芦山7.0级地震区域地震活动能量场分析

罗国富，马小军，马禾青，杨明芝

（宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

0 引言

2013年4月20日四川芦山发生7.0级地震，是继2008年5月12日四川汶川8.0级大震后，龙门山断裂带上的又一次强震。汶川8.0级地震造成龙门山断裂带中北段约300km破裂，而芦山7.0级地震造成龙门山断裂带南段约30km左右破裂，这两震中之间约70km的断裂带仍未破裂。这些强震释放的能量大小，可能导致龙门山断裂上能量场本身结构的变化。因此本文在以往工作的基础上，应用自然正交函数展开方法，试图研究龙门山断裂上地震能量场的变化，探讨芦山7.0级地震前后龙门山断裂带南段地震能量场特征，寻求可能的强震前兆信息，为强震预测提供中短临异常依据和震例经验。

杨明芝和赵卫明[1]提出地震能量场，采用自然正交函数展开方法研究了宁夏及邻区中强以上地震与能量场的关系。罗国富和杨明芝[2]采用同样方法，研究云南地震区地震活动能量场的时空特征分布特征。近年来在原方法基础上，引入能量场空间等值线高值异常的映震特征和平均能量场分布特征，取得了一些初步结果。如杨明芝[3-4]研究汶川8.0级地震前能量场变化；罗国富[5-7]研究甘东南、滇西北至滇南强震危险区内能量场变化；马禾青[8]研究青海玉树7.1级地震能量场等。笔者引入地震构造，主要针对2013年4月20日四川芦山7.0级地震开展能量场研究，取得一些新结果可对龙门山断裂带南段强震危险性进行重点监测和预测。

1 研究方法

本文研究区域为 101～107oE、29～33.5oN，区域中空间单元取0.5o×0.5o的格子。以经纬度划分面积网格数n（n=k×L,其中k是按照经度划分网格，L是按照纬度划分网格），把n个网格数取m次测值（m按研究时间段的间隔⊿t取值）。每个地震释放能量为e（其公式e=104.8+1.5Ms），所有地震在不同网格中释放的地震能量之和近似于地震释放的能量，并剔除余震和中强以上地震释放的能量，就是该研究区域在研究时间内的能量分布矩阵，即能量场E0，该矩阵反映了研究区域地震活动能量场分布结构。

本文使用的计算方法见罗国富[5]，研究2008年汶川8.0级地震前地震活动能量场中短期异常对具体计算作了详细的说明。通过这种计算方法解决研究区域内主要能量场的时空异常提取问题，预期达到不同的时空异常和区域内强震之间的内在关系，以其分析等值线高值异常变化特征。

2 能量场时间因子变化

选择研究区域（101o～107oE、29o～33.5oN）的原则是，区域范围应当包括龙门山断裂带和其它主要活动断裂，并能反映其相关断裂的地震活动区域。地震资料使用中国地震台网中心提供的弱震目录，时段取2009年1月至2013年4月。对此期间地震资料进行b值检验，该区ML≥2.8地震记录完整，因此震级下限取ML2.8；考虑到强震发生率很小，其能量对背景场的影响很大，且这些地震已经不属于区域正常活动状态，故震级上限取ML5.4级（换算成M震级为5.0级），并用K-K法删除5.0级以上地震的余震。具体计算步骤为，区域按0.5o×0.5o的网格划分，时间间隔取Δt=1/3年，计算出n个网格（n=108）的m个时间段（m=13）观测到的地震能量、能量距平场和平均值（背景场）的值。当t=2时，前2个典型能量场已超过全部能量场的95%如表1。

