郭瑛霞 朱益民 余 騰 李啟雷 張麗峰 余 娜

1 中國(guó)地震局青海格爾木青藏高原內(nèi)部地球動(dòng)力學(xué)野外科學(xué)觀測(cè)研究站,西寧市柴達(dá)木路153號(hào),810000 2 青海省地震局,西寧市柴達(dá)木路153號(hào),810000 3 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京市學(xué)院路29號(hào),100083 4 宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇省宿遷市黃河南路399號(hào),223800

地震震級(jí)與頻度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[1]為lgN=a-bM,式中a、b為常數(shù),N為震級(jí)M滿足大于等于最小完備震級(jí)MC的地震累積次數(shù),b值則具有直接的物理意義,可衡量區(qū)域內(nèi)應(yīng)力的大小與分布[2-3]。研究指出,強(qiáng)震往往發(fā)生在活動(dòng)斷裂帶上高應(yīng)力積累的凹凸體段或閉鎖段,b值與介質(zhì)的非均勻程度、有效剪應(yīng)力等參數(shù)有關(guān),并與應(yīng)力大小成反比[4-6],巖石破碎實(shí)驗(yàn)也可發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象[7-8]。此后,國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用低b值區(qū)探索凹凸體位置,分析活動(dòng)斷裂帶上具有強(qiáng)震危險(xiǎn)性的潛在段落[9-12]。目前b值計(jì)算方法主要為線性最小二乘法和最大似然法,已廣泛應(yīng)用于不同活動(dòng)構(gòu)造的強(qiáng)震危險(xiǎn)性分析中,可反映震源區(qū)震前應(yīng)力狀態(tài)[13-16],也有部分學(xué)者將b值方法與其他測(cè)震學(xué)方法相結(jié)合,并取得更可靠的研究成果[17-19]?；谙嚓P(guān)研究結(jié)果,本文嘗試對(duì)2022-01-08門源6.9級(jí)地震前后b值時(shí)空變化特征進(jìn)行研究。

1 地震概述及地震序列重定位

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定,北京時(shí)間2022-01-08 01:45青海省海北州門源縣(37.77°N,101.26°E)發(fā)生MS6.9地震,此次地震落入2022年度全國(guó)地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)——甘肅嘉峪關(guān)-青海門源危險(xiǎn)區(qū),同時(shí)落入青海省地震局2022年度重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)——青海祁連-門源地區(qū)內(nèi),震源深度10 km,微觀震中屬于無(wú)人區(qū),西北多地震感強(qiáng)烈。門源地震地處青藏地塊和阿拉善地塊擠壓縫合地帶,該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,地震活動(dòng)十分頻繁,震中位于托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂之間。余震西段主要沿NWW向展布,01-08 MS5.1余震發(fā)生在西段中東部;余震東段主要沿SE向展布,01-12 MS5.2余震發(fā)生在東南部;主震位于東西段交匯區(qū)域。為獲取更為精細(xì)的地震分布特征并分析發(fā)震斷層性質(zhì),利用雙差定位方法對(duì)門源地震序列進(jìn)行重定位[20],采用左可楨等[21]的速度模型,選取震中距400 km內(nèi)的震相數(shù)據(jù)進(jìn)行重定位,圖1(a)為重定位前門源地震序列震中分布,圖1(b)為重定位后震中分布,重定位前后地震展布形態(tài)未發(fā)生明顯變化,但主震位置向西側(cè)偏移,即更加靠近冷龍嶺斷裂,重定位后主震震中位置為37.770°N、101.270°E,震源深度為9.94 km。

圖1 地震序列重定位結(jié)果Fig.1 Relocation results of earthquake sequence

門源地震震中附近的走滑斷裂與逆沖斷裂、主斷裂與次斷裂組成的復(fù)雜構(gòu)造體系,是青藏高原東北緣近1 000 km大型左旋走滑斷裂帶的重要組成部分,用來(lái)調(diào)節(jié)高原相對(duì)于阿拉善地塊的東北向擠壓運(yùn)動(dòng)[22]。該地震是繼2016-01-21門源MS6.4地震后發(fā)生在冷龍嶺斷裂附近的又一次破壞性地震,兩者震中相距32 km。據(jù)青海地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定,截至2023-01-08,門源6.9級(jí)地震序列共記錄ML1.0以上余震1 424次,其中5.0～5.9級(jí)3次,4.0～4.9級(jí)19次,3.0～3.9級(jí)74次,2.0～2.9級(jí)409次,1.0～1.9級(jí)919次,最大余震為01-12 MS5.2地震,整個(gè)序列衰減正常。由圖2可以看出,距地震發(fā)生時(shí)間越長(zhǎng),地震平靜的間隔時(shí)間也越長(zhǎng),累積頻次從01-26開始變緩,地震序列在1 400次之前地震間隔時(shí)間很短,幾乎為連續(xù)發(fā)生,而在約1 400次之后地震間隔時(shí)間逐漸變長(zhǎng),尤其是在1 416次前后,地震間隔時(shí)間明顯增長(zhǎng),表明序列已進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)。

