云南地区强震前波速比、震源深度及中小地震活动的特征＊

李永莉,毛慧玲,王世芹,秦嘉政

(云南省地震局,昆明 650224)

云南地区强震前波速比、震源深度及中小地震活动的特征＊

李永莉,毛慧玲,王世芹,秦嘉政

(云南省地震局,昆明 650224)

分析了云南地区第四强震跃期内波速比的变化规律,探讨了强震孕育过程与波速变化、震源深度变化、中小地震活动的关系,结果表明:波速比异常、震源深度变化异常与 3、4级中小地震活动的异常,最早出现于云南 7级地震前 4年左右,大多数异常集中出现于震前 2年左右,表现为波速比、震源深度异常增多,震前 1年左右异常则逐步减少;伴随着云南第四强震活跃期的开始—结束的过程,云南地区的波速比也经历了下降—恢复的准同步过程。

波速比;震源深度;中小地震;强震活跃期;云南

0 引言

苏有锦等(2001)认为,1900年以来云南地区的强震活动可分为 4个活跃期和 4个平静期。1996年丽江 7.0级地震是第四强震活跃期结束的标志,至今已进入第四强震平静期的第 13年,下一个强震活跃期逐步逼近,提取强震前的震兆异常特征,预测未来的强震已成为当前刻不容缓的工作。

本文剖析了云南地区强震前波速比和震源深度的变化及中小地震的活动特征,动态追踪 7级地震前的异常信息,寻求可预测 7级大震的发震时间的依据;分析了云南第四强震活跃期前后,云南地区波速比显著低值与强震活动的关系,并初步探讨了波速变化、中小地震活动与强震孕育之间的机理。

1 资料及思路

云南地区于 1982年建立区域地震台网,1986年前云南部分地区的地震监控能力达M≥2.5,1986年后云南全省的地震监控能力达M≥2.5,同时也有比较完整的地震波形记录资料。为减少干扰,保证所用基础资料的可靠性,笔者采用云南遥测台网M≥2.5地震的波形记录及M≥3地震的定位结果。

大地震的发生具有一定的复杂性及必然性,其孕育过程中一定范围内的地壳应力会增强,地下介质也会出现不稳定变化,并常伴随着中小地震活动的增强或平静异常。波速比、震源深度从不同的角度反应了地下介质的地壳速度结构变化,提供了未来强震的孕震信息(傅征祥,1997)。因此,本文基于地震孕育过程中反映地下介质特性的波速比、震源深度及中小地震的变化特征,从时间上追踪大震孕育的变化规律,寻求大震孕育的前兆信息,为预测未来大震的发震时间提供依据。

2 云南 7级地震前的异常特征

2.1 波速比异常

从 1986～2008年云南遥测台网地震波形记录资料中,选取 4个以上地震台记录到的云南地区中小地震的清晰的直达波 Pg、Sg的到时,选用(TS-TP)在 20～25 s之间的远台和小于 0.5 s的近台,用多台法计算云南地区的中小地震波速比VP/VS、剩余标准差S和相关系数R。为减小介质横向不均匀性的影响,误差大于 0.03和相关系数小于 0.9的波速比均舍弃。对云南地区多年波速比数值计算得波速比的均值为 1.70(李永莉等,2008)。考虑到资料的误差,取 1.70±0.05为云南地区波速比正常值,将偏离正常标准值范围的数作为异常波速值,波速比异常(高、低异常)数量反映了地下介质的变化状态,数量多表明介质处于“不稳定”状态,以往云南强震震例已证明波速比异常密集区为强地震孕育的区域(蔡静观等,1999;李永莉等,2009)。

笔者以半年为间隔统计波速比异常的次数Vn,其平均值为 10次(图 1),具体分析了 1988年以来云南地区M≥7.0地震的波速比变化特征。

图 1 云南地区波速比异常次数时间进程曲线Fig.1 Variation of the wave velocity ratio in Yunnan

(1)1988年 11月 6日澜沧—耿马 7.6、7.2级地震

1987年上半年和下半年的波速比异常频次Vn值为 15次与 12次,1988年上半年和下半年Vn值分别为 10次和 8次,1988年 11月澜沧—耿马发生 7.6、7.2级大震,之后波速比的月最小值回升。

