姜佳佳,馮建剛,2

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

Gutenberg-Richter公式反映了區(qū)域內(nèi)地震震級與活動頻次之間的關(guān)系[1],其中b值表示區(qū)域內(nèi)各個震級檔地震次數(shù)間的比例關(guān)系,可用來表征研究區(qū)域的介質(zhì)特征和應(yīng)力狀態(tài)[2-5]。b值的異常變化與大地震的發(fā)生有一定的相關(guān)性[6],b值偏低時,介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力較高,導(dǎo)致大破裂發(fā)生的可能性會增大,兩者之間呈反相關(guān)[2-3]。李全林等[4]研究認(rèn)為,介質(zhì)承受平均應(yīng)力的程度和接近強度極限的程度可用b值的高低表示,活動斷裂帶不同段落現(xiàn)今應(yīng)力積累的相對水平也可用b值空間分布的高低程度揭示和推斷,可能存在的凹凸體也可參照b值的大小來圈定,據(jù)此可進(jìn)一步判斷現(xiàn)今活動斷裂帶的強震危險性。另外,b值可以作為所研究區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造指標(biāo)[7]。b值的高低與斷層的尺度有關(guān)系,尤其是斷層的寬度W,斷層寬度與震級大小呈正相關(guān),震級越大,斷層寬度越大,當(dāng)震級大到lgM0= 27.2(M0為地震矩,該值單位為10-7N·m)時,b值會明顯增大[8]。

2017年8月8日四川九寨溝地區(qū)發(fā)生7.0級地震,震中位于東昆侖斷裂帶東端與岷山構(gòu)造帶交匯部位,構(gòu)造上處于青藏高原東緣的巴顏喀拉塊體東北部。該區(qū)域歷史強震頻發(fā),最近三百多年相繼發(fā)生了1713年疊溪7.0級地震、1748年漳臘北6級地震、1933年疊溪7級地震、1938年松潘6.0級地震、1960年漳臘6級地震,以及1976年松潘—平武7.2、6.7、7.2級地震[9,10](圖1)。自1976年之后該地區(qū)進(jìn)入平靜期,九寨溝7.0級地震是該地區(qū)時隔41年來的又一次7級以上強震。國內(nèi)外很多學(xué)者對于大地震之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,結(jié)果表明強震之間存在相互影響和相互作用的關(guān)系,主要表現(xiàn)在應(yīng)力變化方面。Freed[11]和King等[12]研究表明強震所引起的同震或震后應(yīng)力場變化,會使庫倫應(yīng)力增加區(qū)域的斷層上負(fù)荷加載,促進(jìn)地震的發(fā)生;反之則會推遲地震發(fā)生的時間。

本文依據(jù)前人研究成果分析了九寨溝地震前的應(yīng)力狀態(tài),并采用中國地震臺網(wǎng)觀測資料,通過掃描計算得到了九寨溝7.0級地震前震源區(qū)及鄰區(qū)地震b值的空間圖像,并在誤差分析的基礎(chǔ)上,總結(jié)了該區(qū)域震前b值的異常特征,為今后地震b值在該區(qū)域強震危險性判定中的應(yīng)用積累了經(jīng)驗。

1 九寨溝7.0級地震構(gòu)造背景及應(yīng)力狀態(tài)分析

從大區(qū)域的構(gòu)造背景來看,印度板塊以40～50 mm/a的相對速率俯沖于歐亞板塊之下,經(jīng)歷50～55百萬年的時間造就了平均海拔超過4 000 m的青藏高原和廣泛發(fā)育的活動斷裂系統(tǒng)[13]。青藏高原向東運動與四川盆地擠壓碰撞,使巴顏喀拉塊體東緣形成了陡立的地貌特征和復(fù)雜的構(gòu)造格局[14](圖1),而松潘—甘孜塊體就處于巴顏喀拉塊體東緣,該塊體記錄了青藏高原向東北的運動過程和該區(qū)域新生代以來陸陸碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)[15-16]。本次九寨溝7.0級地震就發(fā)生在晚第四紀(jì)構(gòu)造活動強烈的巴顏喀拉塊體東緣。

圖1 九寨溝7.0級地震附近區(qū)域活動構(gòu)造與歷史地震分布(據(jù)文獻(xiàn)[17])Fig.1 Distribution of active faults and historical earthquakes around the epicenter area of the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake (After reference[17])

