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(guó)大陸地震視應(yīng)力地震預(yù)測(cè)研究是基于科學(xué)觀測(cè)的。根據(jù)地震發(fā)生規(guī)律及其性質(zhì)，我們可以被動(dòng)地研究三個(gè)地震因素（時(shí)間、地點(diǎn)和地震震級(jí)）的預(yù)測(cè)過(guò)程。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多地震學(xué)者從不同學(xué)科和時(shí)空尺度上研究了預(yù)測(cè)中強(qiáng)地震的方法，取得了許多重要的成果。20世紀(jì)80年代以來(lái)，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(jìn)展。根據(jù)美國(guó)國(guó)家地震信息中心（nic）的振幅輻射能量測(cè)量結(jié)果和哈薩克斯坦矩心矩張量（cmt）的測(cè)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(lái)源，計(jì)算了中國(guó)大陸地震的視應(yīng)力分布。研究表明，中國(guó)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(yuǎn)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(yàn)公式，計(jì)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(cè)地震風(fēng)險(xiǎn)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(jí)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，計(jì)算了地震震級(jí)的視畸變值。在估計(jì)地震畸變的特點(diǎn)時(shí)，地震視勘探區(qū)的視畸變值與強(qiáng)震事件發(fā)生區(qū)之間的地震視為高度之間的對(duì)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(cè)性特征，即強(qiáng)震前序列的視荷載大于1.0ma，這對(duì)評(píng)估云南地震序列的發(fā)展趨勢(shì)具有很好的意義。本文利用數(shù)字化地震波形資料,計(jì)算了云南地區(qū)一段時(shí)間內(nèi)中小地震的地震視應(yīng)力值,通過(guò)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(duì)于提高云南地區(qū)中強(qiáng)地震的預(yù)測(cè)水平有所裨益,而且也許對(duì)于研究中國(guó)大陸中強(qiáng)地震的預(yù)測(cè)方法亦有所啟示.1中小地震視應(yīng)力值的計(jì)算一般而言,對(duì)于某個(gè)地震事件的第j個(gè)臺(tái)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(cè)振幅譜,S(f)為地震事件的震源振幅譜,Ij(f)為臺(tái)站的儀器響應(yīng),Pj為傳播介質(zhì)的幾何擴(kuò)散,Ej(f)為介質(zhì)的非彈性衰減,Gj(f)為臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng).通過(guò)剔除臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)、臺(tái)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(guò)其震源位移譜低頻水平Ω0與拐角頻率fc來(lái)計(jì)算.具體的數(shù)學(xué)表達(dá)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(duì)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(jì)算時(shí)取β=3.5km/s;μ為震源區(qū)介質(zhì)剪切模量,實(shí)際計(jì)算時(shí)取μ=3.0×104MPa(Choy,Boatwright,1995);Rθ?為S波的輻射圖型因子,實(shí)際計(jì)算時(shí)取Rθ?=√2/5(Andrews?1986).Rθ?=2/5???√(Andrews?1986).各臺(tái)站的場(chǎng)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(duì)于每一條地震記錄,通過(guò)剔除臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)、介質(zhì)的幾何擴(kuò)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(jì)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(gè)參數(shù)的計(jì)算應(yīng)該采用遺傳算法來(lái)反演,這樣可以顯著地減少人為因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的可靠性影響(Moyaetal,2000).最后根據(jù)式(3)計(jì)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(tái)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(shí)間為0.02s.通過(guò)對(duì)數(shù)字化波形資料進(jìn)行分析研究,本文選取了1020次中小地震.臺(tái)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(gè)以上臺(tái)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(jì)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(duì)于每一條速度記錄,選取資料時(shí)均以可辨識(shí)的首個(gè)S波到時(shí)為起點(diǎn),所取資料窗長(zhǎng)應(yīng)包括整個(gè)S波能量的90%.為了獲得穩(wěn)定可靠的傅里葉譜估計(jì),計(jì)算時(shí)采用延遲窗技術(shù)(Chael,1987),把整個(gè)資料窗分成若干個(gè)小段,每一小段數(shù)據(jù)為256個(gè)點(diǎn),并以128個(gè)點(diǎn)為滑動(dòng)窗長(zhǎng),在每段數(shù)據(jù)的兩端加入5%邊辨的漢寧窗,然后進(jìn)行快速傅里葉變換.