基金项目:国家科技支撑计划项目“西南构造区强震预测预警技术和指标研究”(2006BAC01B03-04-01)资助.
(1.中国科学技术大学 地球和空间科学学院,合肥 230026; 2.云南省地震局,昆明 650224)
(1.School of Earth and Space Sciences,University of Science and Technology,Hefei 230026,Anhui,China)(2.Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming 650224,Yunnan,China)
globe; earthquake sequences with MW≥8.0; statistic characteristics; Wenchuan MS8.0 earthquake
备注
基金项目:国家科技支撑计划项目“西南构造区强震预测预警技术和指标研究”(2006BAC01B03-04-01)资助.
研究地震序列的统计特征,是进行震后地震趋势分析的基础工作之一。通过利用美国国家地震信息中心(NEIC)提供的全球地震目录资料,对1975年以来全球36次8级地震序列进行了研究,重点讨论了震后最大余震强度水平估计问题; 并按板内、板缘地震和震源机制类型进行了分类研究。结果 表明,不论是在强度(最大余震水平)上,还是在频度(5~6级中强余震频度)上,板内地震与板缘地震存在显著差异:板内地震的最大余震强度和5~6级中强余震活动频度均明显低于板缘地震的; 而按震源机制类型分类,这种差异不显著。
Studying the statistic characteristics of earthquake sequences is one of the basic works to analyze postseismic earthquake development trend.By use of NEIC catalogue,We analyze 36 earthquake sequences with MW≥8.0 in the world since 1975,mainly discuss the estimation of the magnitude of maximal aftershock according to the classification by intraplate earthquake,interplate earthquake and the type of focal mechanism solutions.The results show that whether from intensity(the magnitude of maximal aftershock)or frequency(aftershocks with M5-6),the statistic results are very different between intraplate earthquakes and interplate earthquakes.The magnitude of maximal aftershocks and the frequency of aftershocks with M5-6 of intraplate earthquakes are significantly lower than those of interplate earthquakes,but this kind of difference is not obvious when the sequences are classified by the type of focal mechanism solutions.
引言
一次较大的地震发生后,人们十分关心其后的地震趋势如何,有无较大的余震或更大的地震发生?要做出相应的趋势预测,目前主要是基于对发震地区地质构造特征、历史地震活动性分析和地震序列特征统计分析两种主要方法。目前对中国大陆地区M≥5.0地震序列特征已有较系统的研究(吴开统等,1990; 蒋海昆等,2007),并得出了M≥5.0地震序列基本的统计特征,为震后地震趋势的分析积累了大量地震序列震例资料,奠定了研究基础。
2008年5月12日四川汶川发生8.0级地震,造成惨重的人员伤亡和财产损失。大震后余震不断,给抗震救灾工作带来了很大困难,灾区人民和政府非常关注震后的余震监测和强余震预测问题。中国大陆地区历史上虽然发生过多次8级以上地震,但有较完整仪测记录的震例还是非常有限的,大多是5级、6级和7级地震序列。为了对8级以上地震序列的统计特征有更进一步的了解和认识,笔者用美国国家地震信息中心(National Earthquake Information Center,NEIC)目录资料,研究了1975年以来全球36次8级以上地震序列,重点讨论了最大余震强度水平估计问题,并按板内、板缘地震和震源机制类型对8级以上地震序列进行了分类研究。
