云南地區(qū)前震時空分布及其統(tǒng)計特征研究

趙小艷 孫楠 蘇有錦

云南省地震局，昆明市北市區(qū)北辰大道 650224

0 引言

國際地震學(xué)與地球內(nèi)部物理學(xué)協(xié)會(IASPEI)下屬的地震預(yù)測分委員會對各國專家自己提名的有意義的37項(xiàng)地震前兆進(jìn)行評審，最終認(rèn)定了5項(xiàng)有意義的地震前兆，前震即為其中的第一項(xiàng)(陳運(yùn)泰，2007)。在所有的地震短臨前兆中，前震是學(xué)術(shù)界公認(rèn)的預(yù)測強(qiáng)震最有效的方法之一(Jones et al，1979)。在我國具有明顯減災(zāi)實(shí)效和社會顯示度的多次地震短臨預(yù)測中，直接前震的貢獻(xiàn)也是顯而易見的，如1975年2月4日遼寧海城7.3級地震、1995年7月12日云南孟連7.3級地震、1999年11月遼寧岫巖5.6級地震等(王林瑛等，2006)。由此可見，前震在地震預(yù)測尤其是短臨預(yù)測中具有顯著的優(yōu)勢和作用。將前震應(yīng)用于地震預(yù)測中存在的主要問題是，在主震發(fā)生前如何識別前震活動。已有的研究結(jié)果表明，盡管部分前震在某些特征方面表現(xiàn)出與一般震群的差異性(吳開統(tǒng)等，1990;崔子健等，2012;程萬正等，2003a;Chen et al，2013)，但到目前為止，也沒有一種通用的、有效且可以從一般地震活動背景中識別前震的方法和技術(shù)手段。

全球前震比例存在巨大差異，這種差異可能與前震定義的不確定性有關(guān)。但在同一前震定義條件下得出的不同地區(qū)發(fā)生前震的概率不同是真實(shí)存在的，如Michel等(2013)發(fā)現(xiàn)板間地震的前震序列要顯著多于板內(nèi)地震;南加州5個不同分區(qū)M≥5.0地震前震比例有顯著差異，從15% ～40%不等(蘇怡之，1991);Maeda(1996)研究發(fā)現(xiàn)1961～1988年在日本附近發(fā)生的M＞5地震中，平均37%的地震有前震現(xiàn)象，其中又以伊豆地區(qū)的比例最高(57%)。

云南地區(qū)地震活動十分頻繁，2011年以來發(fā)生過多次有前震活動的強(qiáng)震，如2011年3月盈江5.8級、2011年6月騰沖5.2級、2013年8月香格里拉5.9級地震。但歷史上云南地區(qū)中強(qiáng)地震前的前震活動狀態(tài)尚無人研究。本文利用云南地區(qū)地震目錄，挑選出1965年以來云南地區(qū)M≥5.0地震前有前震的震例，分析了前震空間分布及其構(gòu)造差異性、前震與主震震級差、前震與主震時間間隔及其空間距離等統(tǒng)計特征。

1 前震的定義及數(shù)據(jù)分析

前震是指震前發(fā)生在大震(相對意義)震源區(qū)內(nèi)與大震有關(guān)的一些地震，但到目前為止仍沒有統(tǒng)一的定義。早期的一些研究者認(rèn)為主震發(fā)生前數(shù)天乃至數(shù)月、且距離主震震中幾十千米以內(nèi)的地震都是前震;而目前多數(shù)震源物理學(xué)家則認(rèn)為只有距離主震震中很近(數(shù)千米或更近)、且發(fā)生在主震之前的地震才是真正意義上的前震(倪四道等，2010)。根據(jù)震源物理的前震定義，并考慮到前震在地震預(yù)測中的實(shí)際作用以及云南地區(qū)歷史地震的監(jiān)測能力(蘇有錦等，2003;劉麗芳等，2012)，在本文中我們將前震定義為:發(fā)生在主震震源(破裂)區(qū)內(nèi)、主震前半年時間內(nèi)、震級差≥0.5且震級≥2.5的地震。主震震源(破裂)區(qū)采用余震區(qū)震中分布范圍來確定。對于沒有余震序列的主震，采用庫侖破裂經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)不同震源機(jī)制類型地震的破裂長度計算不同主震的經(jīng)驗(yàn)破裂區(qū)(Donald et al，1994)。

