2021年瀘縣MS6.0地震前視應(yīng)力和b值以及中小地震與地球自轉(zhuǎn)相關(guān)性分析

陳麗娟 陳學(xué)忠 龔麗文 李艷娥

1 重慶市地震局，重慶市紅黃路339號，401147

2 中國地震局地球物理研究所，北京市民族大學(xué)南路5號，100081

2021-09-16四川瀘縣(29.2°N,105.34°E)發(fā)生MS6.0地震，震中位于華鎣山褶皺斷裂帶的西南段，屬川渝交界地區(qū)[1]。瀘縣地區(qū)歷史上沒有發(fā)生過MS5.0以上地震，震中200 km范圍內(nèi)歷史最大地震為2019年四川長寧MS6.0地震，距離最近的顯著地震有1997年重慶榮昌MS5.2地震，本次MS6.0地震是該區(qū)域歷史記錄的最大地震。

很多學(xué)者通過視應(yīng)力[2]來研究強(qiáng)震前的應(yīng)力變化，并在一些強(qiáng)震前觀測到視應(yīng)力升高[3-4]。巖石破裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，古登堡-里克特關(guān)系式lgN=a-bM[5]中b值的大小與應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[6-7]，b值的降低可作為一種地震前兆異常[8]。在地震孕育過程中，隨著應(yīng)力的不斷積累，震源區(qū)在強(qiáng)震逼近前會(huì)變得極不穩(wěn)定，此時(shí)外界極小的應(yīng)力變化也可能會(huì)在震源區(qū)誘發(fā)中小地震。已有研究表明，強(qiáng)震前震源區(qū)附近均存在與地球自轉(zhuǎn)顯著相關(guān)的地震活動(dòng)現(xiàn)象[9-10]。

本文計(jì)算瀘縣地區(qū)震前的視應(yīng)力和b值變化情況，通過舒斯特(Schuster)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法和P值分析主震前震中附近地區(qū)中小震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)速率變化的相關(guān)性，分析地震前震中附近地區(qū)的不穩(wěn)定性。

1 研究區(qū)域與資料

圖1為研究區(qū)域內(nèi)地震和斷裂分布?？梢钥闯觯瑓^(qū)域內(nèi)的歷史顯著地震分布在西側(cè)，從小震活動(dòng)分布看，區(qū)域內(nèi)主要分為兩個(gè)地震群，其中一個(gè)位于威遠(yuǎn)-資中，另外一個(gè)位于榮昌-瀘縣-隆昌交界地區(qū)，本文主要對后者展開研究(圖1中紅色線條所圍區(qū)域)，圖2為研究區(qū)域內(nèi)地震M-T圖?？梢钥闯觯?009-01-01～2021-09-15該區(qū)以小震活動(dòng)為主，鮮有ML5.0以上地震發(fā)生，最大地震為2016-12-27重慶榮昌ML5.3地震；2021-07小震活動(dòng)增強(qiáng)，較顯著的地震為2021-07-23瀘縣ML4.6地震。

2 結(jié) 果

2.1 瀘縣MS6.0地震前視應(yīng)力隨時(shí)間變化特征

利用國家測震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供的波形數(shù)據(jù)，選取瀘縣MS6.0地震震中周邊2009-01-01～2021-09-15共計(jì)99個(gè)ML≥3.0地震波形計(jì)算視應(yīng)力，具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[11]。

圖3(a)給出視應(yīng)力與震級之間的關(guān)系，擬合可得lgδapp=0.623 5ML-2.693 3，相關(guān)系數(shù)為0.87?？梢钥闯?，地震視應(yīng)力隨震級的增大而增大。在分析視應(yīng)力隨時(shí)間的變化時(shí)，為了避免震級的影響，分別分析ML3.2～3.9震級檔及ML3.5～3.9震級檔視應(yīng)力隨時(shí)間的變化，對比較大范圍震級檔與較小范圍震級檔地震視應(yīng)力隨時(shí)間的變化特征是否一致。

分別使用15、10個(gè)地震的滑動(dòng)窗口計(jì)算ML3.2～3.9、ML3.5～3.9地震平均視應(yīng)力，每次滑動(dòng)1個(gè)地震，得到地震平均視應(yīng)力隨時(shí)間的變化，如圖3(b)所示?？梢钥闯觯晳?yīng)力在瀘縣MS6.0地震前經(jīng)過了約7 a的升高變化。ML3.2～3.9地震視應(yīng)力在2009～2012年約為0.25 bar，2013年開始上升，至2020年升高到0.4 bar，上升幅度約為60%，臨震前視應(yīng)力快速上升至0.5 bar，約為2012年前的2倍。ML3.5～3.9地震平均視應(yīng)力在2013年以前約為0.3 bar，至2021年初升至0.55 bar，臨震前視應(yīng)力快速上升至0.6 bar，約為2013年之前的2倍。ML3.2～3.9震級檔及ML3.5～3.9震級檔視應(yīng)力隨時(shí)間的變化趨勢基本一致。

