科氏力余震效应在地震救援中的意义＊

郭增建 郭安宁 张炜超 张 津

（中国地震局兰州地震研究所，兰州730000）

（作者电子信箱，郭安宁：598331858＠qq.com）

大震后的救援是极为重要的，但此时要做好最强余震的预测。对此，我们1992年提出的科里奥利力余震效应法（以下简称科氏力余震效应）是回答这个预测问题的方法之一［1］。该方法的主要内容是：如果主震发生时，震源断层两盘所产生的科氏力使震源断层的两盘互相挤压，并使主震释放能量不易彻底，故最大余震震级大，它与主震的震级之差ΔM 小于或等于1 级（即ΔM≤1）；如果主震发生时，震源断层两盘所产生的科氏力使断层两盘互相拉离，并使主震释放能量较彻底，故最大余震震级小，它与主震震级之差大于或等于1级（即ΔM≥1）。互相挤压和互相拉离是指在断层面法线上的作用。用上述这个科氏力效应检验中国境内和邻近地区的7级和7级以上地震的震源机制类型和其相应的最强余震，发现符合率达80%以上［2］，后来吕坚等［3］指出，若把主震震级提高，则符合率达90%以上。以上是1992年—2006年的研究结果。2008 年汶川大震的最强余震，我们和吕坚皆分别预测为6.5级，结果实际为6.4级。2009年9月盛书中等［4］对全世界1976—2008年92个7.5级以上地震的科氏力余震效应做了检验和讨论，其统计结果不支持我们提出的科氏力余震效应。

2010年，蒋海昆［5］在回顾2008年汶川8级地震余震判定过程的文章中指出：“尽管一些方法对汶川强余震的判定与实际较为吻合，但其理论及方法存在较大争议，例如在序列类型判定及最大强余震震级估计中均有涉及的科里奥利力方法，近期盛书中等［4］的研究结果却认为地震断层错动过程中虽然产生了使断层两盘拉离（或挤压）的科氏力法向应力，它降低（或增加）了断层错动时断层面上的阻力，但其应力值非常小，不足以对断层错动及主震能量释放产生影响，从而影响余震最大震级和总体水平，它们的结果不支持此前郭增建的观点。但无论如何，对这一类存在争议的理论及方法，不妨在实际应用中进一步检验及完善。”蒋海昆的这个评论是客观的。本文将对我们和盛书中等［4］所得结果不相符的原因进行讨论，并用2011年我国邻区发生的7级以上大地震做些检验性讨论。

1 统计样本的讨论

2009年12月我们对盛书中等［4］的文章做了简略评论[6]，指出其在统计样本中有缺陷，现作较详细地讨论。他们的缺陷在于把赤道两侧15°纬度范围内的7.5级以上地震以及阿留申岛弧中的7.5级以上大震也都一起统计在全球大震的科氏力余震效应检验中。这两个地带，前者科氏力在断层面上的法向分量对某些类型大震甚小或为零，这与纬度减小有关①此类型是指赤道和其两侧15°纬度范围内全部走滑型震源。至于倾滑型震源其走向近东西的科氏力法向分量亦甚小或为零。，它起不到我们所说的科氏力余震效应；后者科氏力在断层面上的法向分量（挤压或拉离）也甚小或为零，这是该岛弧带震源断层面走向近东西与经线垂直或近于垂直的逆断层错动特征所决定的，也起不到我们所说的科氏力余震效应。上述两个地带中7.5级以上大震数目几乎接近全球同类震级地震数目的一半（图1，这是盛书中等［4］文章取样的原图）。图中赤道两侧各15°纬度范围内和阿留申群岛两侧的平行线是我们加的。这个近乎一半的大地震，其最强余震与科氏力效应本来关系就不大或无关，它们的余震大小是什么原因决定的现在还不知道。但盛书中等［4］也把它们与全球其他大震一块进行科氏力余震效应检验统计。这样的统计不能针对争议的问题。我们认为应把上述两个地带中起不到科氏力余震效应的样本去掉来做检验。因为我们和有关学者已往所处理的大震都是中国和邻近地区的大震。它们都在20°～50°纬度范围内。以上是我们在文献［6］中指出文献［4］在统计样本上的缺陷。对此缺陷也可争辩说在全球统计结果中去掉其中一半地震数目不会对结果产生影响。我们认为这未必如此，只有去掉后才能知道。