根據(jù)上述前震定義，利用云南省地震局匯編的云南地震臺網(wǎng)測定的1965年以來云南小震月報目錄①云南省地震局，2014，云南地震目錄(區(qū)域臺網(wǎng))，對1965～2014年發(fā)生在云南地區(qū)(20°～29°N，97°～106°E)共計 223次M≥5.0地震的前震進(jìn)行了挑選和統(tǒng)計，共挑選出具有前震的震例74次(61組)，占主震事件總數(shù)的33.2%，其中有25次(11組)為震群型主震。

1965～2014年發(fā)生在云南地區(qū)(20°～29°N，97°～106°E)共計 223次M≥5.0地震，其中M≤5.9地震178次，6.0～6.9級地震35次，M≥7.0地震10次。有前震的地震震級分類情況如下:M≤5.9地震57次;6.0～6.9級地震12次;M≥7.0地震5次，這5次地震分別是1976年龍陵7.4、7.3級，1988年瀾滄7.6級、耿馬7.2級和1995年孟連7.3級地震。圖1(a)給出了云南地區(qū)不同震級檔地震具有前震的比例。由圖1(a)可見，震級M≤5.9、M6.0～6.9的主震前發(fā)生前震的概率差別不大，而M≥7.0地震前發(fā)生前震的比例較高，這種偏高可能是由于這5次7級地震中有4次是以震群形式發(fā)生的。如果將震群型地震視為1次地震，則1965～2014年共發(fā)生M≥5.0地震183次，其中M≤5.9地震145次，6.0～6.9級地震30次，M≥7.0地震8次;在61次有前震的地震中，M≤5.9地震48次，6.0～6.9級地震10次，M≥7.0地震3次。由此可見，與前一種情況相比M≤5.9、M6.0～6.9檔主震具有前震的比例無明顯差異，而M≥7.0檔的比例明顯減小(圖1(b))。

2 前震分布的時空特征

圖1 云南地區(qū)不同震級檔主震具有前震的比例

在印度板塊和歐亞板塊碰撞下的阿薩姆鍥體的作用造成了川滇地區(qū)不同塊體的非均勻運(yùn)動，進(jìn)而形成川滇地區(qū)不同塊體地震活動水平、地震類型、地震錯斷類型的差異性(程萬正等，2003b)。云南地區(qū)深大斷裂發(fā)育，有以NS向?yàn)橹鞯呐?、瀾滄江、程海、元謀-綠汁江和小江等斷裂以及NW向的金沙、紅河斷裂(蘇有錦等，1999)。這些斷裂構(gòu)成了云南地區(qū)的主要構(gòu)造格架，根據(jù)這些斷裂的展布、地震活動在邊界帶的成帶性以及各地塊內(nèi)部構(gòu)造、活動的整體性等將云南地區(qū)從東到西劃分為6個次級地塊，即滇東地塊、滇中地塊、印支地塊、鹽源-麗江地塊、耿馬-瀾滄地塊和騰沖-保山地塊(圖2)。

圖2 云南地區(qū)前震及對應(yīng)主震、歷史地震震中分布

圖2給出了74次(61組)前震、對應(yīng)主震以及云南地區(qū)1965年以來的M≥5.0地震震中分布。由圖2可見，云南地區(qū)有前震的地震分布極不均勻，具有空間叢集性，絕大部分地震分布在紅河斷裂帶以西地區(qū)。為弄清不同構(gòu)造分區(qū)前震比例的分布特征，我們統(tǒng)計了上述6個分區(qū)前震的比例(表1)。統(tǒng)計結(jié)果顯示，M≥5.0地震前發(fā)生前震比例最高的地區(qū)是瀾滄-耿馬地塊，其次是與其相鄰的騰沖-保山地塊，比例最低的是滇中地塊、印支地塊。

