山西斷陷帶地震矩釋放現(xiàn)象特征研究

李宏偉 王 霞 宋美琴 陳 慧

（中國(guó)太原030021 山西省地震局）

0 引言

強(qiáng)震前的地震矩加速釋放（accelerating moment release，AMR）現(xiàn)象被認(rèn)為是一種有潛力的中期地震前兆異常（Sornette et al，1995），在物理上可與地震孕育過(guò)程中的“臨界性”聯(lián)系在一起。AMR 現(xiàn)象及其相關(guān)討論已引起廣泛關(guān)注，這很大程度上在于其在地震預(yù)測(cè)研究中所展示的應(yīng)用潛力。國(guó)內(nèi)外許多研究者已基于AMR 現(xiàn)象提出了相關(guān)分析方法，并已應(yīng)用于不同地區(qū)的諸多震例（Bufe et al，1993，1994；Sornette，1995；Brehm et al，1998；楊文政等，1999，2000；蔣長(zhǎng)勝等，2004，2009，2011；王亞茹等，2014；李霞等，2015；常明等，2016；王亮等，2017）。上述研究表明，AMR 現(xiàn)象在中強(qiáng)震前具有一定普遍性，它在對(duì)未來(lái)發(fā)震地點(diǎn)預(yù)測(cè)方面具有一定潛力。

2010 年河津4.8 級(jí)地震前1 年在震區(qū)附近出現(xiàn)地震矩加速釋放現(xiàn)象，表明AMR 現(xiàn)象在山西地區(qū)中等地震前可能有一定的預(yù)測(cè)效果，但迄今為止未見(jiàn)對(duì)山西地區(qū)中等地震進(jìn)行的震例研究。因此，本文對(duì)1970 年以來(lái)山西地區(qū)及鄰區(qū)ML≥5.0 地震進(jìn)行AMR現(xiàn)象的回溯性研究，通過(guò)嘗試選取不同研究半徑和時(shí)間窗長(zhǎng)，考察累積benioff 應(yīng)變釋放（CBS）曲線的加速程度，最終遴選出這些地震前出現(xiàn)明顯加速矩釋放現(xiàn)象的優(yōu)勢(shì)研究半徑，并討論AMR 現(xiàn)象在山西地區(qū)的普遍性。

1 地震矩加速釋放（AMR）現(xiàn)象和釋放程度

Varnes（1989）、Bufe 等（1993）和Bufe 等（1994）將AMR 現(xiàn)象的分析表示成“破裂時(shí)間分析”方程，即

式中，Ω 為地震活動(dòng)性的量度，如地震矩（或地震能量）、地震數(shù)目或Benioff 應(yīng)變等；A、B 為常數(shù)；冪指數(shù)m 為地震矩釋放程度；tf為大地震發(fā)生的時(shí)間。m 表示地震矩釋放曲線的類(lèi)型，當(dāng)m ＜1 時(shí)，累積Benioff 應(yīng)變釋放（CBS）曲線呈現(xiàn)“加速”行為；m ＞1 時(shí)為“減速”；而當(dāng)m ≈1 時(shí)CBS 釋放曲線呈線性。利用式（1）可研究強(qiáng)震的發(fā)生時(shí)間、震級(jí)及未來(lái)強(qiáng)震的發(fā)生地點(diǎn)（蔣長(zhǎng)勝等，2009）。m 值也被稱為“地震矩釋放程度”。在利用AMR現(xiàn)象對(duì)主震發(fā)震時(shí)間和震級(jí)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，震前加速地震序列的時(shí)間和空間尺度的選取準(zhǔn)則為，通過(guò)多個(gè)時(shí)間和空間尺度來(lái)觀察震前地震序列的矩釋放規(guī)律，使地震矩釋放曲線的擬合達(dá)到“最佳解”時(shí)的時(shí)間和空間參數(shù)。

目前的研究中主要以Benioff 應(yīng)變作為地震活動(dòng)性的量度，用來(lái)計(jì)算地震矩釋放程度m。因此，下文先給出Benioff 應(yīng)變的計(jì)算公式。

