四川蘆山7.0級地震前中小地震P軸方位角CV值的變化①

郭祥云, 陳學忠, 李艷娥, 王生文

(1.中國地震局地球物理研究所,北京　100081; 2.中國地震局第一監測中心,天津　300180)

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四川蘆山7.0級地震前中小地震P軸方位角CV值的變化①

郭祥云1, 陳學忠1, 李艷娥1, 王生文2

(1.中國地震局地球物理研究所,北京100081; 2.中國地震局第一監測中心,天津300180)

摘要:通過對2003年1月1日—2013年4月1日蘆山地震前震源區中小地震震源機制解的分析,發現不同階段的震源機制解在一定程度上反映了強震孕育過程中構造應力場隨時間的變化。震源區中小地震的P軸方位角CV值在蘆山M7.0地震發生前有一個上升-下降-上升的過程,只是相比于汶川8.0級地震前CV值的下降-上升過程經歷了更長的時間,這表明四川蘆山M7.0地震的孕育經歷了長時間的應力積累,與許多研究結果相一致。2007年1月1日—2014年4月1日CV值空間分布的非均勻性特征在龍門山斷裂帶南段有顯著的增強與減弱過程,對于發震地點可能有一定的指示意義。

關鍵詞:震源機制解; P軸方位角; CV值

0引言

地震是地下介質不堪承受大于其強度的應力而發生破裂的自然現象,孕震區的應力狀態在地震周期中起著決定性的作用[1-3]。應力狀態的時空變化和深部介質特性與地震的孕育、發展以及地震強度關系密切。小于5.0級的中小地震發生頻率較高,其震源機制解對于描繪區域構造、確定區域應力方向、探討地震成因機制、開展地震預報等研究具有重要意義[4-10]。

2013年4月20日8時2分,四川省雅安市蘆山縣(30.3°N,103.0°E)發生M7.0強震。該地震位于龍門山前緣構造帶南段,距離2008年5月12日汶川M8.0特大地震震中約70 km。本文擬利用震源區中小地震震源機制的P軸方位角CV值的變化,討論孕震過程中構造應力場的變化規律及其可能的前兆指示意義,提取震源區介質物性的變化,以期為科學預測未來逆斷層型地震發生時間和地點提供可借鑒的依據。

1研究方法

陳颙[5]提出了用一群地震震源斷層面走向均值的標準偏差,或用震源機制解參數k=(n1-n2)/N(其中N為震源機制解總數;n1為震源機制一致性的數;n2為不一致的數)來描述地震機制的一致或混亂程度,以探索孕震區內背景構造應力場的動力學過程,進而確定區域內未來地震的危險性。該方法中震源機制一致性參數是個相對的概念。澤仁志瑪等[8]提出用震源機制一致性參數來研究應力場取向的變化,以發現構造運動的情況及強震的前兆信息,但該方法需要先確定背景應力場,具有很大的不確定性。近年來,郭祥云[11]發展了基于震源機制解統計特征的P軸方位角變異系數的方法,該方法不依賴于先驗的背景應力場,同時也具有較好的穩定性。因此本研究采用此方法來探索中小地震震源機制解在地震趨勢分析中的應用。

在統計學中,CV值為標準差與平均值的比值,即相對標準差方差,反映的是某個參數的非均勻分布特征,CV值越大,表示非均勻性越強；反之,非均勻性越弱。P軸方位角變異系數CV值或方差σ:

(1)

(2)

CV值的變化反映了P軸方位角空間取向的變化,間接地反映了孕震體應力變化的過程。P軸方位角CV值上升-下降,表明非均勻性由增強過渡到減弱,間接反映了孕震體應力場的變動過程。上升-下降過程可能對應了孕震體亞失穩和臨失穩,應力積累轉為應力釋放,平穩釋放轉為加速釋放,兩種階段對應地震之前的孕育與臨震階段。

2數據資料

收集整理了四川省數字化區域地震臺網蘆山地震前龍門山構造帶南段2003年1月至2013年3月的波形記錄資料。2003年1月—2013年3月蘆山震源區發生3.0級以上地震78次(圖1)。利用現在普遍流行的基于P波初動和振幅比計算中小地震震源機制解HASH方法反演出滿足條件的72次地震的震源機制解(表1),其空間分布如圖1所示。