崔效鋒等(2006)根據(jù)震源機(jī)制解、斷層滑動反演資料和水壓致裂應(yīng)力測量等應(yīng)力數(shù)據(jù)點(diǎn)的空間分布認(rèn)為，川滇地區(qū)存在2條近NS向的應(yīng)力轉(zhuǎn)換帶，其中東邊的應(yīng)力轉(zhuǎn)換帶與川滇菱形塊體的東邊界相吻合;西邊的應(yīng)力轉(zhuǎn)換帶與川滇菱形塊體的西邊界——紅河斷裂帶南段并不完全一致，而是與NNW向的營盤山斷裂帶相重合。根據(jù)上述2條應(yīng)力轉(zhuǎn)換帶的位置，則瀾滄-耿馬地塊、騰沖-保山地塊位于西邊應(yīng)力轉(zhuǎn)換帶的西側(cè)，在有些研究中將這2個地塊合稱為滇西地塊(皇甫崗等，2007)或密支那-西盟塊體(程萬正等，2003b)，它們具有相同的動力源，即NE向運(yùn)動的印度板塊在喜馬拉雅“東構(gòu)造結(jié)”阿薩姆弧以南地區(qū)派生的近NEE向分量的作用。此外，這2個地塊在速度結(jié)構(gòu)上均為上地殼低速區(qū)(蘇有錦等，1999)。故這2個地塊在前震活動上具有相似性，即前震比例較高，這與板內(nèi)地震的前震活動特征類似(Michel et al，2013)。地震序列和震源機(jī)制統(tǒng)計結(jié)果顯示這2個分區(qū)均為走滑-雙震型區(qū)(皇甫崗等，2007)。

表1 云南地區(qū)不同構(gòu)造塊體

滇中、鹽源-麗江和印支等地塊位于2條應(yīng)力轉(zhuǎn)換帶的中間，其中滇中地塊、印支地塊2個構(gòu)造區(qū)的前震比例屬云南最低。近年來的GPS研究認(rèn)為，川滇地塊的SSE向運(yùn)動已經(jīng)穿越了紅河斷裂帶②云南省地震局，2013，云南省2013年度地震趨勢研究報告。，沿川滇菱形塊體東邊界一直延伸到滇西南地區(qū)直至緬甸。這表明滇中地塊和印支地塊可以劃分為1個大的構(gòu)造區(qū)，故二者的地震活動具有一定的共性特征，即前震不發(fā)育且地震序列多為主-余型(皇甫崗等，2007)。

鹽源-麗江地塊長期處于裂陷環(huán)境，震源機(jī)制類型及應(yīng)力場構(gòu)造復(fù)雜(趙小艷等，2013)，滇西的維西-喬后斷裂、麗江-小金河斷裂帶、程海斷裂帶的水平最大主應(yīng)力方位有 NW和NNE向2個優(yōu)勢分布方向(謝富仁等，1994;崔效鋒等，2006)。因此，該區(qū)地震類型復(fù)雜，表現(xiàn)為震群型和雙震型占有很大的比例，且前震發(fā)育。

滇東地塊有前震的地震分布在滇東北和滇南，小江斷裂帶及其附近區(qū)域M≥5.0地震前無前震發(fā)生。該地塊受到華南地塊的強(qiáng)烈阻擋，地下介質(zhì)相對完整，地震活動水平從北到南不斷降低，北部的昭通-魯?shù)閿嗔?、馬邊斷裂地震活動強(qiáng)度大、頻度高，地震類型比南部復(fù)雜。