圖2 門源地震M-T、累積頻次及地震間隔時(shí)間變化Fig.2 M-T and cumulative frequency and interval time variation of Menyuan earthquake

2 資料與方法

2.1 資料選取

由于背景分析需要,本文研究區(qū)包含門源6.9級(jí)主震及其余震震源區(qū),范圍為36°～40°N、98°～104°E(圖3),選用1970-01-01～2023-01-08青海數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)地震目錄資料,共有ML1.0以上地震1 785次。青海地區(qū)6.0級(jí)以上地震的重現(xiàn)期最短為34個(gè)月,最長(zhǎng)為95個(gè)月。研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,圖中黃色五角星為1970年以來(lái)發(fā)生的6級(jí)以上地震,在空間上零散分布,祁連山地震帶附近發(fā)生的地震主要有1986年門源6.5級(jí)地震、1990年甘肅天祝-景泰6.2級(jí)地震、1993年天峻6.0級(jí)地震、2003年甘肅民樂(lè)6.1級(jí)地震、2016年門源6.4級(jí)地震和2022年門源6.9級(jí)地震,6.0級(jí)以上地震的重現(xiàn)期最短為37個(gè)月。

2.2 地震b值計(jì)算方法

2.3 最小完備震級(jí)計(jì)算與分析

將偏離震級(jí)-頻度關(guān)系擬合直線的最小震級(jí)定義為最小完備震級(jí)MC[25],其對(duì)b值計(jì)算影響較大。基于監(jiān)測(cè)能力,根據(jù)歷史地震事件時(shí)間和觀測(cè)儀器的變革時(shí)段,按年劃分為4個(gè)階段(1970～1986年、1987～2006年、2007～2016年、2017～2022年)。采用最大曲率法得到G-R關(guān)系的M-T分布,以0.1級(jí)為震級(jí)間隔,統(tǒng)計(jì)不同震級(jí)區(qū)間的地震頻次N,計(jì)算得到4個(gè)時(shí)段的最小完備震級(jí)MC,結(jié)果如圖4所示,圖中無(wú)明顯甩尾和掉頭現(xiàn)象,4個(gè)時(shí)段計(jì)算的MC結(jié)果分別為ML2.2、ML2.0、ML1.6、ML1.5,可以看出,MC自1970年以來(lái)呈減小趨勢(shì),表明總體監(jiān)測(cè)能力逐年提高,2017年以來(lái)震區(qū)基本可保證ML≥1.5地震的完整性。為直觀理解研究區(qū)地震M-T關(guān)系,將1970～2022年ML≥1.5地震全部篩選出來(lái),共計(jì)22 644次地震,其中5.0級(jí)以上地震52次,結(jié)果如圖5所示。

圖4 研究區(qū)不同時(shí)段地震完整性分析Fig.4 The earthquake integrity analysis of the study area in 4 periods

圖5 研究區(qū)M-T統(tǒng)計(jì)Fig.5 The relationship between earthquake magnitude and time in the study area

2.4 2022年門源地震序列b值分析

研究發(fā)現(xiàn),大地震發(fā)生后震源區(qū)b值有回升跡象[16,26],采用余震地震目錄進(jìn)行分時(shí)段b值計(jì)算,1個(gè)星期內(nèi)最小完備震級(jí)為ML1.7,線性擬合b值為0.76,a值為3.98;1個(gè)月內(nèi)最小完備震級(jí)為ML1.7,線性擬合b值為0.80,a值為4.16;6個(gè)月內(nèi)最小完備震級(jí)為ML1.7,線性擬合b值為0.81,a值為4.30。由圖6可以看出,a、b值隨序列略微增大,說(shuō)明震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)逐漸緩解,序列衰減相對(duì)正常,根據(jù)最大截距外推震級(jí)為ML5.3左右,但實(shí)際為MS5.2,說(shuō)明最大余震可能已經(jīng)發(fā)生。為進(jìn)一步探討2022年門源6.9級(jí)地震余震演化過(guò)程中b值的空間變化,利用Zmap程序?qū)﹂T源地震后1個(gè)月和6個(gè)月的余震數(shù)據(jù)進(jìn)行b值空間掃描計(jì)算,然后相減得到Δb值,結(jié)果如圖7所示。由圖可知,門源6.9級(jí)地震震源區(qū)b值變化不大,并未快速上升,而發(fā)震斷層西端b值略有回升,東端b值降低,表明該區(qū)域仍有較高的應(yīng)力積累,存在繼續(xù)發(fā)生余震的可能,該預(yù)測(cè)結(jié)果與后續(xù)余震的發(fā)生具有較好的一致性。