(2)1991年 1月 5日缅甸密支那 7.2级地震

1989年下半年波速比异常频次Vn值为 13次,1990年上半年Vn值降为 6次,半年后缅甸密支那发生 7.2级地震。

(3)1995年 7月 12日孟连 7.3级地震和 1996年 2月 3日丽江 7.0级地震

1990年下半年、1991年上半年的波速比异常频次Vn值各为 12次和 13次,1992年下半年Vn值降为 8次,1993年下半年又升至 14次,之后下降。1994年～1995上半年Vn值为 9次左右,1995年下半年又降为 7次,1996年上半年Vn值为 4次,其间发生了孟连 7.3级地震和丽江 7.0级地震。

(4)2000年 6月 8日缅甸曼德勒 7.0级地震

1998年下半年的Vn值为 11次,1999年上半年降低为 8次,一年后的 2000年 6月 8日,缅甸曼德勒发生 7.0级地震。

(5)2003年 9月 22日缅甸 7.2级地震

2001年下半年Vn值高达 14次,2003年上半年下降至 8次,3个月后缅甸发生 7.2级地震。

(6)2008年 5月 12日四川汶川 8.0级地震

2004年下半年Vn值高达 18次,之后连续下降至 2006年的 10次,2007年下半年上升至 12次,2008年上半年又下降至 10次的低值,下降过程中四川汶川发生 8.0级地震。

综上所述,云南地区M≥7.0大震前 2年,波速比异常次数半年均值Vn出现高于 10次的异常,之后下降至均值线下,3～6个月后发生M≥7.0地震;其中有两组Vn值出现两次高—低值的变化过程:1995年孟连 7.3级地震与 1996年丽江 7.0级地震。汶川 8.0级地震前,Vn高值最早出现于震前 4年。可见云南地区在统计时间段出现波速比高频次异常(约占 67%),然后下降,云南及周边随即发生M≥7.0地震。波速比异常频次高值一般出现在震前 2年。

2.2 震源深度变化异常

云南遥测台网震源基本参数的测定采用的是均匀介质模型,M≥3的地震定位结果资料精度均为 2、3类,这些地震为小区域范围的近震台网测定结果,对震源深度精度的影响有限,同时云南地区强震前均观测到中小地震震源深度加深的现象(毛慧玲,李永莉,2004)。考虑到云南地区深部构造特点和观测深度的误差范围,笔者选取震源深度h≥25 km的地震资料,研究云南地区 7级大震前中小地震震源深度的变化,以年为单位统计震源深度大于等于25 km的频次T(简称深度异常频次)的时间进程曲线(图 2),分析 1988年以来云南地区 6次M≥7.0地震及四川汶川 8.0级地震前深度异常频次的变化特征,具体分析如下:

图 2 云南地区地震震源深度 h≥25 km的年频次进程曲线Fig.2 Annual frequency curve of the focal depth(h≥25 km)in Yunnan

1988年 11月 6日澜沧—耿马 7.6、7.2级地震前:1984年深度异常频次达 15次,为高值,之后下降,至 1987年的 4次,为低值,降幅为 70%。

1991年 1月 5日缅甸密支那 7.2级地震前:1989年深度异常频次为 6次,1990年为 3次,降幅为 50%。

1995年 7月 12日孟连 7.3级地震、1996年 2月丽江 7级地震前:1992年深度异常频次为 5次,1993、1994年频次为 0。

2000年 6月 8日缅甸曼德勒 7.0级地震前:1997、1998年深度异常频次为 2次、1次,1999年频次为 0。

2003年 9月 22日缅甸 7.2级地震前:2000年深度异常频次高达 14次,之后下降,2002年深度异常频次为 6次,下降幅度为 57%。

2008年 5月 12日四川汶川 8.0级地震前:2005年深度异常频次高达 17次,之后下降,2006、2007年频次均为 0。

综上所述,云南地区M≥7.0地震前震源的深度异常频次有以下两个特征:(1)震前 3～4年震源的深度异常频次高于均值(6次),震前 1年下降至均值以下;(2)深度异常频次连续 3年低于均值,至震前 1年降为 0。两种异常最早出现的时间均为震前 3～4年,之后连续下降,至震前 1年下降幅度均为最高值的 50%以上。

