2010, Vol. 53
2. 中国地震局地质研究所, 北京 100029
2. Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
川滇地区地处印度板块与亚欧板块碰撞带东侧，新构造和现代构造运动强烈，活动断裂发育，地震强度大、频度高、分布广、类型多样[1]，是中国大陆最显著的强震活动区域.区内主要发育有北西向的鲜水河-安宁河-小江断裂、金沙江-红河断裂、怒江-澜沧江断裂和北东向的龙门山-锦屏山-玉龙雪山断裂等大型断裂带.据不完全统计[1]，川滇地区1500~1999年共记录M≥7.0地震39次；1990~1999年共记录M≥6.0地震117次，其中6.0~6.9级96次，7.0级以上21次.频繁的破坏性地震给该地区造成了重大的人员伤亡和经济损失，尤其是发生在2008年5月12日的汶川Mw7.9级特大地震，使位于龙门山断裂带附近的上百座城镇遭受严重破坏，大量房屋损毁，公路桥梁坍塌，造成了近9万人伤亡和巨大的经济损失.
自从2008年5月12日汶川大地震以来，我国地震活动进入了一个新的活跃期.鉴于川滇地区特殊的地震地质情况，在该区未来会发生大震或强震吗？发震类型如何？本文将运用作者最近发展的孕震断层多锁固段脆性破裂理论与相关预测方法，对该区未来的地震活动性进行探讨，并给出未来大地震震级、发震时间（临界应变）、发震地点、震源深度四要素的预测结果，得出的结论可供有关部门参考.
2 孕震断层的多锁固段脆性破裂理论简介地震源自于沿断层的滑动.已有研究发现[2]，断层的运动模式和相关的地震活动性受断层中一个或多个锁固段所控制.“锁固段”（诸如断层中所谓的岩桥、障碍或凸起体（Asperity））可定义为在断层面上具有较高强度且在地震中释放较大地震矩的部位.例如，在断层面上不同类型、尺寸不一的凸起体，包括两断层面之间的非均匀接触体、不连续断层之间的未破裂区段或蠕滑受阻区域.一旦所有的锁固段被突破，主震将不可避免地发生.
秦四清等[3, 4]应用重正化群理论导出了锁固体在其体积膨胀起点的临界破坏概率，基于材料脆性破坏的Weibull分布模型给出了单锁固体断裂点（大地震发生）与体积膨胀起点位移或应变（图 1）的表达式为
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图 1 三轴压缩下单锁固体变形破坏过程示意图 Fig. 1 A sketch map illustrating the deformation and failure process of a locked patch in a fault under triaxial compression |
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式中，sf和sc分别为对应锁固体断裂点与膨胀起点的应变或位移值.锁固体变形到膨胀点时，微破裂会向未来的主破裂面丛集，震群出现，在蠕变位移-时间曲线上表现为位移加速现象[5]，因此sc容易从时间-位移观测曲线上确定.由于沿断层面的深部滑动位移不能直接测量，应寻求位移的替代量，已有研究表明Benioff应变[3]可作为深部滑动位移的替代量.
实际上一个孕震断层可能含多个锁固段.在式（1）的基础上，我们导出了适用于孕震断层中多锁固段破裂的临界应变的表达式，即
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式中，sf（k）为第k个锁固段断裂点（即将发生的中等强度预震或大级别预震）的临界应变.在最后一个锁固段破坏后，主震将发生.式（2）表明，失稳点的临界应变与加速应变始点和锁固段的数目有关，而与锁固段的尺寸和强度无关.
需注意的是，Benioff应变计算依赖于一个地震周期内完整且准确的地震目录以及对孕震区域的准确识别，故观测和计算误差不可避免.为此我们提出一种估算Benioff应变误差的方法.
若考虑应变误差Δ，则加速应变起点和第一个锁固段断裂点的实际应变值分别为sc*+Δ和sf*+Δ，其中sc*和sf*为观测值.由式（1）可求得误差的表达式为
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利用式（3）可对含多锁固段的孕震断层地震活动性观测数据进行误差改正，以提高预测精度.对世界上典型大地震的回溯性预测验证表明[5]，该理论是可靠的，可用于实际地震预测.
3 强震四要素预测方法与孕震时空区域划分原则秦四清等[6]根据相当数量大震实例的分析总结，提出了确定包括大震震级、地点、临界应变（对应发震时间）与震源深度在内的四要素预测方法；给出了孕震周期的时间起点确定原则、孕震空间尺度确定原则、孕震时空范围内能量积累与释放的能量守恒原则与孕震规律合理性检验原则，根据这四项基本原则，并结合断裂分布与地震活动性，可划分合理的孕震时空范围.需要强调的是，对大震震级与震中位置的预测应根据地震活动性监测进行动态修正，以逐渐接近实际情况.
本文建议如下工作步骤确定合理的孕震时空范围.先基于活动断裂与大于一定震级的地震活动性分布关系、非发震断裂的边界控制条件、地震条带与地震空区空间展布等，初定多种孕震空间范围的不同组合方案，然后根据以上四项基本原则检验孕震空间与时间尺度划分方案的合理性，尽可能用多个历史大震进行多点检验，直至优选出最佳方案.
在孕震区确定后，还可根据地震活动性的空间差异性，再细分出地震带，研究各地震带强震的联系，可解释强震链式发震机理.
4 川滇地区未来中级地震与强震预测分析 4.1 地震区与地震带的划分我们根据以上四项基本原则，对川滇地区的地震区（带）进行了20种划分方案的比较优选，最终确定的川滇地震区（带）划分结果示于图 2.