我们之所以这样认为，是因为大震时震源断层传播最后必须停止，而且断层错动的幅度要在停止区有所容纳。这个止裂和容纳的条件（过去我们称让位条件）在大震前就已形成或部分形成，它是发震时震源断层面扩展的边界条件。科氏力是在大震发生时才产生的。

震前形成的容纳条件越充分，主震释放能量就越彻底，因而余震小。如果容纳条件不充分，则主震释放能量不易彻底，因而余震较大。主震发生时科氏力对断层错动的顺利程度（或受阻程度）有影响，因而对断层错动幅度进入容纳区的程度就会有影响，容纳程度越多，主震释放能量就越多，因而余震小；反之则大。这就是主震时科氏力对震前条件所决定的余震大小的修正作用。但地球赤道两侧15°纬度范围内很多地震其科氏力在断层面法线上的分量甚小或为零。这样余震大小不受科氏力影响或影响甚微，而是由震前的止裂和容纳条件决定的。如用不同震源机制参数的主震所相应的不同科氏力效应（拉离或挤压）去检验它们的余震大小，就会有的符合有的不符合。例如，同样震级的右旋走滑型震源和左旋走滑型震源，其止裂和容纳条件相同，则余震大小就相同。但右旋时（在北半球）科氏力使震源断层两盘相互挤压，左旋时科氏力使两盘相互拉离，用这种挤压和拉离效应去检验上述无科氏力作用的震源余震大小就会得出有的符合有的不符合的结果。对科氏力在震源断层面上法向分量甚小或为零的阿留申岛弧上的大震，其情况与上面讨论的相似。

以上就是我们建议把赤道两侧15°纬度范围内和阿留申岛弧上的大震去掉做科氏力余震效应统计的原因。

科氏力对震源断层，特别是对断层边界处的修正作用有以下4种情况。

（1）让位不充分的主震震源，本来最大余震震级就大，在“挤压型”科氏力的作用下，余震震级还要增加，最后最大余震震级比“平均最大余震震级”大（比主震小一级）。

图1 主震分布图（黑色线段表示所选地震的断层面及其走向）

（2）让位充分的主震震源，本来最大余震震级就小，在“挤压型”科氏力的作用下，余震震级要增加，最后最大余震震级向“平均最大余震震级”趋近。

（3）让位不充分的主震震源，本来最大余震震级就大，在“拉离型”科氏力的作用下，余震震级要减小，最后最大余震震级向“平均最大余震震级”趋近。

（4）让位充分的主震震源，本来最大余震震级就小，在“拉离型”科氏力的作用下，最大余震震级还要减小，最后最大余震震级比“平均最大余震震级”小。

归纳以上情况得到：在挤压型科氏力作用下，最大余震震级小于或等于主震震级1级，即△M≤1；在拉离型科氏力作用下，最大余震震级大于或等于主震震级1 级，即△M≥1。有科氏力作用地区的震源和无科氏力作用地区的震源，其震源机制参数可以相同，但不能将前者的科氏力余震效应标准用于后者。

在应用科氏力效应预测最强余震时，首先要知道主震的震源断层走向、倾向、倾角和上盘错动方向（地轴方向与震源所在处的纬度有关）。在国外，用滑动角来表示上盘错动方向。我们过去统计科氏力效应时用的是我国境内和邻近地区陆地上的大震，这些大主震的震源断层是由地震地质、宏观考察、余震分布和地震波断层面解配合得出的。而对全球大震求震源断层面参数和错动方向时，许多大震在海洋中，因而盛书中等［4］就用全球台网按地震波所求两个震源断层面和错动角中作选择，即初始破裂点与最大错动幅度（矩心）处在那个解中就选择该解为真正的震源断层。这样做是有道理的，我们并不反对。但相对来说，上述陆地上的大震其震源断层参数更可靠一些。

