基金项目:云南省重点项目“青藏高原东缘强震活动规律与板缘动力学机制”项目(2010CC006)资助.
(Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming 650024,Yunnan,China)
double shock earthquake; source parameter; stress drop; obstacle; earthquake prediction
备注
基金项目:云南省重点项目“青藏高原东缘强震活动规律与板缘动力学机制”项目(2010CC006)资助.
采用云南区域测震台网资料,运用布伦模式方法测算云南地区震源参数,对盐津、腾冲和川滇交界地区3个典型的双震型地震序列震源参数进行了综合分析研究。结果 表明双震型地震震源参数中,首次强震的应力降较低,可能是受震源区存在障碍体的影响,构造应力未能在首次地震中得以完整释放,再次发震其应力降值较高,表明已突破障碍体。从地震预测角度,首次地震的应力降大小,可以初步判定震区未来是否可能再次发震。
Basing on the data in Yunnan Regional Seismic Network,we calculated the source parameters of 2 533 3.0≤M(L,S)≤6.6 earthquakes in Yunnan from 1999 to 2013 by Brune circle model method,and analyzed the source parameters of three typical double shock earthquake sequence in the junction area of Yanjin,Tengchong and Yunnan-Sichuan. The result shows that in the source parameter of double shock earthquakes,the stress drop of the first shock is lower,which indicate the tectonic stress cannot be fully released by the effects of the existence of obstacle in focal region,however,the stress drop of the second shock is much higher than the first one,which indicate the obstacle has been broken through. In the aspect of earthquake prediction,the scaling of stress drop of the first shock can be used to make a preliminary determination whether the earthquake would happen again in focal region.
引言
一次中强地震的类型判定的正确与否,直接关系到后续的地震应急、救灾和灾区的稳定。近百年来,有了仪器观测记录以后,人们对地震的类型有了一个较为量化的认识,安艺敬一和理查兹(1986)从地震断层运动的应力聚集与释放,提出了障碍体模式,较好地解释了地震序列产生的原因。从观测角度,以地震序列中的能量分布,主震能量所占比例和活动形态作为判别标志,将地震序列分为主震型、强震群型和孤立型(时振梁等,1992)。目前,地震学界普遍将M≥5.0的地震序列划分为孤立性、主震—余震型、双震型和震群型,其中双震型地震序列定义为两次主要地震的震级差小于等于0.5级,且时间间隔大于两分钟(中国地震局,1998)。云南是一个多地震地区,其境内地震类型呈多样性,皇甫岗等(2010)从地震序列类型和震源机制解两方面对云南地区的地震类型进行研究,给出了云南地震类型分区特征。滇东区为走滑—主余震型区,滇西北为倾滑—震群型区,滇西区为准走滑—双震型区,滇西南为走滑—主余震型区,这类分区特征在震型的初步判定上有一定的指示意义。陈学忠等(2003),钟羽云等(2004)从地震释放的能量和应力的角度预测地震类型,利用强震应力降和视应力大小探讨震后趋势的快速判定。