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图 2 川滇地震区的划分 (a)中緬边境地震区与普洱地震区；(b)小江、昭通与西昌地震区；(c)下关一楚雄、丽江、得荣与鲜水河地震区.绿圈和红圈分别表示研究区内1970年以前和1970年以后震级不小于5.5级的事件，红线为晚更新世一全新世以来的活动断裂，蓝线为第四纪活动过但晚更新世以来活动情况不清的断裂，闭合线为地震区.地震区(带）名称：1~3-中緬边境地震区地震带；4一普洱地震区；5-小江地震区；6-昭通地震区；7-西昌地震区；8-下关一楚雄地震区；9-丽江地震区；10 -得荣地震区；11-鲜水河地震区. Fig. 2 Divisions of seismic zones in Sichuan-Yunnan regions (a) China-Burma border seismic zone and Puer seismic zone; (b) Xiaojiang, Zhaotong and Xichang seismic zones; (c) Xiaguan-Chuxiong, Lijiang, Derong and Xianshuihe seismic zones.The green and red circles denote the earthquake events with M^5.5 in the research zone before and after 1970, respectively.The red, blue, and closed lines denote active fractures from late Pleistocene to Holocene, fractures which are active in theQuaternary period butwhose activities are unclear since late Pleistocene, and seismic zones, respectively.No.1 〜3:Seismic belts in the China-Burma border zone; No.4:Puer seismic zone; No.5:Xiaojiang seismic zone; No.6:Zhaotong seismic zone; No.7:Xichang seismic zone; No.8:Xiaguan-Chuxiong seismic zone; No.9:Lijiang seismic zone; No.10:Derong seismic zone; No.11:Xianshuihe seismic zone. |
地震目录引自中国地震信息网站，数据为研究时段内的所有震级事件，Benioff应变计算时，先把不同的震级单位统一换算为地方震级ML，然后依次计算地震矩、地震能量与Benioff应变值.运用孕震断层多锁固段脆性破裂理论与相关预测方法，对各地震区（带）的预测分析结果如下.
4.2.1 中缅边境地震区自20世纪70年代以来，在该区内先后发生了1976年龙陵MS7.3和7.4级双震型地震，1988年澜沧-耿马MS7.4和7.2级双震型地震，1992年MS6.5和6.7级双震型地震和1995年孟连ML6.5和6.9级双震型地震.在不大的空间区域内和较短的时间间隔内，强震为何连续发生？如果MS7.4级地震是主震的话，那么1992年以后就不可能有6.5级以上的强震频发，惟一合理的解释是该区域的能量还处于累积阶段，之后还有更大的事件发生.根据南西向地震条带和北东向地震条带的分布及地震活动的空间差异特征，可将该区分为3个地震带，以进一步探讨该区双震型地震发震机制.
依据地震带3（红虚线大矩形区域）的Benioff应变分析结果（图 3）知，以1941年MS7.0级震群事件为加速应变能释放起点，可预测到1950年2月3日MS7.0级地震在临界失稳点时的应变值（理论计算震级7.1级），由于历史地震目录误差的原因，预测值比实际监测值稍高.根据1950年MS7.0级震群事件，可预测到1976年MS7.3级与MS7.4级双震事件在临界失稳点时的应变值，同样由于历史地震目录误差的原因，预测值比实际监测值稍高.1976年双震震群事件已使其对应的锁固段破裂完毕.但1988年MS7.4与MS7.2双震震群事件并未使其对应的锁固段破裂完毕，以后应有更大的事件发生.根据孕震断层多锁固段脆性破裂理论及有关方法，可确定未来大地震的震级为8.0级；依据1992年以来震群出现的位置，可推断未来大地震的震中位置在22°N，99°E；震源深度为11~17km.截止到2010年6月6日，应变监测值为1.778×109，当监测值接近或达到临界应变值1.816×109时，主震可被适当地扰动触发.
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图 3 中緬边境地震区地震带3 1512-10-18~2010-06-06之间累积Benoff应变与时间关系 为使图件清晰，1920年以前的应变值作为初值.横坐标对应的时间减去3000年为实际年份. Fig. 3 Temporal distribution of cumulative Benioff strain in the period from 18 October 1512 to 6 June 2010 for the seismic bett No. 3 in the China-Burma border region The strain value prior to 1920 is regarded as an initial one for seeing a more clear figure. The real time is the value on the horizontal axis minus 3000 years. |
对地震带2，由图 4知经误差修正后，根据1950年MS7.0级震群事件可预测到1988年11月6日MS7.4级地震在失稳临界点处的应变值，且1988年震群事件已使其对应的锁固段破裂完毕.同理，以1992年MS6.5与MS6.7级双震震群事件作为新的加速应变能释放起点，可得到对地震带2的预测结果为：震级7.9级，震中位置为22.5°N，99°E，震源深度约11~13km，临界应变值为9.05×108（当前监测值为7.58×108）.
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图 4 中緬边境地震区地震带21935年至2010年6月6日之间累积Bemoff应变与时间关系.误差修正已被考虑 横坐标对应的时间减去3000年为实际年份. Fig. 4 Temporal distribution of cumulative Benioff strain in the period from 1935 to 6 June 2010 for the seismic bett No. 2 in the China-Burma border region. The error correction is also considered The real time is the value on the horizontal axis minus 3000 years. |
对地震带3和2，如果再分别发生一个6.9级和7.5级左右的事件，则临界应变值就会满足，主震会在几小时内或几天内发生.目前，地震带2比地震带3距临界应变值较远，表明其发震次序为先8.0级后7.9级.
