2017年九寨溝7.0級地震前應力狀態及b值異常特征研究

姜佳佳,馮建剛,2

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

Gutenberg-Richter公式反映了區域內地震震級與活動頻次之間的關系[1],其中b值表示區域內各個震級檔地震次數間的比例關系,可用來表征研究區域的介質特征和應力狀態[2-5]。b值的異常變化與大地震的發生有一定的相關性[6],b值偏低時,介質內部應力較高,導致大破裂發生的可能性會增大,兩者之間呈反相關[2-3]。李全林等[4]研究認為,介質承受平均應力的程度和接近強度極限的程度可用b值的高低表示,活動斷裂帶不同段落現今應力積累的相對水平也可用b值空間分布的高低程度揭示和推斷,可能存在的凹凸體也可參照b值的大小來圈定,據此可進一步判斷現今活動斷裂帶的強震危險性。另外,b值可以作為所研究區域的地質構造指標[7]。b值的高低與斷層的尺度有關系,尤其是斷層的寬度W,斷層寬度與震級大小呈正相關,震級越大,斷層寬度越大,當震級大到lgM0= 27.2(M0為地震矩,該值單位為10-7N·m)時,b值會明顯增大[8]。

2017年8月8日四川九寨溝地區發生7.0級地震,震中位于東昆侖斷裂帶東端與岷山構造帶交匯部位,構造上處于青藏高原東緣的巴顏喀拉塊體東北部。該區域歷史強震頻發,最近三百多年相繼發生了1713年疊溪7.0級地震、1748年漳臘北6級地震、1933年疊溪7級地震、1938年松潘6.0級地震、1960年漳臘6級地震,以及1976年松潘—平武7.2、6.7、7.2級地震[9,10](圖1)。自1976年之后該地區進入平靜期,九寨溝7.0級地震是該地區時隔41年來的又一次7級以上強震。國內外很多學者對于大地震之間的關系進行了研究,結果表明強震之間存在相互影響和相互作用的關系,主要表現在應力變化方面。Freed[11]和King等[12]研究表明強震所引起的同震或震后應力場變化,會使庫倫應力增加區域的斷層上負荷加載,促進地震的發生;反之則會推遲地震發生的時間。

本文依據前人研究成果分析了九寨溝地震前的應力狀態,并采用中國地震臺網觀測資料,通過掃描計算得到了九寨溝7.0級地震前震源區及鄰區地震b值的空間圖像,并在誤差分析的基礎上,總結了該區域震前b值的異常特征,為今后地震b值在該區域強震危險性判定中的應用積累了經驗。

1 九寨溝7.0級地震構造背景及應力狀態分析

從大區域的構造背景來看,印度板塊以40～50 mm/a的相對速率俯沖于歐亞板塊之下,經歷50～55百萬年的時間造就了平均海拔超過4 000 m的青藏高原和廣泛發育的活動斷裂系統[13]。青藏高原向東運動與四川盆地擠壓碰撞,使巴顏喀拉塊體東緣形成了陡立的地貌特征和復雜的構造格局[14](圖1),而松潘—甘孜塊體就處于巴顏喀拉塊體東緣,該塊體記錄了青藏高原向東北的運動過程和該區域新生代以來陸陸碰撞的遠程效應[15-16]。本次九寨溝7.0級地震就發生在晚第四紀構造活動強烈的巴顏喀拉塊體東緣。

圖1 九寨溝7.0級地震附近區域活動構造與歷史地震分布(據文獻[17])Fig.1 Distribution of active faults and historical earthquakes around the epicenter area of the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake (After reference[17])

從九寨溝7.0級地震的發震位置來看,位于岷山構造帶與東昆侖斷裂帶東端的交匯區域,附近主要斷裂有岷江斷裂、虎牙斷裂與塔藏斷裂[17]。對于九寨溝7.0級地震具體的發震構造目前主要傾向于三種結論。易桂喜等[17]研究了九寨溝7.0級地震震源機制解,結果顯示本次地震和其余震的發震斷裂為樹正斷裂,該斷裂位于塔藏斷裂與岷江斷裂之間,其性質為左旋走滑。季靈運等[20]通過對本次地震的研究揭示:本次地震同震位錯以左旋走滑為主,大部分余震發生在庫侖應力増加的區域;從構造上看是巴顏喀拉塊體南東向運動與華南塊體碰撞的結果,其發震斷裂為樹正斷裂,該斷裂可能屬于虎牙斷裂向NW方向延伸的一部分。付國超等[21]研究認為,九寨溝7.0級地震屬于走滑型地震,是晚第四紀以來塔藏斷裂活動的表現,發震斷裂可能是塔藏斷裂的一條分支。謝祖軍等[22]通過對該地震的構造背景及庫侖應力場等分析認為,本次地震震中位于東昆侖斷裂帶的轉換區域,震源參數顯示其性質為左旋走滑,與震中東北邊的塔藏斷裂性質較為一致,但位置不符;從發震位置來看,震中位于虎牙斷裂西北端延長線附近,但其性質與虎牙斷裂的性質不符;目前,眾多專家的研究并未給出較為統一的發震斷層。

