芦山地震前后龙门山断裂带南段视应力研究1

宫 悦 龙 锋 易桂喜 赵 敏 乔慧珍 王宇玺

（四川省地震局，成都 610041）

引言

2013年4月20日芦山MS7.0级地震发生在青藏高原东缘龙门山断裂带南段，该地区自1970年大邑M6.2级地震之后，未发生过MS5级以上地震，并且至少在过去的1100多年中无M≥7的大地震历史记载，属于长期缺少大震级（M≥7.0）地震事件的破裂空区（闻学泽等，2009）。芦山M7.0级地震的发生打破了该区域7级地震的平静，此次地震是继2008年汶川8.0级地震5年之后，在龙门山推覆构造带上再次发生的破坏性地震。那么在芦山地震发生之前，震源区是否有明确的地球物理响应、地震发生之后余震的应力状态如何以及序列发展趋势的判定，都是人们关注的焦点。

近年来，随着数字化地震记录的普及，反映地下平均应力水平的地震视应力值也逐渐应用于断裂带应力状态分析与地震趋势判定（吴忠良等，2002；陈学忠等，2003；易桂喜等，2011），如吴忠良等（2002）根据与Choy等（1995）类似的方法和资料来源，计算了中国大陆地震的视应力分布，得到中国大陆地震的视应力平均为0.8MPa，青藏高原东缘的视应力最高为2.6MPa，平均水平高于其邻近地区一倍以上，视应力分布与20世纪的累积地震能量分布具有一定的相关性的结果；秦嘉政等（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—2003年7月的中小地震视应力值，认为地震视应力可能具有预测地震危险性的意义；程万正等（2006）研究了四川地区的视应力特征，得到视应力值的相对高值区分布在四川南部的川滇交界和北部的川甘交界一带的结果；乔慧珍等（2006）研究了安宁河-则木河断裂带的视应力前兆特征，认为安宁河断裂带视应力相对更高；易桂喜等（2011）发现，汶川地震前龙门山断裂带中北段视应力明显偏高。笔者利用四川数字化观测台网记录到的地震波形资料，分析了本次芦山 M7.0级地震发生之前龙门山南段视应力变化特征以及芦山地震序列视应力时空分布特征，以期找到芦山地震的可能前兆信号以及地震序列的应力分布状态。

1 计算方法

1.1 视应力计算方法

视应力是平均应力下限值的一个估计（吴忠良等，2002；陈运泰，2003），定义为（Wyss等，1968）：

式中，μ为震源区介质剪切模量，通常取μ=3.0×104MPa；ES和M0分别为地震波辐射能量和标量地震矩。ES与M0之比表示单位地震矩辐射出的地震波能量。σapp值越高，震源区应力水平越高。

式（1）反应了地震视应力是单位位错辐射的地震波能量的量度，可用地震视应力对一个地区的绝对应力水平进行间接估算。为了消除个别台站异常高值对结果的影响，笔者采用了Archuleta等（1982）的方法求取视应力的平均值x与标准差Δx，并将它们作为单个地震的计算结果：

式中，N为计算使用的台站数；xi为第i个台站的计算结果。

1.2 归准化视应力

已有研究表明，视应力与震级呈正相关（乔慧珍，2005）。当研究样本的震级范围跨度大，不采取任何震级校正措施而去研究视应力的时空分布时，得到的可能是地震辐射能的时空特征而不是应力水平。因此，扣除震级影响进而还原真实的应力水平是后续研究的关键。从笔者计算的龙门山南段的地震震级与视应力关系曲线（图1）中可以看出，尽管数据较为离散，但仍有视应力随震级增大的趋势。采用线性最小二乘法拟合，得到视应力与震级的拟合关系为：

可采用下式：

来判断地震视应力的高低。

式（5）中appσ为实际视应力值，appσ′为根据式（4）换算得到的视应力值，appσΔ表征消除了震级影响的相对视应力值，称为归准化视应力。

图1 龙门山南段地震震级与视应力关系曲线Fig. 1 Relation curve between the earthquakes magnitude and apparent stress on the southern segment of Longmen Shan fault zone

另外，笔者对芦山震级序列与视应力的关系进行了计算，得到的地震震级与视应力关系曲线如图（2）所示，采用线性最小二乘法拟合，得到的拟合关系为：

再利用式（5）可计算出该地震序列归准化视应力值。

图2 芦山地震序列地震震级与视应力关系曲线Fig. 2 Relation curve between earthquakes magnitude and apparent stress of the Lushan earthquake sequence

2 资料

选择2008年汶川地震后至芦山地震前龙门山断裂带南段（图3中多边形所示范围）36次ML3.0级以上地震，以及46次ML4.0级以上芦山地震余震。使用震中距≤200km的台站，选取记录清晰、信噪比较高的波形数据，经扣除仪器响应和滤波后，按上一节的方法进行了视应力的计算。计算中所使用的地震和台站如图3所示。

图3 芦山7.0级地震M3.5级以上余震震中分布图和芦山地震之前龙门山南段ML3级以上地震震中分布及台站分布图Fig. 3 Distribution of aftershocks and foreshocks of Lushan 7.0 earthquake on the southern segment of Longmen Shan fault zone

3 地震视应力时空变化特征

3.1 芦山地震前龙门山断裂带南段视应力时空分布特征

从汶川地震之后至芦山地震之前5年时间内该地区视应力appσ、appσΔ值随时间变化趋势（图4）可以看出，从汶川地震之后到2009年9月之间，appσΔ与appσ波动比较大，认为可能是受汶川地震的影响，之后，汶川地震对该区域的影响趋于结束，该区域的视应力值处于比较稳定的状态。从龙门山南段视应力值的空间分布（图5）可以看出，视应力的高值区主要沿中央断裂分布，主要分布在未来芦山地震主震的西南侧，后山断裂视应力不高，结合时空分布图来看，在芦山地震之前，出现过视应力明显增高的现象，有应力水平上升的调节过程。尤其是发生在2012年10月19日的天全—芦山间ML4.6级地震视应力值远高于拟合趋势线，明显处于拟合趋势线上方（图1），说明该段在芦山地震之前已有一定的应力积累，具备发生中-强地震的应力条件（易桂喜等，2013）。