圖6 門源6.9級(jí)地震序列不同時(shí)段a、b值計(jì)算Fig.6 Calculation of a and b values in different periods of Menyuan MS6.9 earthquake sequence

圖7 門源6.9級(jí)地震序列b值空間變化Fig.7 Spatial distribution of b-value of Menyuan MS6.9 earthquake sequence

3 b值時(shí)空掃描特征

3.1 b值時(shí)間掃描特征

由G-R關(guān)系圖可以看出,研究區(qū)b值除在1987～2006年較低外,其余3個(gè)階段均在0.70以上,在已獲得的b值基礎(chǔ)上按不同取樣標(biāo)準(zhǔn),依次以每1 a、5 a和10 a為間隔研究b值的變化特征,研究區(qū)b值-時(shí)間關(guān)系如圖8所示。由圖可知,b值中、短期變化無(wú)一致趨勢(shì),長(zhǎng)期變化具有較大的升降過(guò)程,認(rèn)為b值變化與選取周期有關(guān),均值為0.80左右。

圖8 不同時(shí)間間隔b值變化Fig.8 The variation of b-value of different time intervals

大地震通常會(huì)引發(fā)許多中小余震,改變?cè)搮^(qū)域地震發(fā)生速率,打破地震活動(dòng)正常的時(shí)空分布,影響地震活動(dòng)的平穩(wěn)性,因此在進(jìn)行地震活動(dòng)性研究時(shí)需要考慮刪除小余震活動(dòng)對(duì)結(jié)果的影響[27]。b值時(shí)間分布特征可以反映研究區(qū)不同時(shí)段所處應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài),且在部分大震前震源區(qū)b值均呈現(xiàn)出趨勢(shì)性降低的特征[3,16],b值時(shí)間變化特征分析可為判定b值異常區(qū)強(qiáng)震危險(xiǎn)緊迫性提供參考依據(jù)。b值時(shí)間掃描計(jì)算方法是基于臺(tái)網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行以來(lái)2012～2022年震級(jí)大于MC的地震目錄,共10 a時(shí)間尺度,當(dāng)?shù)卣疬_(dá)到一定數(shù)目后,計(jì)算結(jié)果更趨于穩(wěn)定。以固定地震樣本數(shù)作為窗長(zhǎng)和步長(zhǎng),選用最大似然法計(jì)算每個(gè)時(shí)間窗的b值,獲得研究區(qū)b值隨時(shí)間的分布曲線(圖9),圖中δb表示95%置信度標(biāo)準(zhǔn)差范圍。由圖可知,2016年門源地震后b值逐步上升,之后呈下降趨勢(shì),尤其在2021-03之后區(qū)域內(nèi)b值出現(xiàn)明顯下降,2022-01-08門源6.9級(jí)地震后出現(xiàn)小幅回升,這可能與震后區(qū)域應(yīng)力得到釋放有關(guān),因此b值作為破壞性地震的預(yù)測(cè)指標(biāo)具有一定指示意義。

圖9 研究區(qū)2012-01～2022-01地震b值時(shí)序曲線Fig.9 Time series of earthquake b-value from January 2012 to January 2022 in the study area

