中国大陆强震发生前地震活动增强统计特征分析

呼楠, 石富强, 季灵运, 刘洁, 祁玉萍, 王光明, 张丽峰, 郭蕾

呼楠,石富强,季灵运,刘洁,祁玉萍,王光明,张丽峰,郭蕾. 2024. 中国大陆强震发生前地震活动增强统计特征分析. 地震学报,46(2):226−241. DOI: 10.11939/jass.20230021
引用本文: 呼楠,石富强,季灵运,刘洁,祁玉萍,王光明,张丽峰,郭蕾. 2024. 中国大陆强震发生前地震活动增强统计特征分析. 地震学报,46(2):226−241. DOI: 10.11939/jass.20230021
Hu N,Ji L Y,Shi F Q,Liu J,Qi Y P,Wang G M,Zhang L F,Guo L. 2024. Statistical characteristics of enhanced seismicity before strong earthquakes based on earthquake cases in Chinese mainland. Acta Seismologica Sinica46(2):226−241. DOI: 10.11939/jass.20230021
Citation: Hu N,Ji L Y,Shi F Q,Liu J,Qi Y P,Wang G M,Zhang L F,Guo L. 2024. Statistical characteristics of enhanced seismicity before strong earthquakes based on earthquake cases in Chinese mainland. Acta Seismologica Sinica46(2):226−241. DOI: 10.11939/jass.20230021

中国大陆强震发生前地震活动增强统计特征分析

基金项目: 地震科技星火计划(XH20055Y)和陕西省自然科学基础研究计划(2023-JC-QN-0331)共同资助
详细信息
    作者简介:

    呼楠,高级工程师,主要从事地震活动性与地震预测方面的研究,e-mail:yanan_77@163.com

    通讯作者:

    石富强,博士,高级工程师,主要从事断层应力模拟和地震综合预测研究,e-mail: shifuqiang121@163.com

  • 中图分类号: P315.72

Statistical characteristics of enhanced seismicity before strong earthquakes based on earthquake cases in Chinese mainland

  • 摘要:

    依据 《中国震例》 (1966—2017年)对1966年以来中国大陆东部MS>6.0、西部MS>7.0强震前地震活动增强的异常现象特征进行了系统的梳理,并试图总结不同活动构造地块周缘强震前地震活动增强的异常时空演化特征。结果显示:① 我国大陆大震前普遍存在地震活动增强现象,33个震例中有21个震例存在震前地震活动增强异常,占比达64%;② 西部地区大多数震例的地震活动增强空间范围表现为中间尺度或构造尺度,且主震震级越大,越有可能出现大范围的地震活动增强;③ 西部地区出现中强地震活动增强的概率高于东部地区,前兆地震活动增强的平均震级较大,发生大震(M>7.0)的概率增大;④ 西部地区地震活动增强的时间尺度与震级成正比,而东部地区随着震级增大,更可能出现中期到中短期的地震活动增强异常;⑤ 多数西部地区震例在震前出现不同时间尺度的地震活动增强叠加的现象;⑥ 川滇菱形地块的强震前均出现了中长期尺度的地震条带交会现象、不同空间尺度的地震空区以及中短期尺度的中小震活动增强现象,并且对大震地点有较好的指示意义。巴颜喀拉东边界与北、西及南边界大震前存在显著的不同地震活动增强特征,震前未出现中强地震围空的现象。

    Abstract:

    Before strong earthquakes, enhanced seismicity manifested by increased magnitude, frequency, or accelerated strain release generally appears within a specific temporal and spatial range of the source area. This significant enhanced seismicity is often observed before moderate-strong earthquakes occurred in Chinese mainland or abroad. The seismogenic processes of large earthquakes are multiscale and diverse, involving localization of deformation, fault heterogeneities, and variable local loading rate effects. Enhanced seismicity prior to moderate-strong earthquakes is closely related to such processes and exhibits different characteristics. An in-depth study of enhanced seismicity will help us to understand the seismogenic process of strong-large shocks, which may bring positive effect on predicting strong shocks based on them.

    Many studies have been performed to analyze the characteristics of enhanced seismicity. A more thoughtful and systematic study is needed due to rapidly increased strong earthquake data in Chinese mainland and the urgent requirement for statistical predictive indicators. In this study, we intend to summarize the statistical characteristics of the prominent enhanced seismicities before moderate-strong earthquakes and attempt to seek the proper mechanism. Based on Earthquake Cases in China (1966−2017), the spatio-temporal characteristics of the seismicity before strong earthquakes with magnitude MS≥6.0 in the eastern Chinese mainland and MS≥7.0 in the western Chinese mainland are summarized statistically. In the meantime, the regional features of enhanced seismicity before the strong earthquakes within the SichuanYunnan rhombic block, Bayan Har block, and North China block are also studied. The main contents and conclusions are as follows:

    Among the 33 earthquake cases studied in this paper, 21 showed enhanced seismicity before the main shock, accounting for 64%, including five earthquakes of MS6.0−6.9, 14 earthquakes of MS7.0−7.9, and two earthquakes of MS8.0 or above. The percentage of enhanced seismicity is 42% for sub-grade class from MS6.0 to MS6.9, 74% for for sub-grade class from MS7.0 to MS7.9 and 100% for sub-grade class from MS8.0 or above. The possibility of the occurrence of enhanced seismic activity will increase with the magnitude of the main shock. The enhancement of seismicity appeared in 13 out of 18 cases in western Chinese mainland, accounting for 72%; 8 out of 15 cases in eastern Chinese mainland, accounts for 53%.

