广东新丰江水库地震垂向引潮力的调制作用研究

陈大庆，杨马陵，蒋海昆，钟羽云，万永芳

广东新丰江水库地震垂向引潮力的调制作用研究

陈大庆1，杨马陵1，蒋海昆2，钟羽云3，万永芳1

（1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.中国地震台网中心，北京 100045；3.浙江省地震局，浙江 杭州 310013)

按照前人对新丰江水库地震序列特征的研究，以1965年为界将新丰江水库地震序列分为前期和后期，对前期 （MS≥4.3）和后期 （MS≥4.2）地震垂向引潮力的触发特征进行了研究。发现前期15次MS≥4.3级地震发震时刻垂向引潮力的方向处于向下区间的有12次，占80%；其中MS≥4.5级地震全部都处于垂向向下区间，说明前期在高水位荷载的背景下，垂向引潮力的向下区间是此阶段的优势触发时段；后期特别是1980年以后6次MS≥4.2级地震发震时刻垂向引潮力和水位荷载对应力场的扰动方向都是一致的，说明后期孕震区应力场处于临界的非稳定状态，水位荷载及垂向引潮力方向的变化有可能共同诱发了地震。还利用基于垂向引潮力不同方向区间的调制比，对6次显著地震进行了回顾性检验，证实其具有一定的短临预报意义。

引潮力；新丰江水库；调制作用

引言

引潮力定义为作用在地球某单位质点上的日、月引力与地球绕地、月公共质心旋转产生的惯性离心力的合力。引潮力是作用于地球最大的周期性变化的力，虽然很难确定天体运动产生的引潮力是引起地震的主要原因，但当地震孕育到短临阶段，震源区及其附近应变能高度积累，此时引潮力的方位、大小都可能是地震的触发因素。特别是对于水库地震，当库区的潜在发震断层由于库水的荷载及润滑作用孕育到短临发震阶段，垂向引潮力对孕震区的压性或张性作用都有可能诱发地震。

近些年来国内外已有不少关于引潮力触发地震的研究。Heaton［1］研究了地震活动受引潮力的触发作用，发现对倾滑型地震或斜滑型大地震，潮汐力有明显的触发作用；Tanaka［2、3］发现触发机制取决于断层和震源机制的方位。地震活动与潮汐相位角之间的相关率在一种类型震源机制情况下，在时与空两方面均能够成为主震的前兆；Tanaka［4］利用Schuster检验的方法计算了日本东海板块交界区域潮汐与地震的相关性，发现该区域潮汐对地震的触发作用与地震的活动特征有关。

我国一些学者也开展了这方面的研究，杜品仁［5］从大地震发生时刻的天体位置研究了潮汐对地震的触发作用；张国民［6］等探讨了中国大陆MS≥7.0级地震的成组活动和引潮力的调制触发关系，认为我国陆区活跃期内7级强震明显受潮汐力的调制触发，并且还探讨了潮汐力对强震活动触发作用的力学机制；李延兴［7］等通过计算全球MW≥7.0级地震水平引潮力方位角及应力场的P轴、T轴方位角，两者的一致性较高，且水平引潮力方位角与发震断层走向的一致性更高，说明日、月对孕震区水平的引潮力与大地震的发生密切相关；陈荣华［8］等初步讨论了引潮力对显著地震触发作用与大震关系的机理。结果表明，这一机理是比较复杂的，地震发生时水平引潮力方位与地震断层面走向接近，可能增加断层面上的剪应力，有利于地震的发生；水平引潮力方位与地震主张应力轴T轴接近，可能减小断层面上的正应力，从而减小断层面上的摩擦力，也会有利于地震的发生；吴小平［9］等选择了云南地区4级以上地震，根据主应力方向的潮汐力与发震时刻天体位置特征，研究了潮汐力触发机制，结果认为云南地区的地震在新月期间和上下弦附近较易受到潮汐力的触发。受潮汐力触发作用的地震发震时刻的月日赤纬有明显的密集分布条带特征，地震频次在月、日天顶距分别为30°～40°和20°～140°范围内为平均优势分布区间； 张晶［10］分析了引潮力水平分量动态变化与强震发震时间之间的关系，结果显示在一定时空范围内前震、主震及余震序列发震时刻的引潮力存在优势方向；在构造地震的潮汐力触发方面，目前已经取得了一些研究成果，但对于水库地震的研究目前主要集中在水位加卸载的诱发作用，而引潮力的触发作用还很少有学者进行研究。本研究中根据万永芳等［11］的研究结果，以1965年为界将新丰江水库地震序列分为前期和后期，前期的地震频度、能量释放与水位的高低有较好的相关性，而后期这种相关性基本不存在了。本文中分别探讨了新丰江水库地震序列前期 （MS≥4.3）和后期 （MS≥4.2）发震时刻垂向引潮力不同方向区间的统计特征；1980年后6次MS≥4.2级地震发震时刻垂向引潮力和水位荷载的触发关系；并利用基于垂向引潮力不同方向区间的小震调制比，对前后期的6次显著地震进行了回顾性检验，证实这种调制比具有一定的短临预报意义。