從九寨溝7.0級地震的發(fā)震位置來看,位于岷山構(gòu)造帶與東昆侖斷裂帶東端的交匯區(qū)域,附近主要斷裂有岷江斷裂、虎牙斷裂與塔藏斷裂[17]。對于九寨溝7.0級地震具體的發(fā)震構(gòu)造目前主要傾向于三種結(jié)論。易桂喜等[17]研究了九寨溝7.0級地震震源機(jī)制解,結(jié)果顯示本次地震和其余震的發(fā)震斷裂為樹正斷裂,該斷裂位于塔藏斷裂與岷江斷裂之間,其性質(zhì)為左旋走滑。季靈運等[20]通過對本次地震的研究揭示:本次地震同震位錯以左旋走滑為主,大部分余震發(fā)生在庫侖應(yīng)力増加的區(qū)域;從構(gòu)造上看是巴顏喀拉塊體南東向運動與華南塊體碰撞的結(jié)果,其發(fā)震斷裂為樹正斷裂,該斷裂可能屬于虎牙斷裂向NW方向延伸的一部分。付國超等[21]研究認(rèn)為,九寨溝7.0級地震屬于走滑型地震,是晚第四紀(jì)以來塔藏斷裂活動的表現(xiàn),發(fā)震斷裂可能是塔藏斷裂的一條分支。謝祖軍等[22]通過對該地震的構(gòu)造背景及庫侖應(yīng)力場等分析認(rèn)為,本次地震震中位于東昆侖斷裂帶的轉(zhuǎn)換區(qū)域,震源參數(shù)顯示其性質(zhì)為左旋走滑,與震中東北邊的塔藏斷裂性質(zhì)較為一致,但位置不符;從發(fā)震位置來看,震中位于虎牙斷裂西北端延長線附近,但其性質(zhì)與虎牙斷裂的性質(zhì)不符;目前,眾多專家的研究并未給出較為統(tǒng)一的發(fā)震斷層。

從歷史地震活動來看,九寨溝地震周邊區(qū)域的強震活動較為活躍:虎牙斷裂在1973—1976年間發(fā)生了4次大于6.5級的強震,其中含有1976年8月16日至23日松潘—平武7.2級、6.7級、7.2級三次地震組成的強震群[23-25];岷江斷裂自20世紀(jì)以來也發(fā)生了2次強震,分別為1933年疊溪7.5級地震和1960年漳臘6.7級地震;此外,2008年5月12日,位于松潘—甘孜塊體東南的龍門山斷裂帶上發(fā)生了汶川8.0級地震;2013年4月20日蘆山又發(fā)生了7.0級地震(圖1)。上述表明,研究區(qū)域主要斷裂上都存在發(fā)生強震的可能。

從應(yīng)力角度研究發(fā)現(xiàn),強震的發(fā)生會引起震源區(qū)及周邊區(qū)域斷層上應(yīng)力的加載或卸載,而周邊區(qū)域和斷層上應(yīng)力的變化會促進(jìn)和延遲后續(xù)地震的發(fā)生,因此可用強震同震及震后形變引起的應(yīng)力變化來定量描述強震間的相互作用,并據(jù)此來研判相關(guān)斷裂帶及區(qū)域的危險性,為震情判定提供參考依據(jù)[26]。徐晶等[27]分析了巴顏喀拉塊體東端歷史強震的相互作用,認(rèn)為1976年以來歷史地震對于2017年九寨溝7.0級地震的發(fā)生具有促進(jìn)作用,歷史強震引起的應(yīng)力變化在觸發(fā)閾值附近波動。熊維等[13]基于歷史地震資料和巖石圈黏彈性分層介質(zhì)模型,計算得到了1654年以來研究區(qū)歷史地震序列同震及震后效應(yīng)對九寨溝7.0級地震的影響,結(jié)果顯示1654—2008年間歷史強震的同震及震后效應(yīng)引起了2017年九寨溝地震震源區(qū)的累積庫倫應(yīng)力增加,促進(jìn)了九寨溝7.0級地震的發(fā)生。萬永革等[23]研究了巴顏喀拉地塊東端1976年松潘地震序列,結(jié)果顯示該強震序列、特別是該序列中1976年8月16日7.2級地震對2017年8月8日九寨溝7.0級地震的發(fā)生具有顯著的促進(jìn)作用。單斌等[28]研究認(rèn)為汶川地震造成的同震及震后應(yīng)力變化顯著增強了九寨溝地震震源處的應(yīng)力積累,有效的促進(jìn)了九寨溝地震的發(fā)生。