3.2 b值空間掃描特征

利用青海測(cè)震臺(tái)網(wǎng)1970年以來(lái)小震目錄,采用最大似然法,選取門源6.9級(jí)地震震源附近區(qū)域(36°～40°N,98°～104°E)刪除小余震后共10 328個(gè)地震,在前述的地震目錄完整性分析基礎(chǔ)上對(duì)滿足樣本量的劃分時(shí)段進(jìn)行b值空間掃描,掃描方形網(wǎng)格為1°×1°,步長(zhǎng)為0.05°,要求網(wǎng)格內(nèi)地震數(shù)不少于20個(gè),最大震級(jí)和最小震級(jí)之差大于1.5級(jí),震級(jí)下限為ML1.5[26],以保證參數(shù)擬合的可靠性。異常判別指標(biāo)為b<0.7,b值空間分布結(jié)果見圖10。門源地區(qū)b值在0.50～0.90之間,震前有低b值異常區(qū)域,2022年門源地震發(fā)生在冷龍嶺斷裂和托萊山斷裂附近的高低b值過(guò)渡區(qū)、靠近低b值區(qū)域邊緣,表明該區(qū)域具有較高的應(yīng)力積累(圖10(a)),這與孫安輝等[18]的結(jié)果具有較好的一致性。在掃描計(jì)算中,選取地震目錄起止時(shí)間分別為2017-01-01～2022-01-07、2017-01-01～2021-01-07,相減得到Δb值,Δb值升高為正,表明應(yīng)力水平降低;Δb值降低為負(fù),表明應(yīng)力水平升高。震前1 a震中區(qū)Δb值變化不顯著,但在震中區(qū)附近東偏南方向區(qū)域b值下降(圖10(b)),可能表明震中區(qū)應(yīng)力積累主要發(fā)生在2021年之前。2000年以來(lái)該地震鄰區(qū)100 km范圍內(nèi)共記錄到2次6.0級(jí)以上地震,分別為2003-10-25甘肅民樂(lè)6.1級(jí)地震和2016-01-21青海門源6.4級(jí)地震,均發(fā)生在青海省與甘肅省交界附近,區(qū)域構(gòu)造上位于祁連山斷裂帶中東段,祁連山斷裂帶在青藏高原內(nèi)部地震活動(dòng)極為強(qiáng)烈,歷史上曾發(fā)生多次6.0級(jí)以上地震,塊體內(nèi)部地震頻發(fā)可能會(huì)引起其局部應(yīng)力調(diào)整,使地震危險(xiǎn)性趨勢(shì)增強(qiáng)。另外從低b值區(qū)大小與震級(jí)強(qiáng)度的關(guān)系來(lái)看,可能存在異常區(qū)范圍越大,其強(qiáng)震潛在危險(xiǎn)性就越大的特征[15]。由于冷龍嶺斷裂的發(fā)震機(jī)制受地下復(fù)雜構(gòu)造的影響,具有不同的分段特征,2016年門源6.4級(jí)地震發(fā)生在冷龍嶺斷裂與民樂(lè)-大馬營(yíng)斷裂之間的一條潛在斷層上,b值空間掃描和震前1年Δb值結(jié)果顯示,門源6.4級(jí)地震發(fā)生在相對(duì)低b值區(qū),數(shù)值在0.7以下,Δb值降低區(qū)域面積較小,應(yīng)力水平升高(圖10(c)和10(d))。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要對(duì)門源6.9級(jí)地震前后b值進(jìn)行研究,首先通過(guò)前人計(jì)算的速度模型,采用雙差定位方法對(duì)門源地震進(jìn)行重定位,并根據(jù)門源地震序列獲得震后b值時(shí)空分布,然后根據(jù)青海測(cè)震臺(tái)網(wǎng)2000年以來(lái)小震目錄,采用最大似然法,在最小完備震級(jí)基礎(chǔ)上進(jìn)行b值空間掃描,得出以下結(jié)論:

1)采用雙差定位方法對(duì)門源地震進(jìn)行重定位,重定位前后地震展布形態(tài)未發(fā)生明顯變化,但主震位置向西側(cè)稍偏移,即更加靠近冷龍嶺斷裂。

2)采用最大曲率法,選取1970～2022年門源地震震源區(qū)及周邊地震目錄,計(jì)算得到最小完備震級(jí)結(jié)果:1970～1986年為ML2.2,1987～2006年為ML2.0,2007～2016年為ML1.6,2017～2022年為ML1.5。近年臺(tái)網(wǎng)測(cè)震能力逐步增強(qiáng),選取完備震級(jí)以上的震例數(shù)據(jù)計(jì)算b值具有合理性,可為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。

3)根據(jù)b值時(shí)間掃描特征,選取震前10 a數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),門源6.9級(jí)地震發(fā)生前區(qū)域內(nèi)b值有一定程度的下降,地震后出現(xiàn)小幅回升,這可能與震后區(qū)域應(yīng)力得到釋放有關(guān),可作為大地震臨近的支撐依據(jù),具有一定的預(yù)測(cè)指示意義。

4)通過(guò)對(duì)門源6.9級(jí)地震余震序列b值變化進(jìn)行分析,認(rèn)為早期b值變化可為后期余震的位置預(yù)測(cè)提供一定參考。

5)根據(jù)震前b值空間分布特征可知,2022年門源地震發(fā)生在冷龍嶺斷裂和托萊山斷裂附近的高低b值過(guò)渡區(qū),靠近低b值區(qū)域邊緣,且震前1 a震源區(qū)Δb值變化不顯著,表明門源6.9級(jí)地震前區(qū)域應(yīng)力積累主要發(fā)生在2021年之前。