圖1　蘆山震源區2003年1月—2013年3月3.0級以上地震分布(藍色方框內的地震被用于計算P軸方位CV值,紅色圓點表示有震源機制解,藍色圓點無震源機制解,三角表示蘆山地震震中位置)Fig.1　Distribution of earthquakes (ML≥3.0) from January,2003 to March,2013 in Lushan seismic area (Earthquakes in the blue box are used to calculate the CV value of P-axis azimuth red,and blue dot indicate focal mechanism and no focal mechanism,respectively,triangle indicates the epicenter location of Lushan M7.0 earthquake)

發震時間發震位置緯度/(°)經度/(°)震源深度/km震級/MSPlaneⅠ走向/(°)傾角/(°)滑動角/(°)P軸Az/(°)Pl/(°)2003-06-12T10:03:0029.97103.25153.224859-20212352003-09-19T09:12:0029.65103.3753.125646-159103422003-10-24T19:36:0030.49102.7553.2317538156142004-03-29T19:43:0030.00102.42143.711406330082004-06-14T01:23:0030.60102.6883.52822548223252004-07-14T05:08:0030.58102.8013.42113365139142004-09-16T07:12:0030.37102.9053.65529-91148742004-11-06T10:11:0029.48103.0283.033341-174183362004-12-26T09:52:0029.68102.97103.2283825043262005-04-20T11:02:0029.63102.97113.022273-6179162005-05-26T11:17:0029.62102.9753.035140-99135822005-06-14T01:03:0030.10102.7283.75561-175275232005-08-24T22:47:0029.37103.1553.09024-80161682005-09-30T13:32:0030.17103.2253.02088138334192006-02-20T04:16:0029.87102.68153.213566-1395262006-05-24T11:04:0029.88102.8353.2693496335112006-08-13T19:55:0029.90103.33143.11615018116172006-09-05T01:31:0029.82103.0553.61945899277132006-10-07T08:13:0029.82103.0353.132969928492006-10-20T21:22:0029.88102.5273.127345-156118452006-11-04T02:22:0029.73103.3273.0261418917242007-01-01T22:16:0029.57102.97123.5235999106142007-03-28T11:33:0030.53102.88133.012187157169142007-06-25T10:24:0030.53102.8253.143588275102007-07-02T19:07:0030.23103.3353.014356-3104252007-07-23T02:08:0030.73102.6763.35959174281182007-07-23T02:08:0030.73102.6763.35959174281182007-07-31T07:35:0029.53102.7384.38134-87160792007-08-02T06:06:0030.01102.6353.475389933972007-09-18T03:42:4430.22102.7753.332461-2283222008-08-12T02:49:3930.68102.65163.8339717482242008-09-14T01:41:2830.10103.10153.02656115313642008-11-15T01:55:0129.68103.5203.01686497253192008-12-02T04:01:4730.28102.23143.06668-116299592008-12-24T21:08:1230.17102.78183.32913520249272009-03-29T06:26:1429.73103.1353.220076-87114592009-05-12T06:44:3029.62103.62203.5295570255232009-06-10T14:18:5829.58102.77203.033367-2291182009-06-10T22:43:5629.88103.28103.6133471590202009-07-01T13:39:4429.70102.3853.510580-3558312009-08-04T04:04:0229.63103.28103.0309859237402009-09-19T12:16:3830.48102.65204.1938917613822009-10-17T15:53:1830.43103.0753.02696915731802009-11-25T22:01:1029.87103.28103.529238-155129482009-12-22T12:54:2729.85102.603.033641-170184382010-01-22T01:34:1429.48103.2793.120174-14159202010-02-20T02:57:4829.98103.38193.028350150154112010-03-05T06:32:1430.78102.75143.5661-3326222010-03-18T16:18:0930.83102.77143.112385-149351252010-04-29T17:37:3330.69102.5363.514482-9054532010-05-08T06:19:3930.13103.48173.73182-163256182010-06-27T11:21:4730.33103.28213.225019-48279572010-10-15T17:49:2329.63103.25143.121276-2916830

