吴忠—灵武地区在构造上位于青藏高原东北缘弧形构造区到银川盆地南部的转换带区域,且地处阿拉善和鄂尔多斯地块之间,具有多重共轭构造的特征,以牛首山断裂为界,其西南侧区域主要为青藏高原东北缘弧形构造区,而东北侧区域主要为拉张型断陷盆地(邓起东等,1999;杨明芝等,2007)。1970年以来吴忠—灵武地区共发生MS≥5.0地震5次,分别为1971年吴忠MS5.1、1984年灵武MS5.3、1987年灵武MS5.5以及1988年灵武MS5.5和MS5.0地震,截至2021年该地区已经33年未发生MS5.0以上的地震。吴忠—灵武地区相关地震活动性研究表明(马禾青等,2006;许英才等,2020),1970年以来ML≥2.0地震活动主要相对集中在吴忠—灵武一带区域(图 1),属于鄂尔多斯西缘1970年以来中强地震和中小地震的共同多发区域,而且该地区中强地震发生之前,主震震中周围小震存在较有规律的异常活动现象,譬如地震活动增强、震群活动以及广义前震活动空间和时间的有序性等,因此吴忠—灵武地区中强地震发生前的震中周围小震活动相对发育,且地震增强特征比较明显。
构造应力场是影响中强地震发生的主导因素之一,震源机制一致性参数作为衡量区域应力场与地震震源释放应力场一致性程度的定量指标(陈颙,1978),主要是利用中小地震震源机制与背景应力场的偏离程度来描述强震发生前应力场的变化情况,小震震源机制的相对一致往往是地震活动性增强的标志,而震源机制的相对紊乱往往伴随着地震活动的减弱。因此震源机制一致性在了解地震活动性的发展情况方面起着至关重要的作用,其也是定量描述地震活动性的“新参数”。已有研究提出多种表征震源机制一致性参数的研究方法,如P波、S波最大振幅比法(金严等,1976)、断层面参数法(陈颙,1978)、主应力轴夹角差法(刁桂苓等,1994;程万正等,2006;孙丽娜等,2017)、谱振幅相关系数法(Lund et al,2002;崔子健等,2015)、最小空间旋转角法(万永革,2008)、P轴分布集中度法(荣代潞,2014;韩晓明等,2015b)和应力张量Misfit角及方差(Michael,1984、1987;Michael et al,1990)等方法,这些方法计算的参量在一定程度上均能表征震源机制的一致性。在国内外震源机制一致性研究进展方面,Michael等(1990)通过应力张量Misfit角方法研究1989年洛马谱列塔M7.1地震时发现该大震发生前震源区及邻区中小地震的震源机制一致性较好;泽仁志玛等(2010)利用主应力轴夹角差方法分析了2001年秘鲁MW8.4和2006年千岛群岛MW8.3地震的前震序列,发现这些前震序列的震源机制解一致性参数均表现为显著低值异常;付虹等(2011)根据主应力轴夹角差方法进行研究认为震前3年内,滇中的区域应力场更较为接近震源区中小地震的应力场,强震主要发生在一致性参数低值区或其边缘附近;李丽等(2015)基于主应力轴夹角差方法发现2001年以来山西5次ML≥5.0地震震前,震源机制均趋于一致,地震主要位于一致性参数低值或高低值过渡带;韩晓明等(2015a)利用主应力轴夹角差方法发现2003年以来河套地震带震源机制一致性参数时序曲线趋势下降,认为应力相对集中;李金等(2015)根据应力张量方差方法研究天山地震带震源机制一致性参数时空特征,认为天山中东段地区中强地震容易发生在应力张量方差低值分布区或其边缘附近;刘方斌等(2018)利用主应力轴夹角差方法研究了山东乳山的地震序列震源机制一致性,分析认为目标地震的震中位置和震源参数一致性空间分布关系吻合较好;刘自凤等(2020)基于应力张量方差方法研究了2014年云南3次强震前后震源机制一致性时空演化特征,发现这3次强震发生前3到5年内,应力张量方差空间低值区及其应力张量方差时序变化特征大体呈正“V”型变化,其强震基本在正“V”型形成过程中的趋势回升阶段发生。