采用如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算地震矩

其中，M0的單位為N·m。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系由地震矩計(jì)算出地震波能量

Benioff 應(yīng)變定義為地震波能量的平方根，擬合式（1）可計(jì)算出常數(shù)A、B、地震矩釋放程度m 以及大地震的發(fā)生時(shí)刻tf。

圖1 山西及鄰區(qū)ML≥5.0 地震震中分布Fig.1 The ML≥5.0 earthquakes distribution of Shanxi and adjacent area

2 震例和資料選取

選取山西及鄰區(qū)1970 年以來(lái)ML≥5.0地震作為研究對(duì)象，去除主震的較大余震后，共22 次地震（圖1）。本文對(duì)上述地震進(jìn)行AMR 回溯性研究。

采用中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心提供的1970 年1 月至2018 年12 月的全國(guó)地震目錄，采用K—K 法對(duì)山西及鄰區(qū)ML≥5.0 地震進(jìn)行余震刪除處理。另外，筆者（王霞等，2014）曾對(duì)山西及鄰區(qū)1970 年以來(lái)地震目錄的最小完整性震級(jí)進(jìn)行過(guò)研究，認(rèn)為該地區(qū)的最小完整性震級(jí)為ML2.5，因此，把ML2.5 作為計(jì)算Benioff 應(yīng)變釋放的最小完整性震級(jí)。

3 不同時(shí)空尺度的矩釋放特征

分別以不同時(shí)間尺度、以震中為圓心的不同研究區(qū)半徑對(duì)山西及鄰區(qū)AMR 現(xiàn)象進(jìn)行考察。由于研究震例的最大震級(jí)為6.2 級(jí)，根據(jù)Bowma 等（1998）的震級(jí)M 與搜索半徑R 之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，可將多尺度的掃描半徑設(shè)定為80 km、100 km、120 km、150 km，分別計(jì)算震前6 a、4 a、2 a、1 a 的Benioff 應(yīng)變釋放情況，分析地震矩釋放程度m 的變化特征。通過(guò)計(jì)算后認(rèn)為掃描半徑為120 km 時(shí)，地震矩釋放現(xiàn)象較明顯，因此，下文只列出研究半徑為120 km 的m 值計(jì)算結(jié)果（表1）。

表1 山西及鄰區(qū)ML≥5.0 地震的m 值Table 1 The statistics of m-value for ML≥5.0 earthquakes in the Shanxi and adjacent area

在上述22 個(gè)震例中，有12 個(gè)在主震前Benioff 應(yīng)變釋放曲線呈現(xiàn)加速釋放或由減速釋放過(guò)渡到加速釋放的特征，約占55%；有7 個(gè)呈現(xiàn)減速釋放或由加速釋放過(guò)渡到減速釋放或由減速釋放過(guò)渡到勻速釋放的特征，約占32%；有1 個(gè)震例呈現(xiàn)由加速釋放過(guò)渡到勻速釋放的特征，約占4%；有2 個(gè)震例由于數(shù)據(jù)太少而無(wú)法計(jì)算m 值，從而無(wú)法判斷Benioff 應(yīng)變釋放特征，約占9%。另外，隨著時(shí)間不斷接近主震，約有一半震例顯示地震矩加速釋放程度m 值發(fā)生變化，即Benioff 應(yīng)變釋放出現(xiàn)不同的特征，且Benioff應(yīng)變無(wú)論從加速釋放過(guò)渡到減速釋放，還是從減速釋放過(guò)渡到加速釋放，多數(shù)發(fā)生在主震前1—2 a 內(nèi)。