1 资料
NEIC提供了1973年以来的全球地震目录资料(http://neic.usgs.gov)。本文中笔者用该目录资料,检索到1975~2007年全球共发生8级以上地震36次(组)(表1)。由其分布图(图1)可见,中国大陆地区有3次8级地震,分别是1976年7月28日唐山7.8级地震(在NEIC目录上为8.0级)、2001年11月14日昆仑山8.0级地震和2008年5月12日四川8.0级地震。
及震源机制解图(据NEIC目录资料)每个地震序列目录资料的挑选按如下原则:以主震发生后一个月内的余震活动区为挑选区域; 统一按1年时间长度选取; 震级4.0级以上。
事实上,表1中35、36号两个地震序列目录资料不到1年时间长度。另外,2004年12月26日印尼苏门答腊发生9.0级地震后,2005年3月28日在其南部约200 km处又发生了一次8.5级地震,仔细查看两次地震的余震分布情况,它们基本上是两个独立的余震区,因此把它们作为两个地震序列。2006年11月15日千岛群岛发生8.3级地震,大约2个月后的2007年1月13日,在距该地震约100 km处又发生了一次8.2级地震,从其余震分布上看它们基本上也是两个独立的余震区,因此也作为两个地震序列。
(a)按板内、板缘地震分类;(b)按震源机制类型分类根据国内外学者对地震序列的分类(Mogi,1963; 吴开统等,1990; 刘蒲雄等,1996; 蒋海昆等,2006),这36个8级以上地震序列中,有2个序列为双震型,有1个序列为震群型,其余均为主震—余震型或前震—主震—余震型。36个序列中,有5个序列(约占14%)有明显的前震活动(表1)。1976年1月14日克马德克群岛7.8、8.2级地震前约13天(1月1日),在距8.2级主震约15 km处发生了一次6.9级地震,其后一直到14日7.8、8.2级地震前共发生了11次5.0~5.5级余震,因此该6.9级地震序列可以认为是前震活动。1977年4月21日所罗门群岛8.1级地震前约5小时,在距主震约50 km范围内连续发生了6.8、7.6、7.5三次强烈地震(6.8级地震与7.6级地震时间间隔约29分钟),并发生了12次5~6级地震,直至8.1级地震发生。1977年8月19日苏门答腊8.0级地震前约1小时,在距主震几千米的位置发生了1次6.1级地震,这应该是前震。1986年5月7日安德烈亚诺夫群岛8.0级地震前约2小时,在距主震约14 km处发生了5.0、6.1级地震和多次4~5级余震活动。2002年11月3日阿拉斯加中部8.5级地震前约10天(10月23日)在距主震约25 km处发生了一次6.7级地震,并伴随有少量的余震活动。
2 序列最大余震分析
2.1 最大余震分布统计根据上述8级以上序列目录资料,我们用两种统计方法进行了最大余震水平的统计分析。第一种方法是不考虑主震大小变化的影响,直接统计分析每一个序列在1年内的最大余震强度水平; 第二种方法是按主震—最大余震震级差水平进行统计分析(表1中MAF/ΔM栏数据)。
图2给出了按板内、板缘地震分类(图2a)和按震源机制类型分类(图2b)统计出的序列最大余震强度分布。由图2a可见,板内、板缘地震最大余震强度水平有较大差异,板内地震最大余震强度显著低于板缘地震。所研究的全部36个地震序列,最大余震平均为(6.6±0.6)。板内地震有8个序列,最大余震平均为(6.1±0.5); 板缘地震有27个序列,最大余震平均为(6.7±0.5)。按震源机制类型分类,最大余震强度水平差异不显著(图2b),走滑型机制有10个序列,最大余震平均为(6.4±0.6)级; 逆断型机制有22个序列,最大余震平均为(6.7±0.6); 正断型机制有3个序列,样本太少,未作统计分析(在后面的相关分析中均未对其作分析)。因此,图3仅给出了按板内、板缘地震分类的主震—最大余震震级差统计结果。由图3可见,全部36个地震序列,主震—最大余震震级差ΔM平均为(1.6±0.6); 板内地震主震—最大余震震级差ΔM平均为(2.1±0.6); 板缘地震主震—最大余震震级差ΔM平均为(1.5±0.5)。板内地震主震—最大余震震级差ΔM明显高于板缘地震,这与图2所得结果——板内地震最大余震强度显著低于板缘地震是完全一致的。
图4 不同分类的M≥5.0和M≥6.0余震活动频次统计(a)按板内、板缘地震分类(图a-1是M≥5.0余震,图a-2是M≥6.0余震); (b)按震源机制类型分类(图b-1是M≥5.0余震,图b-2是M≥6.0余震)