云南地區(qū)受到板塊碰撞的影響，表現(xiàn)為明顯的地殼增厚和縮短、高原隆升、塊體旋轉(zhuǎn)以及側(cè)向擠出等復(fù)雜的運(yùn)動、變形及其差異(王椿鏞等，2002)。不同構(gòu)造運(yùn)動及深部介質(zhì)環(huán)境可造成區(qū)域地震活動強(qiáng)弱、地震序列類型空間分布的差異性(劉建華等，1989;蔣海昆等，2006)。云南不同構(gòu)造區(qū)發(fā)生前震的比例差異可能也與區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動形式、區(qū)域深部介質(zhì)環(huán)境等因素有關(guān)。討論這一問題的難點(diǎn)在于認(rèn)識前震發(fā)生的機(jī)理。有人認(rèn)為前震僅僅是地震成核過程中的“副產(chǎn)品”，或者說是強(qiáng)震孕育過程中應(yīng)力釋放的表現(xiàn)之一，沒有特殊的物理機(jī)制(Ohnaka，1992)，總而言之，前震產(chǎn)生機(jī)理的模糊是認(rèn)識前震空間分布差異性時存在的主要困難之一。

圖3給出了上述前震及主震的M-t分布及其累計頻度。由圖3可見，具有前震的地震并沒有十分明顯的時間叢集性，除了幾個頻次較高的年份如1976、1988、1994、2001年，其余時間段的分布較為均勻。此外，在大地震前發(fā)生前震的較多，如1976年龍陵7.4、7.3級，1988年瀾滄7.6級、耿馬7.2級和1995年孟連7.3級地震前。

圖3 云南地區(qū)具有前震的主震、前震M-t圖及其累計頻度

3 前震與主震的統(tǒng)計關(guān)系研究

3.1 震級差

為了解前震與主震的震級差分布特征，本文統(tǒng)計了74次主震震級、前震震級及前震與主震的震級差(圖4)。結(jié)果顯示，前震震級最小為2.5，最大為6.2，震級為ML3.5～4.9的前震較多。全部74個震級差的結(jié)果顯示震級差為0.5～1.9的較多，其次是2.0～2.9。部分小于0.5的震級差不符合前震的定義，這是由于這些前震是1個震群的前震，震群中有個別主震的震級與前震的震級差較小所致。如果將主震震級按6.0劃分，分別統(tǒng)計主震M＜6.0、M≥6.0的震級差，發(fā)現(xiàn)二者有較大差異，即主震M＜6.0時，震級差集中分布在0.5～1.9;主震M≥6.0時，震級差為2.5～2.9的較多，表明隨著主震震級的增大，前震震級不一定會增大。

進(jìn)一步統(tǒng)計前震震級、前震-主震震級差與主震震級的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨著主震震級的增加，前震震級也隨之增加(圖5(a))，不同震級檔前震震級存在較大差異，即M≥7.0主震的前震震級均為M≥5.0，M6.0～6.9主震的前震震級為3.1～5.3，平均4.14;M＜6.0主震的前震震級為2.5～5.1，平均3.87。前震-主震震級差與主震震級不相關(guān)，主震震級 ＜6.0的震級差比較分散;主震震級為6.0～6.9的震級差較大;主震震級≥7.0的震級差比主震震級為6.0～6.9的震級差要小(圖5(b))。

3.2 時間間隔特征

圖4 云南地區(qū)具有前震的主震震級(a)、前震震級(b)及震級差(c、d、e)統(tǒng)計

圖5 主震震級與前震震級(a)及前震-主震震級差(b)的關(guān)系

圖6(a)為前震與主震時間間隔的統(tǒng)計結(jié)果。由圖6(a)可見，云南地區(qū)近40%的前震都發(fā)生在主震前10天以內(nèi)。將時間間隔在10天以內(nèi)的地震再做細(xì)分可以發(fā)現(xiàn)，近50%的地震發(fā)生在主震前1天以內(nèi)，即74次地震中有16次前震發(fā)生在主震前1天以內(nèi)，如此短的時間間隔給利用前震來預(yù)測主震帶來不小的挑戰(zhàn)。