從震例的空間分布來(lái)分析AMR 的釋放特征，可將研究區(qū)域分為山西北區(qū)、中區(qū)和南區(qū)。結(jié)果顯示，在山西北區(qū)的13 個(gè)震例中，有5 個(gè)震例前Benioff 應(yīng)變釋放出現(xiàn)加速釋放或由減速釋放過(guò)渡到加速釋放（其中，3 個(gè)屬于內(nèi)蒙古，1 個(gè)屬于河北，1 個(gè)屬于山西）；山西中區(qū)5 個(gè)震例中，有4 個(gè)震例前出現(xiàn)加速釋放或由減速釋放過(guò)渡到加速釋放過(guò)程；山西南區(qū)4 個(gè)震例中，有3 個(gè)震例在震前出現(xiàn)加速釋放或由減速釋放過(guò)渡到加速釋放。從現(xiàn)有的震例來(lái)看，山西中、南區(qū)震例出現(xiàn)AMR 加速釋放特征的比例相對(duì)高；而在山西北區(qū)震例中位于山西境內(nèi)的共有5 個(gè)（包括4 次大同—陽(yáng)高地震和1991 年忻州地震），僅在忻州地震前1 年出現(xiàn)Benioff 應(yīng)變加速釋放，而4 次大同—陽(yáng)高地震前均呈現(xiàn)Benioff 應(yīng)變減速釋放。

本文還將討論地震矩釋放空間異常區(qū)與未來(lái)主震之間的關(guān)系。通過(guò)上文分析可知，AMR 現(xiàn)象多在主震前1—2 a 發(fā)生變化，考慮到AMR 為中期地震前兆異常，因此將討論震前1 年、半年、3 個(gè)月和臨震前m 值空間變化特征。對(duì)22 個(gè)震例的回溯研究結(jié)果表明，有以下4 種情況：①震前1 年到臨震前出現(xiàn)不同時(shí)段的低m 值區(qū)域，且主震震中位于大范圍橢圓形異常區(qū)內(nèi)或邊緣，共有14 個(gè)震例（圖2）；②震前半年到臨震前出現(xiàn)的大范圍類(lèi)橢圓形的低m 值區(qū)域，共有3 個(gè)震例（圖3）；③震前3 個(gè)月到臨震前出現(xiàn)的類(lèi)橢圓形的低m 值區(qū)域，共有2 個(gè)震例（圖4）；④有3 個(gè)震例在震前1 年到臨震前均沒(méi)有出現(xiàn)低m 值區(qū)域，分別是1971 年內(nèi)蒙古卓資4.7 級(jí)地震、1998 年河北張北6.2 級(jí)地震和2010 年山西大同陽(yáng)高4.6 級(jí)地震。

圖2 1989 年大同—陽(yáng)高6.1 級(jí)地震震前地震矩釋放空間掃描（a）震前1 年；（b）震前半年；（c）震前3 個(gè)月Fig.2 Seismic moment release maps before the 1989 Datong-Yanggao M 6.1 earthquake

圖3 1980 年平遙4.6 級(jí)地震震前地震矩釋放空間掃描（a）震前半年；（b）震前3 個(gè)月；（c）臨震前Fig.3 Seismic moment release maps before the 1980 Pingyao M 4.6 earthquake

圖4 1998 年永濟(jì)4.6 級(jí)地震震前地震矩釋放空間掃描（a）震前3 個(gè)月；（b）臨震前Fig.4 Seismic moment release maps before the 1998 Yongji M 4.6 earthquake

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)山西及鄰區(qū)22 次ML≥5.0 地震震前不同時(shí)間段的累積Benioff 應(yīng)變釋放情況進(jìn)行分析，認(rèn)為山西及鄰區(qū)約55%震例前存在地震矩釋放加速現(xiàn)象（AMR），且Benioff應(yīng)變釋放特征的變化多出現(xiàn)在地震前1—2 a 內(nèi)。同時(shí)，從空間上也分析了地震矩釋放與主震間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)大部分地震震前1 年內(nèi)在震中附近區(qū)域出現(xiàn)大范圍橢圓形的低m值區(qū)域，且主震震中位于該異常區(qū)的內(nèi)部或邊緣。綜上認(rèn)為，地震矩加速釋放現(xiàn)象在山西及鄰區(qū)具有一定的普遍性，且為中期地震前兆異常，研究結(jié)果可為震情跟蹤的地點(diǎn)判定提供參考依據(jù)。