從歷史地震活動來看,九寨溝地震周邊區域的強震活動較為活躍:虎牙斷裂在1973—1976年間發生了4次大于6.5級的強震,其中含有1976年8月16日至23日松潘—平武7.2級、6.7級、7.2級三次地震組成的強震群[23-25];岷江斷裂自20世紀以來也發生了2次強震,分別為1933年疊溪7.5級地震和1960年漳臘6.7級地震;此外,2008年5月12日,位于松潘—甘孜塊體東南的龍門山斷裂帶上發生了汶川8.0級地震;2013年4月20日蘆山又發生了7.0級地震(圖1)。上述表明,研究區域主要斷裂上都存在發生強震的可能。

從應力角度研究發現,強震的發生會引起震源區及周邊區域斷層上應力的加載或卸載,而周邊區域和斷層上應力的變化會促進和延遲后續地震的發生,因此可用強震同震及震后形變引起的應力變化來定量描述強震間的相互作用,并據此來研判相關斷裂帶及區域的危險性,為震情判定提供參考依據[26]。徐晶等[27]分析了巴顏喀拉塊體東端歷史強震的相互作用,認為1976年以來歷史地震對于2017年九寨溝7.0級地震的發生具有促進作用,歷史強震引起的應力變化在觸發閾值附近波動。熊維等[13]基于歷史地震資料和巖石圈黏彈性分層介質模型,計算得到了1654年以來研究區歷史地震序列同震及震后效應對九寨溝7.0級地震的影響,結果顯示1654—2008年間歷史強震的同震及震后效應引起了2017年九寨溝地震震源區的累積庫倫應力增加,促進了九寨溝7.0級地震的發生。萬永革等[23]研究了巴顏喀拉地塊東端1976年松潘地震序列,結果顯示該強震序列、特別是該序列中1976年8月16日7.2級地震對2017年8月8日九寨溝7.0級地震的發生具有顯著的促進作用。單斌等[28]研究認為汶川地震造成的同震及震后應力變化顯著增強了九寨溝地震震源處的應力積累,有效的促進了九寨溝地震的發生。

綜合上述分析結果顯示,本次九寨溝7.0級地震受到構造活動及歷史強震的影響,發生在強震引起的應力加載區域內,歷史強震可能促進了九寨溝7.0級地震的發生。

2 數據及方法

2.1 數據

研究范圍為九寨溝7.0級地震震源區及其鄰近區域(33.3～35.6°N,101.6～106.6°E),該區域位于四川北部地區、甘川交界附近。計算九寨溝7.0級地震前震源區及鄰區b值所選取的目錄來自中國地震臺網統一地震目錄,即1990年1月1日至2017年8月7日的原始地震目錄。首先對研究區域測震臺網地震目錄完整性進行分析,采用研究區域1990年以來ML≥1.5地震,震中分布如圖2所示。通過計算得到研究區域ML≥1.5地震的震級-頻度關系(圖3),結果顯示地震b值的擬合結果為0.97±0.016。因此,在計算研究區域b值時,采用的最小完整性震級的下限為ML≥1.9。

圖2 九寨溝7.0級地震鄰區小震震中分布圖Fig.2 Epicenter distribution of small earthquakes in the vicinity of the Jiuzhaigou 7.0 earthquake

圖3 九寨溝地震鄰區地震震級-頻度關系(1990-01-01—2017-08-07)Fig.3 Magnitude-frequency relationship in the adjacent area of the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake (1990-01-01—2017-08-07)

2.2 地震b值計算方法及參數選擇

目前計算b值最常用方法主要有:最大似然法和最小二乘法。通過比較,最大似然法相對于最小二乘法計算相對較為簡便,并且在一定程度上可以去除計算時樣本中因個別較大地震所引起的b值突變,可避免個別大地震造成的較大誤差,使最后得到的b值掃描結果更為科學、準確的反映研究區域的應力狀態。因此,本文采用最大似然法計算九寨溝7.0級地震前震源區及鄰區地震b值,在研究區域內進行網格化時,分別按0.05的步長對經緯度劃分格點,選出以r為半徑的圓形統計單元內ML≥1.9的地震事件。采用最大似然法[式(1)]計算各個網格點的地震b值,并且采用式(2)對b值的計算誤差進行估計。