为进一步探索该地区地震链式发生机理，我们对地震带1（黑虚线近圆形区域）的大地震发震可能性进行了剖析.假定1976年龙陵大震为地震带1的主震，其余震活动在1976年7月21日结束，则根据Benioff应变计算结果（图 5）知该假定合理.同理，可得到地震带1的预测结果如下：震级6.8~6.9级，震中位置为24.3°N~25°N，98°E，震源深度约10~24km，临界应变值为2.19×108（当前监测值为1.895×108），在该区3个地震带中，地震带1距临界应变值最近.
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图 5 中緬边境地震区地震带1 1976-07-21~2010-06-06之间累积Benoff应变与时间关系 Fig. 5 Temporal distribution of cumulative Benioff strain in the period from 21 July 1976 to 6 June 2010 for the seismic bett No. 1 in the China-Burma border region |
综合地震带1~3的分析结果，并结合地震空区的展布情况，可对中缅边境地震区未来大地震发震过程与次序做出如下预测：当在地震带1发生一个6.8~6.9级事件后，将在震中位置22°N~22.5°N，98°E~99°E，先诱发震级8.0事件，接着诱发震级7.9事件，呈现与该区历史大震类似的双震型特点，双震震源深度为11~17km.
地震带1~3都能孕育大震，地震带3包含地震带1和2，当在地震带1发生一个6.8~6.9级事件后，恰好使地震带3发震的力学条件得到满足，将引发8.0级事件，该事件的发生也将使地震带2发生7.9级强震的条件得到满足.因此，对中缅边境地震区，在孕震区内重叠地震带的相互触发作用可能是该区双震型地震的重要机制.
4.2.2 普洱地震区从有文献记载的资料看，该区历史上曾发生过4次6.5~6.8级地震，最大一次为1979年3月15日宁洱县磨黑MS6.8级地震，可推断该区最大地震震级不超过6.8级.根据本文理论方法，可判定在1982年6月1日1979年MS6.8级主震的余震活动已经结束.以1982年6月1日为下一轮孕震周期的时间起点，可采用本文的方法对未来强震进行预测.由图 6知，根据1997年MS5.4级震群事件可预测到2007年ML6.4级地震，说明划分的孕震时空区域合理.根据该ML6.4级震群事件和本文方法，可得到如下预测结果：震中位置在22.6°N，101.3°E，震级6.6~6.7级，震源深度10~15km，临界应变值为1.252×108（当前监测值为1.159×108）.
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图 6 普洱地震区1982-06-01~2010-06-06间累积Benoff应变与时间关系 横坐标对应的时间减去3000年为实际年份. Fig. 6 Temporal distribution of cumulative Benioff strain in the period from 1 June 1982 to 6 June 2010 for the Puer seismic zone The real time is the value on the horizontal axis minus 3000 years. |
从该区的地震目录知，该区可能是一个“特征地震”地震区，如在1979年MS6.8级地震发生前的1973年8月16日曾发生过一次MS6.3级地震.如果我们的判断正确，该区是一个比较理想的地震预测试验场地.
4.2.3 小江地震区该区在1913年12月21日曾发生过峨山（24.2°N，102.5°E）7.0级大震，在1970年1月5日曾发生过MS7.7级通海（24.06°N，102.35°E）大地震.根据本文的理论方法可判断该MS7.7级主震的余震活动已于1975年7月9日结束.由图 7知，1995年ML6.3级震群事件已使其对应的锁固段破裂完毕.根据2008年ML6.1级震群事件空间位置与地震空区分布情况及上述方法，可得到如下预测结果：震中位置在25.4°N~26.3°N，101.8°E~102.3°E，震级6.8级，震源深度10~19km，临界应变值为1.442×108（当前监测值约为1.191×108）.
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图 7 小江地震区1975-07-09~2010-06-06间累积Benoff应变与时间关系 横坐标对应的时间减去3000年为实际年份. Fig. 7 Temporal distribution of cumulative Benioff strain in the period from 9 July 1975 to 6 June 2010 for the Xiaojiang seismic zone The real time is the value on the horizontal axis minus 3000 years. |
该区除在1917年发生过一次6.75级地震外，还未发生过M≥6.0级的事件.由图 8知，2003年ML5.4级震群事件对应的锁固段以震群方式持续破裂，在破裂到锁固段峰值强度点的同时，又使另一个锁固段达到了其变形膨胀点，发生了2006年ML5.2级标志性双震震群事件.采用相同的方法，可得到如下预测结果：震中位置在27.4°N，104°E，震级6.1级，震源深度15~24km，临界应变值为6.3×107（当前监测值为5.95×107）.
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图 8 昭通地震区1973-04-22~2010-05-31间累积Benoff应变与时间关系 Fig. 8 Temporal distribution of cumulative Benioff strain in the period from 22 April 1973 to 31 May 2010 for the Zhaotong seismic zone |
在该区曾发生过1974年5月10日的云南大关MS7.1级地震，由于在该区内的锁固段都已破裂完毕（图 9），且大震结束后仅在1994年12月29日发生过一次ML5.5级事件，无更大的事件或显著性震群出现.根据孕震断层多锁固段脆性破裂理论与方法，虽暂时还无法对以后的中级地震或强震进行预测，但根据大震结束后的地震活动性推断，在较长一段时间内不会发生M≥6.0级的破坏性地震.