1 垂向引潮力相位角

图1日月引潮力相位角的定义：0°为引潮力最大值，±180°为引潮力最小值Fig.1 Definition of phase angle of solar and lunar tidal attraction:the maximum value of tidal attraction is 0°,and the minimum value is ±180°.

为了表示引潮力一个周期 （本研究中为半日潮）内大小的变化，引进引潮力相位角的概念。如图1所示可以给出任意一个地震发震时刻某个方向上引潮力的相位角，相位角的0°和±180°分别为最大、 最小引潮力的相位角， 利用-180°～0°或者 0°～180°之间的线性分布，可以定出任意地震在某一方向引潮力的相位角，其取值范围为-180°～180°之间，图1中，如果一个地震正好发生在最大引潮力和其后的最小引潮力中间位置，则其相位角为90°。表1中所列∂v为垂向引潮力的相位角，向下为正；FV为垂向引潮力的大小，同样向下为正。

表1 新丰江水库地震垂向引潮力相位角及大小Table 1 The vertical tidal attraction and its phase angle for Xin Feng-jiang reservoir-induced earthquakes

2 前期MS≥4.3级地震垂向引潮力不同方向区间的统计特征

按照万永芳等对于新丰江水库地震序列与水位关系的研究，认为1965年前，地震的发生和高水位关系明显，而1965后水位的高低及变化量的大小和地震的发生基本上没有什么关系。因此以1965年为界，新丰江库区地震的发生机理可能有所不同，前期可能主要是高水位的荷载调整了该区域的应力场或者是水的润滑作用触发了地震，而后期则更可能是和该区域的构造应力场有关。因此在以下研究引潮力对新丰江水库地震的调制作用的时候，也按照1965年为界，分为前期和后期来探讨其间的关系，其中前期地震限定在MS≥4.3级，后期地震限定在MS≥4.2级 （震级下限的选定主要考虑样本数和满足本研究的需要）。

表1中前期发生的3次大于5级地震的垂向引潮力相位角，分别为1962年3月19日6.1级地震-42°、1962年7月29日5.1级地震27°、1964年9月23日5.1级地震-29°。可见3次大于5级的地震其发震时刻垂向引潮力相位角的绝对值都小于45°，表示发震时刻垂向引潮力处于向下的峰值区间。而表1中也可以看到前期15次MS≥4.3级地震的垂向引潮力方向处于向下区间的有10次，占67%，5次MS4.5～4.8级地震其垂向引潮力相位角的绝对值都处在60°～85°，其中3次MS≥5.0级全部都处于这一区间。反映了前期在高水位的荷载背景下，垂向引潮力的向下区间是这一期间的优势触发时段。

图2中表示的是前期震级和垂向引潮力相位角的关系，其中相位角取的是该震级下所有地震相位角的均值。从中我们可以看到除了大于5级的由于样本数相对较少，不满足随着震级的增大，其相位角减小外，其余的都基本满足这一规律，相关系数达到了-0.8，表明随着震级的增大，发震时刻受到的向下的垂向引潮力越大。

图2 前期震级与垂向引潮力相位角的关系Fig.2 The relationship between magnitude and phase angle of vertically tidal attraction in earlier stage