2009年我们在对盛书中等［4］关于科氏力效应文章的评论中［6］认为，科氏力余震效应可能有地区性。我们研究了美国、日本、土耳其这些地域陆地上大震的科氏力余震效应，发现该效应是优势存在的，与在中国境内所得结果相近。这些支持我们对中国境内的统计结果，并可在较大程度上用于最强余震的预测。盛书中等［4］在文章中曾用了中国4个大震（图1），即1976年唐山大震，1999年台湾集集大震，2001 年昆仑山口西大震和2008年汶川大震。这4 个大震震源断层参数是很可靠的，我们研究的结果是，它们的最强余震皆符合科氏力余震效应的预期。而盛书中等［4］在文中未指明这4次大震不符合科氏力余震效应的具体结果。

盛书中等［4］用的是全球1976—2008 年间的7.5 级以上大震作科氏力余震效应检验。我们用的是中国及邻近地区7级以上大震研究科氏力余震效应。是否可用全球的统计结果来否定中国的统计结果这一点不能肯定，何况在全球统计中还有赤道两侧和阿留申群岛许多大震在影响着这个全球统计。

2 对统计结果的讨论

盛书中等［4］对全球1976—2008年92个M≥7.5地震做了科氏力余震效应检验。他们做了两种统计。一种是把断层面上法向应力为“拉离”的主震与其最大余震震级之差ΔM 与断层面上法向应力为“挤压”的主震与最大余震震级之差ΔM 作比较，看是否“拉离”的主震的ΔM 比“挤压”的主震的ΔM 大。如果大，则证明存在科氏力余震效应，如果大的不明显或相反，则认为无科氏力余震效应。另一种统计是把断层面上法向应力为“拉离”的主震的矩震级，与余震总合折合矩震级求得其差为ΔMW，再把断层面上法向应力为“挤压”的主震情况也作类似计算求得ΔMW，进而把上述“拉离”情况和“挤压”情况的ΔMW做比较，看是否“拉离”的主震的ΔMW比“挤压”的主震的ΔMW大，如果大，则认为科氏力余震效应是存在的，如果大的不明显或相反，则认为科氏力余震效应不存在。他们按此所作的两种统计所得到的结果是类似的。下面仅列举前一种统计结果来讨论，如图2，3，4所示。这些都是他们文章中的原图。其中的纵横点线是我们加的。横点线是由纵坐标的1.0引出的。在它之上代表ΔM≥1，在它之下代表ΔM≤1。纵点线是由横坐标的0处引出的。它的左侧代表科氏力使断层两盘互相挤压的地震，右侧代表科氏力使断层两盘互相拉离的地震。原图中的实线是一元线性回归法所作的拟合曲线，虚线是一倍标准偏差范围。在图2中竖点线左侧为科氏力法向分量为挤压情况的地震（规定挤压应力为负），右侧为科氏力法向分量为拉离情况的地震。图2的纵坐标为主震与最大余震的震级差ΔM。ΔM＝1.0 的点是挤压和拉离的共用点。由1.0处引出的横点线可以看出，挤压情况的两个样本在此横点线之上，即ΔM＞1不符合科氏力余震效应，它们本该在横点线之下（ΔM＜1）才符合科氏力余震效应。而拉离情况的5个样本全在ΔM≥1范围内，全符合科氏力余震效应。这样综合考虑，符合率达70%。但盛书中等［4］用线性回归方法在图2作了一条实线，它是由挤压区向拉离区下斜的，于是他们认为与我们的科氏力余震效应相反。他们也曾指出，走滑型震源的地震虽略有符合科氏力余震效应的趋势（图3），但没有实际意义。我们认为，前述在统计样本中的缺陷与此可能有关。

