中小地震深度分布特征与中长期前兆机理分析①

1、于2000年11月13日收到本文初稿,2001年4月15日收到修改稿。中小地震深度分布特征与中长期前兆机理分析王健1张雷21(中国北京100081中国地震局地球物理研究所2(中国宿州234000宿州教育学院地理系摘要统计了不同震级地震的深度分布,数据显示:震级越低,深度分布的范围越广;随着震级增大,震源深度有集中在地壳中上层的趋势。通过分析中小地震深度分布特征的原因,结合强震发生的条件和特性,对中小地震前兆机理进行了解释。本文的结果和认识对判定中长期强震危险区有一定的应用价值。关键词:地震活动深度分布地震前兆中长期地震预测引言研究地震的深度分布、探讨其物理背景,一直是地震学界广泛关注的课题。有

2、些学者(傅征祥,1996研究了余震活动深度分布与地壳速度界面埋深和地表热流大小的关系。研究中小地震的深度分布特征及其与强震的关系,对于识别前兆震群是非常有意义的。有人(赵根模,1990定义主震前1年内、距主震1°范围内的震群为前兆震群。作者分析了中国大陆39组震群的震源深度分布,结果显示:普通震群多数分布在强度较低的上地壳,前震和前兆震群比普通震群要深得多,可能达到中下地壳。近年来,作者用定量方法系统研究了中国大陆东部地区(108°E 以东中小地震活动(王健,1999,认为符合某些特征的中小地震活动性密集可以作为强震的中长期前兆。不同震级地震之间除能量相差较大外,地震的发生

3、条件和方式也可能存在差异。分震级统计地震的深度分布特征,探讨其与地壳分层结构及性质的关系,进而讨论中小地震作为强震前兆的特征及其机制是有重要应用价值的。本文将利用有限的资料分震级探讨地震深度分布特征,并分析可以作为强震中长期前兆的中小地震的震源深度机理。1分震级地震深度分布特征统计显示(王健,1999,从记录能力较好的华北地区(108°125°E ,30°43°N 来看,19701999年共记录到M L 1地震79644次,其中给出精度等级的共有25099次,仅占总数的3115%。由于资料所限,大范围、普遍地讨论震源分布图象为时尚早。但一些强震发生后,往

4、往临时增加观测仪器,所以强震余震的深度参数常常较多,且观测精度相对要好。因此,针对华北地区部分发生过强震的密集区内的地震资料,分震级进行了地震随深度分布的分第17卷第3期(2993042001年9月中国地震E ARTH QUAKE RESE ARCH I N CHI NA析。它们是唐山、海城、大同、邢台、包头、溧阳等共6个密集区。选取的原则只有1个,即有尽可能多的深度资料,每个密度区有震源深度的地震事件数都在120以上(表1。进行分震级地震深度分布特征分析的具体办法是,用统一震级ML,起始震级为2。计算出每一级地震有深度资料的总数。取5km为间隔,将深度分档,统计各深度档地震数与该震级总数的比

5、值。将各级地震在各深度档的比值列于表2。该表的数据大致反映出这样一种情形:震级低,深度分布的范围就广;随着震级的增大,深度分布的范围缩小,并向中间某一区域集中。下面将结合地壳分层结构及其性质,对此现象的发生条件和特性进行一些讨论。表1密集区内各震级有深度参数的地震数表2华北密集区分震级深度分布地名震级M深度分布(km0459101415192024252930343539003中国地震17卷2地震发生条件和方式分析从上节中我们得到这样的认识:震级大的地震基本上集中于地壳中上层,6级以上地震都在1024km 的深度范围内;对于小震级地震,从数量上来讲,分布于地壳中上层的占优势,但其深度分布范围要

6、广。可以从两个方面来理解这一现象,一是从地壳的分层结构及其物性来理解,再就是地震的发生方式。关于强震的发生条件,一般认为强震多发生在地壳中上层,有“多震层”、“易震层”等说法。一般的看法是,浅层应力较低,不利于强震的发生;而随着深度的增加,可能存在由脆性逐渐向韧性转化的过渡层,其内也不利强震的发生。中小地震的发生条件对应力的要求相对强震要低,在浅层可以观测到中小地震。在过渡带中,剪切破裂强度下降较慢,由脆性向韧性转化不是急速的。假如中小地震深度分布的峰值与剪切强度峰值相对应,其活动深度的下界将落在脆性向韧性转化的过渡带中(Strehlau.J.,1980。中小地震的发生除破裂以外,还可能存在其

7、它的方式。岩石实验的一些结果显示,破裂与摩擦之间声发射能级-频度关系有所不同(李纪汉等,1987。一般认为摩擦试验有较高的b 值,其值可达113左右。b 值高意味着小地震数量相对较多。Scholz (1969对在高围压的条件下Westerly 花岗岩的实验得出,当围压为200MPa 时,粘滑的b 值逐次增高。岩石实验的结果显示破碎介质的摩擦也是产生小地震的机制之一。天然地震也有类似现象,有研究表明,同为3级地震密集,如果次级地震活跃,则该范围以较大比率对应历史强震(王健,1999。那么到底是破裂还是摩擦?除根据历史地震外,还可根据中小地震的集中程度和初动方向的一致性来判断(魏光兴等,1980;