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图 9 西昌地震区1881年至2010年6月6日之间累积Bemoff应变与时间关系 为使图件清晰，1944年以前的应变值作为初值.横坐标对应的时间减去3000年为实际年份. Fig. 9 Temporal distribution of cumulative Bemioff strain im the period from 1881 to 6 Jume 2010 for the Xichang seismic zome The strain value prior to 1944 is regarded as am rnitial one for seeing a more clear figure. The real time is the value on the horizontal axis minus 3000 years. |
在该区内历史上曾发生过3次大于6.5级的事件，即1652年MS7.0、1680年MS6.75与1955年MS6.75级地震，在不同孕震周期内主震震级呈衰减且趋于平稳趋势，据此可推断该地震区为6.8级地震危险区.
从图 10看出，根据2003年ML6.1级震群事件，可准确预测到2009年MS6.3级地震，这说明确定的该地震区孕震时空范围是合适的.由于第二个锁固段在加速破裂后还未达到其峰值强度，之后必有更大的事件发生.根据上述理论方法，可得到未来大震的预测结果如下：震中位置在26°N，101.3°E，震级6.8级，震源深度6~13km，临界应变值为1.753×108（当前监测值为1.641×108），其应变差值相当于一个6.2级地震事件.
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图 10 下关一楚雄地震区1962-02-27~2010-06-06之间累积Bemoff应变与时间关系 横坐标对应的时间减去3000年为实际年份. Fig. 10 Temporal distribution of cumulative Benioff strain in the period from 27 February 1962 to 6 June 2010 for the Xiaguan-Chuxiong seismic zone The real time is the value on the horizontal axis minus 3000 years. |
在该区内曾发生过3次M≥7.0级的事件，即1515年MS7.75、1925年MS7.0与1996年2月3日丽江MS7.0级地震，在不同孕震周期内主震震级呈衰减且趋于平稳趋势，据此可推断该地震区为7.0级地震危险区.
从图 11看出，1966年MS6.4级地震是丽江MS7.0级地震在其锁固段膨胀点处的标志性事件.以丽江地震前的临界应变值作为新的加速应变能释放起点，预测的锁固段断裂点的应变值恰好对应着发生在2001年10月27日的一次ML5.9事件，表示该锁固段以震群为主要方式在2001年10月27日已破裂完毕，之后没有M≥5.0级的事件发生.可以推断该地震区在以后较长一段时间内不会发生M≥6.0级破坏性地震.
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图 11 丽江地震区1925-10-15~2010-06-06之间累积Benioff应变与时间关系 为使图件清晰，1962年以前的应变值作为初值.横坐标对应的时间减去3000年为实际年份. Fig. 11 Temporal distribution of cumulative Benioff train in the period from 15 October 1925 to 6 June 2010 for the Lijiang seismic zone The strain value prior to 1962 is regarded as an initial one for seeing a more clear figure. The real time is the value on the horizontal axis minus 3000 years. |
在该地震区内曾先后发生了1870年四川巴塘MS7.25、1948年5月25日四川理塘MS7.3级强震事件，大震震级呈增长趋势.分析了该地震区的地震活动性特征后，我们怀疑在该孕震区内极有可能发生更大震级的强震事件，其主要理由如下：
（1）如果1948年MS7.3级地震是主震，那么在其后一段时间内应有强余震发生，但从有文献记载的资料看，仅在当年5月26日发生了一次MS5.0级事件.我们推测之所以强余震没有发生，可能是因为MS7.3级事件对应的锁固段破裂后，又受到了另一个锁固段的阻挡作用，使其不能发生较大的破裂事件.
（2）在1948年MS7.3事件发生后至1989年MS6.6级震群发生前，之间积累的能量不足以引发MS6.6级震群事件，这说明MS7.3级事件为MS6.6级震群事件的发生提供了部分能量，才能使MS6.6级震群发生满足所需的能量条件，这也表明前后两次事件是有联系的、非独立事件.
（3）从图 2c看出，在该孕震区晚更新世-全新世以来的活动断裂区域，存在一个未发生过5.5级及更大强度地震的空区.这说明在该孕震区内具有发生更大震级事件的地质构造条件.
以上推论是否正确，本文将展开进一步的理论分析.从图 12知，MS7.3级事件已使其对应的锁固段破裂完毕，但MS6.6级震群事件对应的是另一个锁固段的临界破坏起点，即锁固段的变形膨胀点，由于其在加速破裂后还未到达峰值强度点，之后必有更大的事件发生.理论分析与上述推断一致.根据本文理论方法，可确定未来大地震的震级为7.6级；依据1989年MS6.6级震群事件出现的震中位置及地震空区位置，可推断未来大地震的震中位置在28.6°N，99.1°E，震源深度为7~14km.截止到2010年6月6日，应变监测值为4.33×108，当监测值接近或达到临界失稳应变值4.66×108时，大震可被适当地扰动触发.目前的应变差值相当于一个6.8级的地震事件.
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图 12 得荣地震区1128年至2010年6月6日之间累积Bemoff应变与时间关系 为使图件清晰，1910年以前的应变值作为初值.横坐标对应的时间减去3000年为实际年份. Fig. 12 Temporal distribution of cumulative Benioff strain in the period from 1128 to 6 June 2010 for the Derong seismic zone The strain value prior to 1910 is regarded as an initial one for seeing a more clear figure. The real time is the value on the horizontal axis minus 3000 years. |
在该区内曾发生过4次MS≥7.5级的强震事件，即1786年四川康定南MS7.75、1816年四川炉霍MS7.5、1955年四川康定MS7.5与1973年2月6日四川炉霍MS7.9级事件.根据上述理论方法，可判定MS7.75和MS7.9级地震是在不同孕震周期内的主震事件.该地震区是一个MS7.9级地震危险区.