云南是内陆地区,其内发生的地震属于板内地震。纵观历史上云南M≥5.0强震,可以看出,云南境内几乎所有地方均发生过中强地震。境内断层纵横交错,不同的地质时期形成的断裂带或断层,所能承受的应力具有明显的差异性,使云南地区的地震活动类型呈多样性特征,其中双震型和多震型地震约占三分之一(皇甫岗等,2010)。本文从强震应力释放的角度探讨云南境内双震型地震震源参数特征,从预测的角度探讨第二次强震可能的强度和发震时间。
1 观测资料及数学处理方法
1.1 观测资料云南数字测震台网自1998年12月1日开始正式运转以来,至2013年12月31日已累计记录到云南省及周边地区1.0≤M(L,S)≤7.0地震11万余次,其中3.0≤M(L,S)≤3.9地震2 240次,4.0≤M(L,S)≤4.9地震245次,5.0≤M(L,S)≤5.9地震42次,6.0≤M≤6.9地震6次。
1.2 数学处理方法对云南数字地震台网的地震记录的波形数据进行识别,选取震中附近的7个左右台站记录波形数据进行数据格式处理,应用MATLAB语言对格式转换后的波形数据进行回放,在事件波形的回放过程中扣除各台的仪器响应,回放以后的地震波数据直接反映的是地面运动的速度(cm·s-1)。对地震波形数据进行零点校正,倾斜校正和高通滤波等预处理。
震源参数计算采取对S波取固定窗,窗长20 s,用快速傅立叶变换(FFT)对S波窗数据计算地震波位移谱。根据地震位移谱的低频部分确定波谱零频值Ω(0),由谱的高低频渐近线确定频谱的拐角频率,地震矩为
M0=Ω(0)4πρrV3(R)-1(PC)-1.(1)
其中,Ω(0)是由地震位移谱确定的波谱零频值; ρ是介质密度,为2.8g/cm3; r为震源距; V是震源处P波或S波的速度,分别取为Vα=6.0 km/s和Vβ=3.5 km/s。R为辐射图型因子,取平均值0.63,由于参与计算的台站位于不同的方位,计算结果为多台平均,可有效消除S波辐射图型影响; PC为地震波的路径校正,PC=Ce(-πft/Q),其中C为自由表面影响,按一般算法取C=2,f为波的主频率,t为地震波走时,Q为介质的品质因子,根据秦嘉政和阚荣举(1986)、苏有锦等(2006)的研究,云南地区的Q值存在地区差异。本文研究比较了Q值分别取500、300、200和100对震源参数的影响,结果表明其计算结果差异仅为1%左右,因此取Q值为200。
用Brune(1970)的圆位错模式计算震源参数,有下述关系式:
r=(2.34V(P,S))/(2πf0(P,S)),(2)
A=πr2,(3)
U=(M0)/(μA),(4)
Δσ=(7M0)/(16r3).(5)
其中,r是震源的等效圆位错半径; f0(P,S)是P波或S波的拐角频率; V(P,S)是震源处P波或S波的速度; Δσ为应力降; A为断层面面积; U是断层面上的错动距离; μ为切变模量,取μ=3.4×104 N/m2。
采用S波计算1999~2013年云南省3.0≤M(L,S)≤6.6的2 533次地震震源参数,S波取值从S波起始到S波最大值至S波衰减,数据窗长20 s,地震矩和拐角频率计算值均为两水平分量的平均结果,各震源参数均为多台的平均计算结果。地震矩和拐角频率计算值均为三分量的平均结果。表1列出了近15年来云南省3.0≤M(L,S)≤6.6地震各震源参数取值范围。
表1 1999~2013年云南省3.0≤M(L,S)≤6.5地震震源参数取值范围
Tab.1 Source parameter range of 3.0≤M(L,S)≤6.5 earthquakes in Yunnan between 1999 and 2013根据震源参数计算结果,将地震应力降与震级作线性回归分析(图1),得到
lg(Δσ)=0.65ML-2.74.(6)
表2列出了由式(6)得到的相关震级对应的应力降值,并给出实际震源参数的最大值和最小值。
1.3 误差分析由图1和表2可知,应力降计算结果较为离散,同一震级的应力降值存在较大的差异,一般由多台资料测定M0的误差为2(对数尺度±0.3),f0的误差为1.5(对数尺度±0.2)(郑治真,1983)。应力降计算结果为多台平均,本文引入应力降的标准偏差概念,将应力降标准偏差与测定结果本身的比值定义为相对标准偏差(吴忠良等,
图1 云南地震应力降与震级的线性回归关系图
Fig.1 Linear regression relationship between magnitude and stress drop in Yunnan2002)。图2a给出了应力降与震级之间的关系,图2b为应力降测定的相对标准偏差分布。从图中可以看出,应力降测定的相对标准偏差主要分布于2.0以下,峰值在1.0左右,其相对标准偏差可能出自多台资料的M0、f0的测量误差。
2 震例分析 2.1 2006年盐津地震