对于吴忠—灵武地区震源机制一致性参数的相关研究并不多,前人结果主要还是侧重于鄂尔多斯西缘较大区域范围的构造应力场研究,其中在吴忠—灵武地区P波初动结果(薛宏运等,1984)显示,震源机制类型主要为正断兼走滑类型,平均P轴方位60°、倾伏角40°,T轴方位170°、倾伏角26°;系统聚类、格点尝试法和应力场反演结果显示(范俊喜等,2003;Wan,2010;王晓山等,2015;曾宪伟等,2013、2015;郭祥云等,2017),该区域地震类型主要为走滑型,其震源机制的P轴优势方位主要为NE向,区域应力场的主压应力轴走向主要介于48°~52°之间,震源区产生的构造变形主要为NE向发生压缩,NW向发生相对扩张,表明研究区主压应力场方向以NE-SW向为主。
综合来看,吴忠—灵武地区震源机制一致性参数成果十分稀少且侧重于部分时期震源机制的计算和构造应力场的研究,震源机制结果数量也不多,而对该地区震源机制一致性参数的深入研究工作几乎未开展,为此本研究在吴忠—灵武地区已有震源机制解结果(曾宪伟等,2015;许英才等,2022b、2022c)基础上,拟通过多种方法计算2003—2021年大量ML≥2.0地震的震源机制解,然后基于ZMAP程序(Wiemer,2001)集成的叠加应力场(SSI)反演方法(Michael,1984、1987;Michael et al,1990)来反演一致性参数的空间分布和时间分布,通过应力张量方差时空分布重点分析和讨论一致性参数空间分布和其时序变化特征,研究结果不仅填补吴忠—灵武地区震源机制一致性参数研究方面的空缺,而且也为该地区震源机制一致性参数时空预测指标的建立奠定基础,进一步为震情跟踪工作提供一定的参考依据。
1 吴忠—灵武地区中小地震的震源机制解震源机制一致性参数计算的前提是需要大量的震源机制解结果资料,本研究的震源机制数据主要由两部分构成:第一部分的震源机制结果为曾宪伟等(2015)计算的银川盆地南部2003—2009年的13个ML≥2.0地震的震源机制解以及许英才等(2022b、2022c)计算的2021年5个ML≥3.0地震的震源机制,共18个;第二部分为2003—2021年其余的ML≥2.0地震的震源机制解,其中2.0≤ML≤2.7地震震源机制采用基于P波初动联合振幅比的Snoke方法(Snoke et al,1984;Snoke,2003)计算,2.8≤ML≤3.5地震的震源机制采用基于P波初动联合振幅比的HASH方法(Hardebeck et al,2002)计算,ML≥3.6地震则采用波形拟合反演的gCAP方法(Zhu et al,1996、2013)计算,本研究通过Snoke、HASH及gCAP方法实际可计算地震共为86个。最终得到了吴忠—灵武地区共104个可计算地震的震源机制结果。在本研究所使用的这3种方法里,Snoke方法和HASH方法作为P波初动联合振幅比方法,其原理都是采用了P波初动、S波和P波振幅的信息,更适合计算中小地震震源机制解(杜航等,2022),其中HASH方法的S/P振幅比有较好的节面约束能力(Kilb et al,2006;许英才等,2022a),波形拟合反演的gCAP方法充分利用了波形记录,波形分成体波和面波部分,然后和理论地震图进行滑动拟合,从而获得拟合误差函数的最优解,该方法对速度模型依赖不高,且对使用台站数量要求相对较低(张广伟等,2015),这三种方法也是目前常见的相对稳定可靠的方法,本研究针对不同震级大小和信噪比的地震,较为合理、科学和全面地利用了这3种不同计算方法统筹兼顾,为此本研究基于3种方法的震源机制解分析震源机制一致性是相对可靠的。在这些得出的结果中,其震级范围在ML2.5~3.5之间地震的震源机制结果相对集中,可计算地震震源机制所在震中位置大体在吴忠—灵武和银川—永宁一带相对集中(图 2(a)、3(a)),根据早期震源机制类型的划分标准(Zoback,1992)将这些地震震源机制结果进行分类,分类结果(图 2(b)、3(b))表明该地区走滑型(SS)、正断型(NF)、不确定型(U)、正走滑型(NS)、逆走滑型(TS)和逆断型(TF)地震分别占总体数的56.73%、12.50%、12.50%、7.69%、7.69%和2.89%。