江苏及邻近地区地震视应力特征研究*

孙业君，刘红桂，江昊琳，詹小艳，居海华，杨 云

0 前言

利用地震资料来研究地壳的应力状态，已越来越引起地震学家们的兴趣。然而，在弹性力学框架下，由地震资料得到应力的大小，原则上是不可能的。但是，在一些合理假设的前提下，由地震资料可以得到关于应力大小的某种有物理意义的估计，其中一个常用的估计是视应力 (Wyss，Brunne，1968;Wyss，1970a，1970b)。视应力与引起地震滑动的平均应力水平之间可以通过地震波辐射效率联系在一起，这一概念近年来已得到越来越多的野外实验和观测结果的证实 (McGarr，1999)。Choy和Boatwright(1995)根据美国国家地震信息中心 (NEIC)的宽频带辐射能量和哈佛矩心矩张量 (CMT)测定结果，讨论了全球地震视应力的分布，得到全球地震视应力的平均值为0.5 MPa。吴忠良等 (2002)采用NEIC的宽频带辐射能量和CMT的测定结果计算了中国大陆地震的视应力分布，发现中国大陆地震的视应力略高于全球平均水平，其中青藏高原东缘的视应力比其邻近地区高一倍以上。Newman和Okal(1998)研究发现可以将视应力作为海啸地震的一个判据。

地震视应力的计算关键为地震辐射能量与地震矩的计算。秦嘉政和钱晓东 (2006)利用地面运动峰值速度与地震波能量之间的经验关系式计算了云南地区2002年6月至2003年7月的中小地震视应力值。黄福明和易志刚 (2000)利用地震能量、地震矩与震级的经验关系式计算了中国M≥4.5地震的视应变值。这两种方法均是建立在经验公式的基础上，其结果可能存在一定的偏差。

本文利用2000年以来江苏数字地震台网记录到的近震波形资料，采用刘红桂等 (2006，2007)提出的中小地震视应力的数学公式计算了江苏及邻近地区中小地震的视应力值，讨论了视应力与震级之间的关系，进而分析研究区域内视应力空间分布特征。

1 计算方法

地震视应力的定义为 (Wyss，Brunne，1968;Wyss，1970a，1970b)

式中，σapp为视应力，η为地震效率，〈σ〉为平均应力，μ为震源区介质剪切模量，ES是地震辐射能量，M0为地震矩。

Eric和Chael(1987)的研究表明，中小地震的震源位移谱很好地符合Brune(1970)的ω2模型，而与ω3模型偏差很大。根据ω2模型，地震事件的震源位移振幅谱可由震源谱的低频水平Ω0和拐角频率fc表示为

因此，中小地震的视应力值可以通过其震源位移谱低频水平Ω0与拐角频率fc来计算，具体的表达式为 (刘红桂等，2006，2007)

式中，σa为地震视应力;β为S波速度，根据江苏省地震局 (1987)的地球物理研究结果，本文计算时取地壳S波平均速度β=3.5×103m/s;μ为震源区介质剪切模量，实际计算时取μ=3.0×1010Pa(Choy，Boatwright，1995);Rθφ为 S 波的辐射图型因子，实际计算时取Rθφ=(Andrews，1986)。

为了得到各次地震的视应力，整个计算过程分为三步 (刘红桂等，2006、2007):

第一步，采用成熟的方法 (刘红桂等，2004;刘杰等，2003)计算研究地区的介质衰减特征及台站的场地响应，具体结果见杨云 (2007)。介质几何扩散特征 (R01、R02)及非弹性衰减特征表达式为

第二步，利用第一步得到的结果对每一条地震波形记录进行校正，得到各记录的校正位移谱，并利用遗传算法反演ω2模型中的震源位移谱低频水平Ω0与拐角频率fc。

第三步根据式 (3)计算各次地震的视应力值。

2 资料选取及处理

本文的研究范围为 (31°～35°N，117°～122°E)。选取了2000～2010年江苏省数字地震台网记录到的发生在江苏及邻区的ML≥1.5中小地震，这些地震的波形数据采样时间为0.02 s。台站位置与各地震的震中分布见图1。

选取地震波形资料的原则是:(1)每一个地震至少有如图1所示的3个以上台站的波形记录，(2)每条地震波形记录的信噪比不小于2。

计算中使用的数据是每条波形记录中的S波数据。S波数据截取方法 (Atkinson，Mereu，1992):为了保证所选取的资料包含剪切波所有重要的震相信息，对于每一条速度记录，选取资料时均以可辨识的首个S波到时为起点，所取资料窗长应包括整个S波能量的90%。为了获得稳定可靠的傅里叶谱估计，计算时采用延迟窗技术 (Eric，Chael，1987)，把整个资料窗分成若干个小段，每一小段数据为256个点，并以128个点为滑动窗长，在每段数据的两端加入5%边辨的汉宁窗，然后进行快速傅里叶变换。为了剔除噪声的影响，取P波到时之前的256个数据点作为背景噪声信息，同样在两端加入5%边辨的汉宁窗，并进行快速傅里叶变换，在频域中由信号谱减去噪声谱从而得到S波的谱信息。