从图 13知，根据1955年MS7.5事件可预测到1973年MS7.9事件.若以MS7.9事件发生前的应变值作为锁固段加速应变能释放起点，预测的锁固段断裂点的应变值恰好对应着发生在1981年1月23日的MS6.9级事件，表示该锁固段以震群为主要方式在1981年1月23日已破裂完毕.1982年6月15日发生了一次MS6.0级事件，之后地震活动性趋于平稳，标志着该锁固段破裂后的余震活动也以MS6.0事件为标志于1982年结束.
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图 13 鲜水河地震区1792-11-30~2010-06-06之间累积Bemoff应变与时间关系 为使图件清晰，1944年以前的应变值作为初值.横坐标对应的时间减去3000年为实际年份. Fig. 13 Temporal distribution of cumulative Benioff strain in the period from 30 November 1792 to 6 June 2010 for the Xianshuihe seismic zone The strain value prior to 1944 is regarded as an initial one for seeing a more clear figure. The real time is the value on the horizontal axis minus 3000 years. |
从1988年6月2日到2010年6月6日，仅发生过4次M≥5.0级的事件，无更大事件或显著性震群发生.根据上述理论方法，可判断近期内在该地震区不会发生M≥6.5级破坏性地震.
4.3 预测结果总结根据上述对各地震区的分析判断，除西昌、丽江与鲜水河地震区近期无破坏性地震发生外，其他地震区都将有破坏性地震发生，尤其是中缅边境地震区、昭通地震区、得荣地震区、下关-楚雄地震区、普洱地震区距离临界点较近.对有强震发生的地震区，有关部门应加强地震活动性监测与其他前兆异常监测，并可根据本文的四要素预测结果，做出地震烈度分布图，以制定相应的防震与抗震措施.
5 汶川Mw7.9级地震孕震过程与地震趋势分析汶川大地震震中位于青藏高原东缘的龙门山断裂带上.龙门山断裂带是一条长约500km、宽约30~50km沿NE-SW方向展布的巨大断裂带[7]，按照由西向东的顺序，龙门山断裂带主要包含龙门山后山断裂（茂县-汶川断裂）、中央断裂（映秀-北川断裂）和山前断裂（彭县-灌县断裂）.这些断裂都以逆冲滑动为主、兼具一定的右旋走滑分量.在龙门山断裂带上，近期中、小地震（震级M＜7.0的地震）活动频繁，但历史上未有发生过7级以上大地震的记载.与上述龙门山断裂带上的地震活动特征形成强烈反差，在我国西南地区、包括龙门山断裂带附近区域的断裂带上，不但历史上而且近期均发生过多次强烈地震，但震级都不超过8级，其中震级最大的一次为1933年8月25日发生在茂县叠溪的MS7.5级地震.汶川大地震的发生是平静多年的龙门山断裂带的一次集中的能量释放.
大震发生后诸多学者[7~13]对汶川大震的动力学孕育过程、震源机制、余震分布特征等，进行了有益的探索，得到了一些有助于揭示汶川大震孕育过程的初步认识.但这些研究未解决汶川大震的直接动力学诱因是什么？临界破坏何时开始？汶川大震是前震还是主震等重要问题.作者将基于上述理论方法，探索这些科学之谜，期望对灾后重建工作的科学实施产生一定的指导作用.
5.1 汶川大地震的孕震区域判识Bufe与Varnes[14]依据对国外多个地震实例的统计分析，提出了孕震区域临界半径R与震级M的统计关系为
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彭克银等[15]根据对中国多个地震实例的分析，也提出了如下的经验关系：
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虽然上述公式是统计关系，用于实际孕震区域划分并不一定可靠，但在已知震级的情况下大概估算孕震空间尺度应该是可以的.对一个7.9级的强震，依据式（4）和式（5）可分别得出孕震区域临界半径为440.6km和604km，对应的孕震区域面积分别为609563km2与1145522km2.如果只考虑沿龙门山断裂带的孕震尺度，则计算的最大孕震区域面积约为25000km2.显然在如此小的一个孕震区域范围内，不可能孕育一个7.9级的大震.
实际上，除极个别的情况外，大地震的孕育过程都依赖于多条活动断层或多个断裂带的相互作用.如果仅考虑龙门山断裂带的孕震效应，其在历史上确实未发生过7.0级及更高强度的大震，而一个8.0级大震需要积累32个7.0级大震对应的能量才能发生，这需要我们建立孕震尺度的广义概念，需要更为宽广的视角理解大震的孕震范围.龙门山断裂带周围在历史上多次发生大于7.0级的强震，没有这些强震的参与，无论如何汶川7.9级大震也不能发生.原理上，孕震岩体累积的能量应等于释放的能量，汶川大震若是个孤立事件，会违反世人公认的能量守恒原理.显然，汶川大震的发生不是偶然的，它应与孕震区域范围内的所有地震活动性事件有关.
