地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (6): 1478-1489   PDF    
中国大陆主要地震活动区中小地震震源参数研究
赵翠萍1, 陈章立2, 华卫1, 王勤彩1, 李志雄1, 郑斯华1     
1. 中国地震局地震预测研究所,北京 100036;
2. 中国地震局,北京 100036
摘要: 本文利用中国大陆几个主要地震活动区近几年积累的大量ML≥3.0数字地震观测记录,在分别反演得到13个不同构造研究区域的介质衰减模型、348个台站的场地效应的基础上,自0.1~20 Hz的SH观测波形数据中逐步消除了仪器、噪声、几何扩散、传播路径的介质衰减、台站场地效应等影响后,恢复了2573次3.0≤ML≤6.0地震的震源谱,采用ω平方震源模型拟合震源谱后,利用Brune的圆盘模型计算了它们的震源参数,并讨论了中国大陆中小地震的震源特征,比较了中国大陆不同地区的应力降释放水平,综合讨论了地震应力降与震源深度、机制解类型、地震大小等各种因素的关系.研究表明,中国大陆中小地震释放的应力降在0.1~20 MPa之间,绝大多数在10 MPa以下.新疆天山中东段地区、青藏块体东北缘及龙门山断裂带东北缘是高应力降地震集中的区域,表明这里的断层受到相对较强的构造剪应力作用.中小地震释放的应力降随着震级的增大而增大,应力降ΔσM03.14,不遵循常数应力降模型.在深度20 km以内,中小地震释放的应力降对深度的依赖不显著,但在20 km以上深度显示出随深度增大而增大的现象.中小地震释放的应力降没有表现出与震源机制类型的相关性.本研究实现了震源参数的准实时计算,丰富了大陆块体内部地震震源定标率关系研究的样本.可以预见,随着中小地震数据的大量产出和积累,这些震源参数的时空分布特征研究将会为地震预测预报研究提供有实际物理意义的依据,得到的介质衰减模型及场地效应等也将对台网日常震级ML测定所需的量规函数、台站校正值的研究提供重要参考.
关键词: 震源谱      震源参数      应力降      介质衰减      场地效应     
Study on source parameters of small to moderate earthquakes in the main seismic active regions, China mainland
ZHAO Cui-Ping1, CHEN Zhang-Li2, HUA Wei1, WANG Qin-Cai1, LI Zhi-Xiong1, ZHENG Si-Hua1     
1. Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China;
2. China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
Abstract: On the basis of both the frequency dependent Q(f) model for 13 regions and the site response for 348 stations were inversed firstly by using different inversion methods, source displacement spectra of about 2573 events of 3.0≤ML≤6.0 from 2001 to 2010, occurred in main seismic active regions of the mainland china, are restored after the influences of instrument, noise, geometry spreading, anelastic attenuation, as well as the site contributions were corrected from SH components of the observed seismic waves. The source parameters of 2573 events are further estimated assuming a Brune-type source model. Our results demonstrate that the estimated stress drops range from 0.1 MPa to 20 MPa with most less than 10 MPa. The stress drops of events occurred in the middle and east part of Tianshan, Xinjiang, China, the east-northern boundary of Tibet, and the east-northern segment of Longmenshan fault zone, are relatively larger, implying that they may experience relatively stronger shear stress. We find that stress drops increase with earthquake magnitudes, satisfying a relationship of ΔσM03.14, not a constant model. We don't find a dependence of stress drop on focal depth within 20 km, while there is a minor increasing trend with depth increasing when deeper than 20 km. We don't find a dependence of stress drop on focal mechanism. Through this work, we realized the near real time calculation of source parameters for an individual event, and our results provide a large amount of samples for studying the scaling relationship in the mainland. We can prospect that with the calculation and accumulation of source parameters, the spatial and temporal characteristics of these parameters, which has certain physical meanings, will make contribution to earthquake forecasting research. In addition, the obtained attenuation model and site effects will help in determining the calibration function and station corrections, which are two important factors for the purpose of precisely estimating the local ML magnitude.
Key words: Source displacement spectrum      Source parameters      Stress drop      Attenuation      Site effects     
1 引言

