青海北部中小地震视应力特征研究

刘文邦, 李启雷, 张朋涛, 屠泓为(青海省地震局, 青海 西宁 810001)

0 引言

青海北部位于青藏高原东北缘,在NEE向的阿尔金断裂带、NWW向祁连山断裂带和NWW向东昆仑断裂带等3条巨型左旋走滑断裂所围限的活动块体内部。该地区构造变形强烈,发育了大量褶皱、逆冲和走滑断裂,是高原隆升和变形最敏感的地区之一[1]。有研究表明,自1997年西藏玛尼7.5级地震以来,中国大陆围绕青藏高原巴颜喀拉地块边界发生了昆仑山口西8.1级地震、汶川8.0级地震及玉树7.1级地震等8次7级以上地震,然而,近年来一些6级以上地震未发生在巴颜喀拉地块及邻区,而是发生在青藏地块周缘的边界构造上[2]。作为巴颜喀拉块体的相邻构造区,青海北部发生了2014年10月2日青海乌兰5.1级、2015年11月23日青海祁连5.2级、2016年1月21日青海门源6.4级、2019年9月16日甘肃甘州5.0级、2019年10月28日甘肃夏河5.7级等地震,地震活动显著增强。青海北部地区的地震危险性有待进一步研究。

地震孕育过程中可能伴随着地壳应力变化,研究其变化与地震的关系是揭示地震前兆、探索具有明确物理意义的地震预报方法的途径之一。近年来,视应力是一个与震源动力学过程相关的动力学参数,可以反映区域应力场的强弱,在地壳应力场监视和地震预报中得到广泛应用[3-8]。吴忠良等[9]分析了视应力在地震危险性及地震预测中的应用。易桂喜等[10]发现芦山7.0级地震前龙门山断裂带南段发生高视应力地震。李艳娥等[11]研究了日本MW9.1地震前后破裂区地震视应力时空变化,发现震前数年裂区存在大面积视应力高值。刘红桂等[12]研究发现在云南地区,高视应力地震的发生可作为预测该地区未来发生中强地震的一个参考指标。杨志高等[13]认为水库地区蓄水前后视应力标度率存在显著变化。郑建常和张博等[14-15]通过视应力等震源动力学参数对震群类型和发震过程进行了分析。

本文利用青海北部地区的数字化地震波资料,反演计算了2010年以来青海北部地区中小地震视应力。通过分析研究及预测效能检验,得到一些有意义的结果,对青海北部地震视应力的预测指示作用有一定的认识。

1 计算方法

根据视应力(σapp)定义[16]:

(1)

式中:ES为地震辐射能量;M0为地震矩;μ为剪切能量(对于地壳介质 ,μ取3×104MPa)。由上式可知,计算地震视应力的关键是先计算地震波辐射能量和地震矩。 通过对数字波形资料进行震源谱反演分析,可计算得到地震辐射能量和地震矩。本文具体计算步骤参考文献[17]。

对中小地震,震源谱符合Brune圆盘模型[18],震源谱可表示为:

(2)

式中:Ω0为震源谱零频极限值;fC为拐角频率。当Ω0和fC给定时,式(2) 即确定。因此,确定Ω0和fC就成为震源谱计算的主要内容。地震矩M0可以根据式(3)求得:

(3)

式中:ρ为地壳介质密度(可取2.71 kg/m3);v为波速(P波取6.1 km/s,S波取3.5 km/s);d为震源距;Ω0为震源谱零频极限值;R为辐射因子。

本文所用的波形资料都为速度记录,三分向速度记录变换到频率域,利用下式可得到速度谱V(f),即:

(4)

地震能量ES可由对速度谱的平方积分求得,即:

(5)

由于地震计频带宽度的有限性,在计算过程中考虑低频和高频补偿,即:

(6)

式中:Ω0为零频极限;β为S波速度;f1、f3分别为拟合震源谱过程中选择的最低频率和最高频率,中小地震振幅谱符合Brune 模型,低频段为水平段,高频段为衰减段,计算过程中f1和f2根据实际情况在振幅谱的平坦部分选择,而f3选在振幅谱的衰减段。Ω(f3)对应频率f3的振幅值,可由将Ω0、fc和f3代入式(2)中计算理论值代替。由于地震能量由S波携带,本文主要计算S波的地震能量。

对某一地震,由于地震辐射花样及破裂方向的影响,每个台站计算结果有所不同,图1为2020年4月7日青海祁连ML3.7地震QIL、TIJ两个台站的位移谱。

图1 2020年4月7日祁连ML3.7地震QIL、TIJ两个台位移谱Fig.1 Displacement spectra of QIL and TIJ stations during the Qilian ML3.7 earthquake on April 7,2020

为了消除个别台站的异常高值对平均值的影响,在由各个台站的值求平均时采用Archuleta等的方法[19],即式中,xi为各台站的地震矩或地震能量;N为台站数;Δx为误差因子,其意义为当x以对数坐标作图时的标准差。

(7)

(8)

