构造状态对地震大小分布的影响：意大利典型例子研究

L.Gulia S.Wiemer

引言

过去的40年中，许多研究试图阐明物理特性与地震相对震级大小分布的关系。相对震级大小分布通常用古登堡—里克特定律（logN＝a－bM）中的b值来表征，式中N是累计地震发生次数，M为震级，a和b为常数，分别描述地震的活动水平和相对震级大小的分布。对b值的研究在尺度上从实验室 岩 石 标 本 （Scholz，1968；Amitrano，2003）到对各种不同构造状态的观测（如Wiemer and Wyss，2002）。许多作者指出了b值与构造状态之间的相关性，并且他们的最终结果也都广泛一致：由于幂次率的尺度不变性，最早由Scholz（1968）提出的b值与应力差呈负相关是普适的，因此可以认为b值是地壳的间接 “应力计”（Schorlemmer and Wiemer，2005；Wiemer and Schorlemmer，2007）。

Schorlemmer等（2005）通过将地震按震源机制分组的方法研究了断裂类型与b值的关系。他们将b值作为区域和全球地震目录中地震滑动角的函数。所有的数据集都表明b值对震源机制有相同的依赖性：正断型地震的b值最高（～1.1；b正断），走滑型次之（～0.9；b走滑），逆断型最小（～0.7；b逆断）。作者提出b逆断＜b走滑＜b正断这一普适性结果的原因是对于一个给定的垂直应力σv，差应力服从σ逆断＞σ走滑＞σ逆断的关系。上述结果是Schorlemmer等（2005）得到的，从概念的观点来看是重要的，然而它并没有直接运用到地震危险性分析中，因为该方法只是通过震源机制将地震分类，没有考虑灾害区划所需要的地震空间分布。

b值与应力差呈反比以及Schorlemmer等（2005）的结果是，具有不同断裂类型主导的构造区域应该显著地表现出不同的b值。本文利用意大利半岛的地震数据首次评估了这一假设，该地区复杂的地质情况反映在应力场的剧烈变化和明显不同的断裂状态上。张性、压性和走滑状态在该地区同时存在。研究区还满足另外两个关键的要求：（1）过去20年中对区域微震活动的监测足够好，可以细致地绘制b值图像；（2）存在丰富的震源机制目录，可以进行详细的地震构造分区。

图1 （a）带有推断性的区域应力场方向的意大利综合构造模型；（b）意大利1981～2009年的地震活动；（c）不同目录的震源机制（见正文）；（d）震源深度小于35km的地震在规则1°网格上的矩张量和（由G.Vannucci精心制作）

鉴于b值是概率地震危险性评价（PSHA）中的关键参数，将它与区域的断裂类型联系起来对未来区域地震危险性研究有重大意义。当前状况的概率地震危险性评价是，b值未用作区划目的（如Coppersmith et al，2009；Wiemer et al，2009；Meletti et al，2008），它们是按区域分配或计算的，而用于b值确定的区域大体上是基于专家的判断划定的。

1 构造背景

现今阿尔卑斯—地中海地区总的地球动力学环境（如Bigi et al，1989）是非洲板块和欧亚大陆NNW—SSE向汇聚的结果。该地区活跃着不同的地球动力学过程：俯冲、大陆碰撞、裂谷作用、板片回卷和弧后扩张。意大利的现代构造主要受第勒尼安海盆的扩张和阿尔卑斯山、亚平宁山脉的形成的控制（图1a）。欧亚板块、非洲板块和阿德里安板块都参与到这些进程中，阿尔卑斯山和亚平宁山脉勾勒出它们的边界。

1.1 意大利阿尔卑斯山

阿尔卑斯山地区越向西地震的震级越低，可利用的震源机制数量少：现阶段地震活动主要集中在东南部（Vannucci et al，2004），压性和走滑型地震占主导地位（图1c）。在东阿尔卑斯，由于亚德里亚板块向北推挤，压性活动占主导，而在西阿尔卑斯山，相同的构造机制却导致应力轴旋转（Montone et al，2004）。沿该山脉的外部前缘，应力方向与高山弧的形状非常相似，伴有逆冲和走滑型地震发生。