2.3 中小地震活动

云南地区的地震监测范围为 20°～30°N,96°～107°E,地震记录资料中包含了以省界为分界线的云南省内及省外地震。而一定区域的中小地震活动具有一定的活动规律,在大震孕育过程中常出现偏离其活动规律的变化。为突出大震前云南省内的中小地震活动偏离正常活动水平的状态,提取云南省内的M≥3地震与省外的M≥3地震并作归一化处理,即省内M≥3地震与省外M≥3地震的月频度比S(简称省内外月频度比)。图 3a为1982年以来云南地区的省内外月频度比。取其 2倍方差值为异常线,即 0.85≤S≤0.18,统计时将同一年内出现的异常点看作 1次,从图 3a中可见:

图 3 云南地区中小地震时间进程曲线(a)省内外 3级地震月频度比;(b)4级双震的年次数Fig.3 Curve of medium-small earthquakes in Yunnan(a)Monthly frequency ofM3.0 earthquakes in Yunnan and the neighboring area;(b)Annual frequency ofM4.0 double earthquakes in Yunnan and the neighboring area

(1)高异常点有 4次:1982年 5月为 0.92,1年后的 1983年 6月越南莱州发生 7.1级地震。1994年 7月为 0.9,1年后的 1995年 7月孟连发生7.3级地震,1年半后即 1996年 2月丽江发生 7.0级地震。1998年 1月为 0.85,11月为 1.0,两年后的 2000年 6月缅甸曼德勒发生 7.0级地震。

(2)低异常点有 7次:1984年 7月为 0.14,1987年 4月、6月为 0.18、0.13,1988年 11月 6日澜沧—耿马发生 7.6、7.2级地震,1992年 7月为 0.22,3年半后的 1995年 7月孟连发生 7.3级地震。2000年 4月、11月分别为 0.11和 0.18,2000年 6月缅甸曼德勒发生 7.0级地震。2002年 4月为 0.17,1年后的 2003年 9月缅甸发生 7.2级地震。2007年 2月为 0.14,1年后的 2008年 5月四川汶川发生 8级地震。2008年 6月又为 0.18。

4级双震在云南地区为相对较少的地震事件,其活动数目的多少与区域地震活动水平密切相关。图 3b为 1982年以来云南地区 4级双震的年频次N4。

由图 3b可见,1982～1985年 4级双震的年频次连续为 0,其中 1983年越南莱州发生 7.1级地震;1986年的年频次为 3,两年后的 1988年 11月的澜沧—耿马发生 7.6、7.2级地震;1989年的年频次为 3,2年后的 1991年 1月缅甸密支那发生7.2级地震;1993年为 3次,1994年为 4次,1995年为 4次,之后 2年内,分别发生了 1995年 7月孟连 7.3级地震、1996年 2月丽江 7级地震;1998年为 4次,2年后的 2000年 6月缅甸曼德勒发生7.0级地震,1999～2000年 4级双震的年频次连续2年为 0。2006～2007年 4级双震的年频次连续 2年为 0,2008年 5月四川汶川发生 8级地震。

综上所述,云南地区 4级双震的年频次超过 3次,则云南可能发生 7级地震。若省内外 3级地震月频度比S出现高值或低值异常,1～2年内云南可能发生 7级地震;若 4级双震的年频次连续 2年以上为 0,同时省内外 3级地震月频度比S出现低值异常,则 1～2年内省外可能发生 7级甚至 8级地震。即云南省内 7级地震前 1～2年内 4级地震以活跃异常为主,3级地震则呈活跃或平静异常;云南省外 7级地震前以 3、4级地震的平静异常为主。

3 云南第四强震活跃期前后波速比的趋势变化

众所周知,1900年以来云南地区M≥6.8地震活动呈现出显著的动、静相间的韵律特征。按此规律,苏有锦等(2001)把 1900年以来云南地区的地震活动分为 4个活跃期(图 4)。图 4中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表云南地区 4个强震活跃期时间段,各活跃期之间为强震平静期。云南遥测台网从 1982年始有数字地震记录,依据图 4中对云南强震活动规律的划分,上述分析中采用地震记录资料的时间段,仅包含了第四活跃期前后共 22年的资料。在强震孕育过程中,区域的波速比显著低值异常与区域的介质特性变化密切相关,故选取每月波速比的最小值,按月为时间点绘制时间进程曲线,剖析第四活跃期前后,云南地区波速比与强震活动周期之间的关系(图 5),图中波速比最小值的平均值为 1.39。

