四川芦山7.0级地震前中小地震P轴方位角CV值的变化①

郭祥云, 陈学忠, 李艳娥, 王生文

(1.中国地震局地球物理研究所,北京　100081; 2.中国地震局第一监测中心,天津　300180)



四川芦山7.0级地震前中小地震P轴方位角CV值的变化①

郭祥云1, 陈学忠1, 李艳娥1, 王生文2

(1.中国地震局地球物理研究所,北京100081; 2.中国地震局第一监测中心,天津300180)

摘要:通过对2003年1月1日—2013年4月1日芦山地震前震源区中小地震震源机制解的分析,发现不同阶段的震源机制解在一定程度上反映了强震孕育过程中构造应力场随时间的变化。震源区中小地震的P轴方位角CV值在芦山M7.0地震发生前有一个上升-下降-上升的过程,只是相比于汶川8.0级地震前CV值的下降-上升过程经历了更长的时间,这表明四川芦山M7.0地震的孕育经历了长时间的应力积累,与许多研究结果相一致。2007年1月1日—2014年4月1日CV值空间分布的非均匀性特征在龙门山断裂带南段有显著的增强与减弱过程,对于发震地点可能有一定的指示意义。

关键词:震源机制解; P轴方位角; CV值

0引言

地震是地下介质不堪承受大于其强度的应力而发生破裂的自然现象,孕震区的应力状态在地震周期中起着决定性的作用[1-3]。应力状态的时空变化和深部介质特性与地震的孕育、发展以及地震强度关系密切。小于5.0级的中小地震发生频率较高,其震源机制解对于描绘区域构造、确定区域应力方向、探讨地震成因机制、开展地震预报等研究具有重要意义[4-10]。

2013年4月20日8时2分,四川省雅安市芦山县(30.3°N,103.0°E)发生M7.0强震。该地震位于龙门山前缘构造带南段,距离2008年5月12日汶川M8.0特大地震震中约70 km。本文拟利用震源区中小地震震源机制的P轴方位角CV值的变化,讨论孕震过程中构造应力场的变化规律及其可能的前兆指示意义,提取震源区介质物性的变化,以期为科学预测未来逆断层型地震发生时间和地点提供可借鉴的依据。

1研究方法

陈颙[5]提出了用一群地震震源断层面走向均值的标准偏差,或用震源机制解参数k=(n1-n2)/N(其中N为震源机制解总数;n1为震源机制一致性的数;n2为不一致的数)来描述地震机制的一致或混乱程度,以探索孕震区内背景构造应力场的动力学过程,进而确定区域内未来地震的危险性。该方法中震源机制一致性参数是个相对的概念。泽仁志玛等[8]提出用震源机制一致性参数来研究应力场取向的变化,以发现构造运动的情况及强震的前兆信息,但该方法需要先确定背景应力场,具有很大的不确定性。近年来,郭祥云[11]发展了基于震源机制解统计特征的P轴方位角变异系数的方法,该方法不依赖于先验的背景应力场,同时也具有较好的稳定性。因此本研究采用此方法来探索中小地震震源机制解在地震趋势分析中的应用。

在统计学中,CV值为标准差与平均值的比值,即相对标准差方差,反映的是某个参数的非均匀分布特征,CV值越大,表示非均匀性越强；反之,非均匀性越弱。P轴方位角变异系数CV值或方差σ:

(1)

(2)

CV值的变化反映了P轴方位角空间取向的变化,间接地反映了孕震体应力变化的过程。P轴方位角CV值上升-下降,表明非均匀性由增强过渡到减弱,间接反映了孕震体应力场的变动过程。上升-下降过程可能对应了孕震体亚失稳和临失稳,应力积累转为应力释放,平稳释放转为加速释放,两种阶段对应地震之前的孕育与临震阶段。

2数据资料

收集整理了四川省数字化区域地震台网芦山地震前龙门山构造带南段2003年1月至2013年3月的波形记录资料。2003年1月—2013年3月芦山震源区发生3.0级以上地震78次(图1)。利用现在普遍流行的基于P波初动和振幅比计算中小地震震源机制解HASH方法反演出满足条件的72次地震的震源机制解(表1),其空间分布如图1所示。