图4还给出了不同分类的M≥5.0和M≥6.0余震活动频次统计结果。由图可见,按板内、板缘地震分类,M≥5.0和M≥6.0余震活动频次均有较显著差异(图4a),即板内地震5~6级中强余震频度明显低于板缘地震。对板内8级以上地震,M≥5.0余震活动频次平均(6±5)次,M≥6.0余震活动频次平均(1±1)次; 而对板缘8级以上地震,M≥5.0余震活动频次平均达(82±62)次,M≥6.0余震活动频次平均达(10±8)次。同样,按震源机制类型分类,这种差异不大(图4b)。这可能进一步表明,不论是在强度上(最大余震水平),还是在频度上(5~6级中强余震频度),板内地震与板缘地震都存在较显著差异:板内地震最大余震强度和5~6级中强余震活动频度均明显低于板缘地震,这可能与这两类地震较显著的构造环境和背景地震活动水平差异有关。该特征对震后趋势分析也是有意义的,可以据此对5~6级中强余震发生的可能次数做出一个基本估计。
图5给出了不同分类的最大余震发生时间分布统计。按t1≤3天、3天<t2≤15天、15天<t3≤30天、30天<t4≤90天、90天<t5≤365天共5个统计时段进行统计,分析最大余震发生时间的分布情况。按板内、板缘地震分类(图5a),板内地震最大余震优势发生时段在t1时段内占78%,在t1、 t2时段内占到89%; 而板缘地震有2个优势时段t1和t5,分别占37%和30%。按震源机制分类(图5b),走滑型地震最大余震主要分布在t1时段,占40%,但后几个时段均有分布,总体上随时间减少; 而逆断型地震也有2个优势时段t1和t5,分别占50%和23%。总的来看,对板内地震或走滑型机制地震,最大余震分布在t1时段(3天内)的可能性较大,而对板缘地震或逆断型机制地震,除了t1时段(3天内),t5时段(3个月后)的可能性也较大。
2.2 b值截距法估计最大余震强度对余震活动较丰富,有足够样本量的地震序列,首先对每一个序列进行目录资料的完整性分析,然后用G-R关系式(lgN=a-bM)计算出每个地震序列的b值(表1)。由表1可见,所有序列b值在0.65~1.27之间变化。
用b值截距法(G-R关系拟合直线与横轴的交点)(吴开统等,1990; 蒋海昆等,2007)给出了序列最大余震强度估计(表1中BM值)。图6给出了序列实际最大余震与b值截距法估计的最大余震之间的关系。用Y表示序列实际最大余震震级,X表示b值截距法估计的最大余震震级,得到如下线性拟合关系:
Y=(1.07X-0.60)±0.08.(1)
图7是2004年12月26日印尼苏门答腊9.0级地震序列的例子,图中空心圈是按分震级档(ΔM =0.1)给出的震级频度分布; 实心圈是按某个震级以上累计给出的震级频度分布。 用震级频度分布进行的b值拟合,完整性震级下限Mc=4.5,b值=1.27,拟合相关系数R=0.99; b值截距BM=7.1,则由(1)式估算得到最大余震为6.9~7.1级,而该次序列实际的最大余震是7.5级(表1)。 由图7可见,拟合线上方的数据比下方的数据少,说明只有少数序列用该式得出的最大余震估计值比实际偏低,而多数序列用该式得出的最大余震估计值比实际要略偏高。它们之间这种较好线性关系的存在,表明用b值截距法估计序列最大余震是适当的,有一定的正确性。但用该方法需要一定的数据样本量(一般是震后几天或更长时间,有足够的序列目录资料才适用)。2.3 震区背景地震活动水平与余震活动水平震区背景地震活动水平是指震源区及邻近地区长期背景地震活动水平,按弱、中、高3个等级分类:“弱”是指没有或有零星4级地震活动; “中”是指有一定的4~5级地震活动或零星6级地震活动; “高”是指5~6级地震活动频繁,甚至7级地震活动也较频繁。图8给出了震区背景地震活动水平属“弱”、“中”、“ 高”分类的几个例子。图8a是2001年1月26日印度8.0级地震的情况,震源区及邻近地区长期背景地震活动水平属“弱”,8.0级地震后,最大余震5.9级,M≥5.0余震9次,余震活动水平弱; 图8b是1994年6月9日玻利维亚北部 8.2级地震的情况,震源区及邻近地区长期背景地震活动水平属“中”,8.2级地震后,最大余震6.1级,M≥5.0余震7次,M≥6.0余震2次,余震活动水平也弱; 图8c是2000年6月4日苏门答腊南部8.3级地震的情况,震源区及邻近地区长期背景地震活动水平属“高”,8.3级地震后,最大余震7.4级,M≥5.0余震82次,M≥6.0余震8次,余震活动水平高。
图8 震区背景地震活动水平属“弱”、“中”、“高”的例子(a)2001年1月26日印度8.0级地震,震区背景地震活动水平属“弱”;(b)1994年6月9日玻利维亚北部8.2级地震,震区背景地震活动水平属“中”; (c)2000年6月4日苏门答腊南部8.3级地震,震区背景地震活动水平属“高”