續表1

發震時間發震位置緯度/(°)經度/(°)震源深度/km震級/MSPlaneⅠ走向/(°)傾角/(°)滑動角/(°)P軸Az/(°)Pl/(°)2011-03-08T21:00:3730.84102.76123.132970-65273582011-03-24T23:18:1629.61103.18173.7159732329042011-03-30T13:53:0229.61103.20153.134148165204202011-07-08T17:06:2230.47102.88183.1936413415382011-07-25T15:33:5330.00103.14184.0415010512142011-08-08T05:42:0429.62102.72123.525509311352011-10-21T05:06:0130.02103.23163.522062110296152011-10-27T01:00:1929.64103.22154.013283-1287132012-07-01T09:53:4430.00102.42173.929226-170128442012-07-13T19:18:4929.35103.06183.92173498121112012-08-14T06:31:0930.07103.20153.132183-527782012-09-06T23:10:5330.03103.11163.1295987121142012-10-19T02:44:1630.14102.86264.126965-100159692012-10-22T21:27:0430.49102.99143.22618116830722012-12-03T02:13:5829.70103.35113.031152933972012-12-16T16:13:4330.46102.81173.1177801231122012-12-26T04:07:4529.01102.26143.33348617919922013-03-04T23:42:1730.98103.4464.1471-178205152013-04-01T06:21:1731.70103.2033.710067-11321261

3結果分析

3.1P軸方位角CV值隨時間的演化

利用計算得到的中小地震震源機制解,選取圖1中藍色矩形框范圍內所有地震的P軸方位角進行歸一化,以5個為一組計算一個CV值,以3個數據進行滑動,可以看到P軸方位角的CV值隨時間的變化(圖2)。從圖中可以看出,從2003年1月—2013年3月蘆山地震前CV值有一個上升-下降-上升的過程。CV值從2002年開始上升,2004年6月上升到歷史最高值,之后緩慢下降,直到2008年12月份下降到最低值,下降過程長達4年多,顯示該地區經歷了很長時間的應力積累過程;2009年開始緩慢上升回返,在這個過程中發生了蘆山M7.0地震,地震前CV值變化過程與汶川地震類似[11],只是持續時間更長。許多研究也表明四川蘆山M7.0地震是一個高角度逆沖斷破裂。如此高角度的逆斷層錯動,只有在極大的差應力下和長期應變能積累后才能產生[12]。龍門山斷裂帶位于青藏高原東南緣,由于青藏高原隆升引起地殼物質東流,在此遇到四川盆地阻擋,因此應變能長期積累。定量計算模擬表明,整個龍門山斷裂帶上地殼底部都是應力高增長率區[13]。從圖3同樣可以看出從2009年10月開始CV值高值區域逐漸在龍門山斷裂南段集中擴展,表明該地區應力軸的空間取向非均勻性在增強,應力有明顯的調整過程。雖然2008年汶川大地震使龍門山斷裂南段的應力得到了有效的緩解,但地震造成的破裂主要集中在龍門斷裂帶北段,而南部基本沒有發生錯動,余震活動也較弱,因此其上積累的應變能并沒有完全釋放。

圖2　蘆山震源區2003—2013年標準差和CV值隨時間的演化Fig.2　Variation of standard deviation and CV value with time from 2003 to 2013 in Lushan seismic area

圖3　川滇地區CV值空間分布Fig.3　Spatial distribution of CV value in Sichuan—Yunnan region

3.2P軸方位角CV值空間的演化

以2年為窗長、1年步長,分為6個不同時段:2007—2008年、2008—2009年、2009—2010年、2010—2011年、2011—2012年和2012—2013年4月,對蘆山震源區中小地震震源機制解P軸方位角CV值的空間分布特征隨時間的變化進行研究(圖3)。結果表明,CV值空間分布的非均勻性有一個顯著的增強與減弱過程,從2007—2012年CV值高值區域在29°～31°N,101.5°～103.0°E一帶有一個顯著的擴展過程,2012—2013年3月此區域明顯減小,隨后蘆山地震在其附近發生,這也許表明CV值對發震地點有一定的指示意義。