    Secondly, in most cases for western Chinese mainland, the spatial extent of enhanced seismicities was observed within the intermediate or tectonic scale, and the probability of enhanced seismicity with a significant spatial scale increases with the magnitude of the main shock. Furthermore, the likelihood of enhanced seismicity with a large magnitude in western Chinese mainland is higher than in eastern Chinese mainland. The larger the average magnitude of enhanced premonitory seismicity, the more likely strong earthquakes with MS>7.0 occur. The duration of seismic activity enhancement in the western Chinese mainland is directly proportional to magnitude of the main shock, while in the eastern Chinese mainland, the relatively more significant events tend to be associated with a mid-short-term enhanced seismicity.

    Thirdly, the strong earthquakes in Sichuan-Yunnan rhombic block were preceded by the medium-long term intersected seismic strips, the various spatial-scale seismic gaps, and the enhancement of small-moderate earthquakes at medium-short-term scales. These features significantly indicate the location of further quakes, which deserves more attention. Different from the eastern border of the Bayan Har block, at the other three boundaries of the Bayan Har block, strong earthquakes are often attacked with seismic gaps encircled by premonitory medium-strong earthquakes. The seismic gap generally arises in medium-long-term time scales, and the mid-short-term scale enhanced seismicity is notable before strong earthquakes in the northern margin of North China block. In particular, the magnitude of the Haicheng earthquake is comparable to that of the Tangshan earthquake. Still, the Haicheng earthquake was not preceded by a significant and long seismicity enhancement, which suggests that the secondary blocks or adjacent tectonic influences may also control the enhancement of seismicity before earthquake.

    Fourthly, enhanced seismicity prior to large earthquakes drives damage to the surrounding rocks. These enhanced seismicities are not limited to the faults that generate large earthquakes. Still, they drive distributed rupture and local rock mass deformation, ultimately resulting in major slip zones and large earthquakes. Laboratory studies of rocks and similar samples have shown that a relatively long period of distributed deformation precedes the onset of large ruptures. The enhanced seismicity manifested in foreshocks is the most significant signal for the subsequent occurrence of a larger seismic event at a similar time and space. However, the enhanced seismicity does not appear as a foreshock in every case related to the seismogenic mechanism. The cascade-up framework and pre-slip model are generally used to account for the occurrence of a foreshock, whereas the progressive localization framework is suitable for explaining the enhancement of seismicity without significant foreshocks.

  • 强震发生前,在震源区一定时空范围内普遍会出现地震活动增强现象,包括震级增大、频度增大或者应变释放加速。Mogi (1969)指出:在浅源大震发生前的一段时间内,震源区周围地震活动显著增强,是具有普适性的一种震兆。国内外许多震例表明,大震前区域地震活动有明显的增强过程。我国历史大震,如1668年郯城和1679年三河大震,震前也出现了地震频度先增加后减弱的变化(梅世蓉,1960);Sadovsky等(1972)给出的苏联加尔姆地区三个地震带上地震活动长期变化曲线显示,在地震密度曲线上升的中部地区发生了几次大地震,而在地震密度曲线较为稳定的地区未发生大震。

    前人对于主震震级与地震活动增强区尺度关系的认识较为统一。薛艳等(2018)系统地研究了我国大陆和全球的十余次大震,认为地震活动增强是大震前普遍出现的现象,并且增强区长轴的对数与主震震级呈正相关。宋治平等(1999)对86次M6以上地震前地震活动增强区的研究表明,增强区的规模和时间尺度都随震级而增大。然而关于地震活动增强区是否包含震源区的研究并没有统一的认识,Mogi (1969)发现大震震源区周围常出现环形地震活动增强区,且范围远大于震源区;薛丁(2003)注意到包头MS6.4地震前中等地震活跃,从地震地质条件的角度分析了此次主震距离活动增强区较远的原因;王筱荣(2005)系统地研究了新疆天山30次中强震前的地震活动增强现象,认为南北天山地震带增强区与后续主震震中的相关性较好。

    前人针对地震活动增强开展了深入的研究,其结果对于地震预测研究具有一定的指导作用,但随着强震资料的不断积累,对于地震活动增强特征梳理工作的完整性和系统性尚需进一步加深。

    《中国震例》 (张肇诚,19881990ab19992000陈棋福,2002ab20032008蒋海昆,20142018ab)严格遵循 《震例总结规范》 (中国地震局,2007)编写,全面积累了1966年以来中国大陆及近海发生的显著地震的地震地质背景、地震参数、震害和地震序列特征,尤其是地震前兆异常及预测预报和应急响应的经验教训,对于地震科学研究、地震预测预报和防震减灾具有重要的价值。 《中国震例》 记录到的地震前兆异常,是经过审核的、有别于正常变化背景的、可能与该地震孕育和发生相关的异常变化,因而梳理和挖掘《中国震例》中记录的地震前兆现象对于震情研判具有十分重要的意义。目前 《中国震例》 已正式出版12册,未正式出版的震例已涵盖至2017年国内发生的显著地震。本研究拟基于1966年至2017年已出版的 《中国震例》 和尚未出版但已形成正式报告的震例,系统梳理大震前的地震活动增强现象,并结合区域差异进行统计特征研究,为构建地震预测指标体系提供参考依据。