图2 正断层型地震科氏力法向应力大小与余震震级的关系

图3 走滑型地震主震与最大余震震级之差ΔM 与科氏力法向应力大小的关系

图4 主震和最大余震震级之差ΔM 与科氏力法向应力大小的关系

有意义的是，图4中的逆冲型地震明显符合科氏力余震效应的趋势。即回归直线是由挤压区向拉离区仰斜的。但盛书中等［4］认为：地下的应力状态是挤压性的，科氏力的作用改变不了地下的压性状态（断层面科氏力为正或负仅是减小或增大了压应力），所以对于逆冲型地震，当科氏力大于0或小于0时，其与余震间似乎存在较强的规律，但并没有将此分开进行研究。对于这段论述，我们有以下的看法。他们在92 个M ≥7.5地震的样本中，逆冲型地震所占的数目比正断层型和走滑型地震数目的总和还多，而正是这个逆冲型所得出的符合科氏力效应的趋势却被似乎用“改变不了地下的压性状态”否定了。其实根据摩擦定律，断层面上的摩擦力与法向压力有关，当法向压力值有变化时，摩擦力值相应有变化，并不改变压性状态。科氏力效应适合这种情况，可不改变压性状态。因而不能否定科氏力。而且在图4的右半部拉离样本中，正好科氏力法向分量属于拉离的地震符合科氏力效应的样本比较多，符合率约达85%，在图4 左半部挤压区，由纵轴1.0处引横向点线，线下方的样本归为符合科氏力余震效应的样本，线上方的属不符合的样本。这样挤压和拉离区总体符合科氏力余震效应的也在65%以上。这正说明了盛书中等［4］提出的“改变不了地下压性状态”不足以否定科氏力余震效应。在92个样本中，正断层样本只有7个，符合科氏力余震效应的有5个，两个不符合，但因不符合的这两个ΔM 值较大，作线性回归直线时这两个地震像翘翘板一样把直线翘高了。于是成了不符合科氏力余震效应的相反证据。这种证据说服力不够。因为争议的问题是，按ΔM≥1和ΔM≤1的标准去计算符合科氏力余震效应的主震的个数，即统计其占主震总数的比例，而不是争议ΔM 的绝对值。至于说走滑断层符合科氏力余震效应的趋势因为比较弱，此点我们暂不做讨论。我们认为，把赤道两侧和阿留申群岛样本去掉后讨论可能更具有争论的针对性。

总之，即使按盛书中等［4］的原图（在未取掉赤道两侧和阿留申群岛地震样本的情况下），正断层型地震符合科氏力效应的样本占70%（包括ΔM＝1）。逆断层型地震符合科氏力余震效应的样本占到65%以上。只有走滑断层型地震科氏力效应不明显。这怎么能得出未观测到科氏力余震效应存在的结论呢？只能说符合的比例不如郭安宁和陈家超［2］及吕坚等［3］所统计的比例高而已。

3 分析方法上的讨论

在理论上，盛书中等［4］与我们没有分歧，都是科氏力原理。在方法上，他们用的是公式计算法，我们用的是几何求解法。这都是可以的，但有些不同点需要说明。

盛书中等［4］认为，郭增建和吴瑾冰［7］对国内一些地震的科氏力未投影到断层面法线方向上，进而认为这是他们全球统计结果与我们对中国和邻近地区的研究结果不符的原因。我们不同意这个论断。我们的观点正如文献［7］所指出的：“由于走滑断层在中国比较多见，它是沿水平方向错动的，于是问题变得很简单，即科氏力方向为断层盘前进方向向右伸出的水平垂直方向（适于北半球）。”对此已是把科氏力投影到断层面的法线方向上了。按此，右旋走滑科氏力使断层两盘互相挤压，左旋走滑科氏力使断层两盘互相拉离。至于说实际的地震可能其断层面不完全直立，有不大的倾斜，例如，倾角80°，70°，60°等。把断层面直立走滑的科氏力投影到这些倾斜的断层面法线上，仍依次分别有0.98倍，0.94倍和0.5倍的科氏力分量。因而只要是走滑错动，我们就不管断层面的倾角，而把其按断层面直立走滑处理。这种处理，所得断层两盘是“互相挤压”还是“互相拉离”这一点是不会错的。