构造地震发生的物理实质是震源区介质的强度低于应力,因此监视孕震层深度介质的应力状态及其变化是解决强震预测问题的直接方法.可是受地球内部的“不可入性"及大地震的“非频发性"等因素的制约[12],人类尚不能直接监测到孕震层深度处介质所受应力的时空变化.然而,大量的频繁发生的中小地震的震源参数和介质参数携带了震源深度处应力场和介质性质变化的信息,监测这些参数的时空演化过程,即可以达到监测强震孕育过程中孕震区应力场或介质性质变化的目的,因此震源和介质参数的测定成为目前克服地球内部“不可入性"的重要途径.近年来数字地震观测技术和观测能力的提高,也使得这些参数的准确获取成为可能.中小地震震源参数特征的研究(地震定标率关系的研究)以及中小地震应力降时空演化特征的研究,一直是地震学中活跃的研究领域.中小地震震源参数特征的研究主要包括应力降对震级的依赖关系,地震的自相似性及震源的标度特征等.如Abercrombie[3](1995)对小地震的研究、AllmannandSheare等[4]对全球中强地震的研究等.中小地震应力降时空演化特征的研究则主要关注中小地震应力降的空间分布特征及其时间变化过程与未来大地震的关系,以探索强震发生的空间及时间的前兆信息.

目前,开展此项研究最多的区域是位于美国加州的圣安德列斯断层及其周围的区域,高密度的地震监测台网及大量的地震学基础研究,保证了研究者们能够较精确获得大量小地震的震源参数.Shearer等[5]系统地计算了加州地区的大量中小地震的震源参数,研究了南加州地震的定标率关系、应力降的时间和空间变化过程,以及这种变化与强震的相关性等.AllmannandShearer的研究[6]发现,在2004年12月Ms6地震前,震源区的应力降显著高于断层上的其他地区,而在Ms6 地震发生后,震源区的应力降出现了显著的下降变化.Hardebeck等[7]的研究讨论了高应力降分布与断层的闭锁段及岩石强度的关系,指出断层上的高应力降分布区域代表着这里的介质更强或者承受更高的外加剪应力等,即高应力降集中分布的区域也许是中强以上地震的潜在震源成核区.因此,中小地震的震源参数尤其是应力降的计算及其时空分布特征的分析,可能对强震发生地点及时间预测提供重要的依据.

受观测技术和水平的影响,我国早期的震源参数(地震矩M0,破裂半径r,应力降Δσ 等)研究仅在个别有条件的地区针对余震序列开展.朱传镇等[8]1977年研究了海城地震前后震源区附近小地震的震源参数,发现1975年海城地震前小地震的应力降高于震后相应地区小震的应力降,与此相应,震源尺度则在震前比震后要小.在本研究开展之前,尚未有中国大陆地震震源参数的系统计算和研究.随着中国大陆地震观测能力和数字地震观测技术的进步,“十五"、尤其是“十一五"以来,中国大陆地震活跃地区数字地震监测能力得到了前所未有的极大提高,区域及国家数字地震台网积累了大量的数字地震波形数据,具备了测定中国大陆频繁发生的大量中小地震的震源参数的条件.

新疆天山地区、由甘肃和川滇地区构成的南北地震带以及首都圈地区是中国大陆构造地震非常活跃的区域,中小地震发生的频度高,同时也是中国大陆强震监测的重点地区.本研究充分利用近年来区域数字地震台网获得的大量中小地震的数字地震观测数据,在分别得到不同构造研究区域的介质衰减模型、各个台站的场地效应的基础上,自大量的观测波形数据中分离出2573次地震的震源谱,计算了各次地震的震源参数.进一步讨论了中国大陆中小地震的震源特征,比较了中国大陆不同地区的应力降释放水平,并综合讨论地震应力降与震源深度、震源机制解类型、地震大小等各种因素的关系,为进一步利用应力降等震源参数开展时空演化过程的监测和研究,探索与强震孕育有关的物理意义清晰的参数提供参考.