图1　芦山震源区2003年1月—2013年3月3.0级以上地震分布(蓝色方框内的地震被用于计算P轴方位CV值,红色圆点表示有震源机制解,蓝色圆点无震源机制解,三角表示芦山地震震中位置)Fig.1　Distribution of earthquakes (ML≥3.0) from January,2003 to March,2013 in Lushan seismic area (Earthquakes in the blue box are used to calculate the CV value of P-axis azimuth red,and blue dot indicate focal mechanism and no focal mechanism,respectively,triangle indicates the epicenter location of Lushan M7.0 earthquake)

发震时间发震位置纬度/(°)经度/(°)震源深度/km震级/MSPlaneⅠ走向/(°)倾角/(°)滑动角/(°)P轴Az/(°)Pl/(°)2003-06-12T10:03:0029.97103.25153.224859-20212352003-09-19T09:12:0029.65103.3753.125646-159103422003-10-24T19:36:0030.49102.7553.2317538156142004-03-29T19:43:0030.00102.42143.711406330082004-06-14T01:23:0030.60102.6883.52822548223252004-07-14T05:08:0030.58102.8013.42113365139142004-09-16T07:12:0030.37102.9053.65529-91148742004-11-06T10:11:0029.48103.0283.033341-174183362004-12-26T09:52:0029.68102.97103.2283825043262005-04-20T11:02:0029.63102.97113.022273-6179162005-05-26T11:17:0029.62102.9753.035140-99135822005-06-14T01:03:0030.10102.7283.75561-175275232005-08-24T22:47:0029.37103.1553.09024-80161682005-09-30T13:32:0030.17103.2253.02088138334192006-02-20T04:16:0029.87102.68153.213566-1395262006-05-24T11:04:0029.88102.8353.2693496335112006-08-13T19:55:0029.90103.33143.11615018116172006-09-05T01:31:0029.82103.0553.61945899277132006-10-07T08:13:0029.82103.0353.132969928492006-10-20T21:22:0029.88102.5273.127345-156118452006-11-04T02:22:0029.73103.3273.0261418917242007-01-01T22:16:0029.57102.97123.5235999106142007-03-28T11:33:0030.53102.88133.012187157169142007-06-25T10:24:0030.53102.8253.143588275102007-07-02T19:07:0030.23103.3353.014356-3104252007-07-23T02:08:0030.73102.6763.35959174281182007-07-23T02:08:0030.73102.6763.35959174281182007-07-31T07:35:0029.53102.7384.38134-87160792007-08-02T06:06:0030.01102.6353.475389933972007-09-18T03:42:4430.22102.7753.332461-2283222008-08-12T02:49:3930.68102.65163.8339717482242008-09-14T01:41:2830.10103.10153.02656115313642008-11-15T01:55:0129.68103.5203.01686497253192008-12-02T04:01:4730.28102.23143.06668-116299592008-12-24T21:08:1230.17102.78183.32913520249272009-03-29T06:26:1429.73103.1353.220076-87114592009-05-12T06:44:3029.62103.62203.5295570255232009-06-10T14:18:5829.58102.77203.033367-2291182009-06-10T22:43:5629.88103.28103.6133471590202009-07-01T13:39:4429.70102.3853.510580-3558312009-08-04T04:04:0229.63103.28103.0309859237402009-09-19T12:16:3830.48102.65204.1938917613822009-10-17T15:53:1830.43103.0753.02696915731802009-11-25T22:01:1029.87103.28103.529238-155129482009-12-22T12:54:2729.85102.603.033641-170184382010-01-22T01:34:1429.48103.2793.120174-14159202010-02-20T02:57:4829.98103.38193.028350150154112010-03-05T06:32:1430.78102.75143.5661-3326222010-03-18T16:18:0930.83102.77143.112385-149351252010-04-29T17:37:3330.69102.5363.514482-9054532010-05-08T06:19:3930.13103.48173.73182-163256182010-06-27T11:21:4730.33103.28213.225019-48279572010-10-15T17:49:2329.63103.25143.121276-2916830