2 使用资料

本文使用了青海测震台网记录的青海北部2010年01月至2020年5月的ML≥3.0地震数字化波形资料,考虑到视应力计算要求,选用了震中距在180 km以内的台站,性噪比较高记录清晰的台站波形资料。对这些资料进行去倾斜及仪器响应的校正处理,选用S波段波形进行震源谱计算。图2为震中、台站及次级块体分布。

3 计算结果

利用青海区域台网地震波形资料,计算了青海北部2010年1月至2020年5月共637个ML3.0以上地震的震源谱参数,其中ML3.0～3.9地震537个,ML4.0～4.9地震85个,ML≥5.0地震15个。计算得到了它们的拐角频率、地震矩、地震辐射能量及视应力等震源动力学参数。

图2 研究区域2010年1月至2020年5月 ML≥3.0地震震中及台站分布Fig.2 Epicenter and station distribution of ML ≥ 3.0 earthquakes in the study area from January 2010 to May 2020

3.1 震源参数的标度关系

通过分析637个ML3.0以上地震的震源参数,得到震源参数与震级的标度关系,如图3所示。

如图3,震源参数与震级的拟合线性趋势明显。其中地震矩、地震辐射能量与震级均呈正相关性,拐角频率与震级呈负相关性,地震矩、地震辐射能量与震级的相关性较拐角频率及视应力与震级相关性更强。ML3.0～6.4地震的拐角频率分布在0.23～6.75 Hz,拐角频率与震级呈负相关。拐角频率反映震源尺度大小的物理量,研究发现拐角频率和震级存在相关关系,地震越大其频谱的低频成分越丰富,拐角频率越低[14]。

图3 震源参数与震级之间的标度关系Fig.3 Scaling relationship between focal parameters and magnitude

视应力分布在0.003～2.39 MPa,平均值为0.15 MPa,视应力与震级存在较明显正相关性,一般来说,震级越大视应力越高,但也存在一些低震级高视应力地震。视应力与震级间的变化关系较复杂,研究认为与断层的滑动类型、破裂过程及介质强度等有关,在介质较破碎的断层弱化带无法积累较大的应力,在坚硬的岩石层发生的地震导致应力的集中释放可以导致区域构造应力场的改变而引发地震,高应力的中小地震可以作为预测中强地震的重要参考指标之一[10-12],下面在研究视应力时空分布时,主要讨论高视应力地震与中强地震的关系。

3.2 青海北部视应力随时间变化特征

考虑到视应力与震级之间存在正相关性,将相差较大的两个震级档地震放在一起比较,很难区分震级大导致的高视应力还是高视应力地震。鉴于此,在分析视应力时空变化特征时,选取震级相近的震级档的进行视应力对比,本文通过ML3.0～3.5、ML3.6～4.0两个震级档的视应力时空变化特征,研究青海北部中小地震视应力与中强地震的关系。

由图4可知,分震级档视应力随时间变化,ML3.0～3.5震级档视应力在两个时间段视应力出现增强现象:2013—2015年间高视应力地震显著增多,尤其是多次地震视应力超过0.5 MPa,5级以上地震同步有所增强,在柴达木盆地内部发生了2013年2月12日冷湖5.1级、2013年6月5日大柴旦5.0级、2014年10月2日乌兰5.1级等地震,在祁连山地震带发生了2013年9月20日门源5.1级、2015年11月23日祁连5.2级、2016年1月21日门源6.4级等地震;2018—2019年间视应力高值异常显著,发生了2019年3月28日茫崖5.0级、2019年9月6日甘州5.0级、2019年10月28日夏河5.7级等地震。ML3.6～4.0震级档视应力变化曲线在2013年底存在突升变化,2018年前后存在高值异常,两震级档视应力均存在同步变化。

3.3 青海北部视应力的空间分布特征

如图5所示,ML3.0～3.5、ML3.6～4.0震级档视应力空间分布,两个震级档高视应力异常区集中在柴达木中东部的柴达木北中央断裂、柴达木北缘断裂、宗务隆山断裂、鄂拉山断裂附近,在附近发生了大柴旦5.0级、乌兰5.1级地震;青海东部的高视应力异常区主要分布在贵德断裂、拉脊山南缘断裂、光盖山—迭山北麓断裂、托莱山断裂等断裂附近,在其附近发生了祁连5.2级、门源6.4级、甘州5.0级及夏河5.7级地震。在空间上,绝大部分5级地震发生在高视应力异常区边缘,也有些地震与异常在空间上存在一定距离。研究认为高应力集中区的应力释放后,会引起应力快速调整并使其它地区的应力水平快速增长而引发地震,区域构造应力场快速调整,在应力场调整范围内可能发生中强地震[12],这与本文得到结论基本一致,大部分中强地震前属同构造区域对应有高视应力异常。

图4 地震序列视应力随时间变化及M-T图Fig.4 Variation of apparent stress with time and M-T diagram of the earthquake sequence

图5 研究区ML3.0～3.5、ML3.6～4.0震级档地震视应力空间分布Fig.5 Spatial distribution of seismic apparent stress of ML3.0～3.5 and ML3.6～4.0 earthquakes in the study area

