云南地區(qū)中小地震視應(yīng)力的地震位移譜分析

云南地區(qū)中小地震視應(yīng)力的地震位移譜分析

從全球平均水平、視應(yīng)力分布看中國大陸地震視應(yīng)力地震預(yù)測研究是基于科學(xué)觀測的。根據(jù)地震發(fā)生規(guī)律及其性質(zhì)，我們可以被動地研究三個地震因素（時間、地點和地震震級）的預(yù)測過程。自20世紀70年代以來，國內(nèi)外許多地震學(xué)者從不同學(xué)科和時空尺度上研究了預(yù)測中強地震的方法，取得了許多重要的成果。20世紀80年代以來，隨著數(shù)字地震學(xué)的發(fā)展，地震視應(yīng)力的研究取得了一些進展。根據(jù)美國國家地震信息中心（nic）的振幅輻射能量測量結(jié)果和哈薩克斯坦矩心矩張量（cmt）的測量結(jié)果，本文討論了全球地震視應(yīng)力的分布，全球地震視荷載的平均值為0.5模擬。吳忠等人（2002）根據(jù)柯伊和波提沃（1995）的方法和數(shù)據(jù)來源，計算了中國大陸地震的視應(yīng)力分布。研究表明，中國大陸地震的視應(yīng)力略高于世界平均水平，而青藏高原東岸的視肥力遠高于鄰近地區(qū)。根據(jù)研究，地震視戰(zhàn)斗力的水平與地震能量釋放的總體水平有一定的相關(guān)性。黃福明和李志剛（2006）利用地震能量、地震矩陣和地震變量的經(jīng)驗公式，計算了2002-2006年至2003年7月云南地震視震源的視震源值，并相信地震的視震源可能具有預(yù)測地震風(fēng)險的重要性。黃福明和李志剛（2000）利用地震能量、地震矩陣和地震震級的經(jīng)驗關(guān)系，計算了地震震級的視畸變值。在估計地震畸變的特點時，地震視勘探區(qū)的視畸變值與強震事件發(fā)生區(qū)之間的地震視為高度之間的對應(yīng)關(guān)系。劉洪貴等人（2006）根據(jù)4-5地震序列中的中小地震視應(yīng)力特征，得出結(jié)論，這4組地震序列的視應(yīng)力具有良好的預(yù)測性特征，即強震前序列的視荷載大于1.0ma，這對評估云南地震序列的發(fā)展趨勢具有很好的意義。本文利用數(shù)字化地震波形資料,計算了云南地區(qū)一段時間內(nèi)中小地震的地震視應(yīng)力值,通過分析研究,得到了一些有意義的結(jié)果.這些結(jié)果也許不僅對于提高云南地區(qū)中強地震的預(yù)測水平有所裨益,而且也許對于研究中國大陸中強地震的預(yù)測方法亦有所啟示.1中小地震視應(yīng)力值的計算一般而言,對于某個地震事件的第j個臺站記錄,可以用下式表示:Aj(f)=S(f)Ιj(f)ΡjEj(f)Gj(f)(1)Aj(f)=S(f)Ij(f)PjEj(f)Gj(f)(1)式中,Aj(f)為頻率f處的觀測振幅譜,S(f)為地震事件的震源振幅譜,Ij(f)為臺站的儀器響應(yīng),Pj為傳播介質(zhì)的幾何擴散,Ej(f)為介質(zhì)的非彈性衰減,Gj(f)為臺站的場地響應(yīng).通過剔除臺站場地響應(yīng)、臺站儀器響應(yīng)以及介質(zhì)的路徑效應(yīng),即可得到相應(yīng)的振幅譜.Chael(1987)的研究表明,中小地震的震源位移譜很好地符合Brune的ω2模型(Brune,1970),而與ω3模型偏差很大.根據(jù)Brune的ω2模型,地震事件的震源位移振幅譜可由震源譜的低頻水平Ω0和拐角頻率fc表示,即S(f)=Ω01+(f/fc)2(2)S(f)=Ω01+(f/fc)2(2)因此,中小地震的視應(yīng)力值可以通過其震源位移譜低頻水平Ω0與拐角頻率fc來計算.具體的數(shù)學(xué)表達式為(劉紅桂等,2006)σapp=2μRθ?Ω0(πfc)3β2(3)σapp=2μRθ?Ω0(πfc)3β2(3)式中,σapp為地震視應(yīng)力;β為S波速度,根據(jù)何正勤等(2004)對云南地區(qū)地殼中上部橫波速度結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果,本文計算時取β=3.5km/s;μ為震源區(qū)介質(zhì)剪切模量,實際計算時取μ=3.0×104MPa(Choy,Boatwright,1995);Rθ?為S波的輻射圖型因子,實際計算時取Rθ?