基于震源機制的地震區劃與地震預測方法討論

郭增建+郭安寧

摘要：主要討論了震源機制與烈度區劃的歷史及相關問題，震源一致性與前震鑒別的關系，震源斷層破裂錯動產生的科里奧利力效應和余震強度的關系及預測方法。

關鍵詞：震源機制；地震烈度區劃；前震鑒別；科里奧利力余震效應

中圖分類號：P315.33文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0509-05

0引言

震源機制是地震發生后地震臺網產出的一個常規結果，基本每次地震后都作為地震產出之一而及時通過網絡發布（胡幸平等，2008；郭祥云等，2010；李曉峰等，2013；郭安寧等，2016）。大地震發生后，地震臺網會相繼給出震源機制與地震破裂過程（姚家駿，2015；李春燕，徐輝，2015）。

對一些大地震發生后延續幾十年的余震序列的研究現今仍在繼續，雖然不是對未來將發生強震的預測，但是作為基礎研究目前還在不斷進行著資料積累與研究，其作用與意義還是需要更深的挖掘（張宏志等，2008；李軼群，王健，2008）

震源機制主要是研究震后問題的，但也可用于超長期地震預測（地震烈度區劃）和某些情況下的短臨預測。本文在介紹我們已有研究的基礎上，結合不同期限要求的地震預測方法，對震源機制對預報科學的作用做進一步的討論。

本文基于郭增建和姜秀娥（1965）的研究成果，討論了震源機制與烈度區劃及地震預測的關系，闡述了將震源機制用于烈度區劃的歷史、首次建立震級-斷層長度公式的過程及存在的問題。以及1974年郭增建以中國震源機制的結果為依據，劃分的中國大陸塊體在后期大地震發生的驗證。之后介紹了郭增建等（1973）提出的組合模式為理論指導的基礎下，用震源機制一致性鑒別前震群的方法及問題所在，討論了用大地震發生時震源斷層破裂錯動產生科里奧利力與余震強度的關系。

在綜合歷史以及其他研究者的基礎上，對震源機制與預測的關系做了進一步的討論，以期能對超長時間大地震、臨震以及強余震預報起到一定的參考作用。

1震源機制應用于超長期地震預測（烈度區劃）回顧郭增建和姜秀娥（1965）根據48個強震的震源機制資料（絕大部分是P波初動解），通過研究發現中國的強震在多數以走滑錯動為主，建議在地震烈度區劃中除考慮垂直運動的地質指標外，還應考慮水平運動的地質跡象。之所以提出這一點是因為1956年編制中國第一代地震烈度區劃圖只考慮了垂直運動的地質指標。目前在烈度區劃中考慮水平運動指標已成共識，例如第五代中國地震動參數區劃圖的說明書中就有類似論述。

1974年，在為地震烈度區劃和開展地震預測而劃分中國發震地殼塊體交界帶工作中曾應用了震源機制資料。對此，閆志德和郭履燦（1983）指出：1974年郭增建把我國地殼劃分為9個巨塊，以七級以上大地震的分布、大震極震區的方向、大斷裂延伸的方向以及由地震波得到的震源錯動方向為依據來劃分巨塊交界，并劃出青藏高原復雜區塊又分南北兩塊。閆志德和郭履燦（1983）進而對北塊作了有價值的研究和討論。值得回顧的是1974年劃分出來的青藏高原北塊的西南邊界西段和東南邊界分別于2001年和2008年發生了昆侖山口西和汶川特大地震。在已公布的第五代地震烈度區劃圖的說明書中，也有類似觀點的論述。

1965年由于國家三線備戰對地震烈度評定的需求，郭增建等基于大震發生時在地表形成的斷層錯動資料，建立了震級與震源斷層長度L以及與錯動幅度D之間的公式。因對同類震級地震取其地表斷層長度和錯動幅度最大者建立公式，故可認為它們能代表震源地方的斷層長度和錯動幅度（郭增建等，1973）。斷裂長度L與震級MS之間的關系：MS=3.3+2.1lgL（1）該公式曾于1965年在甘肅河西走廊的地震烈度評定中用于由構造分段長度推求未來相應的最大震級。

震級與破裂錯動幅度的關系是：LgD=0.52MS-1.25（2）式中：D為地震時斷層破裂錯動的幅度，單位cm。

由（2）式可知，如果知道2個地殼塊體相對運動的速度或一個大斷層兩盤相對運動的速度，則可求得完成這一錯動幅度所需的時間，進而可大致評估相應于一定幅度的地震其孕育所需時間。一般在廣義的震源機制參數中也包括震源斷層長度和錯動幅度。但上述的公式是由宏觀資料得到而不是由地震波得到。

這個當時由很少數據資料建立起來的公式，據文獻檢索，除在全國為首次外，在國際上也是最早進行的研究之一。把宏觀地質構造與地震的震級建立了定量的關系在國內也是首次。另外這個公式在近年西北地區進行的地震安全性評價時，較為適用。