根据万永革(2022)提出的水平应变花面应变的震源机制分类方法将这些地震在球形三角形中进行分类(图 4(a)),结果统计显示吴忠—灵武地区走滑型(SS)、正断型(N)、正走滑型(NS)、逆走滑型(RS)及逆断型(R)地震分别占总数的65.05%、12.62%、10.67%、5.83%和5.83%。上述两种不同震源机制分类方法均表明研究区主要以走滑型地震为主,其次为正断型。P、T轴方位及倾伏角的玫瑰图显示(图 4(b)),P轴优势方位主要为NE向,倾伏角范围主要在15°~60°之间,T轴优势方位为NW向,倾伏角范围主要为0°~30°之间。该结果与银川盆地的区域构造应力环境基本一致(郭祥云等,2017;Wan,2010),说明这些地震的发生主要受区域构造应力场控制。
注: NS:正走滑型;SS:走滑型;NF:正断型;U:不确定型;TS:逆走滑型;TF:逆断型。 |
注: As:相对面应变;SS:走滑型;N:正断型;R:逆断型;NS:正走滑型;RS:逆走滑型。 |
将上述2003—2021年所有震源机制的结果作为输入,然后将吴忠—灵武地区按照0.1°×0.1°进行网格化,基于ZMAP程序集成的叠加应力场方法(SSI)(Michael,1984、1987;Michael et al,1990;Wiemer,2001)反演研究区整个时期(2003—2021年)每个网格节点的应力张量方差(即震源机制一致性参数)时,选取每个网格至少15个地震的震源机制解计算应力张量的空间方差,与此同时选取窗长10个地震、步长1个地震计算应力张量的时序方差。一些学者(Michael et al,1990;Lu et al,1997;李金等,2015;刘自凤等,2020)研究认为当方差小于等于0.2,其值越低表明震源区的应力场越均匀;而当方差小于等于0.1可能存在发震的危险,鉴于此,本研究取方差低于0.15的范围认为可能存在异常(如图 5蓝、红虚线所示)。结果显示(图 5(a)、(b)),应力张量空间方差范围在0.13~0.22之间,以38.1°N为界,南北两侧的应力张量空间方差具有明显的分区特征,北侧区域的应力张量空间方差范围为0.16~0.22之间;而南侧区域的应力张量空间方差介于0.13~0.16之间。2003年1月1日至2021年11月17日吴忠—灵武地区发生MS4.0以上地震共3次,震级范围MS4.4 ~4.6,无MS5.0以上地震发生,该3次地震主要发生在毗邻38.1°为分界线的偏北侧区域(图 5(a)),即震源机制一致性参数空间相对高低值的过渡区域。2003年1月1日—2021年11月17日的应力张量方差时序图存在两处显著的变化(图 5(b)),其变化特征为应力张量时序方差持续低于0.1且维持1年左右,并呈现“V”型变化,其中一处变化对应了2012年11月20日永宁MS4.6地震,即该地震发生前应力张量方差经历了“下降—转折—回升—发震”的变化特点,其“V”型特征显著;另一处类似的显著“V”型变化主要为2020—2021年期间,对应2021年11月18日灵武MS4.0地震。
注: 白色线为地块线。 |
2021年11月18日灵武MS4.0地震之后,2003年1月1日—2021年12月31日的反演结果表明(图 5(c)、(d)),应力张量空间方差范围在0.13~0.23之间,最大值略高于2003年1月1日—2021年11月17日期间应力张量空间方差的最大值,而最小值基本没有变化。与2003年1月1日—2021年11月17日的应力张量方差空间分布(图 5(a))相比,图 5(c)显示2003年1月1日—2021年12月31日期间的应力张量空间方差主要在灵武MS4.0地震震中西南侧区域略有上升。2003年1月1日—2021年12月31日吴忠—灵武地区发生MS4.0以上地震共4次,震级范围MS4.0 ~4.6,无MS5.0以上地震发生,该4次地震主要发生在毗邻38.1度为分界线的两侧区域,即仍为震源机制一致性参数空间相对高低值的过渡区域。2021年11月18日灵武MS4.0地震正好发生在应力张量方差高低值的过渡带且略偏低值的区域,应力张量方差时序图(图 5(d))显示11月18日灵武MS4.0地震之后的时序方差变化范围主要在0.1~0.15之间。