对于走滑占优势倾滑分量不大的情况，求科氏力在断层面法线上的分量比较复杂一些。但有两点是肯定的，一点是其法向分量虽比纯走滑的法向分量小一些，但不会小很多。另一点是断层两盘是互相挤压还是互相拉离与纯走滑情况相同，即右旋走滑断层促使科氏力使断层两盘互相挤压，左旋走滑促使科氏力使断层两盘互相拉离。以上两点对走滑占优势倾向分量不大的大地震，我们按纯走滑来速判其最大余震震级属ΔM≥1或ΔM≤1这种精度是可以的。

对于倾滑断层，我们在文献［7］中给出了一个直观判断的准则，就是“从原则上讲，逆断层或逆掩断层上盘错动方向在通过震源的子午面左侧者（向北看），则科氏力效应使断层两盘互相挤压，余震强度就大（ΔM≤1.0）。逆断层或逆掩断层上盘错动方向在通过震源的子午面右侧者，则科氏力效应使断层两盘互相拉离，余震强度就小（ΔM ≥1.0）。”这个准则在大震后最强余震速判上是可快速决定的。以上准则实际上已按科氏力原理把科氏力投影到断层面法线方向上了，“互相挤压”和“互相拉离”就是投影到断层面法线上的体现。这个速判准则在决定“挤压”和“拉离”的性质上是不会错的。震源断层走向愈接近南北方向，则科氏力投影到断层面法线方向上的分量越大，在断层面走向与南北方向垂直时，科氏力在法线方向上的分量为零。

对于断层错动以倾滑占优势以走滑次之的地震，我们就用上述判断准则来速判其断层两盘是互相挤压还是互相拉离，从而判断其最大余震震级属于ΔM ≤1（互相挤压），还是ΔM≥1（互相拉离）。

如果断层错动的走滑分量和倾滑分量相差不多，我们就分别用上述走滑准则和倾滑准则各自去判断其ΔM，最后综合判断整个断层错动的ΔM。

根据以上所述，盛书中等［4］认为他们所得到的结果之所以不符合我们的结果，是因为我们把震源地方的科氏力未投影到震源断层面法线方向上，这个论断是不符合实际情况的。我们认为，盛书中等［4］用公式计算法可求出“挤压”或“拉离”的应力量值，这是其可取的地方。但它与我们按几何分析法所得出的“挤压”和“拉离”这种应力状态应是一致的，因而不会在科氏力余震效应上有本质差别。之所以两者不相符，我们认为不是盛书中等［4］所提出的原因。我们认为不符合的原因，可能是科氏力余震效应有地区性。另一个原因可能是盛书中等［4］把赤道两侧和阿留申群岛地震都统计在全球地震中造成的。

我们过去建议的求科氏力方向以及“挤压”和“拉离”应力量值的方法是吴氏网法，但在工作中我们不常用。因为我们用直观的几何分析法已经可以满足对科氏力余震效应的迅速判断。如果盛书中等［4］在他们的论文中把中国的4次大震的科氏力效应检验结果具体写出来，那就可找出“不符合”的原因。但盛书中等［4］未在文章中写出这4次大震的检验结果，而是把其混合在全球大震的检验结果中，因而不好和我们所得到的这4次大震的科氏力余震效应结果作对比。从而使两者“不符合”成为悬案。

4 观点上的讨论

盛书中等［4］在结论中指出：“我们未观测到断层错动产生的科氏力对余震活动强度产生的影响。”他们认为科氏力的量值太小，至多相当于一个大气压，我们估计也是如此或稍小一些，并且他认为这个量值大小，不足以对断层面的错动产生影响，从而没有科氏力余震效应。而我们认为［8］：“因为断层错动时，阻止它们的摩擦力始终存在，这是基本的，而科氏力是在动摩擦力的基础上起作用的。单纯的科氏力不足以和错动力相较量。”另外，在文献［6］中我们也指出，“摩擦力随时都在企图阻止断层错动。此时如断层两盘运动产生的科氏力使断层两盘互相挤压或互相拉离，这样的话可以影响主震释放能量的大小，因而科氏力的余震效应是存在的，在我国大陆就是如此。”这就是我们的观点。还有学者在评价科氏力余震效应时，认为科氏力怎能与板块错动的力相比呢，因而用此观点否定科氏力余震效应的研究。我们认为，他们忽视了摩擦力也是板块的一种力。