    根据 《中国震例》 (张肇诚,19881990ab19992000陈棋福,2002ab20032008蒋海昆,20142018ab)中对中国大陆强震前地震前兆现象的回溯记载,将该书中被描述为频度增强、显著增强及应变加速释放的异常项目认定为该地震震前存在地震活动增强现象。《中国震例》 中记载了中国大陆及近海M5以上强震,本研究出于对震情跟踪和预测指标体系建设的需要,将针对东部MS≥6.0 (107°E以东)、西部MS≥7.0 (107°E以西)共计33次强震展开研究,其中MS6.0—6.9地震12次,MS7.0—7.9地震19次,MS8.0—8.9地震2次。经对这些强震的前兆异常现象进行梳理和总结,我们得知21个震例震前存在地震活动增强现象(表1图1),占总震例数的64%,其中MS6.0—6.9地震5次,MS7.0—7.9地震14次,MS≥8.0地震2次,相应的分震级档占比依次为42%,74%,100%;大致以南北地震带为分界线,西部18个震例中有13个震前存在地震活动增强,占比72%;东部15个震例中有8个震前存在地震活动增强,占比53%。可以看出,主震震级越大,震前越有可能出现地震活动增强现象,同时地震活动增强现象在西部地区表现得更为突出。由于参与统计分析的地震活动增强异常均为 《中国震例》 中认定为属于地震前兆的地震活动异常增强(Mogi,1969梅世蓉,1960Sadovsky et al,1972),为避免赘述,下文中将具有前兆指示意义的震前地震活动增强统称为前兆地震活动增强。

    表  1  本文所用具有前兆地震活动增强的震例基本信息
    Table  1.  Basic information of earthquake cases with premonitory enhanced seismicity used in this study
    序号 发震时间
    年-月-日
    北纬/° 东经/° MS 深度/km 地点 是否存在震前
    地震活动增强
    1 1 966−03−22 31.50 115.00 7.2 9 邢台
    2 1 967−03−27 38.50 116.50 6.3 30 河间
    3 1 969−07−26 21.75 111.75 6.4 5 阳江
    4 1 970−01−05 24.10 102.60 7.8 13 通海
    5 1 973−02−06 31.50 100.40 7.6 17 炉霍
    6 1 974−05−11 28.10 104.00 7.1 14 大关
    7 1 975−02−04 40.70 122.80 7.3 16 海城
    8 1 976−04−06 40.20 112.10 6.3 18 和林格尔
    9 1 976−05−29 24.55 98.75 7.4 21 龙陵
    10 1 976−07−28 39.60 118.20 7.8 11 唐山
    11 1 976−08−16 32.70 104.08 7.2 15 松潘
    12 1 976−09−23 40.00 106.35 6.2 35 巴音木仁
    13 1 977−05−12 39.20 117.70 6.2 1 9 宁河
    14 1 979−07−09 31.50 119.30 6.0 12 溧阳
    15 1 979−08−25 41.23 108.11 6.0 30 五原
    16 1 984−05−21 32.70 121.60 6.2 17 南黄海
    17 1 985−08−23 39.58 75.60 7.4 7 乌恰
    18 1 988−11−06 22.83 99.72 7.5 13 澜沧-耿马
    1 9 1 990−04−26 36.12 100.13 7.0 32 共和
    20 1 994−12−31 20.52 109.32 6.1 7 北部湾
    21 1 995−07−12 21.98 99.07 7.3 10 孟连西
    22 1 996−02−03 27.30 100.22 7.0 10 丽江
    23 1 996−11−19 35.43 78.35 7.1 16 和田
    24 1 998−01−10 41.10 114.30 6.2 10 尚义
    25 2 001−11−14 35.93 90.53 8.1 10 昆仑山西口
    26 2 008−03−21 35.80 81.43 7.3 33 于田
    27 2 008−05−12 31.00 103.40 8.0 14 汶川
    28 2 010−04−14 33.10 96.70 7.1 33 玉树
    29 2 013−04−20 30.30 103.00 7.0 13 芦山
    30 2 014−02−12 36.10 82.50 7.3 12 于田
    31 2 017−08−08 33.20 103.82 7.0 20 九寨沟
    32 1 989−10−19 39.94 113.84 6.1 14 大同-阳高
    33 1 996−05−03 40.83 109.62 6.4 20 包头
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    图  1  本文研究涉及的活动构造地块和震例时空分布图
    图中地块边界据张培震等(2003),红色虚线圈代表震前存在地震活动显著增强现象的震例
    Figure  1.  Active tectonic blocks and the spatio-temporal distributions of earthquake cases used in this study
    (The block boundaries refer to Zhang et al2003),red dashed circles represents earthquake cases with enhanced seismicity prior to large earthquakes

    《中国震例》 中对地震活动增强现象的描述主要包括地震增强活动的空间尺度、震级范围和异常持时等三方面,为便于进一步梳理和归纳,本研究对上述震前存在地震活动增强的21个震例这三方面的特征进行总结。结果显示 《中国震例》 中对于增强活动的定义比较广泛:既包含震源周围的地震活动,也包括整个地块的地震活动;既有中强震活动频度的升高,也有小震活动的密集。但是,不同空间尺度、不同震级水平的地震活动增强具有不同的物理含义,反映出地震孕育过程的不同阶段。例如:整个地块地震活动的增强可能意味着区域构造运动的增强;震源区中强地震活动频次升高暗示着孕震区应力集中;小震的密集活动可能与震源成核过程有关。为避免将不同尺度的增强活动混为一谈,本研究根据 《中国震例》 关于活动增强的空间描述大致分类统计如下:① 地震活动增强的空间范围描述为“震源附近”的认为是震源尺度;② 地震活动增强空间范围描述为“某某地区、某某带”的认为是构造尺度,这种区域性的大范围增强活动不是与某一断裂带具体相关,而是表现为整个地块或者更大区域的地震活动增强,同时地震增强活动区的长轴大于 1 000 km 的也认为是构造尺度;③ 将除上述两种情况之外的地震活动增强空间范围归结为中间尺度,通过统计增强区的空间范围,这类型的地震活动增强尺度长轴不超过300 km。参考前人研究和相关标准,将活动增强的震级分为小震(ML0.0—ML3.9)和中强地震(ML4.0—ML6),将地震活动增强从开始到发震的时间尺度分为短期(6个月内)、中短期(6个月—1年)、中期(1—3年)和中长期(大于3年)(中国地震局,2005晏锐等,2018)。

