小震群序列类型判定方法研究的现状及相关问题研究的趋势＊

崔子健 李志雄 陈章立 赵翠萍 周连庆

1)中国地震局地震预测研究所,北京 100036

2)中国地震局,北京 100036

小震群序列类型判定方法研究的现状及相关问题研究的趋势＊

崔子健1)李志雄1)陈章立2)赵翠萍1)周连庆1)

1)中国地震局地震预测研究所,北京 100036

2)中国地震局,北京 100036

小震群地震活动经常发生,对其可能类型的快速判别,即对正在活动的小震群,究竟是“大震”的前震序列,还是并不伴有大震发生的一般性小震群的快速判别,对减轻地震灾害和维护社会稳定具有重要的现实意义。本文总结归纳了小震群序列类型判别方法研究的现状和存在的问题,并对震群序列类型判别研究的趋势进行了初步阐述。

小震群;序列类型;判定方法;研究趋势

引言

本文的“小震群”意指在较短的时间内相继多次发生在局部小区域里的中小地震活动,“小震”是相对中强以上地震而言的,一般指MS≤5.0。小震群的震中一般集中分布在几公里范围内,持续时间较短,虽然有些小震群活动持续1—2个月,但多数小震群集中在十几天、几天,乃至几小时内发生。

自有区域地震台网记录以来,经常记录到小震群地震活动,且往往引起人们的高度关注。一组有感小震群发生后,震区的政府领导与人民群众最为关心的是会不会发生更大的地震。毫无疑问,及时对这一问题作出回答是政府及时作出决策、做好抗震减灾工作和安定民心、防止社会混乱、避免造成不必要的经济损失的重要依据,特别是对于大中城市、人口稠密和经济发达的地区更是如此。因此,小震群序列可能类型的快速判别,即正在活动过程中的小震群,究竟是“大震”的前震序列,还是并不伴有大震发生的一般性的一组小地震活动,对于减轻地震灾害和维护社会稳定具有重要的现实意义。

在开展地震预测研究与实践的早期,人们把“大震”前非常短的时间内(一般为1天或几天内)在未来大震震源区里成丛集中发生的小地震称为前震。陈运泰等[1]将其称为“瞬时前震”,认为瞬时前震是未来较大地震的种子;随着观测资料的积累,人们发现有些大震前1个月或稍长时间里,在未来大震震源区附近发生了突出的小震群活动,也将其视为大震的前震;另外,Evison[2]认为大震前几年,在未来大震震中区周围几百公里范围里所发生的小震群活动可能与大震的孕育有关,称之为“前兆震群”,有些人将其视为广义前震。因此,“前兆震群”的研究对于时间尺度为几年的大震危险区的确定是很重要的,但从地震预测的紧迫性来说,前两种情况更为紧迫。这里把大震前1个月左右(包括几天内)的时间内在未来大震震源区及其附近发生的小震群活动称为大震的前震序列。本文将按这一概念综述小震群序列可能类型判别的研究现状并就小震群序列类型判定研究趋势进行初步归纳。

1 国内外研究现状

根据某一地区小地震在短时间里集中发生的震群活动,判定其后是否会发生强地震,对这一问题的研究仍是当今世界上地震预报中的难题之一。在国外,众多学者非常关注强地震余震的衰减特征和余震激发更大余震问题的研究[3-7],而利用本文重点关注的小震群资料开展震群类型判定研究相对较少[8-9]。在我国,基于地震预测的社会巨大需求,开展小震群类型判定研究一直是众多研究人员关注的重点。虽然自1966年以来,便曾在邢台及海城地区用大震前小震的“密集—平静”特点推测未来的大震[10],随后也有不少人从序列的时、空、强表现出来的某些特征,以及序列发展的物理背景上(如波形变化、震源参数等)寻找表征前兆性震群的某些特征指标(如b值、h值、初动和频度变化等异常值),但多数方法是统计性的,预测指标在实际应用中难免存在不同程度的不确定性,如2002年1—2月在云南漾濞发生了一组小震群活动,专家曾对这次震群利用各种统计方法计算,所得结果大都显示出该小震群活动具有较强的前兆震群特性,但其后并未发生预期的强震。因此,对小震群序列类型判定的方法及有关理论研究仍有待进行深入的研究[11]。

