2017年九寨沟7.0级地震前应力状态及b值异常特征研究

姜佳佳,冯建刚,2

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000;2.甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000)

0 引言

Gutenberg-Richter公式反映了区域内地震震级与活动频次之间的关系[1],其中b值表示区域内各个震级档地震次数间的比例关系,可用来表征研究区域的介质特征和应力状态[2-5]。b值的异常变化与大地震的发生有一定的相关性[6],b值偏低时,介质内部应力较高,导致大破裂发生的可能性会增大,两者之间呈反相关[2-3]。李全林等[4]研究认为,介质承受平均应力的程度和接近强度极限的程度可用b值的高低表示,活动断裂带不同段落现今应力积累的相对水平也可用b值空间分布的高低程度揭示和推断,可能存在的凹凸体也可参照b值的大小来圈定,据此可进一步判断现今活动断裂带的强震危险性。另外,b值可以作为所研究区域的地质构造指标[7]。b值的高低与断层的尺度有关系,尤其是断层的宽度W,断层宽度与震级大小呈正相关,震级越大,断层宽度越大,当震级大到lgM0= 27.2(M0为地震矩,该值单位为10-7N·m)时,b值会明显增大[8]。

2017年8月8日四川九寨沟地区发生7.0级地震,震中位于东昆仑断裂带东端与岷山构造带交汇部位,构造上处于青藏高原东缘的巴颜喀拉块体东北部。该区域历史强震频发,最近三百多年相继发生了1713年叠溪7.0级地震、1748年漳腊北6级地震、1933年叠溪7级地震、1938年松潘6.0级地震、1960年漳腊6级地震,以及1976年松潘—平武7.2、6.7、7.2级地震[9,10](图1)。自1976年之后该地区进入平静期,九寨沟7.0级地震是该地区时隔41年来的又一次7级以上强震。国内外很多学者对于大地震之间的关系进行了研究,结果表明强震之间存在相互影响和相互作用的关系,主要表现在应力变化方面。Freed[11]和King等[12]研究表明强震所引起的同震或震后应力场变化,会使库伦应力增加区域的断层上负荷加载,促进地震的发生;反之则会推迟地震发生的时间。

本文依据前人研究成果分析了九寨沟地震前的应力状态,并采用中国地震台网观测资料,通过扫描计算得到了九寨沟7.0级地震前震源区及邻区地震b值的空间图像,并在误差分析的基础上,总结了该区域震前b值的异常特征,为今后地震b值在该区域强震危险性判定中的应用积累了经验。

1 九寨沟7.0级地震构造背景及应力状态分析

从大区域的构造背景来看,印度板块以40～50 mm/a的相对速率俯冲于欧亚板块之下,经历50～55百万年的时间造就了平均海拔超过4 000 m的青藏高原和广泛发育的活动断裂系统[13]。青藏高原向东运动与四川盆地挤压碰撞,使巴颜喀拉块体东缘形成了陡立的地貌特征和复杂的构造格局[14](图1),而松潘—甘孜块体就处于巴颜喀拉块体东缘,该块体记录了青藏高原向东北的运动过程和该区域新生代以来陆陆碰撞的远程效应[15-16]。本次九寨沟7.0级地震就发生在晚第四纪构造活动强烈的巴颜喀拉块体东缘。

图1 九寨沟7.0级地震附近区域活动构造与历史地震分布(据文献[17])Fig.1 Distribution of active faults and historical earthquakes around the epicenter area of the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake (After reference[17])

从九寨沟7.0级地震的发震位置来看,位于岷山构造带与东昆仑断裂带东端的交汇区域,附近主要断裂有岷江断裂、虎牙断裂与塔藏断裂[17]。对于九寨沟7.0级地震具体的发震构造目前主要倾向于三种结论。易桂喜等[17]研究了九寨沟7.0级地震震源机制解,结果显示本次地震和其余震的发震断裂为树正断裂,该断裂位于塔藏断裂与岷江断裂之间,其性质为左旋走滑。季灵运等[20]通过对本次地震的研究揭示:本次地震同震位错以左旋走滑为主,大部分余震发生在库仑应力増加的区域;从构造上看是巴颜喀拉块体南东向运动与华南块体碰撞的结果,其发震断裂为树正断裂,该断裂可能属于虎牙断裂向NW方向延伸的一部分。付国超等[21]研究认为,九寨沟7.0级地震属于走滑型地震,是晚第四纪以来塔藏断裂活动的表现,发震断裂可能是塔藏断裂的一条分支。谢祖军等[22]通过对该地震的构造背景及库仑应力场等分析认为,本次地震震中位于东昆仑断裂带的转换区域,震源参数显示其性质为左旋走滑,与震中东北边的塔藏断裂性质较为一致,但位置不符;从发震位置来看,震中位于虎牙断裂西北端延长线附近,但其性质与虎牙断裂的性质不符;目前,众多专家的研究并未给出较为统一的发震断层。