圖6(b)為時間間隔與主震震級的關(guān)系。由圖6(b)可見，絕大多數(shù)前震都發(fā)生在主震前120天以內(nèi)，但有4個震例的前震-主震時間間隔較長，它們分別是1971年馬邊5.7級(間隔158天)、1983年巧家5.0級(間隔174天)、1987年鶴慶5.0級(間隔168天)、1994年景谷4.8、5.2級震群(間隔107、185天)，這可能是由我們的前震定義所致。鑒于云南地區(qū)中、小地震發(fā)生比例較高，故前震時間間隔的定義可限定在120天以內(nèi)。

圖6 前震與主震時間間隔統(tǒng)計(a)、時間間隔與主震震級的關(guān)系(b)

3.3 空間距離

圖7(a)給出了前震震中與主震震中空間距離的統(tǒng)計結(jié)果。結(jié)果顯示，距離最遠(yuǎn)的是1988年耿馬7.2級地震的前震，其震中距主震震中62km。此外，還有1993年景谷5級地震震群，其中1次主震震中與該震群的前震震中間距離也較遠(yuǎn)，達(dá)45km。從統(tǒng)計結(jié)果看，85%前震的震中與主震震中的距離集中分布在20km以內(nèi)，其中距離在10km以內(nèi)的前震最多，占60%。這可能是因?yàn)橹髡鸲酁镸≤6.0的地震，其破裂尺度較小。這也表明我們對于前震與主震位置的定義是合適的、恰當(dāng)?shù)?。前?主震震中距與主震震級的關(guān)系見圖7(b)。

圖7 前震震中與主震震中的距離統(tǒng)計(a)、距離與主震震級的關(guān)系(b)

4 結(jié)論與討論

本文根據(jù)震源物理的前震定義，對1965～2014年發(fā)生在云南地區(qū)(20°～29°N，97°～106°E)共計223次M≥5.0地震的前震進(jìn)行了挑選和統(tǒng)計，共選出具有前震的震例74次，并分析了前震及其主震的時空分布特征，統(tǒng)計了不同構(gòu)造分區(qū)M≥5.0地震的前震比例，并從前震-主震震級差、時間間隔、空間距離等3個方面對前震與主震的相互關(guān)系進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論:

(1)云南地區(qū)約33.2%的M≥5.0地震前會發(fā)生前震，不同震級檔發(fā)生前震比例的差異較小。

(2)云南不同構(gòu)造區(qū)前震的比例差異較大，比例最高的地區(qū)是瀾滄-耿馬地塊，其次是與其相鄰的騰沖-保山地塊，比例最低的是滇中地塊和印支地塊。區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動形式、區(qū)域深部介質(zhì)環(huán)境可能是導(dǎo)致這一差異的主要原因。

(3)74個震級差的統(tǒng)計結(jié)果顯示，震級差為0.5～1.9的較多，其次是2.0～2.9。M＜6.0主震的震級差集中分布在0.5～1.9;M≥6.0主震的震級差為2.5～2.9的較多。

(4)云南地區(qū)近40%的前震都發(fā)生在主震前10天以內(nèi)，其中又以1天以內(nèi)的前震居多，如此短的時間間隔給利用前震預(yù)測主震帶來困難。研究表明，前震也符合類似于余震的大森定律，即離主震時間越近，地震越頻繁，但主震之前會有短暫的平靜現(xiàn)象。因此，如果對前震-主震序列的時間演化規(guī)律有足夠的了解，由前震序列的演化過程推斷主震發(fā)生的時刻也是有可能的(倪四道等，2010)。

(5)85%前震的震中與主震震中的距離集中分布在20km以內(nèi)，其中10km以內(nèi)的前震最多，占60%;

(6)盡管前震震級、前震-主震時間間隔、距離等均與主震震級不相關(guān)，但在識別出可靠的前震后，可以根據(jù)震級差(0.5～2.9)、時間間隔(10天)、距離的優(yōu)勢分布(20km以內(nèi))等償試對主震做出一定程度的預(yù)測。