1.2 亚平宁山脉

第勒尼安俯冲带包含两个主要岛弧，即北亚平宁山脉和卡拉布里亚岛弧，而两者之间为一复杂区域（南亚平宁）。在北亚平宁山脉，有两个根据震源机制（Vannucci et al，2004）和Shmin方向（Montone et al，2004）以及GPS数据（Serpelloni et al，2005）确定的相邻的压缩区（外部：活跃的俯冲带前缘）和拉张区域（内带：方向近似垂直于山脉链轴）。两者同时存在与挤压带的前缘向东迁移是一致的。亚平宁山脉北部和南部之间的过渡以应力方向上的急剧变化为特征，表明了两个弧构造应力场的不同（Montone et al，2004）（图1a）。地震数据证实这两个区域是分开的，特别是地壳下深达90km的地震只在北部弧发生（Selvaggi and Amato，1992）。Di Stefano等（2009）在确定亚得里亚海板块的范围时，在亚平宁中部和南部发现两个板块窗。卡拉布里亚弧主要受活跃的伸展变形支配，在山前凹陷转变为走滑机制，在前陆转变为俯冲机制。北南方向的挤压构造在西西里（海布里盆地前陆）的西北部很活跃，而其东南部则由走滑构造机制控制。

1.3 亚德里亚板块

对该板块中部出现压性震源机制可有不同的假设。D'Agostino等（2008）提出在两个具有不同旋转运动的微板块（北亚德里亚板块和南亚德里亚板块）之间有一分离区。两个旋转轴是固定的：一个在板块的西部（逆时针旋转），一个在亚德里亚海中部（顺时针旋转）。这导致两个微板块之间存在明显的走滑兼挤压分量的构造机制。

2 数据

我们合并了 《意大利地震目录》（C.S.I.）（Castello et al，2006）中1981～2002年和 《意大利地震报告》（http：／／bollettinosismico.rm.ingv.it／）中2003年1月至2009年2月的数据，然后加入从意大利地震仪器和参数数据库（ISIDe，http：／／iside.rm.ingv.it／iside／standard／index.jsp）中得到的自2009年3月1日到2009年5月31日的地震，得到的地震目录作为b值估计的输入数据。本文将所有震级统一成里氏震级 ML（Gasperini，2002），使用标准的Reasenberg（1985）参数将地震目录去丛集，基于绘制昼夜地震事件比例的方法（Gulia，2010；Wiemer and Baer，2000）删 除 了6 719次可能的采石场爆炸事件。本文只考虑震源深度在35km以内的地震，最终的地震目录包含43 713次地震（图1b）。对于地震的矩张量求和，可利用的资源包括：（1）矩心矩张量（CMT）和欧洲地中海区域矩心矩张量（RCMT；Pondrelli et al，2002，2004，2006，2007）；（2）国家地震信息中心（NEIC）数据（http：／／neic.usgs.gov／neis／sopar／）；（3）苏黎世联邦理工大学（ETHZ）数据（Braunmiller et al，2002）；（4）全球矩心矩张量（Dziewonski，1981）。

如果一个地震事件有一个以上可用的震源机制解，则使用由Vannucci和Gasperini（2003）确定的判据选定的优选解。对基于独立初动的震源机制目录，我们使用升级版的地中海地区地震机制数据集（EMMA；Vannucci and Gasperini，2003，2004）。