2 方法原理 2.1 震源谱和震源参数

研究震源参数,是在根据实际的地震事件波形数据反演震源谱的基础上进行的,将地震震源谱与理论震源谱进行拟合,即可得到相应的震源谱参数,并进而得到震源参数.我们知道,地震波能量在传播过程中不但随着传播距离出现几何扩散,还受到传播路径上介质的吸收和散射等,在到达台站接收仪器前地表下方浅层的介质也会对地震波产生影响,因此观测得到的地震数据是震源激发的信息经过上述各种过程的产物.在频率域,台站j记录到的地震i的观测位移Uij(f)可以用下式表示:

(1)

式中f为频率,Si(f)即为地震i的震源谱;Φ 为震源辐射图形因子;Pij(f)为地震波从震源i到台站j的传播路径效应项,描述地震波在传播过程中的衰减,其中包括了地震波的几何扩散和非弹性衰减;Lj(f)为台站j的局部场地效应,描述台站附近近地表地层介质对地震波动的放大作用;Nj(f)为台站j记录的噪音;Ij(f)为台站j的仪器响应函数;Surj为地表自由表面效应,描述地震波入射地表自由表面时的反射特征.理论上SH 波入射地表时,只产生反射的SH 波,反射波的位移与入射波的位移相等,记录的SH 波位移正好为入射波位移的两倍,即对地表台站的SH 波记录,(1)式中的Surj=2,而对井下摆记录Surj=1.消除噪音项Nj(f)、仪器项Ij(f)后,Uij(f)为:

(2)

由上式可知,要由地震记录Uij(f)获得震源谱Si(f),必须消除表达式右边其他各项的影响,而Pij(f)项与台站震源的传播路径及频率有关,Lj(f)则与各个台站具体的场地及频率有关.在自观测数据恢复震源谱并开展震源参数的研究中,由于路径、场地等影响之间的相互藕合及不确定,许多研究或是设定常数Q值,或是不考虑场地的影响.由于在高频部分受到路径和场地的影响更大,中小地震的震源谱计算变得更为复杂.传统的EGF方法使用将某个台站记录的某个地震的观测位移谱与位于同一震源位置、震级相差较大的另一个小地震的观测位移谱进行相除的办法,达到消除路径衰减、场地效应的影响.由于难于找到每个地震的EFG,该方法并不适用于获取大范围分布的中小地震的震源谱.本研究利用近年获取了大量中小地震的数字地震观测波形的优势,采用多台多地震联合反演方法,首先分别确定了非弹性衰减等传播路径效应以及各台站的场地效应,再由观测谱中分离出每个地震的震源谱.

地震的震源谱模型是震源参数研究中首先要考虑的问题.理论震源模型可以表示为:

(3)

上式中,S(f)代表理论震源谱,震源谱由零频谱值Ω0、随地震矩变化的拐角频率fc 及高频衰减系数决定.零频谱值Ω0 反映了地震的大小;拐角频率fc反映了震源尺度的大小,地震越小,fc 越大,震源谱中包含的高频成分就越多;高频衰减系数n是指震源谱中大于拐角频率部分的衰减趋势,它反映了断层面总体上的几何形态和地震传播过程[9].Eric[10](1987)认为板内地震很好地符合ω 平方模型(n=2),我们的研究也表明ω 平方震源模型适合中国大陆的中小地震[1112],目前在利用震源谱计算应力降等震源参数的研究中,基本上都采用ω 平方震源模型.

假设用Brune等效圆盘断层模型来描述“中小地震",则地震矩M0、震源特征尺度r和应力降Δσ等震源参数可分别由下式得到[13]:

(4)

(5)

(6)

式中ρ 为介质密度,β 为S波速度,Rθφ 为平均的震源辐射图像因子,对SH 波,Rθφ =0.41.因此,将恢复的震源谱与ω 平方理论震源谱拟合后,通过震源谱参数Ω0fc, 就可由式(4)~(6)进一步计算每个地震的地震矩M0,应力降Δσ 以及震源破裂半径r等参数.我们还根据Kanamori的公式,计算了这些地震的矩震级:

(7)

2.2 传播路径效应项Pij(f)的确定

(2) 式中的传播路径效应Pij(f)可用下式表示:

(8)

式中Gij为几何扩散,描述地震波在传播过程中,随波阵面的扩大,通过波阵面单位面积的能量逐渐减小的参数;Rij为震源距,Vij为地震波速度,Qij(f)为介质品质因子,描述由于介质的不均匀和非完全弹性,地震波在传播过程中能量的“耗损".本文的研究中,对同一构造区域用平均的Q(f)代替Qij(f),用平均的V代替Vij.因此(8)式可写为:

(9)

上式中β为S波速度,Q(f)为S波的介质品质因子.