=√2/5(Andrews?1986).Rθ?=2/5???√(Andrews?1986).各臺站的場地響應(yīng)、云南地區(qū)的介質(zhì)路徑效應(yīng)均采用作者以前的結(jié)果(劉紅桂等,2006).對于每一條地震記錄,通過剔除臺站的場地響應(yīng)、介質(zhì)的幾何擴散效應(yīng)以及介質(zhì)的非彈性衰減后,即可得到其相應(yīng)的校正位移譜.然后,計算每次地震的震源位移譜低頻水平Ω0和拐角頻率fc.這兩個參數(shù)的計算應(yīng)該采用遺傳算法來反演,這樣可以顯著地減少人為因素對計算結(jié)果的可靠性影響(Moyaetal,2000).最后根據(jù)式(3)計算中小地震的視應(yīng)力值(劉紅桂等,2006).2s波的預(yù)處理本文選取1999年7月—2005年4月云南省數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄到的中小地震數(shù)字化波形資料,地震波形數(shù)據(jù)的采樣時間為0.02s.通過對數(shù)字化波形資料進行分析研究,本文選取了1020次中小地震.臺站位置與各地震的震中分布見圖1.地震波形資料選取的原則是:第一要求每一次地震至少有3個以上臺站的波形記錄;第二要求每條地震波形記錄均應(yīng)具有較高的信噪比,典型波形記錄見圖2.計算中使用的數(shù)據(jù)是每條波形記錄中的S波數(shù)據(jù).圖3為兩次典型地震的震源位移譜擬合曲線.S波數(shù)據(jù)的截取方法(Atkinson,Mereu,1992):為了保證所選取的資料包含剪切波所有重要的震相信息,對于每一條速度記錄,選取資料時均以可辨識的首個S波到時為起點,所取資料窗長應(yīng)包括整個S波能量的90%.為了獲得穩(wěn)定可靠的傅里葉譜估計,計算時采用延遲窗技術(shù)(Chael,1987),把整個資料窗分成若干個小段,每一小段數(shù)據(jù)為256個點,并以128個點為滑動窗長,在每段數(shù)據(jù)的兩端加入5%邊辨的漢寧窗,然后進行快速傅里葉變換.為了剔除噪聲的影響,取P波到時之前的256個數(shù)據(jù)點作為背景噪聲信息,同樣在兩端加入5%邊辨的漢寧窗,并進行快速傅里葉變換,在頻域中由信號譜減去噪聲譜從而得到S波的譜信息.對于每一條速度波形記錄,其每個分向(NS,EW,UD)的位移譜為(劉紅桂等,2004)A0(f)=12πf{[∑iV2i(f)]Τ/(nt)}1/2(4)式中,A0(f)為相應(yīng)的位移譜,Vi(f)為某一分向資料的第i小段速度譜,T為資料窗長度,t為第i小段資料的長度,n為整個資料窗內(nèi)小段資料的個數(shù).本文實際計算時采用水平向的位移譜(由NS向位移譜NSj(f)及EW向位移譜EWj(f)組成),即式(1)中的觀測位移譜應(yīng)為Aj(f)=√(ΝSj(f))2+(EWj(f))2(5)3視應(yīng)力值超過0.9mpa的中小地震與后續(xù)中強地震的結(jié)合點差根據(jù)前述的計算方法,本文得到了云南地區(qū)1999年7月—2005年4月共1020次中小地震的視應(yīng)力值.由于篇幅有限,各次地震的視應(yīng)力值在此不具體列出,可以參考圖4的視應(yīng)力圖.云南地區(qū)于1999年7月—2005年4月共發(fā)生了16次中強地震(包括M≥5.0的強余震).中小地震視應(yīng)力值與中強地震的時間關(guān)系見圖4.從圖4可以看出,在云南地區(qū),視應(yīng)力值超過0.9MPa的中小地震發(fā)生后,該地區(qū)發(fā)生中強地震的可能性很大.為了更好地研究中小地震視應(yīng)力值對未來可能發(fā)生的中強地震的時空特性的預(yù)測意義,表1列出了視應(yīng)力值超過0.9MPa的中小地震與后續(xù)中強地震的震中間距與發(fā)震時間間隔.