1.1 小震群序列类型判定的地震活动性图像方法研究

中国是开展地震预测探索最早的国家之一,在日常震情分析预报工作中,国内诸多学者利用震群目录,借助地震频度、应变释放、b值、h值、能量释放均匀度U值、震群归一化信息熵K、震群序列的地震发生方式参数ρ值等参数(方法),通过震例,开展小震群序列类型判定的指标体系研究,并将结果应用于实际小地震震群类型判定工作中。

吴开统等[12]通过对1975年2月4日辽宁海城7.3级地震震前震中及其邻近地区小地震密集活动开展时空分布特征研究,结果表明,辽宁海城7.3级地震的前震序列具有震级不断增大,频度上升,震中位置集中,震源深度变化小,P波初动一致,b值较小的特点。傅淑芳等[13]在总结归纳众多学者研究结果后指出,主震型序列在其主活动时期(1个月至数月)的b值一般都在0.6以下,震群型序列的b值一般都大于0.6。吴忠良[14]指出,b值小于0.75的地震序列有更大的可能是前震序列。张智等[15]根据震级-频度关系曲线lg N=a-bM线性外推,由横轴截距Mmax=a/b来预测序列未来最大地震可能的强度。柯龙生等[16]总结17个震例后指出,多数前震序列服从关系式:lg X=A-B t(A、B为常数,X表示前震的频度,t表示从主震往前推的时间间隔),少数服从关系式:lg X=A-B lg t,并且前震活动期与波速恢复期比较接近。刘正荣等[17-19]把茂木清夫修改了的大森余震衰减公式记为n(t)=n1t-h(n1和n分别为第1个单位时间和第t个单位时间内震级超过某一阈值M起的地震次数),通过对发生在中国大陆109个不同类型的地震序列的h值作了统计分析,指出,当h≤1时,相应的震群序列为前震序列的可能性较大,当h＞1时,相应的小震群为一般的小震群的可能性较大。陆远忠等[20]、朱传镇等[21]、王炜等[22]曾分别提出将能量释放均匀度U、震群归一化信息熵K、震群序列的地震发生方式参数ρ作为判定前兆震群的指标。宋俊高[23]在总结前人研究前兆震群指标的基础上,提出一种综合判断指标的方法,用来识别地震异常及确定未来地震的三要素,并称U＞0.5、K＞0.7、ρ＜0.55的震群为典型前兆震群,反之则认为是典型的非前兆震群。林邦慧等[24]基于前震序列具有能量释放比较均匀、序列中较强地震相对多、地震频度随时间递增这样一个基本认识,引进一个表征序列能量释放的均匀程度与序列的地震平均强度关系的物理量F,用F值判别是否前震序列的定量判据是:F≥1为前震序列,F＜1为一般序列。

1.2 基于地震波形的小震群序列类型判定方法研究

自20世纪70年代末期以来,国内外一批学者相继利用地震波观测资料,开展基于地震波运动学及动力学特性研究之上的地震序列类型研究,主要包含两方面的内容:一类是主要通过地震波波形记录的垂直分量Pg初动和垂直分量Pg、Sg的最大振幅比,研究前兆型小震群和一般性小震群的地震波形或震源机制解线性相似度所展现出的不同变化特征;另一类是通过计算小震群的运动学参数和力学参数,分析归纳前兆震群和非前兆震群的这些参量的变化特点。