续表1

发震时间发震位置纬度/(°)经度/(°)震源深度/km震级/MSPlaneⅠ走向/(°)倾角/(°)滑动角/(°)P轴Az/(°)Pl/(°)2011-03-08T21:00:3730.84102.76123.132970-65273582011-03-24T23:18:1629.61103.18173.7159732329042011-03-30T13:53:0229.61103.20153.134148165204202011-07-08T17:06:2230.47102.88183.1936413415382011-07-25T15:33:5330.00103.14184.0415010512142011-08-08T05:42:0429.62102.72123.525509311352011-10-21T05:06:0130.02103.23163.522062110296152011-10-27T01:00:1929.64103.22154.013283-1287132012-07-01T09:53:4430.00102.42173.929226-170128442012-07-13T19:18:4929.35103.06183.92173498121112012-08-14T06:31:0930.07103.20153.132183-527782012-09-06T23:10:5330.03103.11163.1295987121142012-10-19T02:44:1630.14102.86264.126965-100159692012-10-22T21:27:0430.49102.99143.22618116830722012-12-03T02:13:5829.70103.35113.031152933972012-12-16T16:13:4330.46102.81173.1177801231122012-12-26T04:07:4529.01102.26143.33348617919922013-03-04T23:42:1730.98103.4464.1471-178205152013-04-01T06:21:1731.70103.2033.710067-11321261

3结果分析

3.1P轴方位角CV值随时间的演化

利用计算得到的中小地震震源机制解,选取图1中蓝色矩形框范围内所有地震的P轴方位角进行归一化,以5个为一组计算一个CV值,以3个数据进行滑动,可以看到P轴方位角的CV值随时间的变化(图2)。从图中可以看出,从2003年1月—2013年3月芦山地震前CV值有一个上升-下降-上升的过程。CV值从2002年开始上升,2004年6月上升到历史最高值,之后缓慢下降,直到2008年12月份下降到最低值,下降过程长达4年多,显示该地区经历了很长时间的应力积累过程;2009年开始缓慢上升回返,在这个过程中发生了芦山M7.0地震,地震前CV值变化过程与汶川地震类似[11],只是持续时间更长。许多研究也表明四川芦山M7.0地震是一个高角度逆冲断破裂。如此高角度的逆断层错动,只有在极大的差应力下和长期应变能积累后才能产生[12]。龙门山断裂带位于青藏高原东南缘,由于青藏高原隆升引起地壳物质东流,在此遇到四川盆地阻挡,因此应变能长期积累。定量计算模拟表明,整个龙门山断裂带上地壳底部都是应力高增长率区[13]。从图3同样可以看出从2009年10月开始CV值高值区域逐渐在龙门山断裂南段集中扩展,表明该地区应力轴的空间取向非均匀性在增强,应力有明显的调整过程。虽然2008年汶川大地震使龙门山断裂南段的应力得到了有效的缓解,但地震造成的破裂主要集中在龙门断裂带北段,而南部基本没有发生错动,余震活动也较弱,因此其上积累的应变能并没有完全释放。

图2　芦山震源区2003—2013年标准差和CV值随时间的演化Fig.2　Variation of standard deviation and CV value with time from 2003 to 2013 in Lushan seismic area

图3　川滇地区CV值空间分布Fig.3　Spatial distribution of CV value in Sichuan—Yunnan region

3.2P轴方位角CV值空间的演化

以2年为窗长、1年步长,分为6个不同时段:2007—2008年、2008—2009年、2009—2010年、2010—2011年、2011—2012年和2012—2013年4月,对芦山震源区中小地震震源机制解P轴方位角CV值的空间分布特征随时间的变化进行研究(图3)。结果表明,CV值空间分布的非均匀性有一个显著的增强与减弱过程,从2007—2012年CV值高值区域在29°～31°N,101.5°～103.0°E一带有一个显著的扩展过程,2012—2013年3月此区域明显减小,随后芦山地震在其附近发生,这也许表明CV值对发震地点有一定的指示意义。

4结论与讨论

地应力是导致各种构造变形的力学因素,测定其方向和强度,研究其空间分布及随时间的变化,对于探索地震的孕育及发生是非常必要的。震源机制解分析是目前了解地壳深部现今应力状态最有效、最直接的方法之一。根据地震波辐射花样理论基础得到的震源机制解的本质是弹性应变给出的三维应力状态的描述,大量中小地震震源断层的错动表现本身呈现的是区域或较局部的一种应力状态。在一次强震孕育过程中,在潜在震源区及其附近,由于局部构造活动加剧,构造应力场增强,在相对稳定的区域应力场背景上会出现应力场时空调整变化。研究震源区应力状态对于认识地震的形成过程、判断地震危险性和发展地震预测方法都具有重要意义[14-15]。

