研究中强地震前中小地震震源机制变化的一种方法①

荣代潞

（中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000）

0 前言

强震的孕育和发生过程中震源区应力场的大小和方向会有一变动过程，这种变化可以在大震前小震震源机制中得到反应，根据这一期间发生的地震的震源机制解变化的时间进程可以描述应力场释放调整的动态图象。已经有不少工作研究大震之前小震震源机制趋近主震震源机制的现象［1－5］。特别指出的是，万永革［6］用 Hauksson［7］研究得到的美国南加州详尽的小震震源机制资料，利用Kagan［8－9］的双力偶源地震震源机制空间旋转的方法研究了南加州地区两个MW＞7.0的大震——Landers和Hector Mine地震的震前小震震源机制趋于主震机制的现象。

本文在前人研究的基础上定义了一种新的参数“P轴分布集中度”，用以研究主震前小震发震应力场的动态变化，探索一种较为简单直观的分析震前小震震源机制变化的方法。

1 P轴分布集中度

选择一次中强地震前震中附近一定范围、一定时间段发生的地震构成一个地震序列。此序列共有N个地震，第一个地震编号1，到主震共有n1个地震（n1＝N）；以此类推，第i个地震为ni。

在数学中一组数据的标准差能反映这个数据集的离散程度，借用这一概念我们定义一个地震序列的震源机制的一组P轴方位角数据的标准差为“P轴分布集中度”。

首先计算标准差

式中，（Pj表示第j个地震震源机制P 轴方位角；表示第j个地震序列所有地震震源机制P轴方位角的平均值；ni表示第i个地震到主震之间的地震个数。

从选定的地震序列开始，首先计算第一个地震到主震之间所有地震的序列的δ1值；然后以一个地震为步长向主震移动，由此得到一个δi值的时间序列；然后将δi序列对其最大值归一化。定义“P轴分布集中度”

从ci的定义可以看出，ci值越小，表示P轴方位角越集中。计算示意如图1。

图1 计算P轴分布集中度 的示意图Fig.1 Sketch for calculating concentration ratio of distribution of P axis

由于主震是所有地震序列的最后一个地震，如果c值时间序列的最后一些点的值分布在最小值附近，这就表明这一时段小震震源机制P轴集中到大致与主震的震源机制的P轴一致。

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上述定义中只考虑了P轴的方位角，没有考虑P轴的仰角。另外，如果方位角大于180°，则换算成对应象限的值（θ－180°）。

2 小地震资料和两次震例

一次地震前小地震震源机制研究要求震前在这地震周围有一定数量的地震分布，而且这些地震可以求得较为可靠的震源机制解。

2.1 监测台网简介

在祁连山中东段地区，中国和法国开展地震科技合作，从1994年开始区布设数字地震监测台网，第一阶段建立了6个数字地震记录台，第二阶段调整为4个台。这4个数字记录台迄今仍在正常运行，获得了大量的中小地震数字记录资料。2005年5月甘肃省数字地震台网建成并开始运行。台站位置和记录的地震分布见图2。

图2 台站位置和记录的地震分布Fig.2 Location of stations and the distribution of earthquakes recorded

截止2012年10月记录3级以上地震140多个，2级左右地震500多个，2级以下地震近300个，大部分分布在祁连山中东段地区。而且台网记录时间跨度长，记录质量优良，是研究这一地区地震活动性、震源机制及区域应力场时间和空间变化特征的不可多得的基础资料。

2.2 震源机制反演

近年来发展了一种利用P波和S波的初动和振幅比计算中小地震的震源机制解的方法［10－11］，由于数字地震台站的发展这种方法越来越得到广泛的应用。本文中使用Snoke在2002年10月更新的程序，程序输出两个截面的走向、倾角和滑动角，然后应用万永革等［12］的方法计算P、T和B轴的走向和仰角。

2.3 两次中强地震前震源机制和发震应力场的变化特征

考虑到台网的记录时间，我们选择这一区域发生的两次地震来研究震前地震震源机制的变化。

（1）2000年6月6日景泰5.9（MS）级地震

本次地震的震中位置为北纬37.02°，东经103.91°，震源机制如图3和表1所示。图3（a）为甘肃省地震局应用P波初动符号图解断层面法，收集本省及邻近省份共25个台站P波初动符号，采用断层面解法作出的震源机制解；图3（b）为哈佛大学公布的震源机制解。

图3 2000年6月6日景泰5.9级地震震源机制解Fig.3 The focal mechanism of Jingtai MS5.9 earthquake on June 6，2000