从历史地震活动来看,九寨沟地震周边区域的强震活动较为活跃:虎牙断裂在1973—1976年间发生了4次大于6.5级的强震,其中含有1976年8月16日至23日松潘—平武7.2级、6.7级、7.2级三次地震组成的强震群[23-25];岷江断裂自20世纪以来也发生了2次强震,分别为1933年叠溪7.5级地震和1960年漳腊6.7级地震;此外,2008年5月12日,位于松潘—甘孜块体东南的龙门山断裂带上发生了汶川8.0级地震;2013年4月20日芦山又发生了7.0级地震(图1)。上述表明,研究区域主要断裂上都存在发生强震的可能。

从应力角度研究发现,强震的发生会引起震源区及周边区域断层上应力的加载或卸载,而周边区域和断层上应力的变化会促进和延迟后续地震的发生,因此可用强震同震及震后形变引起的应力变化来定量描述强震间的相互作用,并据此来研判相关断裂带及区域的危险性,为震情判定提供参考依据[26]。徐晶等[27]分析了巴颜喀拉块体东端历史强震的相互作用,认为1976年以来历史地震对于2017年九寨沟7.0级地震的发生具有促进作用,历史强震引起的应力变化在触发阈值附近波动。熊维等[13]基于历史地震资料和岩石圈黏弹性分层介质模型,计算得到了1654年以来研究区历史地震序列同震及震后效应对九寨沟7.0级地震的影响,结果显示1654—2008年间历史强震的同震及震后效应引起了2017年九寨沟地震震源区的累积库伦应力增加,促进了九寨沟7.0级地震的发生。万永革等[23]研究了巴颜喀拉地块东端1976年松潘地震序列,结果显示该强震序列、特别是该序列中1976年8月16日7.2级地震对2017年8月8日九寨沟7.0级地震的发生具有显著的促进作用。单斌等[28]研究认为汶川地震造成的同震及震后应力变化显著增强了九寨沟地震震源处的应力积累,有效的促进了九寨沟地震的发生。

综合上述分析结果显示,本次九寨沟7.0级地震受到构造活动及历史强震的影响,发生在强震引起的应力加载区域内,历史强震可能促进了九寨沟7.0级地震的发生。

2 数据及方法

2.1 数据

研究范围为九寨沟7.0级地震震源区及其邻近区域(33.3～35.6°N,101.6～106.6°E),该区域位于四川北部地区、甘川交界附近。计算九寨沟7.0级地震前震源区及邻区b值所选取的目录来自中国地震台网统一地震目录,即1990年1月1日至2017年8月7日的原始地震目录。首先对研究区域测震台网地震目录完整性进行分析,采用研究区域1990年以来ML≥1.5地震,震中分布如图2所示。通过计算得到研究区域ML≥1.5地震的震级-频度关系(图3),结果显示地震b值的拟合结果为0.97±0.016。因此,在计算研究区域b值时,采用的最小完整性震级的下限为ML≥1.9。

图2 九寨沟7.0级地震邻区小震震中分布图Fig.2 Epicenter distribution of small earthquakes in the vicinity of the Jiuzhaigou 7.0 earthquake

图3 九寨沟地震邻区地震震级-频度关系(1990-01-01—2017-08-07)Fig.3 Magnitude-frequency relationship in the adjacent area of the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake (1990-01-01—2017-08-07)

2.2 地震b值计算方法及参数选择

目前计算b值最常用方法主要有:最大似然法和最小二乘法。通过比较,最大似然法相对于最小二乘法计算相对较为简便,并且在一定程度上可以去除计算时样本中因个别较大地震所引起的b值突变,可避免个别大地震造成的较大误差,使最后得到的b值扫描结果更为科学、准确的反映研究区域的应力状态。因此,本文采用最大似然法计算九寨沟7.0级地震前震源区及邻区地震b值,在研究区域内进行网格化时,分别按0.05的步长对经纬度划分格点,选出以r为半径的圆形统计单元内ML≥1.9的地震事件。采用最大似然法[式(1)]计算各个网格点的地震b值,并且采用式(2)对b值的计算误差进行估计。