    经统计得到的结果为:地震活动增强空间范围为震源尺度( 《中国震例》 中记载为震源处及附近)的记录有2条,均为东部地区震例;表现为中间尺度的地震活动增强的记录有15条,其中西部地区8条,东部地区7条;表现为构造尺度的地震活动增强的记录13条,均发生在西部(图2)。东部地区分震级档的统计结果显示:M7档记录1条,表现为震源尺度活动增强;M6档记录7条,均表现为中间尺度地震活动增强。西部地区分震级档的统计结果显示:M8档记录2条,均表现为构造尺度活动增强;M7档记录19条,其中8条表现为中间尺度活动增强,11条表现为构造尺度地震活动增强(图3)。仅有两次东部地震(1966年邢台MS7.2地震和1975年海城MS7.3地震)前记录到震源尺度的地震活动增强,被认为是该震例的前震,距主震发生前数天尺度,而西部震例没有记录到具有明显前震特征的活动增强,大多数震例的地震活动增强表现为中间尺度或构造尺度,且发震震级越大,越可能出现更大范围的地震活动增强,这与前人的认识是一致的(宋治平等,1999薛艳等,2018)。晏锐等(2018)对汶川MS8.0地震前地下流体前兆异常的分析结果显示,地下流体前兆异常的空间分布与震级之间也存在相关关系,汶川MS8.0地震前至少存在大于其3倍破裂尺度的观测点异常,同时临近发震时间,异常数量有所增大,体现了大震在孕育过程中应力从运移到积累的过程。前兆地震增强活动存在类似特征,1975年MS7.3海城地震前先后出现了构造尺度、断层尺度和震源尺度的地震活动增强,1974年大关MS7.1地震、1995年孟连MS7.3地震和1996丽江MS7.0地震前也依次出现了构造尺度和中等尺度的地震活动增强。

    图  2  中国大陆西部(a)和东部(b)不同震级档和空间尺度的地震前存在地震活动增强现象的震例个数
    Figure  2.  The number of earthquake cases with premonitory enhanced seismicity at different spatial scaleand magnitude class in western (a) and eastern (b) Chinese mainland,respectively
    图  3  不同震级档和空间尺度的地震前存在地震活动增强现象的个数
    Figure  3.  The number of earthquake cases with premonitory enhanced seismicity at different spatial scale and magnitude

    对前兆地震活动增强的地震震级统计显示,21个震例中:10个震例前出现中强地震活动增强;20个震例前出现小震活动增强;9个震例前既出现中强地震活动增强,又出现小震地震活动增强。东部地区出现小震活动增强与中强地震活动增强的比例为29%,西部地区该比例为62%,西部地区更有可能出现中强地震的增强。在东部地区的震例中,若为小震地震活动增强事件,其后续主震的平均震级为MS6.6,若增强的地震活动为中强地震,则主震的平均震级为MS7.0;在西部地区的震例中,上述平均震级分别为7.3与7.4。东部地区前兆地震活动增强震级与主震平均震级成正比,西部地区该关系则不显著(图4),但总体上,观察前兆地震活动增强的震级,对后续主震震级的研判具有一定的指示意义。

    图  4  中国大陆西部(a)和东部(b)前兆地震活动增强的震级统计特征
    Figure  4.  Magnitude statistical characteristics of premonitory enhanced seismicity in western (a) and eastern (b) Chinese mainland respectively

    对地震活动增强出现到发震的时间尺度进行统计,结果显示:西部地区多数地震活动增强出现在发震前一年以上,中期和中长期尺度地震活动增强占总体样本的比例均为40%;而东部地区短期、中短期尺度与中期、中长期尺度的记录个数基本相当(图5)。从时间尺度与震级变化的统计关系来看:西部地区随着震级增大,更有可能出现中期到中长期尺度的地震活动增强;而东部地区随着震级增大,更可能出现中期到中短期的地震活动增强(图6)。西部和东部地区在地震活动增强时间尺度特征上存在一定差异。

    图  5  中国大陆西部和东部的前兆地震活动增强时间尺度统计特征
    Figure  5.  Temporal statistical characteristics of premonitory enhanced seismicity in western and eastern Chinese mainland respectively
    图  6  中国大陆西部和东部地震活动增强的时间尺度随震级的变化
    Figure  6.  Temporal scales variation of premonitory enhanced seismicity with magnitude in western and eastern Chinese mainland respectively

    多数西部地区震例在震前有不同时间尺度的地震活动增强事件,例如1996年丽江MS7.0地震前接连出现了中期、中短期到短期的地震活动增强。但值得注意的是,不同时间尺度的地震活动增强并非是同一空间尺度,5次短期尺度的地震活动增强事件仅有2次对后续主震发震地点的指示意义较好,即1966年邢台MS7.2地震和1975年海城MS7.3地震。