3 汶川8.0级地震序列最大余震分析
2008年5月12日四川汶川发生了8.0级地震。根据NEIC目录,至6月22日,共记录到M≥4.0地震511次,其中4.0~4.9级459次,5.0~5.9级50次,6.0级以上2次(6.0级1次(震后13天),6.1级1次(震后当天发生)),目前最大余震为6.1级。这是一次典型的单侧破裂型地震,余震沿龙门山断裂带向NE方向扩展了约320 km。根据美国地质调查局(USGS)提供的震源机制解和震源破裂过程图像(http://earthquake.usgs.gov),这是一次逆断兼走滑型地震,地震破裂最大位移约9 m。
把上述8级以上地震序列的统计特征应用到汶川8.0级地震序列,对其最大余震水平做出估计:
(1)按一般8级地震序列最大余震强度平均水平估计,其最大余震强度为(6.6±0.6)级,按一般8级序列主震—最大余震震级差平均(1.6±0.6)来估计,其最大余震强度为(6.4±0.6)级;
(2)该次地震为板内地震,进一步按板内8级地震最大余震强度平均水平估计,其最大余震强度为(6.1±0.5)级;
(3)按b值截距法估计(图9b),b值截距是6.3,用(1)式计算得最大余震为(6.14±0.08)级。
板内8级地震最大余震发生优势时段为t1时段(3天内)(图5a),考虑到该次地震为逆断型地震,也存在在t5时段(3个月后)发生最大余震的可能性。按上述震区背景活动水平分类,龙门山带的背景地震活动水平属“中”等,由此判断8.0级地震后余震活动水平不会太高。因此,综合分析认为震后第一天发生的6.1级地震为该次地震最大余震的可能性很大,也就是说汶川震区后续发生比6.1级地震更大余震的可能性不大。
这里说明一下,如果用中国地震台网测定的结果,该序列目前最大余震是5月24日发生的(震后13天)6.4级地震。
4 结论
通过对1975~2007年全球36个8级以上地震序列的研究,初步得到以下主要统计特征和认识:
(1)最大余震强度(震级)水平估计
根据1年时间尺度内序列实际发生的最大余震统计得到,序列最大余震强度平均水平为(6.6±0.6)级; 按主震—最大余震震级差统计,震级差平均为(1.6±0.6)级。这是对8级以上地震序列最大余震活动情况的两种主要统计结果,可用来对一次8级以上地震发生后的最大余震水平做出快速估计。
对板内、板缘地震分类统计的结果表明,板内地震的最大余震水平明显低于板缘地震,板内8级以上地震最大余震强度平均水平为(6.1±0.5)级,板缘8级以上地震最大余震强度平均水平为(6.7±0.5)级; 而按震源机制类型分类统计,这种差异不显著。
(2)5~6级强余震活动频次
统计表明,板内地震与板缘地震的5~6级中强余震活动频度也存在较显著差异:对板内8级以上地震,M≥5.0余震活动平均频次(6±5)次,M≥6.0余震活动平均频次(1±1)次; 而板缘8级以上地震,M≥5.0余震活动平均频次达(82±62)次,M≥6.0余震活动平均频次达(10±8)次。按震源机制类型分类统计,这种差异不显著。该特征对震后趋势分析也是有意义的,可以据此对8级地震后,5~6级中强余震发生的频次做出基本估计。
以上统计特征表明,不论是在强度(最大余震水平)上,还是在频度(5~6级中强余震频度)上,板内地震与板缘地震均存在显著差异:板内地震最大余震强度和5~6级中强余震活动频度明显低于板缘地震,这可能与这两类地震较显著的构造环境和背景地震活动水平差异有关。
(3)最大余震发生优势时段
统计表明,对板内地震或走滑型机制地震,最大余震发生优势时段在3天内; 而对板缘地震或逆断型机制地震,除了3天内为第1个优势时段外,3个月后还存在第2个优势时段。
(4)b值截距法估计最大余震
b值截距法估计的最大余震与实际发生的最大余震有较好的线性关系。这种线性关系的存在,表明用b值截距法估计序列最大余震是适当的,有一定的正确性。但多数情况下用该方法估计的最大余震比实际情况略偏高。
(5)震区背景地震活动水平对余震活动水平的影响
震源区及邻近地区长期背景地震活动水平对余震活动水平有较大影响。一般情况下,背景地震活动水平高,则主震发生后的余震活动水平(最大余震强度、5~6级中强余震频度)就相对要高; 反之,背景地震活动水平低,则主震发生后的余震活动水平也相对要低。
这些统计结果虽然是从有限的样本震例(36个震例)中统计得到的,但还是具有一定的代表性,对震后趋势分析和快速判定有一定的参考价值。随着震例的增多,我们还会对统计结果进行进一步的修正。我们将其初步应用于2008年5月12日四川汶川8.0级地震序列的最大余震水平估计,认为震后第一天发生的6.1级地震可能是该序列最大余震。
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