金严等[25]认为海城前震序列地震波垂直分量Pg、Sg的最大振幅比值较一般震群的相应数值更为稳定。卓秀榕等[26]根据计算视振幅比方差的方法,给出不同地震序列视振幅比方差的数值范围。卓钰如[27]统计了19个地震序列垂直分量Pg、Sg的最大振幅比的均方差,以其大小来区分一般震群和前震序列,并认为若最大振幅比均方差小于0.5,则属于前震序列的可能性较大。金森博雄的研究结果表明,中强地震前小震P波卓越频率显示增高的特征,石田瑞穗通过谱分析认为,前震的谱峰频率系统高于正常地震的谱峰频率[28]。赵根模[29]指出,普通震群的最大深度一般≤16 km、震源垂直尺度≤10 km、最大深度距平值≤6 km,而前震的最大深度＞16 km、震源垂直尺度＞10 km、最大深度距平值＞6 km。

顾浩鼎等[30]研究表明,前震序列的S波偏振方向变化不大。啜永清等[31]指出,初动矛盾符号比的减小与增大,可以作为判定该地震序列后面是否还有较大地震的指标。

陈颙[32]对前震和余震的特征进行了研究,发现前震在空间上集中、震源机制解也都比较类似,而余震在空间上发散、机制解差异大。据此,陈颙提出利用震源参数的一致性可以判别一个地震序列是前震序列还是正常的主震-余震序列。类似地,王俊国等[33]提出了地震一致性参量a的概念,用以研究强震前震源及其附近地区中等地震震源机制解P、T轴随时间变化特征。震例结果表明,若区域地震资料计算得出的震源机制解与构造应力场一致(a越小),则显示出构造应力场控制作用增强,发生中强地震的可能性增强;反之,震源机制解与构造应力场不一致(a越大),表明构造应力场控制作用减弱,中强地震发生的可能性相对较小。

为克服由于难以精确地给出小震群中多数小震的震源机制解的问题,Lund等[34]提出用微震体波谱振幅相关分析的方法来研究地震序列震源机制是否相似的问题。根据其提出的方法,朱航等[35]采用体波谱振幅相关系数方法研究地震序列的震源机制变化过程,对2001年雅江和2003年大姚强震序列,以及2002年漾濞和2003年洱源小震序列进行分析研究的结果表明:强震序列与一般小震序列的滑动平均谱振幅相关系数时序曲线形态存在明显差异。

Wiemer等[36]通过研究美国1992年兰德斯7.3级地震前和1999年南加州7.1级地震前,震中及附近地区中等地震的各个地震的滑动角与断层滑动角之差(滑动角偏差β)的变化,发现上述两个地震前β值与b值之间存在正相关,滑动角偏差β在震前出现低值。研究结果表明,滑动角偏差β值越小,研究区域应力方向较一致,发生较大地震的危险性相对较高;滑动角偏差β值越大,应力方向一致性差,不易发生较强地震。

自20世纪20年代日本学者和达清夫首先提出开展地震波纵波和横波的速度之比vP/vS的研究以来,国内外众多学者针对不同地区的许多地震开展了vP/vS的震例研究[37]。我国从20世纪70年代开始开展波速比的震例研究,依据众多震例试图归纳出波速比变化的时间、幅度、形态与强震发生时间及地点和震级等的关系[38-39]。并将初步取得的成果应用于地震预测探索,1976年松潘—平武7.2级地震的成功预报,震前的波速比异常就是其预报依据之一。

1.3 关于余震激发更大余震的研究

日本地震学家大森(Omori)分别以半日和月为单位时间,统计1891年日本中部美浓(Nobi)8级地震和其他2次日本地震有感余震的频次衰减,结果显示单位时间内余震频度n(t)随时间t的变化可以表达为[40-41]:

式中,K和c为常数,t为从主震开始的时间。

有关研究表明[42],不同地震序列余震衰减的指数往往不等于1,有些地震序列的衰减比式(1)预期的要快。Utsu等[43]认为,这种差异可能与地震发生的区域构造环境有关。Utsu建议将式(1)修改为[44]:

式(2)为修改的大森公式。其中,K为与主震震级和震级下限有关的常数;p为序列衰减系数,表征余震序列衰减快慢;c是很小的正常数。公式(2)尤其是其中的p值被广泛应用于研究地震序列余震衰减特性,甚至余震序列较大地震的预测。U tsu等[43]对1962—1995年间全球发表的200多个序列的p值计算结果进行分析和总结,指出p值分布在0.6～2.5之间,均值为1.1。近期,许多中强地震序列p值计算结果仍与U stu总结的上述认识相一致[6,7,45]。

王碧泉等[46]指出中国大陆东部多数大地震(M≥7)的p值较低(0.56～0.99)。赵志新等[47]利用点过程最大似然估计对中国大陆M≥5的32次地震的余震时间衰减特征进行定量分析,发现中国东部、南部、北部p值的平均值约为0.91,小于中国西部的平均结果,并且中国大陆平均p值也小于日本岛弧地区的平均p值。这表明,中国大陆西部地震序列衰减较快。对比中国大陆与日本岛弧地区发现,大陆地震序列衰减相对较慢。他们的工作还指出,p值似乎与主震震级无关。

蒋海昆等[48]利用1970—2004年中国大陆记录较为完备的154次MS≥5.0地震序列资料,基于震后早期(震后15天)ETAS模型参数估计结果,系统对比研究了中国大陆不同区域、不同主震大小、不同主震断层类型、以及不同序列类型余震ETAS模型参数的平均统计特征,并讨论了不同统计条件下的序列衰减及余震激发问题。研究结果表明,从中国西南、西北、新疆、华北4个区域中强地震序列ETAS模型参数均值的具体对比来看,西南平均b值略高、新疆b值略低,但总的来看差异极小。p、a显示一定的区域性特征,西南、西北p值均值略低于新疆及华北,表明西南、西北地区序列衰减相对较慢,新疆、华北序列衰减相对较快。华北a均值较低而西北a均值相对较高,意味着尽管华北序列衰减相对较快,但其“余震激发余震”的能力却相对较强,西北地震序列尽管衰减较慢,但序列结构可能较为单一,激发高阶余震的能力相对较弱;在震后早期阶段,b、p、a与序列主震大小相关,b值均值随主震震级增大而增大,与对具体震例全序列的研究结果相一致。p、a均值随主震震级增大而减小,两者变化趋势正相关,意味着主震越大则序列衰减越慢、激发高阶余震的能力越强。

1.4 岩石物理实验及数值模拟

地震的孕育与发生一方面与区域应力场应力增强作用有关,另一方面也与震源所处构造位置及岩石力学性质有着密切的联系。研究表明,由于岩石中晶粒缺陷的随机分布,导致岩石各向异性和非均质性,这将对岩石在外载作用下的破坏行为产生显著影响。岩石在外载作用下的变形破坏过程,实质上就是岩石中的缺陷的萌生、长大、扩展和汇合的过程[49]。为提高对地震孕育、发生过程的认识,人们通过室内岩石破裂实验和数值模拟等途径对岩石介质非均匀性在地震孕育及地震发生类型的影响和作用等方面开展了广泛的研究[50-53]。

Mogi[54]对4种不同均质度的岩石样品进行岩石破裂实验研究,从介质较均匀到非常不均匀分别得到了3种地震序列类型:主震型、前震-主震-余震型、震群型。Mogi实验表明,当应力以恒定的速度增大时,均匀程度不同的岩石,其破裂的发展过程有别:很均匀的介质(如松香)在大破裂前没有观测到微破裂;几乎均匀的介质(如粗面岩)当应力水平较低时,没有微破裂发生,随着应力增大,在临近大破裂前观测到少量的微破裂;不均匀的介质(如花岗岩)当应力水平较低时,没有微破裂发生,当应力增大到一定程度时,开始出现少量的微破裂,随着应力的增大,在临近大破裂前,微破裂急剧增加;极不均匀的介质(如浮石)在较低的应力水平下就可以发生微破裂,随着应力的增高,微破裂的次数增多,但并不发生大破裂。该实验结果虽未直接给出判别前震序列与一般小震群的方法,但指出两者发生的介质环境明显有别:前震序列的震源区介质不均匀,应力水平较高;而一般小震群震源区介质极不均匀,应力水平较低。