2利用震源機制鑒定前震群

郭增建等（1973）提出了震源是由應力積累單元和兩端的應力調整單元組合而成的模式，稱組合模式。這個模式的特點是補充了早年美國地震學家Reid的彈性回跳理論中的缺陷，即無震源端部條件的問題。因為端部條件與大震發生時震源斷層傳播的止裂有關。

組合模式的震源是由沿兩塊體的交界帶或斷裂帶上摩擦阻力較大的地段孕育的，此段即為應力積累單元，在此摩擦阻力較大地段其兩端斷層的摩擦阻力較小，可產生蠕滑或進行塑性變形。對于地震預報來說，郭增建等（1973）討論了應力積累單元地段中臨震前如發生小震群所表現出的特征。由于積累單元發生小震群是該單元緊臨發生大震前能量預釋放的指標，因此它就是前震群。這是用小震在主震震源體中的位置就可判斷的。但在實際中我們并不知道小震所在的主震震源體背景，因而不能用主震震源模式判斷小震群是否是前震。該情況只能用這個小震群的本身特征去鑒別它后面是否會跟隨大震，即判別它是否為“前震”。

地震研究40卷第4期郭增建等：基于震源機制的地震區劃與地震預測方法討論郭增建等（1973）共討論了4個與預測大震有關的測震學指標，最后一個就是用震源機制的一致性鑒別前震群。下面作具體介紹。

在中、短、臨時間尺度的地震預測中，人們最感興趣的是大震孕育到晚期和臨震前的小震活動特點。endprint

所謂大震孕育到晚期就是震源孕育的最后時段，也是震源應力積累較高的時段。在這個時段中，一方面區域構造力繼續給震源施加應力，另一方面調整單元還繼續把區域構造力加給自己的應力積累單元調整轉移（通過蠕滑轉移，這是組合模式的特點）。這兩種應力的疊加，使主震震源的兩斷層盤中的應力分布較高且不均勻。在這個不均勻應力場中，那些較淺的、走向不一的易滑斷層可能發生小震，另外震源的調整單元斷層段上也可能伴有小震。這兩方面小震大致在同一時段內發生，它們的震源機制是不一致的。這是主震震源孕育到晚期的特點。

隨后進入臨近大震發生時段。此時主震震源斷層面上介質開始稍有塑性變形（相當于摩擦阻力降低，這是國外學者用模擬實驗證明過的），則主震震源的兩個斷層盤就會有相對運動。這個相對運動就是大震前的預位移，這個預位移會使主震震源斷層盤內的應力減小，致使盤內易滑面的小震不再發生。隨后小震單獨集中在主震震源斷層帶中發生。由于它們的環境和受力相似，因而震源機制也將相似。由于它們與隨后的主震都是在同一斷層帶上的錯動，所以其震源機制與主震也相似。

綜上所述，孕震晚期階段向大震將要發生的臨震階段過渡，表現在小震震源機制上，就是由“不一致”向“一致”過渡。前者相應于主震震源區最后積累應力程度，后者相應于主震積累能量的預釋放，預釋放是在積累高應力的狀態下發生的。由于我們所討論的小震震源機制一致性是在臨大震之前發生的，所以形成震源機制一致性就是大震發生前該前震的特點。但是，由于當時無實際震例相配，所以在“機制一致性”之前加了“可能”二字。

金嚴等（1976）對1975年海城7.3級地震的前震群震源機制進行了研究，發現震源機制是一致的（通過P和S垂直分量最大振幅之比的一致性進行推論，它等效于震源機制的一致性），并對余震進行了研究，其震源機制是不一致的，又對國內某些震群進行了研究，也發現震源機制的一致性較差。

金嚴等（1976）還研究了海城大震前44天在本溪發生的水庫震群，其中有一個較強的4.8級地震，在這次地震前小震的震源機制相似，但這次4.8級地震后，小震的震源機制就不一致了。如這一結果1975年得出，可判定本溪不會再發生更大的地震，于是把注意力轉向遼寧其他地區。

隨后幾十年來我國學者也用與金嚴等（1976）類似的研究思路，在全國不同地區展開了研究，發現震源機制的一致性指標確實在緊臨大震前存在。當然也有其復雜的一面，有的主震前符合小震機制一致性指標的地區范圍較大，未來大震位置不好判斷。有的發現符合一致性指標出現后要很長時間才發生主震，這又對主震的時間預測帶來不確定性。對此還需進一步從震源物理方面進行研究，近年來還不斷在這個方面進行深入的研究（榮代潞，2014；曹鳳娟等，2016；高朝軍等，2016）。

3主震震源機制的科里奧利力之余震效應郭增建等（1992）提出了用主震斷層盤錯動的科里奧利力效應（以下簡稱科氏力效應）來速判強余震的方法，隨后對此又作了大量的研究工作。在技術處理步驟上提出了用吳爾富網求解科氏力的方法（郭安寧，陳家超，2000）?？剖狭π蓺w納為以下2條原則。