表1 2013年4月20日芦山7.0级地震能量场特征值及拟合精度

表1给出展开的前2个特征向量的特征值，展开精度γ2为95.03%，其中第一个典型场的特征值为λ1=2.4355×1011，占总场的88.43%是场的主要部分，可见取前2个典型场就足以相当精确地描述能量场的特征。图1是这2个典型场时间因子变化曲线，从图中可以看出，第一个典型能量场时间因子T1长期维持在基值-99.7焦耳附近变化，2012年5～8月出现大幅度上升变化，显示出明显的短期异常特征。第二个典型场时间因子T2也长期维持在基值-30.9焦耳附近变化，2011年9～12月也出现大幅度上升变化，也明显表现出中短期异常特征，这两次中短期能量场时间因子上升异常，可能是芦山7.0级地震前的中短期异常指标。

纵观图1曲线相对基值呈现较大幅度上升，表明在芦山7.0级地震前，区域能量场前2个主要典型场时间因子发生显著的异常变化，其特点表现为，震前2年的时间段内区域能量场的地震总能量有时大于历年同期平均能量值，地震能量释放多，弱震活动相对密集或者有显著中等地震发生。

图1 2013年4月20日四川芦山7.0级地震前2个典型能量场时间因子变化曲线Fig.1 The time “weight” coefficient curve the two front of twos main energy fields in the MS 7.0,Lushan earthquake, April 20,2013.

3 能量场空间变化

图2为2013年4月22日四川芦山7.0级地震前研究区域中前2个典型地震能量释放的空间等值线分布。分析等值线的较大变化值，可判断研究区域强震的危险区域。笔者将曲线等值线的值（或者绝对值）大于0.05×105焦耳的区域定义为危险区，其周围可能是强震的发生区域。图2为2009年1月至2013年4月研究区前2个典型能量场等值线区域的空间危险区相对集中，但不能明确那个危险区在那段时期可以对应强震，这说明该方法在预测中强地震区域还存在一定的局限性。

图2（左）中，龙门山断裂南段的（30.2oN，102.9oE）周围区域为一个危险区，也是2009年以来相对一个能量高释放区，最大能量释放达0.1×105焦耳，2013年4月20日四川芦山7.0级地震发生在这一高能量释放边缘。另外华容山断裂中段的（29.2oN，105.3oE）周围区为另一个危险区，也是另一个能量高释放区，2010年1月31日四川遂宁与重庆潼南交界5.0级地震发生在该高能量释放边缘。图2（右）中，龙门山断裂南段与鲜水河断裂交汇区为强震危险区域，可能与2013年芦山7.0级地震有关。总之，前2个主要能量场的等值线危险区分别有一些地震活动中短期时空异常变化，显示出弱震活动与中强地震活动相关的变化特征。

图2 前2个主要能量场的等值线图（单位：×105J）Fig.2 The isogram’s charts in the first two main energy fields (unit: ×105J )

图3 研究区能量场均值等值线图（单位：×105J）Fig.3 Contour figure of the energy background field (unit: ×105J )

4 结论和讨论

由于青藏高原向东推挤和四川盆地的阻挡，龙门山断裂带经历了长期缓慢形变，是应力、应变的积累区，即孕震的闭锁单元。龙门山断裂带活动与地震的分布有密切的关系，闭锁区周围应力高度集中，使的沿构造断裂带周围地震能量释放可能包含有强震的信息。图3是研究区域不同时段内能量场平均等值线分布图，分析不同时间能量场均值空间变化，可以进一步判断高能量释放危险区的危险程度，以及强震（或者大震）前后能量场的显著变化特征。

图3a是2008年汶川8.0级地震前研究区域地震能量场分布；图3b是汶川8.0级地震后至2013年芦山7.0级地震前研究区域内地震能量场分布。比较两者可以看出，汶川8.0级地震前，地震能量在龙门山断裂带南段局部、鲜水河断裂和岷江断裂带附近形成局部高能量释放区，整体上龙门山断裂带上地震能量释放水平较低，表现出汶川8.0级地震前龙门山断裂带周围地震活动相对平静的状态。但汶川8.0级地震后，局部高能量释放区发生显著变化，如龙门山断裂带的南段以及与鲜水河断裂交汇区周围形成大面积高能量释放区，2013年4月20日芦山7.0级地震就发生在高能量释放区周边。另外在芦山7.0级与汶川8.0级地震震中的两端，目前形成显著的高能量释放区（图3b），也是这两次地震后断裂带未破裂区，可能是近年需要密切关注的强震发生地区。自2000年1月至2013年4月，龙门山断裂带的南段与鲜水河断裂带交汇区域是地震高能量释放区，也是近年来另外一个密切关注强震的区域（图3c）。比较图3a、b、c发现，华容山断裂中段在汶川地震前和芦山地震前地震能量都偏高，2010年1月31日四川遂宁与重庆潼南交界5.0级地震就发生在该高能量释放边缘，考虑到该地震震级偏小，释放能量不足，因此该危险区周围未来或稍长时间内仍存在发生中强地震背景。