3 震源机制一致性预报效能评价震源机制一致性参数预测指标的建立首先需要通过对该观测方法预测的空间范围、时间范围、震级强度范围以及异常均作出较为明确的定义,通过上述震源机制一致性参数时空特征和已往震例,梳理的时空强范围及异常定义如下:
(1) 资料空间范围为吴忠—灵武地区(105.5°E~107°E;37.5°N~38.5°N);
(2) 资料时间范围为2003—2021年;
(3) 资料异常定义为应力张量空间方差低于0.22,时序方差低于0.1且持续1年左右,呈现“V”型变化。
其预测规则为:①预测时间:1年;②预测地点:震源机制一致性参数较好区域的内部或高低值的过渡区域;③预测震级:MS≥4.0。基于上述内容,通过计算其预报效能的R值,根据上述定义,整个资料的时间段为2003—2021年,符合定义的“异常”共2次。
2021年11月18日之前的时间段发生MS4.0以上地震共3次(总时间段截至2021年11月17日),其中报对地震1次,漏报地震2次,根据R值计算公式(R=报对的地震次数/应预报的地震总次数-预报占用时间/预报研究总时间)(国家地震局科技监测司,1990),则吴忠—灵武地区震源机制一致性参数预报效能的R值计算如下:R=c-b=0.500-0.105=0.395>R0=0.325,该结果理论上具有一定的预报效能(表 1)。
加入2021年11月18日灵武MS4.0地震之后的时间段(总时间段截至2021年12月31日),则期间发生MS4.0以上地震共4次,其中报对地震2次,漏报地震2次,根据R值计算公式,吴忠—灵武地区震源机制一致性参数预报效能的R值计算如下:R=c-b=1.000-0.105=0.895>R0=0.432,由于报对了2021年11月18日灵武MS4.0地震,使得报对次数增加,预报效能的R值效果较之前有所上升,客观表明吴忠—灵武地区在震源机制一致性方面对MS4.0以上地震的预报效能相对较好(表 2)。从表 2可以看出,增加了一个地震导致R值较之前显著上升,这主要归因于可用的震例和对应资料变化“异常”偏少。根据中国大陆目前通常的地震预报效能平均R值0.22~0.26左右的范围来看(张国民等,2002;马宏生等,2004),本研究不同时间段的R值均高于前述的均值,由此认为本研究所计算的地震预报效能相对较好。
国内外学者(Michael et al,1990;Lu et al,1997;付虹等,2011)认为,可将应力张量方差等于0.2作为应力场均匀性与非均匀性的分界,当应力张量方差小于等于0.2,可以理解为该区域的应力场相对较均匀,即震源机制一致性程度相对较高;应力张量方差大于0.2时,则反映了该区域应力场的相对非均匀性,即震源机制一致性程度较低。
根据已有的基于ZMAP计算的震源机制一致性研究成果来看,李金等(2015)研究了天山地震带的震源机制一致性,方差空间分布显示应力张量方差范围为0.05~0.38,方差时序表明自2010年起,应力时序张量方差下降至0.17以下;至2012年6月,应力张量时序方差下降为0.01(不仅低于0.1且低于0.05),之后发生新源和静交界处6.6级地震。刘自凤等(2020)研究了云南地区3次强震前后震源机制一致性特征,发现强震发生之前应力张量空间方差最低值低于0.1,且时序方差也低于0.1,强震前震区应力张量方差总体上经历了下降—转折—回升—发震的变化过程,呈“V”型变化,且地震均发生在“V”型变化形成过程中的趋势回升阶段,但异常时间不一(1~3年左右)。从本研究的结果来看,2003—2021年期间吴忠—灵武地区应力张量空间方差低于0.2且大于0.1,而其时序方差低于0.1、持续1年左右且呈现“V”型的两次变化之后的一年内均分别各自对应了2012年11月20日永宁MS4.6地震和2021年11月18日灵武MS4.0地震。