从龙门山地区地震地质图（图 14）[10, 16]可看出，汶川大震孕震区域的北部边界是文县-略阳断裂，该断裂以北区域，为另一个活动地块或孕震区域；西北边界为与龙门山断裂带近似平行的龙日坝断裂，大于5.0级的地震事件都发生在该断裂与龙门山断裂带之间；西南侧边界为鲜水河断裂带；东侧边界为成都附近的龙泉山断裂.根据孕震时空区域划分四项基本原则，确定的汶川大震孕震区域示于图 14.为进一步验证划分方案的合理性，我们根据汶川大震后ML≥2.5级的事件空间分布，发现其余震（暂称为余震，若以后有更大的地震发生，则为前震）分布在图 14所示红色虚线的范围内，这表明划分的孕震区域正确.
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图 14 南北地震带中段及龙门山地区活动构造图 蓝线为断裂构造，红色虚线为孕震区域，黑色虚线为M≥6. 0级的强震集中区域，绿圈和红圈分别表示研究区内1970年以前和1970年以后M≥5.0的事件. Fig. 14 Active faults in the middle section of the north-south earthquake belt and the Longmenshan zone in China Blue lines, red dashed line and black dashed line denote the faults, seismogenic zone and concentration area of M≥6. 0 earthquakes, respectively. The green and red circles denote the earthquake events with M≥5.0 in the research zone before and after 1970, respectively. |
在孕震区域内，曾先后发生了如下大于7.0级的强震事件[17]：1713年9月4日茂县叠溪（32°N，103.7°E）MS7.0级事件，1933年8月25日茂县叠溪（32°N，103.7°E）MS7.5级事件，1976年8月16日和23日松潘-平武（32.5°N和32.8°N，104.3°E）MS7.2级双震事件.这些强震位于龙门山断裂带附近，与汶川（31.01°N，103.42°E）Mw7.9级大地震一起构成了一个强震集中的椭圆形区域，基本上对应着该孕震区域内由隆起带及龙门山断裂带中间部分所构成的“弓型”区域（图 14）.这也从地质构造上说明2008年前的历史强震与汶川大震是相互联系的，不是独立事件.
5.2 孕震过程、成因机制与预测分析四川省位于中国南北地震带中段，且处于陆内岩石圈东西地壳结构差异较大的过渡地带，东南部属华南陆块的扬子克拉通，西北部属青藏高原的东北缘[8].该区自新生代以来一直受到印度洋板块与欧亚板块，即两陆-陆板块碰撞与挤压的强烈作用，由于青藏高原的抬升和构造运动的制约，新构造活动比较强烈.这里的新构造运动受到深部地壳结构影响明显、且为其深层过程强烈变化的界带，并具有分区性.由于构造运动受到中生代、新生代，特别是第四纪活动性断裂构造的影响，故与相邻板块构造运动在成因上有着密切的内在联系.
从孕震区内有文献记载的地震活动性看，汶川大地震至少已孕育了1370年，是能量长期累积导致的结果.张培震等人[10]认为，汶川特大地震的孕育和发生是3个地质单元共同作用的结果.川西高原作为变形单元震前发生明显的变形，并且将变形转换为积累在龙门山断裂带的应力；龙门山断裂带作为闭锁单元震前变形缓慢但积累很大的应力，地震时发生破裂释放出长期积累的应变能；四川盆地作为支撑单元对川西高原和龙门山的向东运动产生阻挡，是汶川地震孕育不可缺少的元素.从图 15看出，在汶川大震孕震区域内和汶川大震前，存在有两个锁固段，1933年茂县7.5级大震已使第一锁固段破裂完毕，该震为汶川大震能量的蓄积起到了重要作用，但不是汶川大震最直接的起因.之后1976年的松潘-平武双震震群事件是第二锁固段的临界破坏始点，即第二锁固段的变形膨胀点，由于其在加速破裂后还未到达峰值强度点，之后必有更大的事件发生.根据上述理论方法，预测的汶川大震震级为7.8级，发震时间为2008年4月11日，为汶川大震前1个月，震中位置在绵竹附近.
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图 15 638年至2008年5月12日Mw7.9级大震发生前累积Bemoff应变与时间关系.误差修正已被考虑 红线为Mw7.9级大震发生时间. Fig. 15 Temporal distribution of cumulative Benioff strain in the period from 638 to 12 May 2008 prior to the Mw7.9 earthquake. The error correction is also considered The red line denote the occurrence time of the Wenchuan earthquake. |
简而言之，尽管汶川大震是其孕震区内长期能量积累的结果，但导致其发生的最直接原因是1976年的松潘-平武双震事件，该7.2级双震事件是引发汶川大地震的直接导火索.
从图 15也可看出，从1976年至2008年汶川大震发生前，孕震区内地震活动性总体是平静的.从2004年12月开始的紫坪铺水库蓄水并没有使孕震区内的地震活动性增强，这说明汶川大地震与紫坪铺水库蓄水没有直接的关联.
5.3 汶川地震孕震区未来大地震趋势分析我们分析了汶川大震破裂过程的特点与余震分布特征后发现，在该孕震区内还有可能再次发生强震，其主要理由如下：
（1）汶川大震后，余震的最大震级为6.3级，而唐山7.8级大震后的余震最大震级为7.1级.从类比角度看，汶川大震也应发生7.0级左右的余震.迄今为止这样的地震事件还未出现，这可能说明在孕育汶川7.9级大震的锁固区域破裂后，又受到了另一锁固段的阻挡作用，使其不能发生7.0级左右的事件.