后期发生的10次MS≥4.2级地震，其发震时刻垂向引潮力方向处于向下、向上区间的各占5次，无明显优势区间，其震级大小和相位角大小也无前期那样的线性关系。

以上通过对新丰江水库地震1965年前MS≥4.3级地震垂向引潮力触发特征的研究，得到垂向引潮力的向下区间是这一期间的优势触发时段，且随着震级的增大，垂向引潮力的绝对值越小，其越靠近向下的峰值。表明随着震级的增大，发震时刻受到的向下的垂向引潮力越大。

3 1980年后MS≥4.2级地震垂向引潮力和水位的触发关系

图3、表1中1980年以后的6次MS≥4.2级地震，其中1981年5月4日的4.3级、1999年8月20日的4.7级地震，其发震时刻垂向引潮力方向向下，而发震期间水位也处于上升期；同样另4次地震，其垂向引潮力向上，而发震期间水位也都处于下降期。说明1980年以后MS≥4.2级地震发震时刻垂向引潮力和水位荷载变化对应力场的扰动方向是一致的。即，发震时刻水位处于上升期则受到的垂向引潮力向下，相反发震时刻水位处于下降期则垂向引潮力向上。说明此期间这种前期高水位背景条件下的压应力的优势触发时段已经不存在，孕震区应力场处于临界的非稳定状态，水位荷载及引潮力的方向变化有可能共同诱发了地震。

图3 新丰江水库1980年后MS≥4.2级地震垂向引潮力与水位的变化Fig.3 The variation of tidal attraction and water level for earthquakes with MS≥4.2 at Xinfengjiang Reservoir since 1980

4 典型地震前基于小震垂向引潮力不同方向区间的调制比异常

秦保燕［12］等利用小震调制比Rm=N／N总来表示强震前小震活动频次在朔望大潮期间异常增高的现象，式中N、N总分别为某一时段朔望大潮期间的小震频次和小震的总频次。并认为在正常情况下小震活动是随机的等概率事件，与日、月引潮力的大小无关；而在震前的地震孕育过程中，当未来强震震源介质处于不稳定状态下时，日、月引潮力的作用将对小震有调制作用，即较大的引潮力对小震具有较强的触发作用。

本文在研究中，进一步通过计算小震发震时刻的垂向引潮力，定义发生在垂向引潮力方向向下区间和向上区间的小震频次比为调制比，从而得到基于垂向引潮力不同方向区间的调制比，相对从朔望月相得到的调制比，此调制比的力学机制更加明确。

图4是前期3次MS≥5.0级地震和后期3次MS≥4.7级地震利用垂向引潮力的不同方向区间得到的震前数月的调制比曲线，调制比是以2个月的窗长，逐月滑动得到的，其中前期1962年3月19日的6.1级地震、1962年7月29日的5.1级地震，震级下限取在MS≥1.5，1964年9月23日的5.1级地震震级下限取在MS≥1.0，后期的3次MS4.7级地震为了保证小震的月频次不低于10次，震级下限取在MS≥0.1。

图4 前期3次MS≥5.0级地震、后期3次MS≥4.7级地震震前数月调制比曲线与水位的关系A.1962年3月19日6.1级地震 震级下限MS≥1.5；B.1962年7月29日5.1级地震 震级下限MS≥1.5；C.1964年9月23日5.1级地震 震级下限MS≥1.0；D.1987年9月15日4.7级地震 震级下限MS≥0.1；E.1989年11月26日4.7级地震 震级下限MS≥0.1；F.1999年8月20日4.7级地震 震级下限MS≥0.1。Fig.4 The relationship between modulation ration and water level in a few months before three earthquakes withMS≥5.0 in earlier stage and three earthquakes withMS≥4.7 in later stage

从图4中我们可以看到，在无震的情况下，调制比曲线和水位曲线有较好的同步性。但图4A、4C、4E、4F的4次地震在震前2、3个月到半个月的时间内，调制比曲线出现了偏离水位的变化，并且调制比的变化和其后主震发震时刻的垂向引潮力方向具有一致性。例如图4A为1962年3月19日6.1级地震的调制比曲线，在主震前1个半月，调制比曲线显著增大，偏离了水位下降的趋势，显示在此期间发生在垂向引潮力向下区间的小震频次比在增高，而从表1中可以看到其后6.1级主震发震时刻垂向引潮力为47.0 μGal，也发生在向下区间，其他的3次地震也有类似的特征。而图4B、4D的两次地震震前调制比曲线则未发生以上的异常变化。