对于几何扩散GijQ(f),本研究采用Atkinson等[14]提出的三段几何扩散模型,及多台多震源地震记录联合反演求解Q(f)的方法,根据地震活动区的地质构造、地震及台站分布等因素,确定反演Qβ(f)的区域单元,分别反演得到各个频率点的Q值,并进而拟合得到频率依赖的Q(f).

2.3 台站场地效应项Li(f)

Moya等[15](2000)采用Brune的ω 平方模型来约束震源位移谱,在几何衰减和非弹性衰减已知的条件下,假设场地效应只取决于台站附近地表地层介质的特性,由不同地震记录所求得的Li(f)应相同,采用遗传算法使用多台多地震数据同时反演了场地响应和震源谱,该方法得到了较为广泛的应用[16~18],本研究也采用此方法反演各个台站的场地效应.研究中首先在各个研究区挑选波形记录质量好、地震和台站分布均匀的地震事件参与联合反演,最终得到了频率依赖的各个台站的场地放大系数.

3 数据及处理

自从“十五"数字化地震台网在中国大陆建设以来,尤其是随着“十一五"数字地震观测网络的建设,中国大陆区域数字地震台网台站的平均间距达到100km、甚至50km 以内,地震活跃地区的数字地震台网记录了频繁发生的大量中小地震的波形数据,使得许多地震学研究得以展开.本文的13 个研究区域及台站分布见图 1,几个区域数字地震台网中的台站以地表台站为主,在首都圈有部分井下台站.

图 1 研究区域及台站分布 空心三角形:全国微震台站;实心三角形:研究所用的11个区域台网的台站分布.图中方框框起的区域为研究中分区测定Q值的区域,数字与表 1中序号一致. Fig. 1 Map showing the studied region and stations Open triangle marks the velocity seismic stations installed by the CEA. Solid triangle marks the stations used in this study.The rectangular regions are given Q attenuation models by this study, the number is the same with that in Table 1.

本研究使用0.1~20Hz的SH 分量波形数据,具体处理步骤包括:①由观测的EW、NS 向速度波形记录,分别得到SH 分量的观测位移谱和噪音谱.其中包括波形旋转、滤波、去除仪器响应、去除噪音等过程.②对每个研究分区,挑选部分记录较好、地震和台站分布均匀的数据,采用Atkinson等的方法反演Q(f).③ 采用Moya的方法联合反演各个台站的场地响应.④在频率域内对每个中小地震的每个台站记录进行几何衰减、非弹性衰减、场地响应等校正,求其平均值以消除方向性效应,得到每个地震的平均震源谱.由于很难得到每次地震的震源机制解,本研究将震源辐射图形因子Φ 取为SH 波的平均辐射图形因子0.41.⑤用遗传算法搜索与每个地震的平均震源谱吻合最好的ω 平方理论震源位移谱,即得到了相应的震源谱参数Ω0fc.⑥使用公式(4)~(7),计算每个地震的震源参数.由于目前尚不能获取每个中小地震可靠的震源机制解,为消除震源辐射图像的影响,我们通过选择参加计算的台站较均匀包围某个地震的方式,对辐射图形因子Φ取SH 波的平均辐射图像效应.

鉴于不同构造区域的介质对地震波的衰减(Q(f))特征差异显著,研究中把首都圈(包括北京、天津、河北)分为山区、平原及南部地区等三个区域;四川分为西部山区和东部平原(川东盆地)两个区域;甘肃分为中西部(祁连山及近邻)和甘东南两个区域;新疆地域广阔,受台网布局制约,对天山中东段和乌恰-喀什两个地区分别进行研究;福建、广东、云南和山东台网覆盖范围未作进一步区域划分.

研究共使用地震波形数据数十万条,反演得到了中国大陆13个研究区域随频率变化的衰减模型Q(f)值,以及348个台站随频率变化的场地效应.最终恢复了2003年以来2573次ML2.5~6.0级地震的震源谱,获得了这些地震的低频水平Ω0、拐角频率fc、应力降、矩张量、破裂半径等震源参数.