4結論與討論

地應力是導致各種構造變形的力學因素,測定其方向和強度,研究其空間分布及隨時間的變化,對于探索地震的孕育及發生是非常必要的。震源機制解分析是目前了解地殼深部現今應力狀態最有效、最直接的方法之一。根據地震波輻射花樣理論基礎得到的震源機制解的本質是彈性應變給出的三維應力狀態的描述,大量中小地震震源斷層的錯動表現本身呈現的是區域或較局部的一種應力狀態。在一次強震孕育過程中,在潛在震源區及其附近,由于局部構造活動加劇,構造應力場增強,在相對穩定的區域應力場背景上會出現應力場時空調整變化。研究震源區應力狀態對于認識地震的形成過程、判斷地震危險性和發展地震預測方法都具有重要意義[14-15]。

本文通過震源機制解P軸方位角CV值的時空演化來考察地殼應力狀態的變化。研究發現:蘆山7.0級地震前孕震區內一系列中小地震P軸方位角CV值震前有一個上升-下降-上升的過程,表明應力軸的空間取向發生了變化,強震發生前應力場有明顯的調整過程;CV值空間分布的非均勻性特征在龍門山斷裂帶南段有顯著的增強與減弱過程,這對于發震地點可能有一定的指示意義。

中小地震的P軸方位角CV值在蘆山地震前的時間演化特征,似乎比較客觀地反映了震源區應力場變動情況。震源區及其附近應力場在震前很長時間里,有一個應力逐步增強和釋放的過程,這種現象和巖石破裂試驗中的得到的結果非常一致,但在實際應用中取多大范圍內的中小地震,CV值參數多大起伏為孕震階段特征,還需要對長期大量的資料進行積累分析才能得到。本文僅探討了這一分析方法及應用問題,具體的震情判斷指標還有許多工作要做。未來如果能在基于應力狀態演化的物理背景下結合其他觀測手段去進行地震預報和預測,將會更加行之有效。當然還需要更多的震例研究或更長時間的檢驗。

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CVValue Variation of P-axis Azimuth for Small to Moderate Earthquakes before the LushanMS7.0 Earthquake in Sichuan

GUO Xiang-yun1, CHEN Xue-zhong1, LI Yan-e1, WANG Sheng-wen2

(1.InstituteofGeophysics,CEA,Beijing100081,China; 2.FirstCrustMonitoringandApplicationCenter,CEA,Tianjin300180,China)

Abstract:In the preparation process of a strong earthquake,at the potential source area and its vicinity,the tectonic stress field can be enhanced by local tectonic activities.There will be a space-time adjustment of the stress field with the background of a stable regional stress field.To detect the crustal stress state of the study area,in this paper we analyze the focal mechanism data of small to moderate earthquakes that occurred at the epicenter of the Lushan MS7.0 earthquake and its surrounding areas more than ten years before the Lushan earthquake.We obtained the focal mechanism solutions of the small to moderate earthquakes using the Hardebeck and Shearer (HASH) method,then used the CV value of the P-axis azimuth (the ratio of the standard deviation to its average) to identify the stress field change.The results show that the stress field obviously changed at the seismic source and its surrounding areas with time.The P-axis azimuth CV values of the small to moderate earthquakes exhibited a rise-decline-rise process prior to the Lushan M7.0 earthquake,which means that there was a long period of stress accumulation before the M7.0 earthquake,consistent with the results of many previous studies.The CV values and apparent stress had the same tendency changes,which objectively reflect the changes in the stress field in the process of earthquake preparation.This study demonstrates that there is a certain relationship between the occurrence of strong earthquakes and the change in the P-axis azimuth CV values of small and moderate earthquakes.

Key words:focal mechanism solution; P-axis azimuth; CV value

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0242

中圖分類號:P315.3

文獻標志碼:A

文章編號:1000-0844(2016)02-0242-07

作者簡介:郭祥云(1975-),女,山西洪洞人,高級工程師,現主要從事地震監測與預報方面的研究工作。E-mail:guoxiangyun@cea-igp.ac.cn

基金項目:中國地震局行業專項(201408014);中國地震局地球物理研究所基本科研重大專項(DQJB11C11)

收稿日期:①2014-10-31