本文通过震源机制解P轴方位角CV值的时空演化来考察地壳应力状态的变化。研究发现:芦山7.0级地震前孕震区内一系列中小地震P轴方位角CV值震前有一个上升-下降-上升的过程,表明应力轴的空间取向发生了变化,强震发生前应力场有明显的调整过程;CV值空间分布的非均匀性特征在龙门山断裂带南段有显著的增强与减弱过程,这对于发震地点可能有一定的指示意义。

中小地震的P轴方位角CV值在芦山地震前的时间演化特征,似乎比较客观地反映了震源区应力场变动情况。震源区及其附近应力场在震前很长时间里,有一个应力逐步增强和释放的过程,这种现象和岩石破裂试验中的得到的结果非常一致,但在实际应用中取多大范围内的中小地震,CV值参数多大起伏为孕震阶段特征,还需要对长期大量的资料进行积累分析才能得到。本文仅探讨了这一分析方法及应用问题,具体的震情判断指标还有许多工作要做。未来如果能在基于应力状态演化的物理背景下结合其他观测手段去进行地震预报和预测,将会更加行之有效。当然还需要更多的震例研究或更长时间的检验。

参考文献(References)

[1]Nur A.Dilatancy,Pore Fluids,and Premonitory Variations oftS/tPTravel Times[J].Bull Seism Soc Am,1973,62(5):1217-1222.

[2]Whitcomb J H,Garmany J D,Anderson D L.Earthquake Prediction:Variation of Seismic Velocities before the San Francisco Earthquake[J].Science,1973,180(4086):632-635.

[3]Scholz C H,Sykes L R,Aggrawal Y P.Earthquake Prediction:A Physical Basis [J].Science,1973,181(4102):803-810.

[4]Lund B ,Townend J.Calculating Horizontal Stress Orientation with Full or Partial Knowledge of the Tectonic Stress Tensor [J].Geophys J Int,2007,170(3):1328-1335.

[5]陈颙.用震源机制一致性作为描述地震活动性的新参数[J].地球物理学报,1978,2(3):39-47.

CHEN Y.Consistency of Focal Mechanism as a New Parameter in Describing Seismic Activity [J].Chinese Jourmal of Geophysics,1978,2(3):39-47.(in Chinese)

[6]王凯英,马瑾,顾国华,等.1996年川滇地区发生的一次应力转向事件[J].地学前缘,2003,10(增刊):233-240.

WANG Kai-ying,MA Jin,GU Guo-hua,et al.Rotation of Stress Axis in Sichuan—Yunnan Region in 1996[J].Earth Science Frontiers,2003,10(Supp):233-240.(in Chinese)

[7]王俊国,刁桂苓.千岛岛弧大震前哈佛大学矩心矩张量(CMT)解一致性的预测意义[J].地震学报,2005,27(2):178-183.

WANG Jun-guo,DIAO Gui-ling.Consistent CMT Solutions from Harvard university before the Great Earthquakes in Kurile Islands and Its Significance for Earthquake Prediction[J].Acta Seismologica Sinica,2005,27(2):178-183.(in Chinese)

[8]泽仁志玛,刁桂苓,李志雄,等.大震前显示的地震震源机制趋于一致的变化[J].地震,2010,30(1):108-114.

ZEREN Zhi-ma,DIAO Gui-ling,LI Zhi-xiong,et al.Consistent Distribution of Stress before Strong Earthquake from Focal Mechanism[J].Earthquake,2010,30(1):108-114.(in Chinese)

[9]付虹,王绍晋,王赟赟,等.1999—2001年云南几次中强震前应力场方向动态变化及其预测意义[J].地震研究,2004,27(增刊):7-13.

FU Hong,WANG Shao-jin,WANG Yun-yun,et al.The Dynamic Variation of the Stress Field before Several Mid-strong Earthquakes from 1999 to 2001 in Yunnan and Its Prediction Significance[J].Journal of Seismological Research,2004,27(Supp):7-13.(in Chinese)

[10]付虹,王绍晋,李丽,等.滇中地区震源机制一致性参数时空分布与强震活动[J].地震研究,2011,34(2):113-118.