    中国大陆内部晚第四纪巨型活动断裂控制着中国大陆强震的空间展布格局,几乎所有MS8.0和80%—90%的MS≥7.0的强震均发生在活动地块的边界带上(张国民等,2005图1),活动地块的运动及其相互作用对中国大陆强震孕育和发生起着直接的控制作用。张培震等(2003)根据地质构造特点等将中国大陆划分为六大一级地块,认为这些一级地块内部的构造特征具有一致性。以下以地块为单位对震前地震增强活动特征进一步梳理。

    川滇菱形地块位于青藏高原的西南缘,是中国大陆地区地震活动最活跃的区域之一,历史上在该地块周围发生过23次MS7.0以上地震(张培震等,2003)。自1970年以来川滇菱形地块周缘发生过1973年2月6日云南炉霍MS7.6地震和1996年2月3日云南丽江MS7.0地震(图1)。

    炉霍MS7.6地震发生在鲜水河断裂带上,该断裂带属于川滇菱形地块的北边界。震前出现两条M4以上地震活动条带,其中:一条NNW向沿鲜水河断裂带分布,形成于1969年;另一条为NE向,形成于1971年,两条带交会于炉霍地震震中区域,交会区属于条带地震空段;接着1970年至1973年炉霍地震震中100 km范围内形成小震空区;随后于1972年9月出现了小震频度增加,主要增强区域为同位于鲜水河断裂带的塔公附近,距离炉霍地震震中约180 km。

    丽江MS7.0地震发生在川滇菱形地块西边界。从1988年宁蒗MS5.5地震至1995年9月,滇西北形成了ML4.0以上地震的半椭圆空区,5个月的平静期之后在空区内发生了丽江地震。自1976年龙陵MS7.3和MS7.4及宁蒗-盐源MS6.7和MS6.4地震后,滇西地区的MS≥5地震均发生在丽江—腾冲一带的北东向地震条带上:之后至1996年丽江地震发生前,该条带两侧的地震活动比较平静。从1992年12月永胜MS5.4和MS5.1地震开始,丽江MS7.0地震周围MS5.0地震频发,并在中甸至大姚一带出现了一条新的NW向MS5.0以上的地震条带,与上述NE向条带交会,最终丽江地震发生于两个条带的交会处,正好位于条带的MS5.0空区,这是云南省地震局震前进行预报的重要依据(陈棋福,2002b)。此后,震前1—3年震中周围区域表现出中小地震活动多年以来的最高水平。丽江MS7.0地震前地震活动增强特征十分具有代表性,先是中长期的MS5.0地震活跃并形成条带,且条带存在空段,到中短期震中周围中小地震出现高频次活动。

    从以上两次MS≥7.0地震的地震活动增强的时空特征梳理来看:两次地震前均在中长期尺度出现了地震条带并存在与已有条带相交会的现象,且主震发生在条带的交会区域;在中期或更早时间尺度出现不同空间尺度的地震空区;中短期尺度出现中小震活动增强,但中小地震的增强区域可能偏离震中区域(图7)。另外,1973年炉霍MS7.6地震后,1974年云南大关发生MS7.4地震;1996年丽江MS7.0地震前,1995年孟连西发生MS7.3地震,说明云南地区MS7.0大震存在成组活动的特征,不同地块的强震可能存在相互触发的可能性,震前应关注更大范围的地震活动增强。

    图  7  川滇菱形地块内震前地震活动增强的时空特征演化示意图
    Figure  7.  Schematic illustration of spatio-temporal evolution characteristics of premonitory enhanced seismicity in the Sichuan-Yunnan rhombic block

    巴颜喀拉地块是青藏 Ⅰ 级地块内部的一个构造和地震活动强烈的 Ⅱ 级地块(张培震等,2003Burchfiel et al,2008图1),其边界由一系列巨型走滑断裂和推覆构造组成(邓起东等,2002),是晚新生代以来受青藏高原向东挤出影响,进而沿其边界断裂向E-SE方向“逃逸”的活动地块之一(Tapponnier et al,1982)。近二十年来围绕巴颜喀拉地块边界断裂发生了一系列强震和大地震,该地块目前是大陆西部的强震活动主体区(闻学泽等,2011)。1970年以来巴颜喀拉地块周边6次MS≥7.0地震前出现地震活动增强现象,分别为1996年和田MS7.1地震、2001年昆仑山西口MS8.1地震、2008汶川地震MS8.0地震、2010年玉树MS7.1地震、2013年芦山MS7.0地震和2017年九寨沟MS7.0地震(图1),其中和田地震发生在巴颜喀拉地块的东边界,昆仑山西口地震发生在北边界,汶川、芦山地震发生在东边界,玉树地震发生在南边界,九寨沟地震发生在巴颜喀拉地块内部靠近北边界东端。

    1996年和田MS7.1地震区域内台网稀疏,震中200 km内无台站分布,300 km内仅有一个地震台,属于新疆地区监测能力最为薄弱的地区之一。1980年10月至1996年2月震中附近出现M4.0空区,空区长轴为240 km,1996年3月空区内发生一次MS5.0地震,空区范围收缩,最终主震发生于距这次MS5.0地震震中47 km的空区的西部边缘;1996年2月起距震中300 km范围内MS≥3.5应变加速释放。

    2001年昆仑山西口MS8.1地震的震前空区异常较为显著,分阶段出现了超长时段的背景空区(MS6.0)、中长阶段的孕震空区(ML≥4.0)及一年尺度的“逼近地震空区”(ML≥3.0)(Wen et al,2007),空间尺度以东昆仑断裂带为主体,伴随着中长期尺度的震群事件,震群频度高出1980年以来的最高水平,震群空间分布以柴达木盆地为主,并形成沿茫崖—格尔木—大武—玛曲展布的NW向条带,青藏高原北部地区中等强震在短期尺度开始活跃,主震发生在空区的西边缘。

