晋冀蒙三省交界区中强地震前地震视应变演化分析

张登科，李惠玲

(1.山西大同市地震局，山西 大同 037008；2.山西省地震局，山西 太原 030021；

3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

目前，研究地壳应力应变场的方法很多，主要是利用地震学、地质学和大地测量学等不同领域资料分析获得，这些方法在一定程度上都有反映地壳应力应变场的时空分布。黄福明等[1]，对1955年以来，全国31次强震事件与其对应的地震视应变异常区的时空演化，加以对比表明，强震发生前1～5年的时间范围内，地震视应变异常区与强震事件发生区存在较好的对应关系。于 萍[2]研究了1970 年以来，湖南地区的地震视应变场的分布和时空演化特征得出，ML4以上地震的视应变与地震具有较好的对应关系，且随震级的增加呈非线性快速增大。

1 方法介绍

1.1 地震视应变的概念及计算方法

地震视应变作为震源区平均剪切应变下限的估计，反映了地震发生时弹性应变的相对释放水平，表征了震源区的应变场环境、地震视应变的空间分布，也反映了地震释放应变的水平，表征了震源区的应变场环境，即大量地震视应变的空间分布也反应地震应变场的基本性状。地震视应变的定义为：

δ=ES/M0，

(1)

式中：ES为地震波辐射能量；M0为地震矩。ES和M0可以通过地震波形的分析和反演得到。对于一个单位面积的断层面，地震视应变在一定程度上具有能量释放率的意义，地震视应变也反映了地震断层应力强度因子的大小，能量释放率越高，裂纹扩展力也越大。

1.2 地震波能量与震级关系

古登堡1945年提出了地震波能量和震级的关系：

lgES=aM+b。

(2)

不同学者根据不同的地区得出不同的a、b值。王辉等[3]根据NEIC宽频带辐射能量和中国大陆地震实际情况，拟合出了地震震级和地震波能量之间的关系：

lgES=1.53(±0.03)MS+4.04(±0.20)。

(3)

1.3 地震矩

地震矩是描述地震震源的物理量， 其中包含了许多地震震源信息， 对岩石圈中的力学性质和状态的分析，可获得最直接的信息和重要的约束作用。王辉等[3]采用最小二乘法，利用哈佛大学发表的CMT结果，拟合出适合中国大陆地区的标量地震矩M0与面波震级MS的统计关系：

logM0=A+BMS，

(4)

式中：A、B为拟合系数(见表1)。

表1 标量地震矩与中国地震目录面波震级的统计关系[3]

晋冀蒙三省交界区位于山西断陷带和河套断陷带交汇部位，隶属华北地块。华北地区的A、B值分别取12.29、0.93。

1.4 震级换算

在计算地震波能量ES和地震矩M0时，用到的是面波震级MS。文中所采用地震目录的震级为近震震级ML，所以，需要把近震震级ML换算成面波震级MS。

MS=1.13ML-1.08。

(5)

运用地震学资料，把式(5)结果代入式(3)、(4)，然后把上两个公式的计算结果代入式(1)，即可求得视应变δ。

2 资料选取

研究所用的地震资料，取自中国地震台网中心编辑的《中国台网地震目录》，震级为ML，范围为2.0～5.0。以3年为窗口、1年与0.25平方度为时空步长，研究范围选取北纬38°～42°，东经110°～116°。为便于定量研究与识别判定，每个0.25平方度内，地震视应变δ取0.3×10-7作为该地区的地震视应变异常边界值，从孕震角度考虑，若相邻2次强震发生的时间间隔较短，而且距离较近，则2次地震视应变异常区可以重叠或相连。把1970年以来，多次5级以上中强地震以4次记，相邻2次或多次中强震震级以最大震级记(见表2)。