（2）李志雄等[11]在汶川8.0级地震序列的跟踪研究中，发现汶川地震序列具有明显的空间分段活动特点.根据对汶川地震余震序列的部分测震学指标计算，结果表明，汶川地震序列可能是由以绵竹为界，其西南段的汶川主-余震序列和绵竹北东段的北川-青川6级震群地震序列组成.这意味着龙门山断裂带西南段可能为汶川Mw7.9级大震对应的已破裂锁固段，大震发生的同时及以后，释放的巨大能量直接启动了以绵竹为界的北东段孕震区域内另一锁固段的累进性破裂.
（3）从汶川大震破裂过程[7]（图 16）也可看到，主震震中域的西南段破裂最为严重，沿龙门山断裂带向东北方向延伸，在绵竹附近有一约40km的基本未破裂区段，在北川县附近破裂程度相对较重，北川县-青川县之间破裂程度较轻.绵竹附近的基本未破裂区段介于破裂严重段和破裂相对较重段之间，对此破裂不连续现象较难以理解.我们推断出现此奇怪现象的根源可能在于，汶川大震发生时，破裂在由西南向东北方向传播过程中，基本未破裂区段虽离7.9级大震震中较近，但因其是一高强锁固体，大震释放的能量只能使其发生轻微的破坏，岩体仍保持着很好的完整性.破裂相对较重段可能因岩石强度较低，汶川大震释放的巨大能量已使其开始产生局部破坏.从下一次大震孕育尺度考虑，绵竹附近的基本未破裂区段和绵竹东北方向的破裂相对较重、破裂较轻区段与其附近地质体，可构成一完整锁固体，可孕育另一次强震.
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图 16 2008年汶川大地震断层错动引起的同震位移场与等震线(据文献[7]略有修改) Fig. 16 The coseismic displacement field and isoseismal lines induced by the fault movement associated with the Wenchuan earthquake in 2008 (modified after Ref.[7]) |
综合以上分析可初步推断，在龙门山断裂带区域还有高强度的锁固段存在，具备孕育强震的储能地质构造条件，极有可能再次发生更强烈地震，7.9级地震可能是下一次巨震前的一次强前震事件.此推理是否正确，本文将对此展开进一步的理论分析.
从图 17看出，汶川大震发生后，其地震活动性一直处于加速状态.若以2008年5月12日7.9级大震前作为加速应变能释放起点，大震后第一锁固段在5月22日已破裂完毕.由于受第一锁固段累进性快速破裂的影响，且另一个锁固段距之较近，与智利8.8级巨震类似[3]，第一锁固段的断裂已直接导致了第二锁固段的临界破坏启始，第二锁固段膨胀点对应的事件是以2008年5月25日ML6.3级地震为标志的震群事件，其震中位置在32.55°N，105.48°E，属于上述的北川-青川之间的破裂较轻区段.理论分析结果与上述推理判断一致.同理，依据孕震断层多锁固段脆性破裂理论方法，并结合强震集中区域、地震空区位置与震群事件震中位置，可推断未来大震的震中位置在虎牙断裂与龙门山断裂带交界附近（32°N，104.3°E），估算震级为8.2~8.3级，震源深度约为14km，发震时间根据地震活动性监测确定，当监测值接近或达到临界失稳应变值2.0708×109时（目前监测值为1.8327×109），大震可被适当地扰动触发.
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图 17 638年至2010年5月30日之间累积Bemoff应变与时间关系 Fig. 17 Temporal distribution of cumulative Benioff strain in the period from 638 to 30 May 2010 |
从上述几个方面综合判断，汶川Mw7.9级地震可能不为主震，而是前震，惟一有点疑问的是第二锁固段在膨胀点处的标志性震群事件震级（ML6.3级）偏小.为进一步验证该推论，需加强该孕震区未来10年间地震活动性监测，在监测分析的基础上结合该区域是否存在高强锁固段的地球物理探测，作出明确的科学判断.从近代该孕震区内几次M≥7.0级事件的孕震周期（1933-1976-2008）来看，其大震孕育周期呈缩短的趋势（43年~32年），如果我们的推理正确，估计下一次大震可能会发生在2029~2038年之间.
6 结论（1）对川滇地区未来地震趋势进行了预测分析，得出的有关结论可供有关部门参考.
（2）在中缅边境孕震区内重叠地震带的相互触发作用，可能是该区双震型地震的重要机制.
（3）导致2008年5月12日汶川Mw7.9级地震的最直接原因，是1976年发生在松潘-平武的MS7.2级双震震群事件.
致谢感谢刘光鼎院士、滕吉文院士、朱日祥院士、吴福元研究员、常旭研究员对第一作者的鼓励，感谢王思敬院士、张倬元教授和第一作者的有益讨论.