图 4 云南地区M≥6.8地震M-T图Fig.4 M-Tdiagram of theM≥6.8 earthquakes in Yunnan

图 5 云南地区波速比最小值的趋势变化Fig.5 Variation tendency of the minimum value of wave velocity ratio in Yunnan

从图 5可见,云南地区波速比最小值在云南强震第四活跃期前后有明显的差异:1986～1997年波速比最小值在 1.18～1.50之间,而 1998～2008年波速比最小值在 1.54左右波动,出现明显的两段分布,且在云南及周边地区 7级大震前均出现低于 1.39的波速比值。从波速比变化过程看,1986～1988年波速比呈下降趋势,澜沧—耿马 7级大震前的 1988年 6月波速比为历史最低值(1.22),1988～1997年波速比出现回升的态势,1997年波速比的数值已经与 1986年初的相近。2005～2007年波速比又呈下降趋势,2007年 3月达到 1.39,该时段内波速比的波动较大,直到 2008年汶川 8级地震前波速比才回升。

4 中小地震活动、震源深度和波速比与强震孕育关系的机理分析

一次强烈地震的发生不是偶然的,地震前常伴随着大量中小地震活动事件,经过一定时间突发失稳,发生中强甚至大地震(梅世容等,1993)。而大震前一定区域内中小地震活动与大区域地震活动的背景值之比,反映的是强震孕育中地震活动的动态变化,而云南省内与省外地震频度比在强震孕育的过程中,表现为有规律的变化特征。

在测定震源基本参数时,使用的台网不同,计算结果就有所不同(Lee,Stewart,1984),人工交切地震的范围大小和计算机定位的走时残差,反映的是计算精度而不是定位精度,残差小并不意味震源位置就准确。在平面上,震中的周围有台站包围,变动范围小,而在垂直方向只是一维约束,所以震源基本参数的差别首先表现在震源深度上,若台站同在高(低)速区,震中位置相差不大而震源深度变浅(深),因而震源深度变化反映的是区域波速特征。赵晋明等(1996)通过岩石破裂实验发现,在破裂孕育过程中,随着压力的增大,岩石微裂隙也在变化,当压力达 70%～90%破裂压力后,微裂隙增多,P、S波的波速下降,且 P波波速比 S波波速下降快,因而波速比VP/VS的值减小,至岩石破裂时 P、S波的波速会增大,波速比VP/VS突升。因而地震的震源深度和波速比VP/VS,显示的是区域介质在应力积累时地壳速度结构发生的变化,两者与大震孕育、发生密切相关,在大震孕育过程中常体现出有一定规律的动态变化过程。

5 讨论

(1)2008年 5月 12日四川汶川 8.0级地震和1988年澜沧—耿马 7.6、7.2级地震前,云南地区波速比异常和震源深度异常均出现大幅度的变化,而汶川 8.0级地震前的波速比异常和震源深度异常的变化幅度更为研究时段之最;两次地震异常差异表现为震前 4级地震的活动水平不同:汶川 8.0级地震前,云南地区的 4级地震表现为弱活动,而澜沧—耿马 7.6、7.2级地震前 4级地震为强活动。从地震背景上看,这两组强震均发生于云南甚至西南地区长期强震平静的背景下,这说明波速比的变化更好地体现了区域应力活动状态,与强震孕育过程密切相关,而中小地震活动的区域性特征更突出。

由图 5还可看出,在这两组强震前波速比均出现下降的趋势,汶川 8.0级地震后波速比就很快回到了下降前的水平,而澜沧—耿马 7.6、7.2级地震后波速比仍然呈现低值异常,体现出与强震活动的密切关系。由于目前震例仅此两例,还需积累资料做深入分析。

(2)1998年下半年、2001年下半年和 2008年的波速比异常频次高达 10次(图 1),之后分别发生 1998年 11月宁蒗 6.2级、2001年 10月永胜6.0级、2009年 7月大姚 6.0级地震;而 1990～1993年与 2005～2008年两个时段中均出现波速比异常频次高达 10次以上的情况,之后 4年内虽发生了丽江、汶川 7级以上地震,但异常过程中还发生了 1993年 1月普洱 6.3级与 2007年 6月宁洱6.4级地震。从震例结果看云南地区 6级强震前一至半年也会出现高波速比异常,异常缺少恢复过程,且时间较短。