图4 芦山地震前龙门山南段ML>3.0级地震的σapp与Δσapp随时间变化趋势Fig. 4 Temporal variation of σapp and Δσapp of ML>3.0 earthquakes on the southern segment of Longmen Shan fault zone before Lushan earthquake

图5 芦山地震前龙门山南段ML>3.0级地震视应力值的空间分布Fig. 5 Spatial distribution of apparent stress of ML>3.0 earthquake on the southern segment of Longmen Shan fault zone before Lushan earthquake

3.2 芦山地震序列视应力时间分布

σapp和震级随时间的变化如图6所示。第二节已经提过，视应力大小与震级大小具有相关性，震级较高的地震视应力较高，反之亦然。当这种相关性被打破时，可视为异常，乔慧珍（2005）曾利用这种相关性的被打破，对鲁甸地震序列进行研究，得到“地震序列中视应力的变化，尤其是视应力和震级相关性的被打破，可以作为双震以及强余震的预测依据”。对于本次芦山地震序列，由图6所示的变化曲线可以看出，也存在几次这种相关性被打破的现象发生：4月20日9点04分和9点10分的两次地震，震级均为ML4.3级未变，但是视应力却从0.45MPa增加到1.16MPa，随后即发生了9点11分的ML5级地震，但是该ML5级地震的视应力仅为0.59MPa，远低于之前的ML4.3级地震，达到0.57MPa；随后，震级下降到ML4.5，视应力却反增加到0.64MPa，其后即发生9点37分的ML5.1级地震；在这次强余震发生之后，震级从9点39分的ML4.9级降低到10点01分的ML4.1级，视应力却从0.68MPa增加到1.01MPa，增值达到0.33MPa，2小时候之后即发生ML5.3级强余震。还有异常发生在 4月20日的18点58分和19点12分，这两次地震震级分别为ML4.6级和ML4.8级，其视应力却仅为0.44MPa和0.56MPa，远低于该两次地震之前17点45分的ML4.7级地震视应力1.1MPa和之后21日00点14分的ML4.5级地震视应力0.65MPa，随后，在21日04点53分，发生ML5.4级强余震，并在21日当天11点59分和17点05分，分别发生两次ML5.2级地震。以上分析表明，地震序列中视应力的突升突降变化，视应力与震级相关性的被打破，都可视为序列中强余震的预测依据。

从芦山地震序列Δσapp的时间变化曲线（图7）可以看出，在主震后3个小时，序列视应力即有明显的下降。在此之后，虽然视应力呈起伏变化，但是总体依旧低于主震后2个小时内的视应力水平，呈下降趋势。从这两个不同时段的视应力水平可以看出，在主震发生后的一个比较短的时间内，有一个应力大幅度释放的过程，这也进一步说明，视应力参数的确可以反映一定地区的应力变化过程及其所处的状态（钱晓东等，2007）。

图6 芦山序列M≥3.5级地震appσ和震级随时间变化的分布图Fig. 6 Variation of σapp of M≥3.5 earthquakes of Lushan sequence and magnitude with time

图7 芦山序列M≥3.5级地震appσΔ随时间变化的分布图Fig. 7 Variation of Δσapp of M≥3.5 earthquakes of Lushan sequence with time

3.3 芦山地震序列视应力空间分布

从插值后的appσΔ空间分布（图8）可以看出，两个具有高视应力水平的区域分布在主震的西南方向，说明主破裂可能向西南段扩展，且这两个高值区分布在整个余震区东南边缘，结合断裂的北西倾向，该两个高视应力区正好分布在该断层面与华南地块紧密接触的边缘；主震以北区域的视应力则相对较低，说明该段不是破裂的主体方向。同时笔者也注意到，主震西侧有一片视应力相对较高的区域，有可能反应了该区域分支断裂的应力状态。

图8 芦山序列Δσapp空间分布图Fig. 8 Spatial distribution of the Δσapp of Lushan earthquake sequence

4 结论

本文利用 2008—2013年四川台网数字地震记录资料，对芦山地震之前龙门山断裂带南段以及芦山地震之后序列的视应力值进行了计算分析，得到的结果表明，芦山地震之前，龙门山断裂带南段视应力存在上升过程，其中最突出的事件为2012年10月19日的天全—芦山间的地震。由于视应力可作为绝对应力水平的一个间接估计，所以可认为在芦山地震之前，龙门山南段的天全—芦山段应力水平明显升高，该段距芦山7.0级主震仅23km，因此，此次视应力增高的事件可能是芦山地震前兆。

对芦山地震序列而言，其视应力存在几次比较突出的视应力与震级相关性的被打破以及视应力的突降异常，且在震后3个小时之后，视应力即有一个明显下降的过程。可以认为，在主震发生之后的较短时间内，应力得到大幅度的释放；从序列视应力的空间分布来看，视应力高值区主要分布在主震的西南方向，说明主破裂向西南段扩展，且这两个高值区分布在整个余震区东南边缘，结合断裂的北西倾向，该两个高视应力区正好分布在该断层面与华南地块紧密接触的边缘；同时，笔者也注意到主震西侧有一片视应力相对较高的区域，反映了该区域分支断裂的应力状态；主震以北区域的视应力则相对较低，说明该方向不是破裂的主体方向。

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