3 计算结果及分析

本文中所有物理量的单位均转换成了SI单位制，最终计算得到江苏及邻近地区561个中小地震视应力值，视应力值主要集中在0.01～10 MPa，占98%以上，最大为 15.07MPa，最小为0.000 3 MPa，平均值为0.91 MPa。由于计算方法中不能给出震源位移谱低频水平Ω0与拐角频率fc的估计偏差，因此，本文所给出的视应力值也无法给出偏差估计。

图2给出了江苏及邻近地区中小地震视应力值与其震级的对应情况。总体具有地震震级越大视应力值越大的趋势特点，但两者线性关系不明显。值得注意的是绝大多数ML≤2.0地震视应力低于0.05 MPa，而ML≥3.0地震的视应力集中在0.1 MPa以上，ML≥4.0地震的视应力值也较高，都高于3 MPa。

国内很多学者 (刘红桂等，2006;程万正等，2006;李芳等，2006;王琼等，2005)对中小地震视应力值与其震级之间的相关性已经开展相关研究。刘红桂等 (2006)研究云南地区4个地震序列的视应力值过程中发现视应力与地震震级没有显著相关关系。程万正等 (2006)研究结果表明四川地区地震视应力与震级ML大体成正比，地震视应力值与震级的分布，鉴于数据分布较宽，不是一一对应关系。李芳等 (2006)，王琼等(2005)研究发现视应力与震级存在一定的相关性，曲线表现为指数形态，视应力与震级关系具有显著的分段性，在一定震级区间内存在较好的线性相关，而大于一定震级两者不存在线性相关。本文研究结果和以上学者的研究结果均显示，实际计算得到的中小地震视应力与其震级之间的关系较为复杂，不同地区、不同震级档表现出了不同的相关关系。

4 视应力空间分布特征

4.1 视应力总体空间分布特征

为了更直观体现视应力的真实性，我们把视应力值分为4档:0～0.1 MPa、0.1～1.0 MPa、1～5 MPa和5～10 MPa。不同视应力值档用不同的颜色表示 (震级大小未表示出来)，这样可以更直观和客观表示视应力高低分布 (图3)。从图3可以看出，视应力5～10 MPa高值主要分布在苏中至南黄海海域 (A区)，该区域内分布有多条北东东向断裂，如淮阴—响水断裂，洪泽—沟墩断裂，盐城—南洋岸断裂，陈家堡—小海断裂等。该区历史上多次发生过中强以上地震，最大地震为1846年的7.0级地震，该地区一直以来是江苏地区中等地震活动的主体地区。另外，5～10 MPa视应力值在1984年5月21日黄海6.2级地震震中附近 (B区)也有集中分布，该地震是1970年以来华东地区中强震后余震序列最为发育的一次，目前中等地震仍时有发生。视应力值在1～5 MPa之间地震除了在苏中至南黄海海域有分布外，在苏鲁交界地区 (C区)、安徽固镇至定远附近地区(D区)和肥东、巢湖一带 (E区)均有较为集中分布。其中2005年6月10日郯城ML4.3地震和2006年7月26日定远ML4.7地震视应力值达到了10 MPa左右。值得重视的是以上地区均位于郯庐断裂带中南段附近地区。

以上视应力较高值区域的表现有些不同，苏中至南黄海海域地震发生频次最高，各震级档均有分布，视应力分布情况也最为复杂;沿郯庐断裂带分布的几个高值区域除个别地震视应力较小外，多数分布在1～5 MPa之间。视应力高值区域反映了该地区地质构造的活跃程度，同时也反映了地震活动水平及其地壳应力状态。

4.2 ML2震级档视应力特征

为了尽量避免地震震级的影响，重点分析研究区域内占据主体的ML2.0～2.9视应力结果，这样可以更直观的显示不同地区地震视应力差异，以此分析地震积累应力的不同。ML2.0～2.9地震共279次，空间分布较为分散，其中以苏中沿岸至黄海海域最为集中。地震的视应力值分布在0.03～7.9 MPa之间，其中0.03～0.9 MPa，1.0～3.9 MPa，4.0～7.9 MPa分别为145次、103次和31次，可以看出，ML2震级档地震视应力值大于1 MPa和小于1 MPa的地震数量基本相当。图4给出了视应力值大于2 MPa的等值线区域，可以看出，高视应力值主要分布在郯庐断裂带安徽段南段、郯庐断裂带江苏段及以西地区和黄海南部至长江口附近地区。另外，苏中沿岸至南黄海海域也有小片高视应力值分布。笔者结合地质构造、地震活动等情况对ML2震级档地震视应力空间分布特征予以初步解释:

(1)郯庐断裂带安徽段地震整体活动水平基本相当，但南段地震的视应力值明显高于北段，显示出南段地壳应力水平高于北段，2009年4月6日肥东ML4.1地震的发生也表明了该地区应力水平较高。该区域处于大别碰撞带、下扬子块体和华北块体交汇部位，区域受力状态较为复杂，历史上发生过1585年3月6日巢县南5.8级和1673年3月29日合肥5.0级地震。郯庐断裂带在该段落走向从NNE向转为NE向，倾向由原来的NW向转为SE向，断面近直立，并显示早期压扭性为主，后期张扭性为主 (万桂梅等，2009)。