总之通过研究2013年芦山7.0级地震前震中区域的地震活动能量场时空特征，得出如下结论：

（1）对2013年芦山7.0级地震震中区域地震活动能量场的初步研究发现，芦山7.0级地震前2年内，即2011年9～12月和2012年5～8月，前2个主要典型能量场时间因子分别呈现较大幅度的突升变化，表现出突出的能量场中短期异常，这些异常变化可能是2013年芦山7.0级地震前的中短期时间异常特征。

（2）分析2013年芦山7.0级地震震中区域主要能量场的的空间等值线分布，得出过去4年4个月龙门山断裂带南部形成一个地震能量高值异常危险区（绝对值大于0.05×105焦耳）周缘，2013年四川芦山7.0级地震就发生在该高能量释放区域。另外华容山断裂周围区形成一个相对能量高释放危险区，2010年四川遂宁与重庆潼南交界5.0级地震发生在该高能量释放边缘。目前龙门山断裂南段与鲜水河断裂交汇区仍为地震能量高释放区，也是未来可能强震危险区域。

（3）分析研究区域不同时段均值能量场空间等值线分布特征，结果发现2008年汶川8.0级地震前，鲜水河断裂和岷江断裂带附近形成局部高能量释放区，而整体上龙门山断裂带上地震能量释放水平较低，表现出汶川8.0级地震前龙门山断裂带周围地震活动相对平静状态。但汶川8.0级地震后，短时间内龙门山断裂带的南段以及与鲜水河断裂交汇区周围形成大面积高能量释放区，2013年芦山7.0级地震就发生在高能量释放区周边。考虑到高能量释放区域范围大，汶川和芦山地震震中有断裂未破裂区，且芦山7.0级地震有可能能量释放不足，因此未来该区域可能会再次发生强震。另外汶川地震前后华容山断裂中段都形成高能量释放区域，在该高能量边缘仅仅发生2010年四川遂宁与重庆潼南交界5.0级地震，比较芦山7.0级地震前高能量释放区，分析认为华容山断裂中段高能量释放区附近，地震能量释放不足，未来该高能量区域附近仍存在可能发生中强地震。

[1]杨明芝,赵卫明.宁夏及邻近地区地震活动能量场的统计分析[J].地震学报, 2004, 26(5): 516-522.

[2]罗国富,杨明芝.云南地区地震活动能量场的时空分布特征[J].中国地震, 2005, 21(3):332-340.

[3]杨明芝,马禾青.汶川8.0级地震前龙门山断裂带能量场变化[J].中国地震, 2011, 27(3): 260-267.

[4]杨明芝,马禾青.汶川8.0级地震区域地震能量场分析[J].地球物理学进展, 2012, 27(3): 872-877.

[5]罗国富,杨明芝，等.汶川8.0级地震前地震活动能量场中短期异常[J].地震, 2011, 31(3):135-142.

[6]罗国富,屠泓为，等.滇西北至滇西南强震危险区地震活动能量场分析[J].地震研究, 2011, 34(4):435-441.

[7]罗国富,马禾青，等.甘东南至陕甘宁中强震危险区地震活动能量场时空特征[J].西北地震学报，2012, 34(2):132-137.

[8]马禾青,杨明芝.2010年青海玉树7.1级地震能量场研究[J].地震研究, 2012, 35(4): 485-490.