綜合上述分析結(jié)果顯示,本次九寨溝7.0級地震受到構(gòu)造活動及歷史強震的影響,發(fā)生在強震引起的應(yīng)力加載區(qū)域內(nèi),歷史強震可能促進(jìn)了九寨溝7.0級地震的發(fā)生。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)

研究范圍為九寨溝7.0級地震震源區(qū)及其鄰近區(qū)域(33.3～35.6°N,101.6～106.6°E),該區(qū)域位于四川北部地區(qū)、甘川交界附近。計算九寨溝7.0級地震前震源區(qū)及鄰區(qū)b值所選取的目錄來自中國地震臺網(wǎng)統(tǒng)一地震目錄,即1990年1月1日至2017年8月7日的原始地震目錄。首先對研究區(qū)域測震臺網(wǎng)地震目錄完整性進(jìn)行分析,采用研究區(qū)域1990年以來ML≥1.5地震,震中分布如圖2所示。通過計算得到研究區(qū)域ML≥1.5地震的震級-頻度關(guān)系(圖3),結(jié)果顯示地震b值的擬合結(jié)果為0.97±0.016。因此,在計算研究區(qū)域b值時,采用的最小完整性震級的下限為ML≥1.9。

圖2 九寨溝7.0級地震鄰區(qū)小震震中分布圖Fig.2 Epicenter distribution of small earthquakes in the vicinity of the Jiuzhaigou 7.0 earthquake

圖3 九寨溝地震鄰區(qū)地震震級-頻度關(guān)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值計算方法及參數(shù)選擇

目前計算b值最常用方法主要有:最大似然法和最小二乘法。通過比較,最大似然法相對于最小二乘法計算相對較為簡便,并且在一定程度上可以去除計算時樣本中因個別較大地震所引起的b值突變,可避免個別大地震造成的較大誤差,使最后得到的b值掃描結(jié)果更為科學(xué)、準(zhǔn)確的反映研究區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。因此,本文采用最大似然法計算九寨溝7.0級地震前震源區(qū)及鄰區(qū)地震b值,在研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格化時,分別按0.05的步長對經(jīng)緯度劃分格點,選出以r為半徑的圓形統(tǒng)計單元內(nèi)ML≥1.9的地震事件。采用最大似然法[式(1)]計算各個網(wǎng)格點的地震b值,并且采用式(2)對b值的計算誤差進(jìn)行估計。

(1)

(2)

已有的研究成果揭示,進(jìn)行b值空間掃描時,區(qū)域內(nèi)統(tǒng)計單元的半徑r的大小會影響b值的高低,為了得到更加可靠可信的b值,計算時要依據(jù)研究區(qū)域內(nèi)地震事件分布的集中程度來設(shè)置統(tǒng)計單元的半徑r。所以,在計算本研究區(qū)域b值時,每個統(tǒng)計單元內(nèi)地震事件樣本量要≥40個,首先將統(tǒng)計單元的半徑r值設(shè)置為15 km,如果統(tǒng)計單元內(nèi)的樣本量<40個,不滿足計算要求的條件,則將r值放大至40 km再進(jìn)行計算。

3 地震b值在地震前的異常分析及特征

3.1 地震b值空間掃描結(jié)果及分析

通過對四川九寨溝7.0級地震前震源區(qū)及鄰區(qū)的地震b值的空間掃描,得到了研究區(qū)域內(nèi)不同網(wǎng)格區(qū)域的b值分布如圖4所示,圖中不同顏色代表了地震b值的高低。研究區(qū)域內(nèi)的地震b值在0.6～1.8之間變化,存在1個明顯的低b值區(qū)域(b<0.82),主要分布于塔藏斷裂、岷江斷裂和虎牙斷裂的交匯區(qū)域。從低b值區(qū)域的大小與震級強度之間的可能關(guān)系來看,低b值異常范圍越大,其強震潛在的危險性就越大[32]。2017年九寨溝7.0級地震就發(fā)生在掃描出的低b值異常區(qū)域內(nèi)的邊緣位置。1900年以來本次地震震源區(qū)周圍100 km范圍內(nèi)共記錄到5級以上地震19次,其中5.0～5.9級12次、6.0～6.9級4次、7.0～7.9級3次。這些地震大多發(fā)生在1977年以前,主要集中區(qū)域為本次地震東南部;1977年之后,該區(qū)域地震活動較為平靜,至2017九寨溝7.0級地震前,41年間僅在2006年發(fā)生過一次5級地震,即甘肅武都、文縣間5.0級地震。2017年九寨溝7.0級地震是發(fā)生在該區(qū)域長期平靜的背景下。