从图 2、图 3可以看出,震源深度异常频次如以 4次为异常指标,4级双震若以 2次为指标,同时省内与省外 3级地震月频度比出现高、低值异常,则在云南地区部分 6级地震前 1至半年异常均达指标,如:1993年 1月普洱 6.3级,1998年 11月宁蒗 6.2级,2001年 10月永胜 6.0级,2003年7、10月大姚 6.2、6.1级与 2007年 6月宁洱 6.4级地震。波速比、震源深度、中小地震的活动在大多数 6级地震前也出现了不同程度的异常,表明中小地震的活动与 6级和 7级地震的孕育有着密切的关系。这与蔡静观和张喜玲(1999)、毛慧玲和李永莉(2004)、李永莉等(2007)对云南地区 6级地震震例前的地震活动分析结论相一致。但云南地区 6级与 7级地震前,中小地震活动异常在幅度、时间上有一定程度的差异,因此预测不同强度的地震应考虑选用不同的异常指标。

(3)云南地区的波速比以 1998年为界分为两段(图 5),1998年云南遥测台网从模拟记录转为数字化记录,2004年完全采用数字化记录,但2004年波速比未出现明显的分段现象。李永莉等(2008)的研究中发现云南地区长期的波速比均值约为 1.70,因此可以认为遥测台网记录方式的影响可以忽略,波速比的变化趋势值得认可。

(4)本文虽然总结出了 1988年云南及周边区域大震前的前兆现象,为中长期、短期预测强震提供了时间依据,但因所用观测资料从 1982年才开始,时间相对较短,强震孕育过程又比较复杂,文中所总结的异常特征外推时有局限性,研究结果需在今后的地震预测工作中补充修正。

至 2008年,这几项参数值均未出现明显的大震前的变化,因此笔者推测云南 7级大震的首发时间为 2010年后,但发震地点没有讨论。

6 结论

(1)云南M≥7.0大震前 3～4年震源深度异常频次超过均值(6次),或连续 3年低于均值,至大震前 1年下降幅度均为震前最高值的 50%以上,甚至降至 0次。

(2)波速比异常和中小地震活动异常主要出现于云南地区M≥7.0大震前 2年左右。若波速比出现高频次异常,同时还出现 4级地震活跃异常和3级地震活跃异常或平静异常,那么在云南省内可能会发生 7级地震;若 3、4级地震活动均呈现平静异常,就可能在省外发生 7级甚至 8级地震。

(3)云南强震第四活跃期前 2年至活跃期结束,云南地区波速比的月最小值整体相对较低,且在活跃期首发 7级大震前半年左右出现最低点,强震活跃期结束时波速比回升至均值,即随着强震活跃期的开始至结束的过程,波速比也经历了下降至恢复的过程。

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Characteristics of Wave-velocity Ratio,Focal Depth and Medium-small Seismicity before Strong Earthquakes in Yunnan

LI Yong-li,MAO Hui-ling,WANG Shi-qin,Q IN Jia-zheng
(Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming650224,Yunnan,China)

We study the variation regularity of wave-velocity ratio in the4th active period of strong earthquakes in Yunnan,and discuss the relation between strong earthquake genesis and variation of wave velocity,medium-small earthquakes,and variation of focal depth.The result shows that wave-velocity ratio,focal depth and anomaly of M3-4.9earthquakes appeared as early as4years before the M≥7.0earthquakes.Most of them appeared about 2years before the strong earthquakes,and anomaly of wave-velocity ratio and focal depth increased and gradually reduced about one year before the strong earthquakes.Corresponding to the beginning and the ending of the4th active period.wave-velocity ratio in Yunnan experienced the quasi-synchronous declining and rising.

wave-velocity ratio; focal depth;medium-small earthquake;active period; Yunnan

P315.72

A

1000-0666(2010)03-0259-06

2009-10-12.

云南省人民政府十项重大措施“云南强震活动与板缘动力学机制研究”与中国地震局震情跟踪合同制定向工作任务“云南东部地区强地震短临动态跟踪研究”(2009010204)联合资助 .