8、陈,1978。因此,从地壳的分层结构及其物性的不同以及地震发生方式的差异,可以定性地解释不同震级地震深度分布的特征。3强震破裂特性和中小地震前兆机理311强震破裂特性汪素云等(1991曾利用地震波形反演的方法,测定、分析了华北地区强震断层面解及震源深度特征,列出了该区16次强震的两种震源深度值h 1与h 2。h 1是根据震相到时定位得到的震源深度(称定位深度,实质上反映了地震起始破裂点的深度。h 2是波形反演深度,实质上它是整个震源体的质心深度,或者说是复杂破裂过程的破裂中心深度。在其研究的16次强震中,h 1有3次在10km 左右、5次在15km 左右、6次在20km 左右;而h 2则多数在

9、10km 左右。这些数据显示强震破裂主要发生在中地壳的下界面附近,而扩展则主要在上界面附近。Scholz (1996利用强度和应力降随深度增加的动态模型研究发现,发育于浅处低应力环境的破裂不能扩展到较深的高强度区,只有发育于深处高应力区的破裂能够扩展到整个碎裂圈。这两项工作不但解释了强震发生在有一定深度的地壳中上层,还形象地说明了强震往往“自下而上”的破裂特性。312中小地震的前兆机理分析断裂力学的一个基本观念是预存的裂纹一定能对剪切破裂起导引作用(Atkins on B.K.,1033期王健等:中小地震深度分布特征与中长期前兆机理分析将岩石实验中的现象与天然地震相对比,我们将具有一定特征的中

10、小地震密集解释为地壳介质中形成小尺度宏观“起始破裂面”过程的一种表现形式。按照断裂力学的基本认识,这种“起始破裂面”的存在易于应力在其端部集中,从而利于强震的产生。由于强震往往有一定的深度且多有“自下而上”的破裂特性,如果将具有中长期前兆意义的中小地震密集看作是“起始破裂面”形成过程的一种表现形式,那么它们就必须具备比强震更深或相当的深度。1970年以来,华北地区出现具有中长期前兆意义的中小地震密集并相应地有强震发生的共5次(表3。表3华北地区ML=3地震密集前兆特征分析表序号地名密集范围经度纬度密集时段n3n2深度范围(km对M L应时间地深度震间隔从表3中可以看到,前兆震群的深度都包含了所

11、对应强震的深度范围或大致对应。从前兆密集的出现到强震发生的间隔时间从数小时到13年不等。这一现象表明,这种前兆特征只能用以判定未来强震的危险地点。而要预测未来强震的发生时刻,还需要对区域应力场、地壳介质的性状、起始破裂面的形状和规模等许多因素有足够的了解,因此我们称这种前兆为强震的中长期前兆。4讨论(1就单个地震而言,强震深度的精度要好于中小地震,但我们对中小地震深度分布的认识源于多次地震的统计数据。应当承认,地震深度定位精度不很好、资料有限等仍是进行相关研究的主要困难。(2对于地壳分层结构及其物性与地震的频数与震级的关系,还需要更多的观测数据及实验研究。(3由于地震类别的差异或其它原因,强震

12、“自下而上”的破裂特性也存在一定的比率问题。致谢:感谢中国地震局地球物理研究所金严研究员和胡聿贤院士的指导和帮助。参考文献陈,1978,用震源机制一致性作为描述地震活动性的新参数.地球物理学报,21(2,142159.203中国地震17卷傅征祥,1996,中国大陆余震活动深度分布及其流变学机制,中国地震,12(2:147154。李纪汉、刘晓红、郝晋升等,1987,岩石摩擦滑动的声发射b 值,西北地震学报,9(4,3438。李世愚、朱传镇、王琳瑛,1997,大尺度岩石破裂声发射序列的实验研究,地震短临预报的理论与方法,国家地震局预测预防司编,北京:地震出版社,537545。魏光兴、李秉锋,198

13、0,1976年春季山东庙岛群岛两次小震群,地震学报,2(3,258257。王健,1999,地震活动性震级结构特征及其应用研究,北京:中国地震局地球物理研究所,博士毕业论文。汪素云、James Ni 、马宗晋等,1991,华北强震断层面解和震源深度特征,地球物理学报,34(1,4254。赵根模,1990,前震和普通震群震源深度分布的比较,中国地震,6(4:5765。Atkins on B.K.,1992,岩石断裂力学,尹祥础、修济刚等译,北京:地震出版社。Byerlee J.D.,Lockner D.A.,1997,Acoustic emission during fluid injection

14、 in rock.In :Hardy H.R.,Leighton FW (eds ,In Proceed 2ings ,First C on ference on Acoustic Emission M icroseismic Activity in G eological S tructures and M aterials.G erman :T rans T ech Publica 2tions.Clausthal 2Z ellerfeld.8798.Scholz ,C.H.,1996,地震与断层力学,140.马胜利、曾正文等译,北京:地震出版社.S trehlau ,J.,1980,A

15、discussion of the depth extent of rupture in large continental earthquakes ,earthquake s ource mechanics (edited by das ,S ,Boatwright ,J.and Scholz ,C.H ,geophysical m onogragh 37,1312146,AG U.Analysis on Depth Distribution and Precursory Mechanism of Smalland Moderate E arthquakesWang Jian1Zhang L

16、ei2(Institute of G eophysics ,China Seism ological Bureau ,Beijing 100081,China Abstract The earthquake focal depth distribution of each magnitude has been analyzed.Statistic data showed :the lower magnitude ,the wider focal depth distribution.With magnitude growing the focus tend to be in upper or

17、mediate crustal layers.We analyzed the cause of focal depth distribution and ex 2plained the precurs ory mechanism of small and m oderate earthquakes with occurrent condition and characteristics of strong earthquakes.The results can be applied to determine risk sites of strong earth 2quakes.K ey w ords :Seismicity Depth distribution Pr