2006年7月22日盐津县豆沙镇发生5.1级地震,其应力降为1.42 MPa,明显低于表2中5.1级地震相应的应力降值,表明该地震应力释放并不充分,在其后的余震中未发生3.0级以上的地震,直至8月25日8时57分发生的一次3.3级余震后应力降为2.24 MPa,其应力释放高于主震,当日13时51分在原震区内再次发生5.1级地震。第二次5.1级地震应力降为2.80 MPa。间隔34 d在原震源区内再次发生相同量级的地震,叶建庆等(2008)从监测的角度对盐津5.1级双震做了研究,认为一种可能的震源机制为震源体内存在障碍体,震源区在应力作用下,较为脆弱的岩层首先破裂,引发第一次强震,但由于障碍体的存在,应力释放较小,通过一段时间的应力调整和
图2 应力降与震级之间的关系(a)及应力降测定的相对标准偏差分布(b)
Fig.2 Relationship between stress drop and magnitude(a)and relative standard deviation determined by stress drop(b)图3 四川攀枝花地震台记录的两次盐津5.1级地震的时域波形图(a)和频域位移振幅谱(b)
Fig.3 Waveform in time domain(a)and amplitude spectrum of displacement in frequency domain(b)of Yanjin M5.1 double shock earthquakes recorded by Panzhihua Station2.2 2011年腾冲地震2011年6月20日腾冲县上营街发生5.2级地震,8月9日再次发生5.2级地震,属于双震型地震。但腾冲地震有明显的震前活动,在5月25日至6月20日第一次地震前,密集发生了8次ML≥3.0地震,其中有1次4.7级地震。因此,2011年的腾冲地震属于前震—双震型地震,这类地震在第一次强震发生后,人们很容易认为是前震—主震—余震型地震,从而忽略第二次强震。如何认识该类型地震,正确判定和预测第二次强震,就需要从区域地震活动的整体背景和所处的构造应力环境加以综合分析。
2008年3月21日盈江5.3级地震以后,盈江腾冲一带地震持续活跃,应力降较高,表明该区域地震应力背景值较高。2011年3月10日盈江5.8级地震发生在北东向的大盈江断层上,该断层贯穿至腾冲止于北南走向的怒江断裂带。在这样的地震活动大背景下,处于盈江断裂与怒江断裂交汇的上营街从5月25日开始有小震活动,与盈江地震相呼应,处在同一构造带上不同的部位相继发生较高量级的地震活动,且应力降较高,累积达到3.56 MPa,其中5月31日发生的4.7级地震, 应力降为1.47 MPa,低于表2中相应震级的应力降值,表明应力释放不充分,预示后续仍有较高应力降的地震。6月20日第一次5.2级地震,应力降为4.12 MPa,其值仍然低于表2中相应震级的应力降,应力释放仍不充分。因此,不能排除后续仍有发生强震的可能性,经过近50 d的应力调整和积累,8月9日在原震区再次发生5.2级地震,此次地震应力降为6.99 MPa,高出表2中相应震级应力降值的50%,应力释放较为充分。整个腾冲地震序列应力降约为24.35 MPa。图4为保山地震台记录的两次腾冲5.2级地震的时域波形图和频域谱图。由图可见,两次5.2级地震的图像极其相似,表明腾冲两次5.2级地震震源环境和介质相同,地震波的传播路径相同,不同的是两次地震所释放的应力。
2.3 2013年四川得荣云南德钦香格里拉交界地震2013年8月28日四川省得荣县与云南省德钦县和香格里拉县交界地区发生5.1级地震,震前无任何前震,震后余震较多,3.0~4.4级地震发生了15次,其中一次为4.4级,给人一种主余震型的假象。但从5.1级地震的应力降计算值分析可知,该地震应力降很小,仅有0.94 MPa,仅相当于一个4.2级地震所释放的应力降(表2),其后的余震应力降也只有2.82 MPa,累积应力降为3.76 MPa。一个基本认识是5.1级地震及其余震应力释放严重不足,其后应当有一次较大的地震应力释放过程。8月31日在原震区再次发生5.9级地震,应力降为6.08 MPa,结合表2中相应震级所对应的应力降值,其应力降值仍然是偏小的。如何看待此问题呢,一种可能的解释是滇西北及川滇交界地区其地震构造应力背景值较小,在较小的构造应力作用下,就能引发构造断层发生位移; 另一种可能是通过其后大量的余震来释放剩余的应力。截至2014年3月31日,5.9级地震后发生了137次3级以上余震,余震应力降累积达到42.1 MPa。5.1级和5.9级地震及其余震应力降累积达到52 MPa。图5展示了四川省乡城地震台记录的5.1、5.9级地震时域波形图和频域水平分量合成位移振幅图,由图可见,5.1和5.9级地震图像极为相似,表明两次地震的震源环境和应力作用方式相同,地震波的传播路径相同。震源体内障碍体的存在,使得构造体以两次突破的方式完成构造位移,将积蓄的构造应力通过大量的余震进行调整和释放。图6为该次地震震级与应力降时序图像,由图可见,5.1级地震后为低应力降时序,5.9级地震及余震为相对高的应力降时序,随着时间逐渐衰减。