為了剔除噪聲的影響,取P波到時(shí)之前的256個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為背景噪聲信息,同樣在兩端加入5%邊辨的漢寧窗,并進(jìn)行快速傅里葉變換,在頻域中由信號(hào)譜減去噪聲譜從而得到S波的譜信息.對(duì)于每一條速度波形記錄,其每個(gè)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(zhǎng)度,t為第i小段資料的長(zhǎng)度,n為整個(gè)資料窗內(nèi)小段資料的個(gè)數(shù).本文實(shí)際計(jì)算時(shí)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(cè)位移譜應(yīng)為Aj(f)=√(ΝSj(f))2+(EWj(f))2(5)3視應(yīng)力值超過(guò)0.9mpa的中小地震與后續(xù)中強(qiáng)地震的結(jié)合點(diǎn)差根據(jù)前述的計(jì)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(qiáng)地震(包括M≥5.0的強(qiáng)余震).中小地震視應(yīng)力值與中強(qiáng)地震的時(shí)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(guò)0.9MPa的中小地震發(fā)生后,該地區(qū)發(fā)生中強(qiáng)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(duì)未來(lái)可能發(fā)生的中強(qiáng)地震的時(shí)空特性的預(yù)測(cè)意義,表1列出了視應(yīng)力值超過(guò)0.9MPa的中小地震與后續(xù)中強(qiáng)地震的震中間距與發(fā)震時(shí)間間隔.通過(guò)分析表1所列數(shù)據(jù)可以得到:1)在云南地區(qū),當(dāng)視應(yīng)力值超過(guò)0.9MPa的中小地震發(fā)生后,3個(gè)月內(nèi)發(fā)生中強(qiáng)地震(包括M≥5.0的強(qiáng)余震)的幾率為75%;6個(gè)月內(nèi)發(fā)生中強(qiáng)地震(包括M≥5.0的強(qiáng)余震)的幾率為93.75%.2)在云南地區(qū),當(dāng)視應(yīng)力值超過(guò)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(gè)月內(nèi)發(fā)生中強(qiáng)地震(包括M≥5.0的強(qiáng)余震)的幾率為37.5%;半徑250km范圍、6個(gè)月內(nèi)發(fā)生中強(qiáng)地震(包括M≥5.0的強(qiáng)余震)的幾率為62.5%.3)在云南地區(qū),當(dāng)視應(yīng)力值超過(guò)0.9MPa的中小地震發(fā)生后,在距離該地震震中較遠(yuǎn)的地方(一般指超過(guò)250km)6個(gè)月內(nèi)發(fā)生中強(qiáng)地震的幾率為31.25%;3個(gè)月內(nèi)發(fā)生中強(qiáng)地震的幾率為25%.4以視應(yīng)力值為預(yù)測(cè)指標(biāo)的r值的估計(jì)在地震前兆及其預(yù)報(bào)地震的物理基礎(chǔ)尚不很清楚的情況下,對(duì)地震前兆及經(jīng)驗(yàn)性預(yù)報(bào)方法必須進(jìn)行嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn).為了衡量地震預(yù)測(cè)水平和檢驗(yàn)地震預(yù)報(bào)效能,目前多使用R評(píng)分的辦法(許紹燮,1989)來(lái)衡量地震預(yù)報(bào)的實(shí)際效能.對(duì)地震前兆預(yù)報(bào)方法和短期預(yù)報(bào)而言,一般R值可用下述公式簡(jiǎn)述:R=報(bào)對(duì)的地震次數(shù)應(yīng)預(yù)報(bào)的地震總次數(shù)-預(yù)報(bào)占用時(shí)間預(yù)報(bào)研究時(shí)間(6)R值表示為扣除了占時(shí)率的報(bào)準(zhǔn)率,即為扣除了隨機(jī)概率的預(yù)報(bào)成功率.檢驗(yàn)的另一個(gè)問(wèn)題是要對(duì)R值作出置信度的統(tǒng)計(jì),如預(yù)報(bào)實(shí)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(guò)0.9MPa的中小地震的發(fā)生,作為預(yù)測(cè)未來(lái)可能發(fā)生中強(qiáng)地震的指標(biāo),那么,從其時(shí)間預(yù)測(cè)意義來(lái)說(shuō),當(dāng)以3個(gè)月為預(yù)測(cè)時(shí)限時(shí),R=0.707;當(dāng)以6個(gè)月為預(yù)測(cè)時(shí)限時(shí),R=0.852.可見,這個(gè)指標(biāo)的R值明顯大于相應(yīng)的97.5%置信水平的R值,說(shuō)明所求得的R值具有相當(dāng)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(guò)0.9MPa作為一個(gè)預(yù)測(cè)指標(biāo),來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)可能發(fā)生的中強(qiáng)地震的發(fā)震時(shí)間,具有很好的中短乃至短臨預(yù)測(cè)意義.但是,人們不僅關(guān)心未來(lái)可能發(fā)生的中強(qiáng)地震的發(fā)震時(shí)間,而且更關(guān)心其發(fā)生的區(qū)域.根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì),如果以3個(gè)月為預(yù)測(cè)時(shí)限,以距離視應(yīng)力值超過(guò)0.9MPa的中小地震震中100km為預(yù)測(cè)區(qū)域界限,則R=0.332;如果以6個(gè)月為預(yù)測(cè)時(shí)限,以距離視應(yīng)力值超過(guò)0.9MPa的中小地震震中250km為預(yù)測(cè)區(qū)域界限,則R=0.539.兩種預(yù)測(cè)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(shuō)明所求得的R值同樣具有相當(dāng)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(guò)0.9MPa作為一個(gè)預(yù)測(cè)指標(biāo),不僅對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)可能發(fā)生的中強(qiáng)地震的發(fā)震時(shí)間,而且對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)可能發(fā)生的中強(qiáng)地震的發(fā)生區(qū)域均具有很好的預(yù)測(cè)意義.5應(yīng)力場(chǎng)浚累—討論地震視應(yīng)力是對(duì)引起地震滑動(dòng)平均應(yīng)力水平的一種估計(jì),也是對(duì)當(dāng)?shù)亟^對(duì)應(yīng)力水平的一種估計(jì).