4 结果 4.1 衰减模型Q(f)

13个区域的平均衰减模型结果见表 1图 2.由图可见绝大多数区域Q(f)与频率的线性相关较好,仅广东地区的Q值在2 Hz以下的低频段呈现出两段反向的趋势.各区域对地震波的衰减特征不同,Q0 值在190~700之间,η 值在0.3~0.7之间.青藏高原东北缘的甘肃西北地区、川东盆地以及新疆天山中东段、广东地区是Q0 值相对较高的地区,而首都圈平原地区、云南地区、四川西部Q0 值相对较低.中国大陆这种地震波衰减不均匀分布的特征与区域构造背景、地壳结构的非均匀性等因素相关.

表 1 分区域衰减模型Q(f) Table 1 Attenuation model for 13 regions
图 2 各区域Q(f)的拟合曲线 图中左下角的数字与xref ref-type="table" rid="Table1">表 1中的序号所代表的区域一致. Fig. 2 Fitted Q(f) curves of for 13 studied regions Numbers on the left corner represent the index of each region in Table 1
4.2 台站场地效应Lj(f)

台站场地效应主要与台站附近近地表地层介质的阻抗ρc的平方根(ρ为介质密度,c为波速)成反比[19].因此,沉积层台站可能因沉积层的类型和沉积层厚度不同、基岩台可能因基岩的风化程度不同,场地效应千差万别.研究中反演得到了348个台站场地效应,图 3 给出了部分具有代表性的不同台基条件的场地结果.尽管348 个场地效应形态各异,但总体来说,在0~20Hz范围,基岩台站的场地效应对频率的依赖相对较弱,大多数场地放大倍数在1~2之间平稳变化,也有些场地在高频显示出显著的放大作用,如图 3a 中的HUA 台、图 3c中的SHW台等.在7Hz以下,沉积层台站的场地效应明显大于基岩台的场地效应,但在7 Hz以上,沉积层台站往往显示出明显的衰减形态,典型的如图 3b给出的首都圈井下摆的场地效应随频率增大快速衰减.图 3d中甘肃台网的GTA 台在1~20 Hz范围都稳定在1附近,显示出该台有较好的台基条件.研究中发现少数台站场地效应频率依赖曲线的形态较复杂(如4d中的DHT 台),可能与台站局部特殊的环境条件、地形地貌等因素有关.台站场地效应的研究对地震震级的测定及地震震源特征的认识极其重要,研究结果对今后台站场地选点及评价有一定的参考意义.

图 3 反演得到的部分台站场地效应示例 (a)首都圈部分基岩台站;(b)首都圈部分黄土地井下摆台站;(c)福建地区部分台站;(d)甘肃地区部分台站. Fig. 3 Examples of site effects obtained by this study (a) Bedrock sites in the capital area;(b) Sedimentary sites in the capital area;(c) Sites in Fujian regional seismic network; (d) Sites in Gansu regional seismic network
4.3 震源参数

我们最终共计算得到2003年以来发生的2573次地震的震源谱和震源参数.图 4 给出了其中几次地震的震源谱,由图可见经过仪器、路径衰减、场地效应等校正后,同一个地震各个台站恢复的震源位移谱基本一致,平均震源谱与理论震源谱非常吻合,表明了得到的震源谱及震源参数的可靠性.由图 5可见,2573次地震的地震矩M0 在1012~1016N·m(MW2.0~5.0)范围内,拐角频率在0~20 Hz范围内.与其他研究者[4]公布的结果进行对比可见,在地震矩M0 1012 ~1016N·m 范围,除了Humphrey 和Anderson[20]的结果中地震释放的应力降在10~100 MPa范围外,本文研究结果及其他大多数研究结果均集中在0.1~10 MPa之间,也表明了本文结果的可靠性.