(1)

(2)

已有的研究成果揭示,进行b值空间扫描时,区域内统计单元的半径r的大小会影响b值的高低,为了得到更加可靠可信的b值,计算时要依据研究区域内地震事件分布的集中程度来设置统计单元的半径r。所以,在计算本研究区域b值时,每个统计单元内地震事件样本量要≥40个,首先将统计单元的半径r值设置为15 km,如果统计单元内的样本量<40个,不满足计算要求的条件,则将r值放大至40 km再进行计算。

3 地震b值在地震前的异常分析及特征

3.1 地震b值空间扫描结果及分析

通过对四川九寨沟7.0级地震前震源区及邻区的地震b值的空间扫描,得到了研究区域内不同网格区域的b值分布如图4所示,图中不同颜色代表了地震b值的高低。研究区域内的地震b值在0.6～1.8之间变化,存在1个明显的低b值区域(b<0.82),主要分布于塔藏断裂、岷江断裂和虎牙断裂的交汇区域。从低b值区域的大小与震级强度之间的可能关系来看,低b值异常范围越大,其强震潜在的危险性就越大[32]。2017年九寨沟7.0级地震就发生在扫描出的低b值异常区域内的边缘位置。1900年以来本次地震震源区周围100 km范围内共记录到5级以上地震19次,其中5.0～5.9级12次、6.0～6.9级4次、7.0～7.9级3次。这些地震大多发生在1977年以前,主要集中区域为本次地震东南部;1977年之后,该区域地震活动较为平静,至2017九寨沟7.0级地震前,41年间仅在2006年发生过一次5级地震,即甘肃武都、文县间5.0级地震。2017年九寨沟7.0级地震是发生在该区域长期平静的背景下。

图4 九寨沟地震前地震b值空间扫描结果Fig.4 Spatial scanning results of seismic b-value before the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake

3.2 地震b值空间扫描误差估计

本文用公式(2)来估算b值误差,从公式中可以看出,地震b值估计误差的大小与参与计算的地震震级下限、样本量多少等参数直接相关。一般来说,每个网格区域内参与计算的样本量越多,地震b值的估计误差就越小;震级下限选择必须大于等于研究区域内测震台网的最小完整性震级MC[33-37]。本文通过计算分析,得到研究区域的最小完整性震级MC≥1.6,依据该结果并结合研究区域内的实际地震样本量,将研究区域内参与b值计算的地震震级设定为ML≥1.9,结果显示参与计算b值的地震样本量≥40的网格区域占89.15%,可信度较高。图5给出了1990年1月1日至2017年8月7日地震b值空间扫描计算误差,结果显示绝大多数地震b值估计误差介于0.025～0.165之间,只有个别网格点的计算b值误差较大(>0.2),误差估计高于0.2的占3.16%。研究区域的地震b值空间扫描结果范围为0.6～1.8,本次九寨沟7.0级地震前震源区及邻区的误差相对较小(<0.09),误差均小于地震b值的变化范围,可信度较高。

图5 地震b值空间扫描计算误差分布图Fig.5 Error distribution map of seismic b-value space scanning

4 结论与讨论

通过对2017年8月8日四川九寨沟7.0级地震的发震构造、震前应力状态分析及震前震源区及邻区地震b值的空间扫描和误差分析,得到研究结果如下:

(1) 通过分析九寨沟7.0级地震发震构造和震前应力状态,结果显示本次地震是发生在历史强震引起的应力加载区域,是受到构造和历史强震影响的;主震发震构造主要倾向于震中附近的3条断裂:树正断裂、虎牙断裂和塔藏断裂。

(2) 研究区域内b值空间扫描结果显示:2017年九寨沟7.0级地震前该区域为显著的低b值异常区域;从构造上看主要位于虎牙断裂、岷江断裂和塔藏断裂交汇区域。

(3) 本次地震前震源区及邻区b值误差分析结果显示均小于0.09,小于地震b值的变化范围,可信度较高。

地震b值的空间扫描和应力分析相结合来判定地震发生的危险区域,能更有效的确定并缩小异常区域的范围,两者相结合可进一步确定强震危险区。九寨沟7.0级地震前b值扫描结果显示该区域处于低b值高应力状态;另外,通过对九寨沟7.0级地震震源区及邻区应力状态分析,该区域受到板块构造活动和历史强震活动的影响,震前也处于显著的应力加载区域,与震前地震b值空间扫描结果相符;两者均指示九寨沟7.0级地震发生在震前高应力区域。