圖4 九寨溝地震前地震b值空間掃描結(jié)果Fig.4 Spatial scanning results of seismic b-value before the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake

3.2 地震b值空間掃描誤差估計

本文用公式(2)來估算b值誤差,從公式中可以看出,地震b值估計誤差的大小與參與計算的地震震級下限、樣本量多少等參數(shù)直接相關(guān)。一般來說,每個網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)參與計算的樣本量越多,地震b值的估計誤差就越小;震級下限選擇必須大于等于研究區(qū)域內(nèi)測震臺網(wǎng)的最小完整性震級MC[33-37]。本文通過計算分析,得到研究區(qū)域的最小完整性震級MC≥1.6,依據(jù)該結(jié)果并結(jié)合研究區(qū)域內(nèi)的實際地震樣本量,將研究區(qū)域內(nèi)參與b值計算的地震震級設(shè)定為ML≥1.9,結(jié)果顯示參與計算b值的地震樣本量≥40的網(wǎng)格區(qū)域占89.15%,可信度較高。圖5給出了1990年1月1日至2017年8月7日地震b值空間掃描計算誤差,結(jié)果顯示絕大多數(shù)地震b值估計誤差介于0.025～0.165之間,只有個別網(wǎng)格點的計算b值誤差較大(>0.2),誤差估計高于0.2的占3.16%。研究區(qū)域的地震b值空間掃描結(jié)果范圍為0.6～1.8,本次九寨溝7.0級地震前震源區(qū)及鄰區(qū)的誤差相對較小(<0.09),誤差均小于地震b值的變化范圍,可信度較高。

圖5 地震b值空間掃描計算誤差分布圖Fig.5 Error distribution map of seismic b-value space scanning

4 結(jié)論與討論

通過對2017年8月8日四川九寨溝7.0級地震的發(fā)震構(gòu)造、震前應(yīng)力狀態(tài)分析及震前震源區(qū)及鄰區(qū)地震b值的空間掃描和誤差分析,得到研究結(jié)果如下:

(1) 通過分析九寨溝7.0級地震發(fā)震構(gòu)造和震前應(yīng)力狀態(tài),結(jié)果顯示本次地震是發(fā)生在歷史強震引起的應(yīng)力加載區(qū)域,是受到構(gòu)造和歷史強震影響的;主震發(fā)震構(gòu)造主要傾向于震中附近的3條斷裂:樹正斷裂、虎牙斷裂和塔藏斷裂。

(2) 研究區(qū)域內(nèi)b值空間掃描結(jié)果顯示:2017年九寨溝7.0級地震前該區(qū)域為顯著的低b值異常區(qū)域;從構(gòu)造上看主要位于虎牙斷裂、岷江斷裂和塔藏斷裂交匯區(qū)域。

(3) 本次地震前震源區(qū)及鄰區(qū)b值誤差分析結(jié)果顯示均小于0.09,小于地震b值的變化范圍,可信度較高。

地震b值的空間掃描和應(yīng)力分析相結(jié)合來判定地震發(fā)生的危險區(qū)域,能更有效的確定并縮小異常區(qū)域的范圍,兩者相結(jié)合可進(jìn)一步確定強震危險區(qū)。九寨溝7.0級地震前b值掃描結(jié)果顯示該區(qū)域處于低b值高應(yīng)力狀態(tài);另外,通過對九寨溝7.0級地震震源區(qū)及鄰區(qū)應(yīng)力狀態(tài)分析,該區(qū)域受到板塊構(gòu)造活動和歷史強震活動的影響,震前也處于顯著的應(yīng)力加載區(qū)域,與震前地震b值空間掃描結(jié)果相符;兩者均指示九寨溝7.0級地震發(fā)生在震前高應(yīng)力區(qū)域。