图 4 本文得到的8次中小地震震源谱及震源参数结果 其中黑色细线为参加计算的台站经过了校正后的震源谱,黑色粗线为所有台站的平均震源谱,红色粗线为拟合最好的 理论震源谱.图中左下角方框内给出各个地震事件的时间及拟合得到的零频谱值(LFL)和拐角频率(fc). Fig. 4 Examples showing the source spectra and source parameters for 8 small earthquakes estimated by this study Thin line represents the corrected spectrum for each station,black bold line represents the average source spectra,red line is the theoretical spectra which best fitting the average source spectra. The origin time,low frequency level (LFL),and corner frequency (fc)are given on the ett corner of each map.
图 5 本文研究结果拐角频率与地震矩、矩震级的关系 Fig. 5 Map showing the relationship between corner frequency and the scalar moment (M0),Mw

图 6 给出了这些地震释放的应力降的空间分布.总体看,龙门山断裂带北东段汶川地震余震区、青藏高原东北缘以及新疆天山中段地区的中小地震应力释放水平相对较高,空间上也集中沿断裂带展布,其他地区应力降则相对较小.

图 6 获取的地震应力降空间分布 Fig. 6 Spatial distribution of stress drops

2573次矩震级Mw2.0~5.0 地震的震源破裂半径(图 7a)在90~1000 m 之间.由于部分仪器频带宽度的限制,对于那些拐角频率大于20Hz的较小地震,可能存在拐角频率限幅的情况,并由此导致了震源破裂半径为90m 的下限.由图 7b可知,我国台网测定的震级与地震矩震级存在线性偏差,台网测定震级越大的地震,与矩震级偏差越大,最大可达到0.8级.这种误差是由于各个区域台网在测定ML时没有考虑自己的量规函数和台基校正造成的,由我们得到的各个区域台网的场地效应可见,多数台站存在显著的放大作用,如果计算震级时不加以消除,则得到的ML地震震级必定大于实际地震震级.在单对数坐标下,地震矩张量M0ML震级呈现出很好的相关性(图 7c),用最小二乘法拟合,得到二者的关系与其他地震学家得到的全球其他地区的基本一致,为:

图 7 矩震级与破裂半径(a)震级与矩震级(b)及标量地震矩(c)的关系 Fig. 7 Mw versus rupture radium (a) , magnitude (ML) versus Mw(b) , magnitude (ML) versus scalar moment (M0) (c)

(8)

5 应力降的分析及讨论

有研究认为高应力降地震发生于滑动断层上的闭锁段周围,而这里是应变积累或者存在更高强度介质的区域,表明了应力降与外施剪应力存在正相关,即排除计算因素外,高应力降集中分布的区域也许是中强以上地震的潜在震源成核区.但在以往对应力降的研究中,存在几个不确定的问题,这些问题一直是讨论的热点,也是应力降用以判定潜在震源区前需要考虑的因素,即地震释放的应力降是否与地震震级正相关(这涉及到地震的自相似性)、应力降是否与深度正相关、应力降是否与地震破裂类型有关等.不同的研究者采用不同的测定方法,得到了对上述问题不同的结论.图 8 给出了本研究结果得到的应力降与地震震级、震源深度、震源机制解类型的关系,下面进行详细讨论.

图 8 应力降与矩震级(a)、与震源深度(b)、与震源机制类型(c)的关系 Fig. 8 Stress drop versus Mw (a),focal depth (b),and focal mechanism (c)
5.1 应力降Δσ与地震大小

地震释放的应力降是否随地震强度增大而增加,是震源参数研究中广泛讨论的重要问题之一.对板内地震应力降的认识,不同的研究者对不同的研究区域、使用不同的方法及资料得出以下不同的结论:(1)应力降与震级大小不存在正相关,即常数应力降模型.(2)应力降与震级存在正相关,随震级的增大应力降呈现出增大现象.(3)应力降与震级呈现多重标度关系,即在不同的震级范围,分别呈现出正相关和无关的现象.

关于常数应力降的结论,早期的研究中比较典型的是Abercrombie[3]1995年对100个井下记录的研究,该研究得到的ML1~3 级地震的应力降基本上保持不变,认为小地震的震源符合常数应力降模型,且震源尺度可小至10 m.AllmannandShearer等[5]的研究认为南加州2~3级地震存在自相似性,即应力降不随震级增大而发生变化.Allmann 等[6]对Parkfield 地区4千多次ML0.5~3级地震的研究认为小地震的应力降与震级大小不存在正相关关系.Hardebeck 等[7]对圣安德列斯北段地区震级1.0~4.2地震的研究也排除了应力降随震级增加的可能.2009年AllmannandShearer[4]对全球5.0级以上地震的研究结果也指出了地震的自相似性.