应当指出，我们提出的科氏力挤压效应和科氏力拉离效应都共同包括ΔM ＝1，即余震比主震震级小1级这种情况。但这在紧急救援中对防震减灾仍是有意义的，即对挤压效应的情况要提防的最大余震震级比主震震级小不到1级，至少要防ΔM＝1；对拉离效应的情况要提防的最大余震震级比主震震级要小1级以上，余震震级最高为ΔM＝1。例如，2010年青海玉树大震，按陈培善修定的主震震级为7.4级，最大余震震级为6.4级［9］，ΔM＝1，这正好对应于玉树大震为左旋走滑，科氏力为拉离效应的最高余震。郭安宁等[10]讨论过玉树大震在震前的中期预测。

附带指出，左旋走滑的地震，因科氏力使断层两盘互相拉离，所以有可能使断层长度过分长，例如2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震在地表形成的断层特别长就是这样的。这里仅指板内地震。当然这只是断层特别长的一个因素。

5 进一步的检验

现在让我们回到蒋海昆的评论上来，他指出［5］：“但无论如何，对这一类存在争议的理论及方法，不妨在实际应用中进一步检验及完善。”这个评论是客观的。那我们就从2011年开始检验吧。2011年国内无7级和7级以上地震。在邻区3 月24 日我国云南边境外侧缅甸发生了7.2级地震（云南强烈有感），震中位置为20.8°N，99.8°E。它发生在由云南勐伦到缅甸孟东的东北西南向左旋走滑断层上［11］。这是检验我国大陆和邻区7级以上大震的一个震例。该震震源机制为典型的左旋走滑，其科氏力效应是使断层两盘有拉离效应，故最强余震属ΔM≥1，即不会超过6.2级。截止目前，最强余震还未超过6级。2011年3月11日日本9.0级地震，它在深海沟，震源断层是太平洋板块向日本岛弧一侧板块下面斜向俯冲，即上盘是仰冲，断层走向为北北东。像这种震源机制，可按郭增建和吴谨冰［7］所提出的判断倾滑断层科氏力余震效应的原则去速判，即它的上盘错动方向是在过源子午面的右侧，即在向北方向的右侧，故其科氏力效应使断层两盘有拉离效应（属ΔM≥1），故该大震后我们即向有关方面预测最强余震不会大于8级。截至目前已过半年，最大余震为7.7级［12］。

［1］郭增建，秦保燕，李革平.未来灾害学.北京：地震出版社，1992

［2］郭安宁，陈家超.科里奥利力效应及对强余震预报方法的研究（一）（二）（三）.高原地震，1998，10（2）：26－34；10（3）：23－29；10（4）：28－34

［3］吕坚，高建华，刘吉夫，等.有关科里奥利力效应与昆仑山口西8.1级地震余震活动趋势的讨论.地震学报，2003，25（4）：432－440

［4］盛书中，万永革，田力.科里奥利力对断层作用的统计研究.中国地震，2009，25（3）：256－264

［5］蒋海昆.5·12汶川8.0级地震序列震后早期趋势判定及有关问题讨论.地球物理学进展，2010，25（5）：1528－1538

［6］郭增建，郭安宁.关于用科氏力预测最大余震问题的讨论.中国地震，2009，25（4）：432－435

［7］郭增建，吴瑾冰.断层旋性与地震危险性.地学前缘，2001，8（2）：247－252

［8］郭增建，韩延本，吴瑾冰.1997年11月8日藏北玛尼7.5级大震的预报问题.自然灾害学报，2002，11（3）：21－26

［9］陈培善.全球大震和中国及邻区中强震地震活动（2010年3－4月）.地震学报，2010，32（4）：504－506

［10］郭安宁，郭增建，焦姣，等.青海玉树7.1级大震的预测讨论.西北地震学报，2012，34（1）：39－43

［11］常祖峰，安晓文，陈刚，等.2011年3月24日缅甸孟帕亚M7.2级地震地质构造浅析.国际地震动态，2011（4）：52－56

［12］代光辉，陈晓辉，侯建民.日本9级地震强余震活动统计.国际地震动态，2011（7）：8－9