(1)

(2)

已有的研究成果揭示,進行b值空間掃描時,區域內統計單元的半徑r的大小會影響b值的高低,為了得到更加可靠可信的b值,計算時要依據研究區域內地震事件分布的集中程度來設置統計單元的半徑r。所以,在計算本研究區域b值時,每個統計單元內地震事件樣本量要≥40個,首先將統計單元的半徑r值設置為15 km,如果統計單元內的樣本量<40個,不滿足計算要求的條件,則將r值放大至40 km再進行計算。

3 地震b值在地震前的異常分析及特征

3.1 地震b值空間掃描結果及分析

通過對四川九寨溝7.0級地震前震源區及鄰區的地震b值的空間掃描,得到了研究區域內不同網格區域的b值分布如圖4所示,圖中不同顏色代表了地震b值的高低。研究區域內的地震b值在0.6～1.8之間變化,存在1個明顯的低b值區域(b<0.82),主要分布于塔藏斷裂、岷江斷裂和虎牙斷裂的交匯區域。從低b值區域的大小與震級強度之間的可能關系來看,低b值異常范圍越大,其強震潛在的危險性就越大[32]。2017年九寨溝7.0級地震就發生在掃描出的低b值異常區域內的邊緣位置。1900年以來本次地震震源區周圍100 km范圍內共記錄到5級以上地震19次,其中5.0～5.9級12次、6.0～6.9級4次、7.0～7.9級3次。這些地震大多發生在1977年以前,主要集中區域為本次地震東南部;1977年之后,該區域地震活動較為平靜,至2017九寨溝7.0級地震前,41年間僅在2006年發生過一次5級地震,即甘肅武都、文縣間5.0級地震。2017年九寨溝7.0級地震是發生在該區域長期平靜的背景下。

圖4 九寨溝地震前地震b值空間掃描結果Fig.4 Spatial scanning results of seismic b-value before the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake

3.2 地震b值空間掃描誤差估計

本文用公式(2)來估算b值誤差,從公式中可以看出,地震b值估計誤差的大小與參與計算的地震震級下限、樣本量多少等參數直接相關。一般來說,每個網格區域內參與計算的樣本量越多,地震b值的估計誤差就越小;震級下限選擇必須大于等于研究區域內測震臺網的最小完整性震級MC[33-37]。本文通過計算分析,得到研究區域的最小完整性震級MC≥1.6,依據該結果并結合研究區域內的實際地震樣本量,將研究區域內參與b值計算的地震震級設定為ML≥1.9,結果顯示參與計算b值的地震樣本量≥40的網格區域占89.15%,可信度較高。圖5給出了1990年1月1日至2017年8月7日地震b值空間掃描計算誤差,結果顯示絕大多數地震b值估計誤差介于0.025～0.165之間,只有個別網格點的計算b值誤差較大(>0.2),誤差估計高于0.2的占3.16%。研究區域的地震b值空間掃描結果范圍為0.6～1.8,本次九寨溝7.0級地震前震源區及鄰區的誤差相對較小(<0.09),誤差均小于地震b值的變化范圍,可信度較高。

圖5 地震b值空間掃描計算誤差分布圖Fig.5 Error distribution map of seismic b-value space scanning

4 結論與討論

通過對2017年8月8日四川九寨溝7.0級地震的發震構造、震前應力狀態分析及震前震源區及鄰區地震b值的空間掃描和誤差分析,得到研究結果如下:

(1) 通過分析九寨溝7.0級地震發震構造和震前應力狀態,結果顯示本次地震是發生在歷史強震引起的應力加載區域,是受到構造和歷史強震影響的;主震發震構造主要傾向于震中附近的3條斷裂:樹正斷裂、虎牙斷裂和塔藏斷裂。

(2) 研究區域內b值空間掃描結果顯示:2017年九寨溝7.0級地震前該區域為顯著的低b值異常區域;從構造上看主要位于虎牙斷裂、岷江斷裂和塔藏斷裂交匯區域。

(3) 本次地震前震源區及鄰區b值誤差分析結果顯示均小于0.09,小于地震b值的變化范圍,可信度較高。

地震b值的空間掃描和應力分析相結合來判定地震發生的危險區域,能更有效的確定并縮小異常區域的范圍,兩者相結合可進一步確定強震危險區。九寨溝7.0級地震前b值掃描結果顯示該區域處于低b值高應力狀態;另外,通過對九寨溝7.0級地震震源區及鄰區應力狀態分析,該區域受到板塊構造活動和歷史強震活動的影響,震前也處于顯著的應力加載區域,與震前地震b值空間掃描結果相符;兩者均指示九寨溝7.0級地震發生在震前高應力區域。