2021-09-16瀘縣MS6.0地震前1 d，震中西側(cè)約1 km處發(fā)生一次ML3.5地震，其視應(yīng)力為1.342 bar，從圖3(a)視應(yīng)力與震級的關(guān)系可以看出，此次地震視應(yīng)力明顯高出該區(qū)前期同等震級地震視應(yīng)力。瀘縣地震前2021-07-23及2021-08-24在震中東北側(cè)約15 km處發(fā)生過ML4.6、ML3.7地震，視應(yīng)力分別為1.817 bar、0.699 bar，如圖3(a)中藍(lán)色實(shí)心圓所示，這兩次地震視應(yīng)力也高出擬合均值，但2021-09-15臨近主震前的ML3.5地震視應(yīng)力尤其突出。

表1中列出了2009-01～2021-10研究區(qū)所有ML3.5地震的視應(yīng)力結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，2021年以前ML3.5地震視應(yīng)力大小在0.130～0.387 bar之間，2021-09-15的ML3.5地震視應(yīng)力為1.342 bar，約為之前ML3.5地震視應(yīng)力的4～10倍。瀘縣MS6.0地震后發(fā)生兩次ML3.5地震，2021-09-27發(fā)生的ML3.5地震視應(yīng)力為0.219 bar,2021-10-05發(fā)生的ML3.5地震視應(yīng)力為0.198 bar，均恢復(fù)至前期水平。

表1 研究區(qū)2009-01～2021-10期間ML3.5地震視應(yīng)力結(jié)果

2.2 瀘縣MS6.0地震前b值隨時(shí)間變化特征

利用極大似然法[12]計(jì)算b值。圖4(a)為研究區(qū)2010-01-01～2021-09-15地震的G-R關(guān)系?？梢钥闯觯钚⊥陚湔鸺壙蛇_(dá)ML1.5，地震在ML1.5～4.5之間擬合較好，所以選取ML1.5～4.5地震目錄作為計(jì)算b值的資料。計(jì)算b值隨時(shí)間的變化時(shí)，以200個(gè)地震事件作為一個(gè)窗口，以10個(gè)地震事件的增量進(jìn)行滑動(dòng)。

b值隨時(shí)間的變化如圖4(b)所示，灰色部分為b值95%置信度的標(biāo)準(zhǔn)差δb?？梢钥闯?，b值經(jīng)過了7 a的下降變化過程。b值在2011年約為1.0，之后上升至1.2左右，并維持至2013-08；從2013-10開始趨勢下降，至2020-03下降至0.8，下降幅度約為33%；2020-04～2021-09維持平穩(wěn)。b值的下降對應(yīng)應(yīng)力增強(qiáng)，說明瀘縣地震前區(qū)域應(yīng)力呈現(xiàn)7 a增強(qiáng)。

綜合視應(yīng)力和b值結(jié)果，視應(yīng)力在2013～2020年上升，而b值在2013～2020年下降，兩者呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)。

2.3 瀘縣MS6.0地震前中小地震與地球自轉(zhuǎn)相關(guān)性檢驗(yàn)

利用舒斯特統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法對瀘縣MS6.0地震前中小地震與地球自轉(zhuǎn)之間的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，用P值評估其檢驗(yàn)結(jié)果，具體計(jì)算過程參考文獻(xiàn)[9]。一般認(rèn)為，P≤5%時(shí)地震是非隨機(jī)發(fā)生的，即與地球自轉(zhuǎn)相關(guān)[13]。