可以看到，两个解的结果大致相同，反映出地震破裂方式为走滑型，节面Ⅱ与老虎山断裂的总体走向相一致，也与余震的空间分布和等震线长轴方向相符合。P轴方向为55°仰角18°，这表明是NE～SW向的近水平挤压应力作用导致地震的发生。据此确定，老虎山断裂是景泰5.9级地震的孕震和发震构造，震源机制解的节面Ⅱ为发震断层面 。震中附近（以震中为中心1°×1°范围）地震分 布，见图4。

图4 景泰地震前（1997－01－01－2000－06－06）震中附近2级以上地震分布Fig.4 The earthquake distribution（M≥2.0）around the epicenter before the Jingtai earthquake（Jan.1，1997to Jun.6，2000）

表1 景泰5.9级地震的震源机制解Table 1 The focal mechanism of Jingtai MS5.9earthquake

用前述方法对这些地震进行震源机制反演，得到1997年1月1日至景泰5.9级地震发生前震源附近地区2级地震震源机制解，其P轴分布和玫瑰图如图5。

图5 P轴分布和玫瑰图Fig.5 Distribution of P axis and the rose diagram

利用（1）式得到从1997年开始至主震（2000年6月6日）的P轴分布集中度c的变化如图6。

可以看出，从1998年底开始，主震周围一定范围内2级以上地震的震源机制P轴方位角有集中的表现，到1999年底，这种集中表现得更加明显，大致与主震震源机制中的P轴一致。

图6 景泰5.9级地震前P轴方位角集中度c的变化Fig.6 The variation of concentration ratio of distribution of P axis before Jingtai earthquake

（2）2008年3月30日肃南5.1级（MS）地震

本次地震发生在祁连山地震带东段，1927年古浪8.0级地震的极震区（震中位置北纬37.88°，东经101.90°）。震源机制（表2、图7）显示该地震为走滑型地震。序列为主震—余震型地震序列。震前曾有前震活动，但是发生在古浪地震窗口中而难以区分。宏观震中位置位于甘肃省肃南县皇城镇一带，极震区烈度为Ⅵ度，极震区为长轴东西向的椭圆形。地震震中位于历史特大地震的极震区，造成本次地震的发震构造不清晰［13］。

表2 2008年3月30日肃南MS5.1地震的震源机制Table 2 The focal mechanism of Sunan MS5.1earthquake on March 30，2008

图7 肃南5.1级地震的震源机制Fig.7 The seismic source mechanisms of Sunan MS5.1earthquake

本次地震震中距离中法台网较远，震前数年这一地区的地震活动中震级较大者被中法台网中少数台站记录到。我们选取震级大于等于3的地震，利用中法台网和附近的甘肃数字台网的记录来反演这些地震的震源机制。下面给出地震前（2003－01－01－2008－03－30）震中附近（以震中为中心1°×1°范围）3级以上地震分布（图8）和震源机制解中P轴分布（图9），P轴方位角集中度 的变化（图10）。

图8 地震前（2003－01－01－2008－03－30）震中附近（以震中为中心1°×1°范围）3级以上地震分布Fig.8 Earthquake distribution（M≥3.0）around the epicenter before Sunan earthquake（Jan.1，2003to March 6，2000）in 1°×1°centered the epicenter

从图10可以看出，2006年中开始P轴开始有集中的表现，随后有一定程度的发散，但是到2007年底P轴分布进一步集中直到主震发生，与主震的震源机制大致一致。

3 结论和讨论

图9 P轴分布和玫瑰图Fig.9 Distribution of P axis and the rose diagram

本文定义了“P轴分布集中度”研究中强地震前中小地震震源机制变化，这个参数较之P轴的玫瑰分布图更能显示P轴方向在地震孕育过程的动态变化。利用祁连山中东段地区布设的中法微震数字监测台网多年的监测资料和甘肃数字监测台网的资料，使用初动和振幅比联合反演方法研究了两次中等地震前中小地震震源机制和发震应力场的变化。结果表明，两次中等地震前的中小地震震源机制解在震前1～2年中显示P轴开始集中，在震前集中到大约与主震震源机制一致。

从两次中等地震前震源机制研究的结果看，2000年6月6日景泰5.9级地震前P轴方位角的集中单调地变化；而2008年3月3日肃南5.1级地震前P轴方位角从2006年初开始表现集中，但是在2007年初集中度减小，到2007年底又开始更大程度的集中，直到主震发生。其原因可能是景泰5.9级地震的发震断层构造比较单一，而肃南5.1级地震震中区域断层构造复杂，因而在区域构造应力集中的过程中会发生局部的调整，然后区域应力场进一步增强，使中小地震的震源机制逐渐趋于一致。

图10 肃南5.1级地震前P轴方位角集中度c的变化Fig.10 The variation of concentration ratio of distribution of P axis before Sunan earthquake

应当指出，本文定义的“P轴分布集中度”只考虑了P轴方位角，因此此方法主要针对发震应力场P轴倾角较小的地震，即走滑型为主的地震。

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