2021年瀘縣MS6.0地震前視應力和b值以及中小地震與地球自轉相關性分析

陳麗娟 陳學忠 龔麗文 李艷娥

1 重慶市地震局，重慶市紅黃路339號，401147

2 中國地震局地球物理研究所，北京市民族大學南路5號，100081

2021-09-16四川瀘縣(29.2°N,105.34°E)發生MS6.0地震，震中位于華鎣山褶皺斷裂帶的西南段，屬川渝交界地區[1]。瀘縣地區歷史上沒有發生過MS5.0以上地震，震中200 km范圍內歷史最大地震為2019年四川長寧MS6.0地震，距離最近的顯著地震有1997年重慶榮昌MS5.2地震，本次MS6.0地震是該區域歷史記錄的最大地震。

很多學者通過視應力[2]來研究強震前的應力變化，并在一些強震前觀測到視應力升高[3-4]。巖石破裂實驗結果表明，古登堡-里克特關系式lgN=a-bM[5]中b值的大小與應力呈負相關關系[6-7]，b值的降低可作為一種地震前兆異常[8]。在地震孕育過程中，隨著應力的不斷積累，震源區在強震逼近前會變得極不穩定，此時外界極小的應力變化也可能會在震源區誘發中小地震。已有研究表明，強震前震源區附近均存在與地球自轉顯著相關的地震活動現象[9-10]。

本文計算瀘縣地區震前的視應力和b值變化情況，通過舒斯特(Schuster)統計檢驗方法和P值分析主震前震中附近地區中小震活動與地球自轉速率變化的相關性，分析地震前震中附近地區的不穩定性。

1 研究區域與資料

圖1為研究區域內地震和斷裂分布?？梢钥闯?，區域內的歷史顯著地震分布在西側，從小震活動分布看，區域內主要分為兩個地震群，其中一個位于威遠-資中，另外一個位于榮昌-瀘縣-隆昌交界地區，本文主要對后者展開研究(圖1中紅色線條所圍區域)，圖2為研究區域內地震M-T圖?？梢钥闯?，2009-01-01～2021-09-15該區以小震活動為主，鮮有ML5.0以上地震發生，最大地震為2016-12-27重慶榮昌ML5.3地震；2021-07小震活動增強，較顯著的地震為2021-07-23瀘縣ML4.6地震。

2 結 果

2.1 瀘縣MS6.0地震前視應力隨時間變化特征

利用國家測震臺網數據備份中心提供的波形數據，選取瀘縣MS6.0地震震中周邊2009-01-01～2021-09-15共計99個ML≥3.0地震波形計算視應力，具體計算方法參考文獻[11]。

圖3(a)給出視應力與震級之間的關系，擬合可得lgδapp=0.623 5ML-2.693 3，相關系數為0.87。可以看出，地震視應力隨震級的增大而增大。在分析視應力隨時間的變化時，為了避免震級的影響，分別分析ML3.2～3.9震級檔及ML3.5～3.9震級檔視應力隨時間的變化，對比較大范圍震級檔與較小范圍震級檔地震視應力隨時間的變化特征是否一致。

分別使用15、10個地震的滑動窗口計算ML3.2～3.9、ML3.5～3.9地震平均視應力，每次滑動1個地震，得到地震平均視應力隨時間的變化，如圖3(b)所示。可以看出，視應力在瀘縣MS6.0地震前經過了約7 a的升高變化。ML3.2～3.9地震視應力在2009～2012年約為0.25 bar，2013年開始上升，至2020年升高到0.4 bar，上升幅度約為60%，臨震前視應力快速上升至0.5 bar，約為2012年前的2倍。ML3.5～3.9地震平均視應力在2013年以前約為0.3 bar，至2021年初升至0.55 bar，臨震前視應力快速上升至0.6 bar，約為2013年之前的2倍。ML3.2～3.9震級檔及ML3.5～3.9震級檔視應力隨時間的變化趨勢基本一致。

2021-09-16瀘縣MS6.0地震前1 d，震中西側約1 km處發生一次ML3.5地震，其視應力為1.342 bar，從圖3(a)視應力與震級的關系可以看出，此次地震視應力明顯高出該區前期同等震級地震視應力。瀘縣地震前2021-07-23及2021-08-24在震中東北側約15 km處發生過ML4.6、ML3.7地震，視應力分別為1.817 bar、0.699 bar，如圖3(a)中藍色實心圓所示，這兩次地震視應力也高出擬合均值，但2021-09-15臨近主震前的ML3.5地震視應力尤其突出。

表1中列出了2009-01～2021-10研究區所有ML3.5地震的視應力結果。可以發現，2021年以前ML3.5地震視應力大小在0.130～0.387 bar之間，2021-09-15的ML3.5地震視應力為1.342 bar，約為之前ML3.5地震視應力的4～10倍。瀘縣MS6.0地震后發生兩次ML3.5地震，2021-09-27發生的ML3.5地震視應力為0.219 bar,2021-10-05發生的ML3.5地震視應力為0.198 bar，均恢復至前期水平。