图5 四川省乡城地震台记录的川滇交界5.1、5.9级地震时域波形图(a)和频域位移振幅谱(b)
Fig.5 Waveform in time domain(a)and amplitude spectrum of displacement in frequency domain(b)of Yunnan-Sichuan junction M5.1,M5.9 double shock earthquakes recorded by Xiangcheng Station in Sichuan3 讨论与结论
应力降是表征地震瞬间错动时位错面上的应力变化。通常指的是地震发生后震源处的应力比震前降低,即震前应力与震后剩余应力之差,表示为Δσ=σ0-σ,σ0和σ分别为震前、震后的构造应力。正是这种应力的降落,促使断层两盘克服静摩擦力而发生运动并产生地震波。应力降是直接与地震的发生、震源介质和构造应力密切相关的参数。
Das和Aki(1977)在研究自然破裂传播动力学时提出的震源障碍体模式表明,当裂纹尖端通过这样一个障碍体时,可能发生3种不同的状况,它们取决于障碍体强度与初始应力的相对大小。类型一:若初始应力相对较高,障碍体一下就破碎; 类型二:若初始应力相对较低,裂纹尖端超越障碍体时,会留下一个未破碎的障碍体; 类型三:若初始应力适中,裂纹尖端在开始通过时,障碍体并不破碎,但最后由于应力增加而破裂。如果类型一的障碍体是在整个断层面上发生的话,那么破裂传播是平滑的,产生的地震是一个简单的脉冲,并导致一个高的平均应力降。如果类型二在断层面上许多障碍体上发生,破裂传播就变得粗糙,产生一个长序列的高频波,以及一个低平均应力降结果。对于类型三,产生具有在长周期运动上叠加一些波动的地震图。地震辐射变得不像其它类型那样依赖于破裂传播方向,因而在裂纹中心处滑动或多或少是同时产生的,结果导致了一个有效的对称震源。
云南地区双震型或多震型地震基本符合Das和Aki(1977)提出的震源障碍体模式中的第二、第三类震源破裂状况。表3列出了本文讨论的3个震例的基本情况。盐津地震在第一次5.1级地震后34 d再次发生5.1级地震,震级相同,震源环境相同,但应力降不同,初次地震应力降较小,再次5.1级地震应力降大于初次5.1级地震,整个地震序列应力降为11 MPa,应力降较低,属于构造应力环境较低地区发生的低应力降地震。而腾冲地震发震之前的构造应力环境与盐津地震有明显的差异,震前有盈江5.8级地震,其序列应力降较高,构造应力得以较充分的释放。处在盈江地震发震断层另一端的腾冲地震震源区,其地震应力的积累是否与盈江地震有关,还是本身已具备了发震条件,两震源区相距不到100 km,相互间的影响肯定是存在的。腾冲第一次5.2级地震前发生的密集小震,预示着该地区存在发生中强地震的应力背景,且地震应力降较小,相隔50 d再次发生5.2级地震的应力降较高,也就是突破震源障碍体所需的构造应力较高。腾冲地震序列累积应力降约24 MPa。四川省得荣县与云南省德钦县和香格里拉县交界地区受川藏地区构造应力影响较为明显,震前在震区以北的西藏昌都左贡县发生了6.0级地震,受来自南东向构造挤压应力的影响,
通过3个双震型震例震源参数的分析研究,可以得到以下几点认识:
(1)根据近15年的云南地震应力降与震级的回归分析,以及几次双震震源参数分析,双震型地震的首个强震其应力降值偏低,再次发震的应力降值可能较高。
(2)震区存在障碍体,首次破裂将障碍体附近较弱介质发生变形,受到障碍体的阻碍,构造应力未能较好地释放,其应力施加在障碍体上,当累积应力大于障碍体的静摩擦力时,突破障碍体,因此再次发震的应力降大于初次强震。
(3)第二次强震的发震地点是确定的,即在原震源区,位置变化不大。发震时间从上述3个震例可以初步判定,短则3 d,长则50 d。有前震的腾冲双震型地震,第二次强震的发震时间较长,为50 d。
(4)双震型地震可以通过震源参数的分析和对区域构造应力环境的认识及综合分析,可以预测第二次强震的强度和时间段。
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