    2010年玉树MS7.1地震震前同样分阶段出现了不同时间尺度空区,依次为1995年开始的MS6.0背景空区、2007年形成的MS5.0中长期空区、2009年形成的MS4.0短期空区;空间尺度为青海南部至藏东。2008年汶川地震后,青藏高原出现MS5.0地震活跃,2009年7月至玉树地震前,发生MS5.0以上地震16次,高于2000年以来的活动水平;玉树主震发生在空区北部。

    2017年九寨沟MS7.0地震发生在巴颜喀拉地块内部,靠近北边界东端,震前存在2001年以来形成于青海东部地区的MS5.0空区及2002年以来形成的巴颜喀拉地块边界东北缘及附近的MS5.0地震空区,并且存在中短期四川地区的中等地震活动增强,九寨沟地震即发生于空区的东边缘。

    2008年汶川MS8.0地震和2013年芦山MS7.0地震均发生在巴颜喀拉地块东边界的龙门山断裂带上,Wan和Shen (2010)研究表明,龙门山断裂带两端为汶川地震激发的库仑应力加载区,时隔5年南端发生了芦山MS7.0地震。两次地震前较为显著的地震活动增强为四川地区中期—短期中等地震(ML3.5—5.9)月频次升高,并未出现类似于上述巴颜喀拉地块其它边界地区震前的空区和中强地震或震群的密集活动,这可能与龙门山断裂带现今不超过2 mm/a的超低滑动速率所导致的强闭锁有关(张培震等,2009)。

    通过上述分析,可以看出巴颜喀拉东边界大震前地震活动增强特征与北边界、西边界及南边界存在显著的不同(图8),除汶川MS8.0地震和芦山MS7.0地震外,其余四次地震在震前均出现较大范围的空区,尤其是发生在巴颜喀拉地块向东运移前端地带的和田MS8.1地震和玉树MS7.0地震,并随着空区的演化在中长期至中短期尺度出现震群、中等地震的活跃,且除九寨沟MS7.0地震以外,均发生在巴颜喀拉南北边界的大型走滑断裂带上。位于巴颜喀拉东边界的龙门山断裂带上的汶川MS8.0地震和芦山MS7.0地震,震前并没有出现空区,较为显著的地震活动异常是四川地区中等地震的月频次升高,地震异常活动发生在四川盆地内部,而脱离了巴颜喀拉地块的控制,这两次地震的震源机制解均以逆冲运动为主。震前地震活动异常反映了巴颜喀拉地块朝东“逃逸”过程中,受力前端至末端环境的改变。

    图  8  巴颜喀拉地块地震活动增强特征的时空演化示意图
    Figure  8.  Schematic illustration of the spatio-temporal evolution of the premonitory enhanced seismicity of the Bayan Har block

    华北活动地块是以发育正断裂或正走滑断裂及其控制的地堑、半地堑盆地为主要特征(邓起东等,2002),1970年以来华北活动地块周缘10次MS≥6.0地震中的6次,震前存在地震活动增强现象,其中5次发生在华北地块北缘(图1),它们分别为1975年海城MS7.3地震、1976年内蒙古和林格尔MS6.2地震、1976年唐山MS7.8地震、内蒙古五原MS6.0地震和内蒙古包头MS6.4地震。

    1975年海城MS7.3地震位于华北地块与东北亚地块的交会部位,震前呈现出十分完整的地震活动空间演化特征:中长期尺度震中附近较大范围形成背景空区(MS5.0围空);中期尺度出现孕震空区(MS4.0围空)及辽宁陆内地区小震显著增强,达到正常活动水平年频度的15倍;到中短期尺度,震源附近出现小震群,震前3天出现显著的前震序列;空区范围不断收缩,最后主震发生。

    1976年唐山地震前中长期尺度存在MS4.0地震空区,整个华北地区从二十世纪六十年代开始出现ML≥4.0地震频度升高和能量释放加速的现象,空间尺度和时间尺度的跨度巨大(国家地震局 《一九七六年唐山地震》 编辑组,1982张肇诚,1990ab)。1976年内蒙古和林格尔MS6.2地震、内蒙古五原MS6.0地震和内蒙古包头MS6.4地震在中长期尺度出现中小震地震空区,震前中短期尺度均出现了地震频次窗的异常,且阴山带的地震活动增强。

    华北活动地块北缘的强震发生前一般可能在中长期尺度形成中等地震空区,中短期尺度地震活动增强显著,其中华北活动地块北缘西段的三次内蒙古地震均出现包头附近的地震频次窗。虽然这5次地震均位于华北地块北缘,但它们发生于不同的构造位置,震前地震活动增强显示出较为显著的差异。特别是,海城地震与唐山地震震级水平相当,但海城地震前并未出现超大范围和超长尺度的地震活动增强,由此可见,震前地震活动增强受到了二级地块的控制或邻近构造的影响。