(2)郯庐断裂带江苏段及以西地区地震频次较低，但在ML2震级档的视应力值最高，反映了该区域积累的应力水平较高。该区域历史地震和现代小震活动水平均较低，李家灵和晁洪太(1994)认为该段地震活动较弱的原因是断层可能处于活动闭锁状态。龚伟等 (2010)根据GPS观测资料分析认为郯庐断裂带的整体活动性质在江苏段发生转变，江苏段整体表现为拉张性质，是北部左旋压扭运动向南部右旋拉张运动的过渡区，在整个郯庐断裂带中，该段属于复杂过渡区。

(3)黄海南部至长江口附近地区位于扬子断块南端，南邻华南断褶系，处于勿南沙隆起地区，分布有栟茶河断裂、南通—嘉定断裂等。视应力高值区域主要覆盖了1984年5月21日黄海6.2级地震区，2010年7月9日、19日黄海 ML4.2及ML4.6地震的发生也反映了老震区应力水平仍处于较高水平。

(4)另外值得关注的是苏中至黄海海域，该区域位于苏北—南黄海盆地内，地质构造复杂，有北东向的淮阴—响水断裂、洪泽—沟墩断裂、盐城—南洋岸断裂等。从图3中可以看出，该区域现代小震活动水平较高，各震级档均有分布，是视应力高值区域之一。但ML2震级档的视应力值处于中等水平，仅有个别地震视应力值超过4 MPa，表明该区域应力积累水平不高。孙业君等(2014)研究表明该地区尾波Q值较低，反映了该区域介质的非均匀程度相对较高，介质相对破碎，不利于积累能量。

5 结论与讨论

本文利用2000～2010年江苏数字地震台网记录到的近震波形资料，采用刘红桂等 (2006，2007)提出的计算中小地震视应力的数学公式计算了江苏及邻近地区中小地震的视应力值，分析了视应力与震级之间的关系，并讨论了研究区域内视应力空间分布特征。初步结论如下:(1)江苏及邻区平均视应力为0.91 MPa，与吴忠良等(2002)研究所得的中国大陆平均视应力水平为0.8 MPa基本相当。视应力与震级不存在明显的线性关系，但在震级相对较大时表现出一定的高震级对应高视应力的特点。(2)视应力高值地区主要集中分布在苏中至南黄海海域，次高值集中分布在郯庐断裂带中南段的苏鲁交界地区、安徽固镇至定远附近地区和肥东、巢湖一带，基本反映了高视应力区域较高的地震活动水平及其地壳应力状态。(3)ML2震级档地震视应力空间结果显示，郯庐断裂带安徽段南段、江苏段及以西地区和黄海南部至长江口地区视应力高值特征明显。

国内学者 (秦嘉政，钱晓东，2006;刘红桂等，2007;吴晶，顾瑾萍，2004)指出，高视应力异常和未来发生中强或大地震有对应关系。秦嘉政和钱晓东 (2006)发现2003年大姚MS6.2余震序列视应力值在8月10日左右出现了较高值，之后于10月16日再次发生MS6.1地震，且较高视应力集中在主震附近。刘红桂等 (2007)研究云南地区视应力后指出，超过1 MPa的地震视应力和后续中强地震有较好对应关系。吴晶和顾瑾萍(2004)计算了2000年6月6日甘肃景泰MS5.9地震前后周围小地震视应力，结果显示震前视应力出现高值异常。若将相对高视应力分布区作为未来强震危险性的估计指标之一，则苏中至南黄海海域、郯庐断裂带中南段的苏鲁交界地区、安徽固镇至定远附近地区和肥东、巢湖一带存在发生中强震的可能。在这些相对高视应力分布区近几年中小震活动的频度和强度均有所升高，中小地震的活动异常也是地震危险的佐证之一。

视应力是否随地震大小变化依然是学术界争议颇大的一个问题，一部分学者认为折合能量即地震辐射能量Es和标量地震矩M0的比是随地震大小系统地变化的 (Abercrombie，1995;Mayeda，Walter，1996;Prejean，Ellsworth，2001;Mori et al.，2003)，另一部分学者认为不会变化 (Choy，Boatwright，1995;Ide，Beroza，2001;Ide et al.，2003;Baltay et al.，2010)。争议持续的一个主要因素是辐射能量和地震矩的精确获取很难，因为地震波受震源辐射花样、破裂方向，传播路径的衰减 (范小平等，2009，2011)、散射 (范小平等，2009，2013)，场地效应等众多因素的影响。

本文在撰写过程中得到了江苏省地震局郑江蓉研究员，王俊工程师、四川省地震局阮祥、云南省地震局赵小艳工程师的帮助，地震波形资料由江苏数字地震台网提供，在此一并表示感谢!

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