瀘縣MS6.0地震前震中附近ML≥2.0地震分布如圖5(a)所示；以3 a的時(shí)間窗計(jì)算P值，2個(gè)月滑動(dòng)，得到P值隨時(shí)間的變化曲線如圖5(b)所示。結(jié)果顯示，2017～2020年P(guān)值維持在20%以上的較高值，說明期間的地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)速率季節(jié)性變化沒有顯著相關(guān)性。2020-02之后P值開始下降，至2020-12降至最低值。在2020-08～2021-02期間P值低于1%，說明此時(shí)ML≥2.0地震與地球自轉(zhuǎn)速率季節(jié)性變化顯著相關(guān)，震區(qū)處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5(c)展示了P值處于低值期間研究區(qū)內(nèi)ML≥2.0地震的相位角分布，黑色粗實(shí)線為分布的最佳擬合正弦曲線?？梢钥闯觯鄶?shù)地震發(fā)生在相位角大于0°的區(qū)域，說明瀘縣地震前震中附近ML≥2.0地震發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)速率季節(jié)性變化的減速階段。臨震前P值回返到5%以上，可能是在臨震前有些地震開始失去地球自轉(zhuǎn)加速的控制而恢復(fù)隨機(jī)發(fā)生狀態(tài)。

3 討 論

盡管視應(yīng)力和b值都能反映應(yīng)力大小，但它們也受其他因素影響，當(dāng)單獨(dú)利用其中一個(gè)參數(shù)來反映地下介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，可能存在一定的不確定性。將視應(yīng)力與b值結(jié)合起來，可以更好地約束構(gòu)造應(yīng)力的變化。當(dāng)二者呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)，即視應(yīng)力上升、b值下降時(shí)，認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力增加；反之，當(dāng)視應(yīng)力下降、b值上升時(shí)，認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力減小。

瀘縣MS6.0地震前ML3.2～3.9震級檔及ML3.5～3.9震級檔視應(yīng)力隨時(shí)間的變化特征基本一致，視應(yīng)力出現(xiàn)7 a多的升高變化，至2020年升高至最初的2倍水平。視應(yīng)力在強(qiáng)震前的升高變化與許多已有的震例研究結(jié)果相似，反映了震源區(qū)內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力的增強(qiáng)過程。主震前1 d的ML3.5地震視應(yīng)力約為之前同等震級地震視應(yīng)力的4～10倍，主震后的2次ML3.5地震視應(yīng)力降低至前期同等較低水平。說明震中附近應(yīng)力在逐年上升的同時(shí)，臨震前應(yīng)力急劇上升，主震后應(yīng)力釋放，視應(yīng)力回落至較低水平。同等震級條件下視應(yīng)力高出數(shù)倍水平或許可作為一種地震前兆異常。通過地震目錄計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)ML1.5～4.5地震b值隨時(shí)間的變化發(fā)現(xiàn)，b值在震前出現(xiàn)7 a的下降變化過程，下降幅度約33%。瀘縣MS6.0地震前b值的下降與視應(yīng)力的上升呈現(xiàn)顯著的同步負(fù)相關(guān)，這種地震前視應(yīng)力與b值呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系與其他強(qiáng)震[14]相似。說明視應(yīng)力和b值結(jié)合起來能夠剔除一些不確定因素，準(zhǔn)確反映震中周邊區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的增強(qiáng)變化過程。

結(jié)合視應(yīng)力和b值結(jié)果能夠判斷該區(qū)應(yīng)力水平的增強(qiáng)變化過程，但如何判斷地震何時(shí)發(fā)生？當(dāng)震源區(qū)應(yīng)力積累到一定程度，臨近強(qiáng)震發(fā)生前，震源區(qū)處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)候外界的微小應(yīng)力變化有可能會(huì)在震源區(qū)觸發(fā)一些中小地震活動(dòng)。通過計(jì)算震中附近地區(qū)主震前ML≥2.0地震P值來研究這些中小地震與地球自轉(zhuǎn)的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，震前1 a其P值下降至1%以下，且這些低P值的大部分地震發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)減速期。這些地震與地球自轉(zhuǎn)速率季節(jié)性變化顯著相關(guān)，說明地球自轉(zhuǎn)速率變化引起的微小應(yīng)力變化觸發(fā)了震中附近的中小地震。

4 結(jié) 語

本文基于地震波形與地震目錄，計(jì)算瀘縣6.0地震前震源附近地區(qū)視應(yīng)力與b值。結(jié)果顯示，視應(yīng)力在瀘縣地震前呈現(xiàn)7 a上升變化，b值則呈現(xiàn)7 a的下降變化，二者呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性，均反映震中附近地區(qū)應(yīng)力的增強(qiáng)變化過程。通過計(jì)算P值發(fā)現(xiàn)，在震中附近地區(qū)應(yīng)力不斷增強(qiáng)的背景下，震中附近中小地震在主震前約0.5 a時(shí)間表現(xiàn)出與地球自轉(zhuǎn)顯著相關(guān)，說明瀘縣MS6.0地震前震中附近地區(qū)變得極不穩(wěn)定。