蘇生瑞等(2002)認(rèn)為,我國(guó)西部地區(qū)存在著兩個(gè)不同級(jí)別的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng):一個(gè)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(jí)應(yīng)力場(chǎng);另一個(gè)是受大型走滑斷裂活動(dòng)的影響所產(chǎn)生的二級(jí)應(yīng)力場(chǎng).很顯然,二級(jí)應(yīng)力場(chǎng)來(lái)源于兩大板塊碰撞所產(chǎn)生的一級(jí)應(yīng)力場(chǎng).這兩個(gè)級(jí)次的應(yīng)力場(chǎng)在我國(guó)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(lái)說(shuō),我國(guó)西部地區(qū)特別是云南地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)是復(fù)雜多變的.引起地應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜多變的因素很多,其中活動(dòng)斷層的作用是其中最主要的因素之一.活動(dòng)斷層實(shí)際上就是現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)中應(yīng)力集中程度較高的斷裂帶,同時(shí)它的持續(xù)活動(dòng)又將導(dǎo)致其附近地區(qū)應(yīng)力進(jìn)一步重新分布,所以在活斷層或活動(dòng)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(chǎng)的作用下,那些整體強(qiáng)度相對(duì)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(yùn)移和中小地震.這樣,在中強(qiáng)地震發(fā)生之前,調(diào)整單元會(huì)首先出現(xiàn)前兆,這就是所謂的區(qū)域場(chǎng)前兆.當(dāng)接近臨震時(shí),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(huì)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(chǎng)前兆.在預(yù)滑發(fā)生時(shí),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(duì)于完整脆性介質(zhì)作為應(yīng)力積累單元的情況,在臨震時(shí),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(qiáng)度不均勻,則可能會(huì)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(guó)民等(1993)設(shè)計(jì)的一個(gè)數(shù)值計(jì)算模型顯示,某些高應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力釋放后,會(huì)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(zhǎng)而發(fā)生地震,使得發(fā)生地震的震源區(qū)沒(méi)有(應(yīng)力)前兆出現(xiàn),即出現(xiàn)無(wú)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(guò)0.9MPa的中小地震,其實(shí)就是應(yīng)力場(chǎng)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(guò)0.9MPa的中小地震,有些是區(qū)域場(chǎng)前兆的表現(xiàn),有些是震源場(chǎng)前兆的表現(xiàn).那些具有區(qū)域場(chǎng)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(chǎng)快速調(diào)整,因此在遠(yuǎn)離該地震震中的其它地區(qū)發(fā)生了中強(qiáng)地震(譬如本文計(jì)算結(jié)果中的第三種情況).這一現(xiàn)象可以從張國(guó)民等(1993)的計(jì)算結(jié)論得到解釋.那些具有震源場(chǎng)前兆性質(zhì)的中小地震,實(shí)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(jì)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(shí),認(rèn)為發(fā)生視應(yīng)力值超過(guò)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(qiáng)余震的一個(gè)標(biāo)志.秦嘉政和錢曉東(2006)利用地面運(yùn)動(dòng)峰值速度與地震波能量之間的關(guān)系式,計(jì)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(jí)兩次破壞性強(qiáng)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(shí),發(fā)現(xiàn)這兩次強(qiáng)震之前云南地區(qū)出現(xiàn)了高視應(yīng)力的變化時(shí)段.他們認(rèn)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(dòng)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(guó)有關(guān)專家在研究了西南地區(qū)的地震活動(dòng)性特征后,提出用“顯著地震”來(lái)進(jìn)行地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)(中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)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