与上述研究对比来看,其共同点是只要时序方差低于0.1、呈现类“V”型变化且持续1年以上,之后均大都对应目标地震,只是目标地震的震级下限有所不同,震级下限可能和应力张量空间方差最低值有关,这是唯一和上述研究不同的地方,李金等(2015)和刘自凤等(2020)的结果均表明强震前的应力张量方差空间值最小值均低于0.1,所以对应了5~6级以上地震,而本研究的中等地震发生前的应力张量方差空间值最小值仅为0.13(即没有低于0.1),所以这可能是对应的目标地震震级下限为MS4.0而上限不超过MS5.0的原因之一,另外也可能是由于上述研究选取的目标地震为5级以上,而本文选取的是4级以上目标地震。2021年11月18日灵武MS4.0地震发生前的异常变化阶段属于映震期内,自从异常变化之后,吴忠—灵武地区(105.5°E~107°E;37.5°N~38.5°N)理论上未来1年内发生地震的震级下限可能仍介于MS4.0 ~4.9之间,上限不超过MS5.0。由于已经发生了2021年11月18日灵武MS4.0地震,属于报对的地震,映震期可能已过,因此吴忠—灵武地区应力张量方差时序图所显示的2020—2021年显著“V”型异常变化可以对应该地震。
5 讨论与结论本研究在已有震源机制结果基础上,通过多方法得到了吴忠—灵武地区2003—2021年大量ML≥2.0地震的震源机制解,然后通过ZMAP集成的叠加应力场反演了该地区的震源机制一致性参数,即应力张量方差,分析了其时空变化特征,并结合震例初步提取和总结了该地区的震源机制一致性预测指标及预报效能。得到的认识和结论主要如下:
吴忠—灵武地区整体资料的应力张量方差空间分布的最低值为0.13,且未低于0.1,这是两次“异常”没有对应MS5.0以上地震的可能原因之一。虽然吴忠—灵武地区应力张量方差(2003—2021年时段)最低值可能反映了该地区的目前介质应力水平程度,发生MS≥5.0地震可能性较小,但是该区域的过去震例表明,在时序方差低于0.1维持1年且呈现“V”型的2次显著变化里,其中1次对应了2012年11月永宁MS4.6地震,另外1次为当前时期(2020—2021年),已经对应2021年11月18日灵武MS4.0地震。
预报的震级下限可能和应力张量方差空间最低值有关,根据诸多5~6级已有的相关基于ZMAP计算的震源机制一致性研究震例(李金等,2015;刘自凤等,2020)以及本研究研究结果来看,其5~6级地震震前应力张量空间方差大部分低于0.1,而在吴忠—灵武地区和中国大陆其他地区,对于4~5级左右和5~6级震例来说,只要发生在目标地震之前,大都存在应力张量的时序方差小于0.1且显著“V”型变化,只是不同地区的异常持续时间不一,预测时间也略有所不同。为此,就本研究和已有基于ZMAP的震源机制一致性研究成果初步统计来看,应力张量的空间方差最低值可能反映了资料所在时间段介质应力水平程度,空间方差低于0.1可能反映的是基于该资料尺度下5~6级以上地震的发震水平;如果空间方差大于0.1且小于0.2,则可能反映的是4.0~4.9级之间地震的发震水平;而应力张量的时序方差似乎和震级下限关系不大,但时序方差只要低于0.1且出现显著的“V”型变化,一般异常出现后1~2年内则对应目标地震(4~5级地震预测时间为1年内;大于5级以上地震时间可能在1~3年内)。由于本研究仅反映吴忠—灵武和部分其他地区的震例,而应力张量空间方差最低值和预报震级大小的定量关系,以及应力张量时序方差变化的异常时间和预报地震时间的定量关系等仍需后期更多的资料进一步验证,当积累的震例和震源机制资料足够多时,或许可以得到前述这些参数之间的定量关系甚至是统一的评判标准。
本研究初步建立了吴忠—灵武地区震源机制一致性方面的预测指标体系,认为震源机制一致性参数在吴忠—灵武地区具有一定的预报效能,后期仍需进一步积累震源机制资料和大量震例研究来完善和加强震源机制一致性参数在地震预测预报中的应用。
致谢: 本研究的震源机制一致性参数计算及其绘图来自ZMAP程序包(Wiemer,2001),其他图件均用GMT软件绘制;审稿专家和编辑部老师给出了重要的修改建议,作者在此一并表示感谢。
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