李正光等[55]用花岗岩与砂岩拼接的岩样,进行双轴加压单面直剪实验。实验结果证实,不同岩样的加压,可以再现不同地震序列类型,且破裂发生过程和规律与天然地震类似,可分为:前震-主震-余震型、主震-余震型、双震-多震型和孤立型等。焦明若等[56]对5种具有不同均质度系数和5种具有相同均质度系数的岩石试样模型进行了单轴压缩载荷作用下的数值模拟试验,研究了介质细观非均匀性以及细观结构随机性对宏观力学行为和地震序列类型的影响。结果表明,岩样的宏观变形非线性行为和强度特征取决于岩石的非均匀程度,随着均质度系数的降低,宏观变形的非线性增强,岩石试样的韧性随着均质度系数的降低而逐渐增强;随着均质度系数的提高,宏观变形的线性增强,岩样的宏观强度将增加。唐春安等[57]通过对岩石试样中预置的倾斜裂纹扩展过程的数值模拟,研究了材料非均匀性对岩石介质中裂纹扩展模式的影响,结果表明,岩石的非均匀性对含裂纹试样的变形、破裂过程及其破坏地震发生类型有很大影响。

2 震群序列类型判定研究存在的问题

虽然上述各种震群类型判定方法在地震预测研究与实践的检验中都具有一定的效能,但都存在着一定的问题,其预测结果也都存在一定的不确定性。这种不确定性表现在以下几方面:

(1)应变释放加速和b值较小虽然是判断小震群可能为前震序列的必要条件,但不是充分必要条件。换句话说,有些一般的小震群应变释放也可能加速,b值也可能较小[58]。用lg N=a-bM曲线线性外推的方法预测未来可能地震的最大强度Mmax,进而判别所发生的震群序列的类型,则往往导致错误的判断。其主要原因是这种线性外推,以在地震学中自相似性普遍成立为前提,而这本身是现代地震学中一个有争议的问题[59]。已有的一些研究认为,“大震”与“小震”服从不同的定标律,lg N=a-bM并不是在整个震级域里都成立[1,60-61]。

(2)h值的判别方法要求首先找出震群序列中的最大地震,然后计算之后的衰减系数h值。其中,不仅最大地震前的资料没有利用,而且要求最大地震之后,小震的次数应较多,否则计算的误差较大[38]。因此,该方法虽然被广泛使用,并有一定的效能,但其不确定性同样也存在,尤其是当震群序列的地震次数不是很多时,其不确定性加大。

(3)前震序列S波偏振方向变化不大和P波初动一致,虽然物理含义较为明确,但由于受到区域台网观测条件的制约,在实际应用中往往遇到不少困难。

(4)地震波形的相似性程度虽然可以反映地震错动方式的一致性程度,但不是唯一的判断地震序列类型的定量指标,其认识必须结合区域构造、介质条件以及地震活动性来进行综合判断。

3 震群序列类型判定研究的趋势

当前,小震群序列类型的判别研究似有以下发展趋势。

(1)对传统方法的震例进行深入研究。随着地震监测能力的逐步提高,小地震将被更多地记录到,用于震群类型研究的震例将会越来越多,因而,基于更多震例,利用传统的地震学预测参数或方法,结合区域构造特点,开展震群类型判定指标的震例研究仍将不失为一条值得探索的重要途径。