    关于地震前兆模式的研究始于二十世纪六十年代后期,之后梅世蓉(19951996)提出了“坚固体孕震模式”,且从深部构造、力学分析和岩石实验等方面为其提供了支持性的证据,但未对地震活动增强这一前兆现象进行单独的论述。Mogi (1969)和宋治平等(1999)分别研究了日本和国内及邻区多次M≥7.8巨震前的地震活动增强,其结果显示,巨震前地震增强活动一般呈环形分布。宋治平等(1999)利用坚固体孕震模式解释了地震活动增强环形特征出现的原因,并采用三维弹性硬包体理论模型(Добровольский,1991)分析了地震活动增强区的的尺度、震级与震源尺度的关系以及地震活动增强区的形成时间。薛艳等(2018)对汶川地震前地震活动特征的普遍性及机理进行了探讨,从包体弹性理论推导出地震活动增强区尺度的对数与主震震级、增强区与震源体空间尺度之比的对数与主震震级存在线性关系。显然,本研究通过 《中国震例》 对中国大陆东部MS≥6.0、西部MS≥7.0地震前的地震活动增强的研究以中小地震为主,对比前人关于依据巨震(MS≥7.8)前MS5.0地震活动增强特征,两者存在一些共性,也存在一些差异。相较于中小地震,中强地震活动增强更可能形成“环形”增强区,但并不是所有大震前都会形成这样的“环形”增强区,例如发生在龙门山地震带上的汶川MS8.0地震和芦山MS7.0地震。

    大地震在孕育过程中变形或应力的加载是多尺度和多样的,涉及变形的局部集中、断层非均匀性和局部加载速率差异,用于解释地震孕育和发生过程的概念目前主要有三个:级联破裂、震前预滑和渐进式变形局部集中(Fukao,Furumoto,1985Reches,Lockner,1994Ben-Zion,2008Gomberg,2018Abercrombie,2019Ben-Zion,Zaliapin,2020)。Kato和Ben-Zion (2021)结合断层强度实验、野外观测资料和内陆及俯冲带大震的孕育特征,提出了一个综合模型,并基于该模型对不同构造环境下大地震发生的多样性予以解释。在复杂的地壳断层中,大地震之前的地震活动增强使得周围的岩石不断产生损伤(图9a),且这些增强的地震活动不限于发生在产生大地震的断层上,它们的发生促使岩体分散破裂并继而向局部变形演化,最终形成了主要的滑动区和大地震。岩石和类似样品的实验室研究都表明,大破裂发生之前是一段相对较长的分布变形时期,其后是渐进式剪切局部集中变形,最终导致系统尺度上破裂带的宏观失稳(Lockner et al,1991Renard et al,2019Schrank et al,2008Ritter et al,2018图9c),在损伤流变模型的数值模拟结果中,也可以看到类似的变化(Lyakhovsky et al,2001Lyakhovsky,Ben-Zion,2009),这基本解释了震前地震活动增强与大地震发生的关系。表现为前震形式的地震活动增强是后续相近时空发生较大地震事件的最显著信号(图9b),但增强活动并不是每一次都以前震的形式出现,这与地震孕育模式有关,级联破裂模型和预滑模型一般用来解释前震发生的机制,而渐进式局部集中变形模式适用于解释未发生显著前震的地震活动增强(Kato,Ben-Zion,2021)。

    图  9  地震活动增强与大震孕育相互关系模式示意图(修改自Kato,Ben-Zion,2021
    (a) 地震活动增强引发较大范围的分布式岩石损伤;(b) 前震序列发生在大震时空紧邻区地区,岩石集中损伤;(c) 地震活动增强、前震组合形式的大震触发模型
    Figure  9.  Schematic illustrations of the relationship between enhanced seismicity and generation processes of strong earthquakes (modified from Kato and Ben-Zion,2021
    (a) Rock damage caused by enhanced seismicity in large scale;(b) Localization of deformation around the eventual rupture zone caused by foreshocks;(c) An integrated model including enhanced seismicity and foreshocks for the initiation of strong earthquake

    本研究总结梳理了大陆强震前地震活动增强现象的时空统计特征及其对地震预报的指示意义,同时讨论了大震孕育模式与地震活动增强的关系,得到结论如下:

    1) 我国大陆大震前普遍存在地震活动显著增强的现象,并且在西部区域表现更为突出。西部地区大多数震例的震前地震活动增强的空间范围表现为中间尺度或构造尺度,且发震震级越大,越可能出现更大范围的地震活动增强;西部地区更有可能出现中强地震的震前活动增强,地震活动增强的平均震级较大者,后续有可能出现高震级地震;西部地区随着震级增大,更有可能出现中期到中长期尺度的地震活动增强。而东部地区随着震级增大,更可能出现中期到中短期的地震活动增强。

    2) 从不同地块的地震活动增强的时空演化特征梳理来看,地震活动增强用于地震预报需要结合图像特征,例如空区或者条带,特别是中长期尺度的强震围空以及邻近空区随时间的收缩现象,即背景空区向孕震空区的变化,通常对主震有很好的地点指示意义。川滇菱形地块强震前在中长期尺度均出现了地震条带交会现象和不同空间尺度的地震空区,在中短期尺度出现中小震活动密集活动的现象,并且对大震地点有较好的指示意义。巴颜喀拉东边界大震前地震活动增强特征与北边界、西边界及南边界存在显著的不同,反映了巴颜喀拉地块在朝东“逃逸”过程中,受力前端至末端环境的改变。

    大震前地震活动增强特征是多样化的,这与地震孕育模式有关,因此难以用一种前兆模型来解释目前所观测到的所有地震活动增强特征。 《中国震例》 中大部分异常是在震后回溯总结得到的,这可能会对统计分析的完整性造成一定的影响。另外,在本文提取前兆地震活动增强随震级、时间尺度及空间尺度的变化规律时,受到样本量的限制,且不同地区(活动地块)地震活动增强变化复杂多样,因此未能进行深入的定量分析,后续将对某一具体震例进行分析开展这方面的工作。