另外，为了确定意大利的活动构造状态，我们选择、比较和合并了多个数据集的信息（图1a～1d），包括（1）意大利活动应力图（Montone et al，2004）的应力数据；（2）由GPS数据得到的大地应变测量结果（D'Agostino et al，2008；Serpelloni et al，2005）；（3）意大利构造模型中的构造单元（Bigi et al，1989）；（4）地震应力反演数据（Frepoli and Amato，2000）；（5）可能发生5.5级以上地震的孕震源 ［DISS3.0（Basili et al，2008）］；（6）地壳P波速度层析成像模型（DiStefano et al，2009；Lucente and Speranza，2001）。

3 方法和地震构造分区

下面我们得出一个新的意大利地震构造分区模型。我们不能使用最近的意大利地震构造分区模型（ZS9。见 Meletti et al，2008），因为：（1）它有36个分区，每个分区面积太小，不能稳健可靠地确定断层作用特定的b值和断层作用的类型；（2）其主要的指导原则是基于捕捉过去的地震活动，尤其是所有MW≥5.0的地震。在我们的模型中，为了表征意大利境内平均的运动学特征，我们对1°×1°的规则网格应用了矩张量求和技术（Kostrov，1974），并使用了震源深度小于35km的地震（图1d）。所得结果与地质和大地测量的观测结果一致。基于单独的和综合的震源机制以及上述其他有关数据，我们一共确定了10个大尺度的构造区（图2a）：包括1个正断型区域（NR01），5个逆断区（RV01－05），2个走滑区（SS01－02）和2个走滑兼正断的区域（SN01－02）。对每个分区，我们分别利用基于初动和全波形的震源机制目录计算两个综合矩张量（图2a）：综合矩张量没有太大差别。下面我们简要论述这些区域。

3.1 正断区

NR01：位于亚平宁山脉带内的亚平宁山脉弧后区和卡拉布里亚弧区。近期的地震（翁布里亚—马尔凯，1997，ML＝5.8～5.6和1998，ML＝5.6；拉奎拉，2009，ML＝5.8）表明，该区以拉张构造为特征。

3.2 逆断区

RV01：意大利阿尔卑斯山西部。由于阿尔卑斯山下面的亚德里亚板块向北推挤使得该区为压缩构造状态。RV02：意大利阿尔卑斯山的东部压缩构造区，此区亚德里亚板块和欧洲板块之间的汇聚较活跃，过去一个世纪该区记录的两次最强地震，即弗留利1976年5月6日MS＝6.4地震和9月15日MS＝5.9地震（俯冲型），就是证明。RV03：亚平宁弧形山脉外侧。该区在山带前表现出活跃的压缩性。RV04：亚得里亚海的中部和南部。该区总体上在南西—北东方向缩短，向南增长；逆断型震源机制呈东西方向（图1c）。RV05：该区全部位于近海区域，由于非洲－欧洲板块的汇聚，逆冲型断层机制与压性机制高度一致。

图2 （a）构造区划图（原图为彩色图——译注）。各区（红色代表逆断区；蓝色代表正断区；绿色代表走滑区）是利用不同的数据集（矩张量目录：蓝色沙滩球，初动解：红色沙滩球）计算的矩张量之和确定的；（b）所有的正断区、逆断区和走滑区的地震累计频度随震级的变化曲线。虚线代表归一化到同一a值时的曲线；（c）每个分区震源机制解的两个节面的b值叠加在Schorlemmer等（2005）绘制并作适当修改的图上

3.3 走滑区

SS01：阿尔卑斯山的外缘区，此区地震、应力和应变测量结果都表明为走滑机制。SS02：震源数据库个别地震的孕震区凸显出南亚平宁山脉的东部存在走滑断层系（Basili et al，2008）。该地区位于正断区和逆断区之间，正断层应力机制显示由亚平宁山脉背弧区（NN01）在前渊（SS02）转变成走滑应力状态，在亚得里亚海前陆转变成逆冲应力状态。该区域包括亚平宁山脉弧北部和南部之间的交界区：在南部有极少的正断型地震出现，在北部出现过零星的逆断型地震。本文研究的目的是确定具有相同构造区的范围，一些具有不同断层类型的小震不会对结果产生影响。