3.4 高视应力异常的预测效能检验

本文针对青海北部ML3.0～4.9地震高视应力异常与5级以上地震的对应情况,进行预测效能R值检验。R=报对地震数/应报地震数-预测占用时间/统计时间段总长度,其中应报地震数为发生在给定统计区域、给定统计时段内满足震级条件的强震总数;报对地震数为统计区预测时间内发生的强震总数;预测占用时间为所有异常预测时间总和。只有当R>R0时,预测意义显著,其中R0表示考虑报准率和漏报率、置信度为97.5%时的最低R值[20]。

计算得到研究区ML3.0～4.9地震视应力平均值为0.14 MPa。本文分别以1 MPa、0.5 MPa和0.3 MPa为视应力异常阈值进行内符检验。

(1) 预测规则1:以单次视应力大于1 MPa的地震认定为异常,共有12次地震视应力大于1 MPa,以地震发生当月为异常时间,共有9组异常,如表1所列。计算R值,得到的最佳预测时间为210天,R=0.55,R0=0.37。R>R0,通过显著性检验,具有预测意义。

表1 青海北部高视应力中小地震与后续5级以上地震统计

(2) 预测规则2:以单次视应力大于0.5 MPa的地震认定为异常,共33次地震视应力大于0.5 MPa,无法通过检验。为了提高异常的信度,对同一地点或邻近区域连续发生3次以上视应力大于0.5 MPa的地震定为一次异常,以最后一次地震为异常统计时间点,共确认5组异常,计算R值,得到的最佳预测时间为480天,R=0.45,R0=0.37。R>R0,通过统计检验,具有预测意义。

(3) 预测规则3:以单次视应力大于0.3 MPa地震为异常,共80次地震视应力大于0.3 MPa,同样无法通过检验。统计发现高视应力地震年频次异常显著,2013年、2014年、2018年及2019年发生的视应力大于0.3 MPa地震频次均超过10次,地震频次明显偏高,以青海北部发生视应力大于0.3 MPa年频次大于10次为异常,共确认4组异常,计算R值,得到的最佳预测时间为300天,R=0.48,R0=0.38。R>R0,通过统计检验,具有预测意义。

在青海北部地区,发生视应力大于1 MPa的中小地震或较大范围高视应力地震年频次异常,其实就是中小地震反映了地壳应力场前兆异常的表现。高视应力异常可能是震源场前兆,如2012年9月27日发生大柴旦ML4.3地震后,2013年在震中附近发生了5.0级地震;也有可能是是区域构造场前兆,有些区域性质的中小地震发生后,区域应力场快速调整,在离震中较远的构造相关区域发生中强地震,如2015年7月26日共和ML3.2地震后,在其东北方向约130 km的托莱山—冷龙岭断裂先后发生了2015年11月23日祁连5.2级地震和2016年1月21日门源6.4级地震。较大范围高视应力地震年频次异常可能反映了地震增强活动及区域构造应力场调整的过程,2013年、2014年、2018年及2019年高视应力地震频次偏高,5级地震也相对活跃。本文通过不同预测规则下的R值评分显著性检验结果显示,高视应力中小地震对研究区域未来一段时间发生中强地震具有一定预测意义,可以发现视应力越高单次地震异常的可信度越高,同一地点发生多次高视应力地震或高视应力中小地震的年度高频次异常,均有利于青海北部地区发生中强以上地震,预测的优势时段为半年至一年。

4 结论与讨论

本文计算了2010年以来青海北部发生的ML≥3.0地震的震源参数,通过分析震源参数间的标度关系、ML3.0～3.5、ML3.6～4.0两个震级档视应力的时空特征、高视应力中小地震与中强震的对应关系及预测效能检验,主要得出以下结论:

(1) 通过分析震源参数的标度关系,地震矩、地震辐射能量与震级存在较好的正相关性;拐角频率、视应力与震级也存在明显的相关性,拐角频率随震级增大而减小,视应力随震级增大而增大。

(2) 视应力随时间变化:ML3.0～3.5震级档在2013—2015年及2018—2019年两个时间段高视应力异常显著,ML3.6～4.0震级档在2013年底和2018年前后存在高视应力异常,该时间段5级地震相对活跃。

(3) 分析视应力的空间分布特征,高视应力集中在柴达木盆地中东部的柴达木北中央断裂、柴达木北缘断裂、宗务隆山断裂及鄂拉山断裂附近,青海东部视应力异常分布在贵德断裂、拉脊山南缘断裂、光盖山—迭山北麓断裂及托莱山断裂等断裂附近。大部分5级地震发生在异常区边缘,这可能与应力场调整后发生中强地震有关。

(4) 本文通过不同预测规则的R值显著性检验,结果显示视应力越高地震异常的可信度越高,相邻区域发生多次高视应力地震或整个区域高视应力中小地震的年高频次异常,均有利于青海北部地区发生中强以上地震,预测的优势时段为半年至一年。

致谢:中国地震局地球物理研究所李艳娥副研究员提供了计算程序,在此表示感谢。