(2)基于孕震物理模式的震群序列类型判定方法研究。自从开展短时间尺度的地震预测研究以来,国内外先后提出多种孕震物理模式,如膨胀-流体扩散模式(DD)、雪崩不稳定裂隙形成模式(IPE)、粘滑模式、包体模式等。其中,美国学者[62-64]提出的DD模式和前苏联学者[65]提出的IPE模式受到广泛的关注,迄今仍被广泛引用。基于上述物理模式,Sobolev[66]根据裂隙应力场相互作用的原理,对孕震过程中震源区介质必然呈现明显的各向异性做了论证。可以推测,震源区是否呈现明显的各向异性,既是孕震震源区与长期潜在的大震震源区的重要区别,也是前震序列震区与一般小震群区的重要区别。在现代数字地震观测技术条件下,只要地震台网布局合理,可以检测到这种明显的各向异性,进而将其作为判断小震群序列类型的重要依据。

(3)利用S波分裂开展震群序列类型判定研究。根据已有的研究,地壳介质呈现明显的各向异性必然导致S波通过此介质时发生分裂,以及在各向异性介质里所发生的地震其震源机制具有高度的相似性。Crampin[67]对地壳介质的各向异性做了大量的研究,并把孕育大震的震源区介质呈现明显的各向异性视为地震预测的物理基础。已有研究结果表明,与大震孕育前比较,在大震孕育过程中,穿过震源区的S波分裂的延迟时间δt将增大。

(4)利用震源机制一致性开展震群序列类型判定研究。已有的许多研究都阐明,浅源地震的发生与裂隙的扩展直接相关联。如图1所示,对于单一椭圆形裂隙,其端部的应力为[68]:σ≈σ∞(1+2 x/b),其中,σ∞为外加压应力,x和b分别为裂隙的半长轴和半短轴的长度。随着裂隙的扩展,其端部应力σ增大。介质有许多裂隙,各个裂隙扩展的速率和端部应力水平彼此有别,处于有利取向的裂隙扩展加速,处于不利取向的裂隙扩展减慢,甚至停止[66]。当裂隙端部的应力σ达到介质的理论破裂强度σt=E/2π(E为杨氏模量)时,便出现动态失稳,进而导致地震破裂发生。依此,前震序列的震区,由于介质呈明显的各向异性,裂隙呈明显的优势取向排列,因此前震序列的小地震,其震源机制解应较相似。而一般小震群的震区,裂隙取向杂乱,相应地,其震源机制解也必然较混乱,故可以把小震群的震源机制解是否相似作为一种判别小震群究竟是前震序列还是一般小震群的物理含义较明确的方法。

图1 裂隙端部应力集中示意图。σ∞:外加的压应力;σ:裂隙端部应力;x:椭圆形裂隙半长轴长度;b:椭圆形裂隙半短轴长度

4 结语

近几十年来围绕小震群序列类型的判别所开展的研究取得了不少进展,各种方法在地震预测的实际应用中都显示了一定的效能,但多数方法都是统计性的,有些物理含义并不明确,依其所作的判别也存在不同程度的不确定性。因此,在目前对地震孕育过程及发生机理等方面的认识仍不是十分清晰的前提下,有必要多途径研究探索物理含义较为明确、结果更为有效的新的判别方法,尤其是借助现代数字化地震观测资料,基于一定物理模式或岩石实验结果基础上的物理方法研究将是地震预测探索的必由之路。

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The current research situation in judging the type of a small earthquake swarm and research trend in relevant issues

Cui Zijian1),Li Zhixiong1),Chen Zhangli2),Zhao Cuiping1),Zhou Lianqing1)
1)Institute of Earthquake Science,CEA,Beijing 100036,China
2)China Earthquake Administration,Beijing 100036,China

Small earthquake swarm s often occur,and discriminating a foreshock sequence from ordinary small earthquake swarm s quickly is very important both in the hazard mitigation and social stability.This article summarizes the current research situation in judging the type of small earthquake swarm,its existing problem s are analyzed.Finally,some research trends in judging the type of an earthquake swarm have been elaborated.

small earthquake swarm;type of earthquake sequence;judging method;research trend

P315;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.06.006

2010-11-22;

2011-03-07。

中国地震局行业基金专项(20070826)和科技部国际合作项目(编号:CR11-16)共同资助。

(作者电子信箱,崔子健:c_z_j@163.com)