3.4 走滑兼正断区

SN01：阿尔卑斯和亚平宁山脉之间的转换地带，震源机制表明该区的断层机制为正断和走滑型。SN02：利用矩张量目录求得的矩张量总和显示了该区走滑兼正断的断层机制；与之相反，一些文献中地震的初动解则强调正断分量（主要根据1908年墨西拿地震：Maw＝7.2；38.150N，15.680E）。矩张量目录中的地震一致地显示为走滑机制，P轴与非洲－欧洲板块的汇聚方向一致（Vannucci et al，2004）。

4 b值分析的结果及讨论

图2a显示了用最大似然法（如Wiemer and Wyss，2002）计算的10个单独构造区以及复合区的b值和它们的标准差。图2b显示了三个复合区的累积震级—频度分布。我们发现逆断区的b值最低（0.75～0.81），其后是走滑区（0.9～0.92）和正断区（1.09）。在图2c中，我们也绘出了b值及其不确定性作为总地震矩张量滑动角的函数图，此外还绘出了加利福尼亚地区b值与滑动角的关系图（Schorlemmer et al，2005）。值得注意的是，无论是意大利的单独区还是混合区得到的b值，均与加州地区的所有地震利用窄滑动角窗得到的b值一致，10个构造区的b值只有一个不属于加州的结果范围之列（RV05，Mc高且全为近海区，因此最可能反演的震源机制不够好）。由于意大利存在的震源机制较少，我们不能像在加州作的那样分析b值与滑动角的关系。一致的结果表明，应力状态存在于择优的地震断裂类型及其相对地震大小分布上。我们的结果还为剪切应力与b值成反比的关系增加了进一步的证据。

人们对图2b可能提出的一个明显批评是，我们可能是用所知的局部b值绘出了图2所示的区划模型。通过在b值随机空间分布图中简单地圈定高b值区和低b值区，人们确实能得到与图2b所示十分类似的结果。这不是我们选择的方法，我们要对每个区的边界给出非常详细的理由。然而，因为我们不能采用独立的现有分区，牢固地证实b值在我们选定的构造区之间确实不同的唯一方法是相对于未来地震活动的完全独立的、预期的检验。因此，我们区划模型的b值预测会在未来几年内在地震可预测性研究合作实验室（CSEP，www.cseptesting.org）的意大利试验区得到验证。还有可能会根据其他应力指标测试我们的区划模型，例如最近提出的差应力与有关余震衰减速率的大森—宇津定律中的c值之间的关系（Narteau et al，2009）。对该假说的另一个重要检验当然是将其应用到对微小地震监测较好和对当地应力状态认知清楚的地区。

我们结果的一个重要意义与常用的概率地震危险性评估（PSHA）方法有关。这项研究的结果与Schorlemmer等（2005）的工作相比更密切地与概率地震危险性评估有关，因为地震构造的分区是许多危险性研究的基础，尤其是在地震活动比较分散的地区（如，Wiemer et al，2009）。b值在概率地震危险性评估中常用来预测超出已观测数据范围的未来大地震的发生。从图2b中我们可以得出，正断层区域大地震的发生频度明显小于逆断层、走滑断层区域。如果地震构造分区模型没有区别不同的断层作用类型，就有可能在计算危险性发生率时引入明显的偏差。因此我们建议，未来的地震构造分区模型应该考虑b值与断层作用类型的相关性。实现这一目的有很多种方法，例如，在分区时利用高分辨率b值图作为输入，或当大型构造带的b值与区域的b值有显著不同时，将大型构造带的b值作为优先选择值。

地震目录、地震构造分区和地震动预测方程（GMPE）是概率地震危险性评估的基本组成部分。确定地震构造区时通常要考虑断层作用类型；现代的地震动预测方程也按断层作用类型来区分。我们的结果意味着，在进行地震复发率的估计时也应考虑断层作用的类型。