表2 1970年至1999年晋冀蒙三省交界4次中强地震事件

3 地震视应变演化分析

3.1 内蒙古和林格尔6.3级地震

1976年4月6日，内蒙古和林格尔发生6.3级地震，震前地震视应变异常变化及演化过程如第7页图1所示。1973年至1976年，地震视应变总趋势处于递增—递减状态，1973年形成3个异常区，即和林格尔北部的呼和浩特附近，中心值为10×10-7；内蒙古清水河附近，中心值为24×10-7；山西天镇县，中心值18×10-7，异常区外包络线距震中和林格尔分别约77 km、35 km、126 km。1974年，清水河异常区消失，呼和浩特异常区略向南迁，异常区范围扩展到山西省左云、右玉地区。天镇异常区位置无变化，中心值下降到10×10-7。1975年，呼和浩特异常区向右玉县以东移动，中心值下降到4×10-7，天镇异常区继续维持。1976年，呼和浩特异常区迅速扩大，异常中心迁移到距震中约50 km的和林格尔北部，天镇视应变异常区消失。

以上表明，和林格尔6.3级地震前，高视应变异常形成在震前3年，地震发生在其中一异常区内(呼和浩特异常区)，地震视应变值处于递增—递减状态。

“大同震情窗口”(以下简称 “大同窗”)作为晋冀蒙三省交界区应力敏感区，自提出以来，一直受地震工作者的关注，并且做了许多研究工作，“大同窗”小震活动频度的变化与一定范围内中强震的对应关系，已经被许多地震学者所认同。“大同窗”异常区形成于1973年(震前3年)，1974年中心值下降，1975年继续维持，1976年异常区消失，整个演化过程中，异常区面积变化不大。

3.2 内蒙古丰镇5.8级地震

1981年8月13日，内蒙古丰镇发生了5.8级地震，地震视应变异常变化及演化过程如第8页图2所示。1977年至1981年，地震视应变总趋势处于递增—维持—发震状态，震前先后形成2个异常区，一个位于内蒙古和林格尔附近，于1977年形成，中心值为3×10-7，此异常区受1976年4月6日内蒙古和林格尔6.3级地震及1981年8月13日内蒙古丰镇5.8级地震孕育的双重影响，中心值由1976年的2.7×10-7上升到1977年的3.0×10-7，但仍维持和林格尔6.3级地震前1年的异常区面积。1978年，6.3级地震的影响消失，内蒙古和林格尔异常区逐渐减弱，并向内蒙古集宁方向迁移，1980年异常区迁移完成，异常持续到发震；另一个异常区位于山西大同市大同县，形成于1978年，中心值为18×10-7，异常区外包络线距震中内蒙古丰镇约5 km。1979年，该异常区向南北2个方向扩散，中心值降为11×10-7。1980年，异常区停止向南扩散，继续向北边的阳高天镇一带扩散，异常面积增加了近一倍，中心值无变化。1981年异常区消失后发震。

以上表明，内蒙古丰镇5.8级地震前，高视应变异常区形成在震前4年多，地震发生在大同县异常区的外包络线上。“大同窗”在此次地震前，积极参与了该地震的孕育变化，于震前3年半(1978年)形成，并于1979年至1980年向震中方向扩散，直到和震中位置连接成一体，1981年异常区消失后发震。

图1 1973年至1976年晋冀蒙三省交界区地震视应变演化

3.3 山西大同—阳高6.1级地震序列

1989年至1991年，山西大同—阳高发生了多次5级以上中强地震，发震时间间距短，震中位置相近，因此，整个地震序列的地震视应变异常区是重合的，震前晋冀蒙三省交界区地震视应变异常变化及演化过程如第9页图3、第10页图4所示。1984年至1989年，地震视应变总趋势处于增强—减弱—增强—发震状态，最早的异常区形成于1984年，中心位于河北张北与张家口交界，中心值为14×10-7。1985年，异常区面积没有变化，异常区中心值减小为7×10-7。1986年至1987年，异常区逐渐减弱，并向山西大同—阳高老震区迁移。1988年，形成2个视应变异常区，一个位于山西大同—阳高老震区，中心值为8×10-7；另一个位于河北涿鹿附近，中心值为3×10-7，异常区外包络线距震中内蒙古丰镇约90 km。1989年，河北涿鹿附近异常区面积没有变化，中心值上升为4×10-7，之后两年，视应变值下降幅度较大，此异常区很可能是受1991年大同阳高地震孕育的影响形成。1989年，震中附近的大同—阳高老震区异常区视应变值由上一年的8×10-7下降到1×10-7。1990年，大同县异常区几乎解体并随之发震，震中位于山西大同—阳高老震区异常区内。