通過分析表1所列數(shù)據(jù)可以得到:1)在云南地區(qū),當視應(yīng)力值超過0.9MPa的中小地震發(fā)生后,3個月內(nèi)發(fā)生中強地震(包括M≥5.0的強余震)的幾率為75%;6個月內(nèi)發(fā)生中強地震(包括M≥5.0的強余震)的幾率為93.75%.2)在云南地區(qū),當視應(yīng)力值超過0.9MPa的中小地震發(fā)生后,以該地震震中為中心,半徑100km范圍、3個月內(nèi)發(fā)生中強地震(包括M≥5.0的強余震)的幾率為37.5%;半徑250km范圍、6個月內(nèi)發(fā)生中強地震(包括M≥5.0的強余震)的幾率為62.5%.3)在云南地區(qū),當視應(yīng)力值超過0.9MPa的中小地震發(fā)生后,在距離該地震震中較遠的地方(一般指超過250km)6個月內(nèi)發(fā)生中強地震的幾率為31.25%;3個月內(nèi)發(fā)生中強地震的幾率為25%.4以視應(yīng)力值為預(yù)測指標的r值的估計在地震前兆及其預(yù)報地震的物理基礎(chǔ)尚不很清楚的情況下,對地震前兆及經(jīng)驗性預(yù)報方法必須進行嚴格的統(tǒng)計檢驗.為了衡量地震預(yù)測水平和檢驗地震預(yù)報效能,目前多使用R評分的辦法(許紹燮,1989)來衡量地震預(yù)報的實際效能.對地震前兆預(yù)報方法和短期預(yù)報而言,一般R值可用下述公式簡述:R=報對的地震次數(shù)應(yīng)預(yù)報的地震總次數(shù)-預(yù)報占用時間預(yù)報研究時間(6)R值表示為扣除了占時率的報準率,即為扣除了隨機概率的預(yù)報成功率.檢驗的另一個問題是要對R值作出置信度的統(tǒng)計,如預(yù)報實效次數(shù)少,則必須有較大的R值才能保證有足夠的信度.從表1可以看出,如果以視應(yīng)力值超過0.9MPa的中小地震的發(fā)生,作為預(yù)測未來可能發(fā)生中強地震的指標,那么,從其時間預(yù)測意義來說,當以3個月為預(yù)測時限時,R=0.707;當以6個月為預(yù)測時限時,R=0.852.可見,這個指標的R值明顯大于相應(yīng)的97.5%置信水平的R值,說明所求得的R值具有相當高的置信度.由此可見,在云南地區(qū),把中小地震的地震視應(yīng)力值超過0.9MPa作為一個預(yù)測指標,來預(yù)測未來可能發(fā)生的中強地震的發(fā)震時間,具有很好的中短乃至短臨預(yù)測意義.但是,人們不僅關(guān)心未來可能發(fā)生的中強地震的發(fā)震時間,而且更關(guān)心其發(fā)生的區(qū)域.根據(jù)表1的統(tǒng)計,如果以3個月為預(yù)測時限,以距離視應(yīng)力值超過0.9MPa的中小地震震中100km為預(yù)測區(qū)域界限,則R=0.332;如果以6個月為預(yù)測時限,以距離視應(yīng)力值超過0.9MPa的中小地震震中250km為預(yù)測區(qū)域界限,則R=0.539.兩種預(yù)測結(jié)果所得到的R值也明顯大于相應(yīng)的97.5%置信水平的R值,說明所求得的R值同樣具有相當高的置信度.因此,在云南地區(qū),把中小地震的地震視應(yīng)力值超過0.9MPa作為一個預(yù)測指標,不僅對預(yù)測未來可能發(fā)生的中強地震的發(fā)震時間,而且對預(yù)測未來可能發(fā)生的中強地震的發(fā)生區(qū)域均具有很好的預(yù)測意義.5應(yīng)力場浚累—討論地震視應(yīng)力是對引起地震滑動平均應(yīng)力水平的一種估計,也是對當?shù)亟^對應(yīng)力水平的一種估計.蘇生瑞等(2002)認為,我國西部地區(qū)存在著兩個不同級別的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場:一個是印度洋板塊與歐亞板塊碰撞作用而產(chǎn)生的大區(qū)域的一級應(yīng)力場;另一個是受大型走滑斷裂活動的影響所產(chǎn)生的二級應(yīng)力場.很顯然,二級應(yīng)力場來源于兩大板塊碰撞所產(chǎn)生的一級應(yīng)力場.這兩個級次的應(yīng)力場在我國西部地區(qū)局部地段有它們的一致性,如滇西南川滇斷塊的西側(cè)外圍地區(qū),但更多的地區(qū)二者之間則表現(xiàn)出不一致性.總的來說,我國西部地區(qū)特別是云南地區(qū)的應(yīng)力場是復(fù)雜多變的.引起地應(yīng)力場復(fù)雜多變的因素很多,其中活動斷層的作用是其中最主要的因素之一.活動斷層實際上就是現(xiàn)今地應(yīng)力場中應(yīng)力集中程度較高的斷裂帶,同時它的持續(xù)活動又將導(dǎo)致其附近地區(qū)應(yīng)力進一步重新分布,所以在活斷層或活動斷塊的特定部位,往往形成很高的局部構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū).郭增建和秦保燕(1991)指出,在區(qū)域應(yīng)力場的作用下,那些整體強度相對低的介質(zhì)即應(yīng)力調(diào)整單元將先發(fā)生蠕滑、塑性變形、流體運移和中小地震.這樣,在中強地震發(fā)生之前,調(diào)整單元會首先出現(xiàn)前兆,這就是所謂的區(qū)域場前兆.當接近臨震時,粘滑斷層段應(yīng)力積累單元產(chǎn)生預(yù)滑,以及處于局部構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)的斷層可能會產(chǎn)生閉鎖,被鎖住的斷層在發(fā)震前也可能伴有預(yù)滑,從而出現(xiàn)震源場前兆.在預(yù)滑發(fā)生時,在一些局部地區(qū)可能出現(xiàn)凹凸體破壞而發(fā)生前震.對于完整脆性介質(zhì)作為應(yīng)力積累單元的情況,在臨震時,由于預(yù)滑的剪應(yīng)力很大,因之變形也相應(yīng)增大.由于剪切面上某些地方強度不均勻,則可能會出現(xiàn)小破壞而形成前震.在積累單元端部,因有應(yīng)力集中,也可能出現(xiàn)前震.張國民等(1993)設(shè)計的一個數(shù)值計算模型顯示,某些高應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力釋放后,會引起應(yīng)力的快速調(diào)整并使其它地區(qū)的應(yīng)力水平快速增長而發(fā)生地震,使得發(fā)生地震的震源區(qū)沒有(應(yīng)力)前兆出現(xiàn),即出現(xiàn)無異常有地震的情形.云南地區(qū)發(fā)生地震視應(yīng)力值超過0.9MPa的中小地震,其實就是應(yīng)力場前兆異常的表現(xiàn).在云南地區(qū),發(fā)生地震視應(yīng)力值超過0.9MPa的中小地震,有些是區(qū)域場前兆的表現(xiàn),有些是震源場前兆的表現(xiàn).那些具有區(qū)域場前兆性質(zhì)的中小地震發(fā)生后,云南地區(qū)的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場快速調(diào)整,因此在遠離該地震震中的其它地區(qū)發(fā)生了中強地震(譬如本文計算結(jié)果中的第三種情況).這一現(xiàn)象可以從張國民等(1993)的計算結(jié)論得到解釋.那些具有震源場前兆性質(zhì)的中小地震,實際上也就是一種前震,是高構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生預(yù)滑的結(jié)果(譬如本文計算結(jié)果中的第一、第二種情況).郭增建和秦保燕(1991)的組合模式理論可以解釋這一現(xiàn)象.劉紅桂等(2006)在研究云南地區(qū)地震序列的視應(yīng)力前兆特征時,認為發(fā)生視應(yīng)力值超過1.0MPa的中小地震,可以作為判斷該地區(qū)地震序列是否可能發(fā)生強余震的一個標志.秦嘉政和錢曉東(2006)利用地面運動峰值速度與地震波能量之間的關(guān)系式,計算了云南地區(qū)2002年6月—2003年7月的中小地震視應(yīng)力值,發(fā)現(xiàn)高視應(yīng)力集中區(qū)主要分布在2003年7月21日和10月16日大姚地區(qū)M6.2和M6.1級兩次破壞性強震的周邊地區(qū),其余地區(qū)則顯示出較低的視應(yīng)力水平.同時,發(fā)現(xiàn)這兩次強震之前云南地區(qū)出現(xiàn)了高視應(yīng)力的變化時段.他們認為,視應(yīng)力在空間分布上存在著明顯的非均勻性,高視應(yīng)力集中區(qū)與中小地震活動頻繁地區(qū)相關(guān).本文的結(jié)果與上述的這些研究結(jié)論均是吻合的.“十五”期間,我國有關(guān)專家在研究了西南地區(qū)的地震活動性特征后,提出用“顯著地震”來進行地震危險性預(yù)測(中國地震局監(jiān)測預(yù)報司,2005).其提出的“顯著地震”的定義是指一定范圍(通常200～500km)內(nèi)、短期(通常1～2周到