表1 研究區2009-01～2021-10期間ML3.5地震視應力結果

2.2 瀘縣MS6.0地震前b值隨時間變化特征

利用極大似然法[12]計算b值。圖4(a)為研究區2010-01-01～2021-09-15地震的G-R關系。可以看出，最小完備震級可達ML1.5，地震在ML1.5～4.5之間擬合較好，所以選取ML1.5～4.5地震目錄作為計算b值的資料。計算b值隨時間的變化時，以200個地震事件作為一個窗口，以10個地震事件的增量進行滑動。

b值隨時間的變化如圖4(b)所示，灰色部分為b值95%置信度的標準差δb。可以看出，b值經過了7 a的下降變化過程。b值在2011年約為1.0，之后上升至1.2左右，并維持至2013-08；從2013-10開始趨勢下降，至2020-03下降至0.8，下降幅度約為33%；2020-04～2021-09維持平穩。b值的下降對應應力增強，說明瀘縣地震前區域應力呈現7 a增強。

綜合視應力和b值結果，視應力在2013～2020年上升，而b值在2013～2020年下降，兩者呈現明顯的負相關。

2.3 瀘縣MS6.0地震前中小地震與地球自轉相關性檢驗

利用舒斯特統計檢驗方法對瀘縣MS6.0地震前中小地震與地球自轉之間的相關性進行統計檢驗，用P值評估其檢驗結果，具體計算過程參考文獻[9]。一般認為，P≤5%時地震是非隨機發生的，即與地球自轉相關[13]。

瀘縣MS6.0地震前震中附近ML≥2.0地震分布如圖5(a)所示；以3 a的時間窗計算P值，2個月滑動，得到P值隨時間的變化曲線如圖5(b)所示。結果顯示，2017～2020年P值維持在20%以上的較高值，說明期間的地震活動與地球自轉速率季節性變化沒有顯著相關性。2020-02之后P值開始下降，至2020-12降至最低值。在2020-08～2021-02期間P值低于1%，說明此時ML≥2.0地震與地球自轉速率季節性變化顯著相關，震區處于極不穩定狀態。

圖5(c)展示了P值處于低值期間研究區內ML≥2.0地震的相位角分布，黑色粗實線為分布的最佳擬合正弦曲線。可以看出，多數地震發生在相位角大于0°的區域，說明瀘縣地震前震中附近ML≥2.0地震發生在地球自轉速率季節性變化的減速階段。臨震前P值回返到5%以上，可能是在臨震前有些地震開始失去地球自轉加速的控制而恢復隨機發生狀態。

3 討 論

盡管視應力和b值都能反映應力大小，但它們也受其他因素影響，當單獨利用其中一個參數來反映地下介質應力狀態時，可能存在一定的不確定性。將視應力與b值結合起來，可以更好地約束構造應力的變化。當二者呈現明顯的負相關，即視應力上升、b值下降時，認為構造應力增加；反之，當視應力下降、b值上升時，認為構造應力減小。

瀘縣MS6.0地震前ML3.2～3.9震級檔及ML3.5～3.9震級檔視應力隨時間的變化特征基本一致，視應力出現7 a多的升高變化，至2020年升高至最初的2倍水平。視應力在強震前的升高變化與許多已有的震例研究結果相似，反映了震源區內構造應力的增強過程。主震前1 d的ML3.5地震視應力約為之前同等震級地震視應力的4～10倍，主震后的2次ML3.5地震視應力降低至前期同等較低水平。說明震中附近應力在逐年上升的同時，臨震前應力急劇上升，主震后應力釋放，視應力回落至較低水平。同等震級條件下視應力高出數倍水平或許可作為一種地震前兆異常。通過地震目錄計算研究區域內ML1.5～4.5地震b值隨時間的變化發現，b值在震前出現7 a的下降變化過程，下降幅度約33%。瀘縣MS6.0地震前b值的下降與視應力的上升呈現顯著的同步負相關，這種地震前視應力與b值呈現顯著的負相關關系與其他強震[14]相似。說明視應力和b值結合起來能夠剔除一些不確定因素，準確反映震中周邊區域構造應力的增強變化過程。

結合視應力和b值結果能夠判斷該區應力水平的增強變化過程，但如何判斷地震何時發生？當震源區應力積累到一定程度，臨近強震發生前，震源區處于一種不穩定狀態，這時候外界的微小應力變化有可能會在震源區觸發一些中小地震活動。通過計算震中附近地區主震前ML≥2.0地震P值來研究這些中小地震與地球自轉的相關性發現，震前1 a其P值下降至1%以下，且這些低P值的大部分地震發生在地球自轉減速期。這些地震與地球自轉速率季節性變化顯著相關，說明地球自轉速率變化引起的微小應力變化觸發了震中附近的中小地震。

4 結 語

本文基于地震波形與地震目錄，計算瀘縣6.0地震前震源附近地區視應力與b值。結果顯示，視應力在瀘縣地震前呈現7 a上升變化，b值則呈現7 a的下降變化，二者呈現顯著的負相關性，均反映震中附近地區應力的增強變化過程。通過計算P值發現，在震中附近地區應力不斷增強的背景下，震中附近中小地震在主震前約0.5 a時間表現出與地球自轉顯著相關，說明瀘縣MS6.0地震前震中附近地區變得極不穩定。