| [1] | 苏有锦, 秦嘉政. 川滇地区强地震活动与区域新构造运动的关系. 中国地震 , 2001, 17(1): 24–34. Su Y J, Qin J Z. Strong earthquake activity and relation to regional new tectonic movement in Sichuan Yunnan Region. Earthquake Research in China (in Chinese) , 2001, 17(1): 24-34. |
| [2] | Lei X. How do asperities fracture? An experimental study of unbroken asperities. Earth and Planetary Science Letters , 2003, 213: 347-359. DOI:10.1016/S0012-821X(03)00328-5 |
| [3] | 秦四清, 徐锡伟, 胡平, 等. 孕震断层的多锁固段脆性破裂机制与地震预测新方法的探索. 地球物理学报 , 2010, 53(4): 1001–1014. Qin S Q, Xu X W, Hu P, et al. Brittle failure mechanism of multiple locked patches in a seismogenic fault system and exploration on a new way for earthquake prediction. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2010, 53(4): 1001-1014. |
| [4] | 秦四清, 王媛媛, 马平. 崩滑灾害临界位移演化的指数律. 岩石力学与工程学报 , 2010, 29(5): 837–880. Qin S Q, Wang Y Y, Ma P. Exponential laws of critical displacement evolution for landslides and avalanches. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering (in Chinese) , 2010, 29(5): 837-880. |
| [5] | 秦四清, 薛雷, 王媛媛, 等. 对孕震断层多锁固段脆性破裂理论的进一步验证及有关科学问题的讨论. 地球物理学进展 , 2010, 25(3): 749–758. Qin S Q, Xue L, Wang Y Y, et al. Further verifications on the brittle failure theory of multiple locked patches along a seismogenic fault system and discussions on some science issues. Progress in Geophysics (in Chinese) , 2010, 25(3): 749-758. |
| [6] | 秦四清, 薛雷, 黄鑫, 等. 青海、甘肃与宁夏地区未来大地震预测分析. 地球物理学进展 , 2010, 25(4): 1168–1174. Qin S Q, Xue L, Huang X, et al. Prediction of strong earthquakes in the Qinghai, Gansu and Ningxia regions. Progress in Geophysics (in Chinese) , 2010, 25(4): 1168-1174. |
| [7] | 张勇, 冯万鹏, 许力生, 等. 2008年汶川大地震的时空破裂过程. 中国科学D辑:地球科学 , 2008, 38(10): 1186–1194. Zhang Y, Feng W P, Xu L S, et al. The spatial temporal failure process of the Wenchuan earthquake in 2008. Science in China (Series D):Earth Science (in Chinese) , 2008, 38(10): 1186-1194. |
| [8] | 滕吉文, 白登海, 杨辉, 等. 2008汶川MS8.0地震发生的深层过程和动力学响应. 地球物理学报 , 2008, 51(5): 1385–1402. Teng J W, Bai D H, Yang H, et al. Deep processes and dynamic responses associated with the Wenchuan MS8.0 earthquake of 2008. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2008, 51(5): 1385-1402. |
| [9] | 闻学泽, 张培震, 杜方, 等. 2008年汶川8.0级地震发生的历史与现今地震活动背景. 地球物理学报 , 2009, 52(2): 444–454. Wen X Z, Zhang P Z, Du F, et al. The background of historical and modern seismic activities of the occurrence of the 2008 MS8.0 Wenchuan, Sichuan, earthquake. Chinese J. Geophys.(in Chinese) (in Chinese) , 2009, 52(2): 444-454. |
| [10] | 张培震, 闻学泽, 徐锡伟, 等. 2008年汶川8.0级特大地震孕育和发生的多单元组合模式. 科学通报 , 2009, 54(7): 944–953. Zhang P Z, Wen X Z, Xu X W, et al. A multi element combination mode of the seismogenic process for the Wenchuan MS8.0 earthquake occurred in 2008. Chinese Science Bulletin (in Chinese) , 2009, 54(7): 944-953. |
| [11] | 李志雄, 邵志刚, 赵翠萍, 等. 汶川8.0级地震序列活动的分段性研究. 地震 , 2009, 29(1): 26–32. Li Z X, Shao Z G, Zhao C P, et al. Study on the sectional features of the aftershock sequence of the Wenchuan MS8.0 earthquake. Earthquake (in Chinese) , 2009, 29(1): 26-32. |
| [12] | 华卫, 陈章立, 郑斯华. 2008年汶川8.0级地震序列震源参数分段特征的研究. 地球物理学报 , 2009, 52(2): 365–371. Hua W, Chen Z L, Zheng S H. A study on segmentation characteristics of aftershock source parameters of Wenchuan M8.0 earthquake in 2008. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2009, 52(2): 365-371. |
| [13] | 陈祖安, 林邦慧, 白武明, 等. 2008年汶川8.0级地震孕震机理研究. 地球物理学报 , 2009, 52(2): 408–417. Chen Z A, Lin B H, Bai W M, et al. The mechanism of generation of May 12, 2008MS 8.0 Wenchuan earthquake. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2009, 52(2): 408-417. |
| [14] | Bufe C G, Varnes D J. Predictive modeling of the seismic cycle of the greater San Francisco bay region. J. Geophys. Res. , 1993, 98: 9871-9883. DOI:10.1029/93JB00357 |
| [15] | 彭克银, 尹祥础, 和锐. 用临界点理论讨论应变能加速释放现象和孕震区尺度. 中国地震 , 2003, 19(4): 425–430. Peng K Y, Yin X C, He R. Accelerating strain release and earthquake genesis scaling exponents from critical point hypothesis. Earthquake Research in China (in Chinese) , 2003, 19(4): 425-430. |
| [16] | 陈国光, 计凤桔, 周荣军. 龙门山断裂带晚第四纪活动性分段的初步研究. 地震地质 , 2007, 29(3): 657–673. Chen G G, Ji F J, Zhou R J. Primary research of activity segmentation of Longmenshan fault zone since late quaternary. Seismology and Geology (in Chinese) , 2007, 29(3): 657-673. |
| [17] | 顾功叙主编. 中国地震目录. 北京: 科学出版社, 1983 . Gu G X. Chinese Earthquake Catalog (in Chinese). Beijing: Science Press, 1983 . |