5 结论

本文在前人对新丰江水库地震序列研究的基础上，以1965年为界将新丰江水库地震序列分为前期和后期，对两个时期 （前期 （MS≥4.3）和后期 （MS≥4.2））地震引潮力的触发特征进行了研究，得到了以下结论：

（1）前期3次大于5级的地震，包括6.1级主震其发震时刻垂向引潮力相位角的绝对值都小于45°，15次MS≥4.3级地震的垂向引潮力相位角中，处于向下区间的有10次，占67%，其中MS≥5.0级地震全部都处于这一区间。且随着震级的增加，垂向引潮力的绝对值越小，其越靠近向下的峰值。说明前期在高水位荷载的发震背景条件下，垂向引潮力的向下区间是此期间的优势触发时段，且随着震级的增大，发震时刻受到的向下的引潮力越大。

（2）后期特别是1980年以后6次MS≥4.2级地震发震时刻垂向引潮力和水位对应力场的扰动方向是一致的。即，发震时刻水位处于上升期则垂向引潮力方向向下区间，相反发震时刻水位处于下降期则垂向引潮力方向向上区间。说明后期特别是1980年以后，库区应力场已经处于相对的稳定状态，此时的地震无前期的垂向压应力优势触发特征，但6次MS≥4.2级地震都发生在垂向引潮力与水位荷载方向一致的时段，反映了两者共同的触发作用。

（3）利用基于垂向引潮力不同方向区间的调制比，对前期3次5级以上地震，后期3次4.7级地震前调制比曲线的异常变化进行了研究，结果表明在无震的情况下，调制比曲线和水位曲线有较好的同步性。而在4次地震前2、3个月到半个月的时间内，调制比曲线出现了偏离水位的变化，并且调制比的变化和其后主震发震时刻的垂向引潮力方向具有一致性。因此通过本研究初步认为利用小震的基于垂向引潮力不同区间的调制比可以反映在主震破裂前孕震区的应力状态，相对基于月相调制得到的调制比，此调制比的物理意义更加明确，且具有一定的短临预报意义。

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A Study on Tidal Force Triggering of Xinfengjiang Reservoir-Induced Earthquake

CHEN Daqing1,YANG Maling1,JIANG Haikun2,ZHONG Yuyun3,WAN Yongfang1

(1.Earthquake Administration of Guangdong province,Gangzhou 510070,China;2.China Earthquake Networks Center,Beijing 100045,China;3.Earthquake Administration of Zhejiang province,Hangzhou 310013,China)

According to the predecessors′study on the characteristics of Xinfengjiang reservoirinduced earthquake sequence,it was divided into early period and later period by 1965.This paper studied the characteristics of vertical tidal force leading to earthquakes with MS≥4.3 in early period and MS≥4.2 in later period.We found that there were 12 of 15 earthquakes,where 80%MS≥4.3 and 100%MS≥4.5 earthquakes occurred in the interval of downward compressive stress of vertical tidal force.The results show that the interval of vertical tidal compressive stress is advantage triggering period in early period,based on the high reservoir water level.The six earthquakes with MS≥4.2 after 1980 in later period occurred at the moment of the same direction of vertical tidal force and water level perturbation of force field,which shows that the seismic area is in critical unsteady state and the variation of reservoir water level and vertical tidal compressive stress triggering earthquakes in together.Six earthquakes were reviewed by using modulation ration based on tensile or compressive vertical tidal force.The modulation ration was confirmed of a certain significance for the short-term and imminent prediction.

Tidal attraction;Xinfengjiang reservoir;Modulation ration

P315.728

A

1001-8662（2011）02-0029-08

2010-02-20

国家科技支撑子专题 （2008BAC38B03-01-05）；2009年度震情跟踪一般性合同制定向工作任务 （2009020301）

陈大庆，男，1977年生，工程师.主要从事地震预测研究.E-mail：gd_daqing@163.com.