1991年，上述2个异常区全部解体(见第10页图4)，标志着1991年大同—阳高地震序列的孕育结束，同年10月形成的浑源—灵丘一带异常区，视应变值较低，在后续的几年也没有新的发展，1992年解体，认为可能是1991年大同—阳高地震后应力的调整所致。

“大同窗”在此次地震序列前，仍是相对高视应变异常区，处于增强—减弱状态，异常区形成于震前1年，地震发生在异常区。

3.4 河北尚义6.2级、河北张北5.6级、山西大同—阳高5.6级地震

1998年至1999年，晋冀蒙三省交界区相继发生了河北尚义6.2级、河北张北5.6级、山西大同—阳高5.6级3次中强地震。1992年至1994年，晋冀蒙三省交界区没有形成异常区(图略)。相对高视应变异常区于1995年形成(见第10页图5)，位于山西朔州市山阴县附近，异常区中心值为4×10-7，1996年，异常区开始向东北方向迁移，异常区中心值几乎不变。1997年，迁移到河北涿鹿附近，异常区中心值为7×10-7。

图2 1977年至1981年晋冀蒙三省交界区地震视应变演化

1998年，继续向河北张北、尚义方向迁移，异常区中心值降为3.6×10-7，并一直持续到1999年11月1日大同—阳高5.6级地震后。

总之，1998年至1999年期间，晋冀蒙三省交界视应变高异常区同时又是震源区，异常区形成于震前3年，从1995年至1999年总的趋势分析， 地震视应变处于增强—维持—减弱—发震状态(见第10页图5、第11页图6)。

4 结论与讨论

通过以上分析，认为：

(1) 晋冀蒙三省交界地区1970年至1999年的多次中强地震前，地震视应变异常与中强地震具有较为理想的对应关系。

(2) 异常区距震中区距离与异常区形成时间无明显相关关系，异常区多形成于震前3年，最早的形成于震前5年，最晚的形成于震前1年，随着时间的推移，异常区表现出扩散或向特定方向(震源方向)迁移的特征(见第10页表3)。

图3 1984年至1989年晋冀蒙三省交界区地震视应变演化

(3) 地震主要发生在以下几个部位：视应变高异常区、视应变异常迁移区、视应变迁移的方向。

(4) 晋冀蒙三省交界区震前地震视应变演化模式有：增强—减弱—发震、增强—减弱—迁移—发震、增强—减弱—消失—增强—发震、增强—减弱—维持—发震(见第10页表3)。

(5) 每次中强地震前，“大同窗”积极参与，必是异常区，视应变演化模式有：增强—维持—消失—发震、增强—减弱—发震、增强—维持—减弱—发震(见第10页表3)。

图4 1990年至1991年晋冀蒙三省交界区地震视应变演化

图5 1995年至1996年晋冀蒙三省交界区地震视应变演化

表3 晋冀蒙三省交界区地震视应变异常特征

图6 1997年至1999年晋冀蒙三省交界区地震视应变演化

参考文献：

[1] 黄福明，易志刚.地震视应变场的演化与强震发生地区的关系[J].地震学报,2000,22(6):577-587.

[2] 于 萍.湖南地震视应变与地震的对应关系分析[J].华南地震,2001,31(1):120-125.

[3] 王 辉，张国民，江在森，等.利用多种地震学参数研究中国大陆地壳应变场[J].地震,2005,25(2):9-18.