  • 图  1   本文研究涉及的活动构造地块和震例时空分布图

    图中地块边界据张培震等(2003),红色虚线圈代表震前存在地震活动显著增强现象的震例

    Figure  1.   Active tectonic blocks and the spatio-temporal distributions of earthquake cases used in this study

    (The block boundaries refer to Zhang et al2003),red dashed circles represents earthquake cases with enhanced seismicity prior to large earthquakes

    图  2   中国大陆西部(a)和东部(b)不同震级档和空间尺度的地震前存在地震活动增强现象的震例个数

    Figure  2.   The number of earthquake cases with premonitory enhanced seismicity at different spatial scaleand magnitude class in western (a) and eastern (b) Chinese mainland,respectively

    图  3   不同震级档和空间尺度的地震前存在地震活动增强现象的个数

    Figure  3.   The number of earthquake cases with premonitory enhanced seismicity at different spatial scale and magnitude

    图  4   中国大陆西部(a)和东部(b)前兆地震活动增强的震级统计特征

    Figure  4.   Magnitude statistical characteristics of premonitory enhanced seismicity in western (a) and eastern (b) Chinese mainland respectively

    图  5   中国大陆西部和东部的前兆地震活动增强时间尺度统计特征

    Figure  5.   Temporal statistical characteristics of premonitory enhanced seismicity in western and eastern Chinese mainland respectively

    图  6   中国大陆西部和东部地震活动增强的时间尺度随震级的变化

    Figure  6.   Temporal scales variation of premonitory enhanced seismicity with magnitude in western and eastern Chinese mainland respectively

    图  7   川滇菱形地块内震前地震活动增强的时空特征演化示意图

    Figure  7.   Schematic illustration of spatio-temporal evolution characteristics of premonitory enhanced seismicity in the Sichuan-Yunnan rhombic block

    图  8   巴颜喀拉地块地震活动增强特征的时空演化示意图

    Figure  8.   Schematic illustration of the spatio-temporal evolution of the premonitory enhanced seismicity of the Bayan Har block

    图  9   地震活动增强与大震孕育相互关系模式示意图(修改自Kato,Ben-Zion,2021

    (a) 地震活动增强引发较大范围的分布式岩石损伤;(b) 前震序列发生在大震时空紧邻区地区,岩石集中损伤;(c) 地震活动增强、前震组合形式的大震触发模型

    Figure  9.   Schematic illustrations of the relationship between enhanced seismicity and generation processes of strong earthquakes (modified from Kato and Ben-Zion,2021

    (a) Rock damage caused by enhanced seismicity in large scale;(b) Localization of deformation around the eventual rupture zone caused by foreshocks;(c) An integrated model including enhanced seismicity and foreshocks for the initiation of strong earthquake

    表  1   本文所用具有前兆地震活动增强的震例基本信息

    Table  1   Basic information of earthquake cases with premonitory enhanced seismicity used in this study

    序号 发震时间
    年-月-日
    北纬/° 东经/° MS 深度/km 地点 是否存在震前
    地震活动增强
    1 1 966−03−22 31.50 115.00 7.2 9 邢台
    2 1 967−03−27 38.50 116.50 6.3 30 河间
    3 1 969−07−26 21.75 111.75 6.4 5 阳江
    4 1 970−01−05 24.10 102.60 7.8 13 通海
    5 1 973−02−06 31.50 100.40 7.6 17 炉霍
    6 1 974−05−11 28.10 104.00 7.1 14 大关
    7 1 975−02−04 40.70 122.80 7.3 16 海城
    8 1 976−04−06 40.20 112.10 6.3 18 和林格尔
    9 1 976−05−29 24.55 98.75 7.4 21 龙陵
    10 1 976−07−28 39.60 118.20 7.8 11 唐山
    11 1 976−08−16 32.70 104.08 7.2 15 松潘
    12 1 976−09−23 40.00 106.35 6.2 35 巴音木仁
    13 1 977−05−12 39.20 117.70 6.2 1 9 宁河
    14 1 979−07−09 31.50 119.30 6.0 12 溧阳
    15 1 979−08−25 41.23 108.11 6.0 30 五原
    16 1 984−05−21 32.70 121.60 6.2 17 南黄海
    17 1 985−08−23 39.58 75.60 7.4 7 乌恰
    18 1 988−11−06 22.83 99.72 7.5 13 澜沧-耿马
    1 9 1 990−04−26 36.12 100.13 7.0 32 共和
    20 1 994−12−31 20.52 109.32 6.1 7 北部湾
    21 1 995−07−12 21.98 99.07 7.3 10 孟连西
    22 1 996−02−03 27.30 100.22 7.0 10 丽江
    23 1 996−11−19 35.43 78.35 7.1 16 和田
    24 1 998−01−10 41.10 114.30 6.2 10 尚义
    25 2 001−11−14 35.93 90.53 8.1 10 昆仑山西口
    26 2 008−03−21 35.80 81.43 7.3 33 于田
    27 2 008−05−12 31.00 103.40 8.0 14 汶川
    28 2 010−04−14 33.10 96.70 7.1 33 玉树
    29 2 013−04−20 30.30 103.00 7.0 13 芦山
    30 2 014−02−12 36.10 82.50 7.3 12 于田
    31 2 017−08−08 33.20 103.82 7.0 20 九寨沟
    32 1 989−10−19 39.94 113.84 6.1 14 大同-阳高
    33 1 996−05−03 40.83 109.62 6.4 20 包头
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-12
  • 修回日期:  2023-07-20
  • 网络出版日期:  2024-03-19
  • 刊出日期:  2024-03-14

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