FU Hong,WANG Shao-jin,LI Li,et al.Spatial-temporal Distribution of the Parameters of the Focal Mechanism and Strong Seismicity in Central Yunnan[J].Journal of Seismological Research,2011,34(2):113-118.(in Chinese)

[11]郭祥云.中小地震震源机制解的测定及其在地震趋势分析中的应用[D].北京:中国地震局地球物里研究所,2014.

GUO Xiang-yun.Small and Moderate Earthquakes Focal Mechanism Solutions Measurement and Its Application in Earthquake Trend Analysis[D].Beijing:Institute of Geophysics,CEA,2014.(in Chinese)

[12]周永胜,何昌荣.汶川地震区的流变结构与发震高角度逆断层滑动的力学条件[J].地球物理学报,2009,52(2):474-484.

ZHOU Yong-sheng,HE Chang-rong.The Rheological Structures of Crust and Mechanics of High-angle Reverse Fault Slip for WenchuanMS8.0 Earthquake[J].Chinese Journal of Geophysics,2009,52(2):474-484.(in Chinese)

[13]柳畅,朱伯靖,石耀霖.粘弹性数值模拟龙门山断裂带应力积累及大震复发周期[J].地质学报,2012,86(1):157-169.

LIU Chang,ZHU Bai-jing,SHI Yao-lin.Stress Accumulation of the Longmenshan Fault and Recurrence Interval of Wenchuan Earthquake Based on Viscoelasticity Simulation[J].Acta Geologica Sinica,2012,86(1):157-169.(in Chinese)

[14]赵翠萍,顾瑾平,白彤霞.新疆伽师强震群震源应力环境分析[J].中国地震,2001,17(3):289-298.

ZHAO Cui-ping,GU Jin-ping,BAI Tong-xia.The Analysis of Focal Stress Environment of Jiashi Strong Earthquake Swarms in Xinjiang[J].Earthquake Research in China,2001,17(3):289-298.(in Chinese)

[15]Chen Y,Li L,I i J,et al.Wenchuan Earthquake:Way of Thinking is Changed[J].Episodes,2008,31:374-377.

CVValue Variation of P-axis Azimuth for Small to Moderate Earthquakes before the LushanMS7.0 Earthquake in Sichuan

GUO Xiang-yun1, CHEN Xue-zhong1, LI Yan-e1, WANG Sheng-wen2

(1.InstituteofGeophysics,CEA,Beijing100081,China; 2.FirstCrustMonitoringandApplicationCenter,CEA,Tianjin300180,China)

Abstract:In the preparation process of a strong earthquake,at the potential source area and its vicinity,the tectonic stress field can be enhanced by local tectonic activities.There will be a space-time adjustment of the stress field with the background of a stable regional stress field.To detect the crustal stress state of the study area,in this paper we analyze the focal mechanism data of small to moderate earthquakes that occurred at the epicenter of the Lushan MS7.0 earthquake and its surrounding areas more than ten years before the Lushan earthquake.We obtained the focal mechanism solutions of the small to moderate earthquakes using the Hardebeck and Shearer (HASH) method,then used the CV value of the P-axis azimuth (the ratio of the standard deviation to its average) to identify the stress field change.The results show that the stress field obviously changed at the seismic source and its surrounding areas with time.The P-axis azimuth CV values of the small to moderate earthquakes exhibited a rise-decline-rise process prior to the Lushan M7.0 earthquake,which means that there was a long period of stress accumulation before the M7.0 earthquake,consistent with the results of many previous studies.The CV values and apparent stress had the same tendency changes,which objectively reflect the changes in the stress field in the process of earthquake preparation.This study demonstrates that there is a certain relationship between the occurrence of strong earthquakes and the change in the P-axis azimuth CV values of small and moderate earthquakes.

Key words:focal mechanism solution; P-axis azimuth; CV value

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0242

中图分类号:P315.3

文献标志码:A

文章编号:1000-0844(2016)02-0242-07

作者简介:郭祥云(1975-),女,山西洪洞人,高级工程师,现主要从事地震监测与预报方面的研究工作。E-mail:guoxiangyun@cea-igp.ac.cn

基金项目:中国地震局行业专项(201408014);中国地震局地球物理研究所基本科研重大专项(DQJB11C11)

收稿日期:①2014-10-31