍,表明汶川8.0級地震前龍門山斷裂帶小震活動受遠震動態(tài)觸發(fā)的特征明顯(圖4)。

為檢驗計算結(jié)果的可靠性,假定全球每年7級以上地震發(fā)震時間是隨機的。隨機檢驗結(jié)果顯示,其小震頻度比值的變化幅度不大,比值接近于1,表明在汶川8.0級地震前龍門山斷裂帶上的小震活動受到遠震動態(tài)觸發(fā)活動的特征明顯,該異常信度較高,并非隨機“巧合”對應結(jié)果。

圖4 全球7級以上地震前后1天龍門山斷裂帶小震頻度之比(窗長2年,步長1月)Fig.4 Frequency ratio of small earthquakes in the Longmenshan fault zone 1 day before and after global earthquakes with magnitude above 7 (Window length:2 years, time step:1 month)

地震活動性參數(shù)類計算結(jié)果往往受參數(shù)選擇的影響較大,如龍門山斷裂帶小震的震級下限、遠震影響時間等參數(shù)對計算結(jié)果的影響可能較大。為討論不同參數(shù)對計算結(jié)果的影響,分別對不同震級下限和不同影響時間進行計算。首先,分析震后影響時間選擇對結(jié)果的影響,對研究區(qū)全球7級以上地震前后不同時間尺度進行劃分,以0.1天為步長,分別計算0.5～2.0天的時間序列結(jié)果(圖5)。發(fā)現(xiàn)不同時間尺度的震前異常幅度不同,選擇時間為1天時,震前的異常幅度最顯著,遠程動態(tài)觸發(fā)區(qū)域小震活動的優(yōu)勢時間可能為1天左右。其次,分析龍門山斷裂帶小震不同震級對時間序列計算結(jié)果的影響,分別計算給出不同震級下限(ML1.8～2.5)的時間序列結(jié)果(圖6)。結(jié)果顯示龍門山斷裂帶小震震級下限為ML2.0時震前的異常特征最明顯,其異常幅度遠超過了其他震級下限的異常幅度,表明龍門山斷裂帶ML2.0以上地震受遠震動態(tài)觸發(fā)的異常活動特征較顯著。由隨機檢驗和不同參數(shù)(震級下限和影響時間)的計算結(jié)果可以看出,其異常特征受參數(shù)的影響不大,其異常特征較顯著,不同參數(shù)對異常的幅度有影響,選擇時間越短或震級越高,其異常幅度越小,這可能與統(tǒng)計樣本量較少有關(guān)。

圖5 全球7級以上地震前后不同時間長度(0.5～2天)龍門山斷裂帶小震頻度之比(窗長2年,步長1月)Fig.5 Frequency ratio of small earthquakes in the Longmenshan fault zone before and after global earthquakes with magnitude above 7 for different lengths of time (0.5-2 days) (Window length:2 years, time step: 1 month)

圖6 全球7級以上地震前后1天龍門山斷裂帶不同震級下限(ML1.8～2.0)的小震頻度之比(窗長2年,步長1月)Fig.6 Frequency ratio of small earthquakes with different lower limits of magnitude (ML1.8-2.0) in the Longmenshan fault zone 1 day before and after global earthquakes with magnitude above 7 (Window length:2 years, time step: 1 month)

3.2 空間掃描結(jié)果分析

上述時間序列的分析結(jié)果均以龍門山斷裂帶及鄰區(qū)的小震為研究對象,其范圍為汶川余震區(qū)的展布范圍(圖1中藍色虛線選擇范圍),在研究范圍選擇上具有一定不確定性。為了討論選擇范圍不同對計算結(jié)果的影響,采用一定空間窗和步長(空間窗:100 km,步長:0.1°),選擇汶川8.0級地震前2年全球7級以上地震,進行空間掃描計算,圖中不同顏色代表小震頻度比值的大小,從藍色到紅色的漸變代表比值由小變大(圖7)。計算結(jié)果顯示,2008年5月12日汶川8.0級地震前在震源區(qū)及鄰區(qū)的異常特征較突出,其比值均超過4.0,明顯高出隨機檢驗的結(jié)果,可能與龍門山斷裂帶應力水平較高有關(guān),且處于臨震極不穩(wěn)定的狀態(tài),遠震地震波微小的應力擾動,即可引起區(qū)域小震活動異常活動,導致遠震前后龍門山斷裂帶小震活動狀態(tài)存在較明顯差異,遠震震后1天龍門山斷裂帶的小震頻度明顯高于震前,比值最高達10,而距離龍門山斷裂帶較遠的區(qū)域絕大多數(shù)網(wǎng)格點的比值較小,介于1～2之間,與隨機檢驗的結(jié)果接近,表明汶川地震前龍門山斷裂帶小震活動受遠震活動的影響較顯著。

圖7 全球7級以上地震前后1天龍門山斷裂帶及鄰區(qū)小震頻度比的空間掃描結(jié)果(空間窗:100 km,步長:0.1°,時間:2006年5月10日—2008年5月10日)Fig.7 Spatial scanning results of the frequency ratio of small earthquakes in the Longmenshan fault zone and adjacent areas 1 day before and after global earthquakes with magnitude above 7 (Space window:100 km, step size:0.1°,time: from May 10,2006 to May 10,2008)

4 結(jié)論及討論

4.1 結(jié)論

通過對汶川8.0級地震前龍門山斷裂帶受遠震動態(tài)觸發(fā)小震異?；顒犹卣鞯难芯?得出如下結(jié)論:

(1) 采用遠程動態(tài)觸發(fā)影響“疊加”的思路,可能將成為研究遠程動態(tài)觸發(fā)小震活動的有效途徑和重要技術(shù)方法,該方法能有效突出震前發(fā)震斷層上遠程動態(tài)觸發(fā)小震的異常活動特征;

(2) 2008年汶川8.0級地震前,龍門山斷裂帶上的小震活動受遠程動態(tài)觸發(fā)活動的異常特征突出,通過隨機檢驗和不同參數(shù)的計算結(jié)果,排除異?！扒珊稀睂卣鸬目赡?進一步驗證了汶川8.0級地震前鄰區(qū)遠程動態(tài)觸發(fā)小震活動異常的可靠性。

4.2 討論

(1) 遠震動態(tài)觸發(fā)機制非常復雜,這種小震觸發(fā)活動可能受區(qū)域地震背景、孕震斷層應力水平及遠震類型、遠震距離等因素影響,隨著對觸發(fā)地震研究的不斷深入,可能會逐步揭開不同區(qū)域遠程地震之間的相互作用的物理機制,為區(qū)域強震危險性評估提供科學依據(jù),還可能通過觸發(fā)的小震活動實時監(jiān)測區(qū)域應力狀態(tài)[20];

(2) 基于遠場地震波動態(tài)觸發(fā)所帶來的應力擾動響應,以此來預測斷裂帶未來的強震危險性,理論上可能成為分析強震危險性的有效方法之一,但仍需更多實際震例進一步驗證其可行性,這是一個極具研究價值的方向。