（1）如果科氏力使斷層兩盤互相擠壓，則不利于主震能量徹底釋放，后面最大余震震級大，它與主震震級M主之差為：M主-M余 ≤1（3）（2）如果科氏力使斷層兩盤互相拉離，則有利于主震能量的徹底釋放，后面最大余震震級小，它與主震震級之差為：M主-M余 ≥1（4）式（3）、（4）中都有一個等號，但含義是不同的，對斷層兩盤互相擠壓的情況來說，最強余震的震級與主震震級差最大是1級，對于斷層兩盤互相拉離的情況下震級之差最小是等于1級。

以上觀點曾得到國內多位學者的支持（呂堅等，2003；陳榮華，劉杰，2005），但也有學者提出了不同意見（盛書中等，2009），他們認為科氏力是存在的，但是量值太小，不足以影響余震的強度。筆者認為大震是斷層兩盤之間的剪應力稍超過斷層面上摩擦力時，就發生地震錯動了，即斷層兩盤是在稍超過互相平衡的情況下發生錯動的，因之很小的科氏力仍可影響主震震源區釋放能量的程度，從而影響最大余震強度。

由于科氏力余震效應的原理是比較可靠的，判斷的指標簡單清晰，有利于推廣應用。中國大陸除南北走向的純走滑錯動以及東西走向的純傾滑錯動外（這兩類都很少），其余類型的震源錯動一般不會出現科氏力為零的情況。所以絕大多數地震發生后，其科氏力在震源斷層面法線方向上就有分量（不論其量值大?。┒伎蓱茫?）（4）式進行判斷。實際上，盛書中等（2009）最有說服力的擠壓型震源科氏力的統計，斷層面上的科氏力法向分力在小值和大值時都有對應地震的實例，這與我們速判時不管科氏力在斷層面法線上的量值，皆認為都可影響余震的強度這一點是不相悖的。這樣科氏力余震效應的判斷就可大大簡化為以下6條，統計表明與實際相符率可達80%以上。

（1）對于右旋走滑型震源，其科氏力使震源兩斷層盤互相擠壓，最強余震與主震震級差滿足公式（3），也就是余震強度較大。

（2）對于左旋走滑型震源，其科氏力使震源斷層兩盤互相拉離，最強余震震級與主震震級差滿足公式（4），即最強余震震級較小。

（3）對于逆斷層型震源來說，如上盤錯動方向朝過震源子午線東側（過震源子午線就是與震中區鉛直線夾90°-φ的向北的那條直線，φ是震中的緯度角），則最強余震震級與主震震級差滿足公式（4），即強余震震級小。如2008年5月12日汶川大地震就是上盤錯動方向過震源子午線東側。

（4）對于逆斷層型震源來說，如果上盤錯動方向過震源子午線西側，則最強余震震級與主震震級差滿足公式（3），即強余震震級大。如1999年9月21日臺灣集集地震就是上盤錯動方向過震源子午線西側。

（5）對于正斷層型震源來說，其判據與上述逆斷層情況相同。

（6）如果是走滑與傾滑混合的震源類型，則各按它們單純情況判斷后再加起來作平均。endprint

4結語

本文總結了震源機制在地震預測中的意義。從處理方法上而言，震源機制處理多采用CAP方法（趙凌云等，2010，2014；鄭建常等，2015），也有用矩張量方法進行的研究，但它們與早期用P波初動求解震源機制是一脈相承的（劉瑞豐等，1999；王衛東，李少睿，1999；許康生，李菪，2004；林向東等，2013；陳繼鋒，2015；吳微微等，2015）。

關于震源機制與地震預報，有學者有不同的觀點。Aki（1972）在《構造物理》14卷3～4期《強震前兆專輯》中指出：“在地震學中，地震機制的研究大多屬于地震發生后的現象。所以除了更好的理解震后現象可能幫助說明地震前我們所能預料到的情況外，這類研究對本次會議討論強震前兆將無多大直接貢獻”。我們與安藝敬一的觀點部分不悖，但震源機制的研究結果也有應用于地震預測的一面，要求從廣義角度來研究震源機制與地震的聯系。

震源機制還可以間接地為震災防御領域服務，如震源機制解來推斷發震構造，以及可以用小震震源機制來推斷現代的活動斷裂（彭利媚，魏婭玲，2016）。

震源機制與強地面運動之間也有關聯（孫麗娜等，2015）。綜上所述，震源機制是基于震源的物理過程，地震學家能根據一個特定區域內發生的中小地震的震源機制判斷未來大地震的發生情況，或根據構造與地質情況推斷出未來可能發生大地震的震源過程，其間有一定的相似性，這些結果就可以在震災防御的諸多方面起到一定的作用。

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