不少作者却发现了地震释放的应力降随着震级增大而增大的例子[21~25],如Mayeda 和Walter[23]1996年的结果表明,小地震的应力降Δσ 随地震矩M0 按ΔσM00.250 的规律增加,即Δσ 与地震的大小有关,随M0的增大而增大.Mori等[22]、Hardedeck等[24]均认为1994年加州北岭地震序列及其周围地震的视应力存在随震级增大的现象.GiuseppinaTusa等[25]2008 年对意大利Sicily 东南部地区ML4.5以下地震的研究表明,地震的应力降与地震大小正相关.

另外,还有一些关于应力降的研究显示了震源的多重标度特征.如Shi[26](1998)的研究表明,标量地震矩M0 小于2×1020dyne·cm 时,应力降随着M0 的减小而减小,大于此界限时则表现出应力降不依赖于地震的大小.Jin[27](2000)对在日本中部沿Atotsugawa断层上发生的地震的结果则显示出以5×1018dyne·cm、5×1020dyne·cm 为界的多尺度特征,即对于M0 小于5×1018dyne·cm 的地震,应力降在数十至数百bar之间离散变化,与地震大小无关;对M0 大于5×1020dyne·cm 的微震,M0 正比fc-3 ,应力降在0.1至数bar之间离散变化,也与地震的大小无关;当M0 在5×1018与5×1020dyne·cm之间时,M0 正比于fc-(7-8) ,应力降与M0 即地震的大小有很强的正相关.Atkinson[28]对加拿大东南和美国东北地区的研究表明MW 4级以下地震的应力降与震级正相关,MW 4级以上地震则显示出常数应力降.

图 8a可见,我们得到的中国大陆主要地震活动区域2.0≤Mw≤5.0的地震,其释放的应力降与地震强度呈现显著的正相关关系,中小地震应力降与标量地震矩的定标关系拟合为lgΔσ = 0.14lgM0 -1.75,表明M0fc3.14 ,基本不符合分段特征及常数应力降模型.

5.2 应力降Δσ 与震源深度

一些研究报道了应力降随着深度增加而增大的例子[29],这些例子中的一部分包含了俯冲带深度的地震,因此有人指出这种增大可能是使用了常数剪切波速度而导致.由公式(6)可见,仍然采用不变的地壳浅层的剪切波速度将会造成随着深度增加而应力降增大的现象,这种影响在深度达到俯冲带的地震时更为明显.但另外一些研究则认为应力降不随震源深度增加而增加,即应力降对深度无依赖性[462730].Allmann等[4]2009年对全球5级以上地震的研究表明这些中强地震释放的应力降不随深度增加而变大;Mori等1994年对北岭地震余震的研究,没有发现应力降对深度的依赖关系[22].还有部分研究指出了地震释放的应力降随着深度变化的分段性,如Hardebeck等[7]2009年的研究认为在1~7km深度,应力降在5MPa左右;在7~13km 深度范围,应力降在10 MPa左右;而当深度超过13km后,地震释放的应力降稳定在50 MPa左右.

图 8b可见,本文研究的地震中,对于深度小于20km 的地震,应力降没有显示出随震源深度增加而增加的现象,当深度超过20km 以上时,应力降显示出随深度增加而升高的迹象,似乎也表现出分段特征,但尚缺乏更多的地震样本来支持这一现象.另外,这里的震源深度均为台网定位结果,没有考虑深度误差的影响.

5.3 应力降Δσ 与震源机制解

地震的震源机制总体上有3种类型,即逆冲机制、正断层、走滑断层.3 种机制类型的地震是断层受不同应力作用的结果.早期的研究普遍认为逆冲型地震释放的应力降会较高[31],但最新的一些研究却没有发现逆冲型地震有较高的应力降,如Allmann等[4]2009 年对全球5.0 级以上地震的研究得到了走滑机制地震的应力降是其他类型的3~5 倍的结论.

本研究采用Snoke的FOCMEC 程序和方法[32]计算得到了74 次地震的可靠的机制解,我们参考Shearer等[5]的做法,将机制解用值域为-1.0~1.0的震源类型参数来表示,在图 8c中给出了应力降与震源机制类型的关系,其中震源类型参数为1.0 代表纯逆冲机制,为-1.0 代表纯正断层机制,0.0 则代表纯走滑地震.由图可见,我们得到的震源应力降与机制解类型之间的相关关系较弱,随着正断层、走滑、逆断层机制的变化,应力降没有显示出与机制类型相关的趋势.

6 结论

根据本文的大量计算结果,中国大陆中小地震释放的应力降主要为0.1~10 MPa, 新疆天山中东段地区、青藏块体东北缘及龙门山断裂带东北缘是高应力降地震集中的区域,表明这里的断层可能受到相对较强的构造剪应力作用.中国大陆大部分地区的中小地震释放的应力降随着震级的增大而增大,不遵循常数应力降或分段模型,与M0 的定标关系为ΔσM03.14 ;在深度20km 以内,中小地震释放的应力降基本不存在对深度的依赖,但20km 以上深度显示出随深度增大而增大的现象;中小地震释放的应力降没有表现出与震源机制类型的相关性.

本研究结果极大地丰富了大陆块体内部地震震源定标率关系研究的样本.研究团队在中国大陆首次利用最近才发展起来的高密度数字地震观测台网记录的中小地震数字波形数据,系统开展震源动力学参数的研究.研究中首先获得了13个构造区域的介质衰减模型,348个台站的场地效应,在各个台网安装了相应的计算软件,实现了震源参数的准实时计算,今后在本文的研究区域范围发生的ML≥2.5地震的震源参数均可快速计算并形成多参数地震数据库.可以预见,随着中小地震数据的大量产出和积累,这些震源参数的空间分布特征及其时间变化过程,以及这种变化与未来强震的关系等研究将会为地震预测预报研究提供有实际物理意义的依据和信息,得到的介质衰减模型及场地效应等也将对台网日常震级ML测定所需的量规函数、台站校正值的研究提供重要参考.

致谢 本研究受2007 年度中国地震局地震行业科研专项所支持,中国地震局监测预防司在项目的组织和开展等方面给予了巨大帮助,高影春研究员编写及改编了部分软件,河北、北京、新疆、甘肃、云南、四川、福建、广东、山东地震局和中国地震台网中心等单位给予了极大的协作,其中以范军、赵英萍、康英、陈继峰、唐兰兰、杨晶群、李志海、李祖宁、马士振等诸多同志为主参加了各个区域台网大量观测数据和仪器响应的整理、衰减结构和场地响应反演以及震源参数的计算等,周连庆、史海霞等参加了本研究工作,在此一并致谢.

参考文献
[1] 陈章立著. 浅论地震预报地震学方法基础. 北京: 地震出版社, 2004 . Chen Z L. The Seismological Foundation for Earthquake Prediction(in Chinese). Beijing: Seismological Press, 2004 .
[2] 陈运泰. 地震预测:回顾与展望. 中国科学D辑:地球科学 , 2009, 39(12): 1633–1658. Chen Y T. Earthquake forecasting: Review and Prospect. Sci China Earth Sci (in Chinese) (in Chinese) , 2009, 39(12): 1633-1658.
[3] Abercrombie R E. Earthquake source scaling relationships from –1 to 5 ML using seismograms recorded at 2.5 km depth. J. Geophys. Res. , 1995, 100: 24015-24036. DOI:10.1029/95JB02397
[4] Allmann B P, Shearer P M. Global variations of stress drop for moderate to large earthquakes. J. Geophys. Res. , 2009, 114: B01310. DOI:10.1029/2008JB005821
[5] Shearer P M, Prieto G A, Hauksson E. Comprehensive analysis of earthquake source spectra in sourthern California. J. Geophys. Res. , 2006, 111: B06303. DOI:10.1029/2005JB003979
[6] Allmannl B P, Shearer P M. Spatial and temporal stress drop variations in small earthquakes near Parkfield, California. J. Geophys. Res. , 2007, 112: B04305. DOI:10.1029/2006JB004395
[7] Hardebeck J L, Allegra A. Earthquake stress drops and inferred fault strength on the Hayward fault, East San Francisco Bay,California. Bull. Seism. Soc. Am. , 2009, 99(3): 1801-1814. DOI:10.1785/0120080242
[8] 朱传镇, 傅昌红, 容珍贵, 等. 海城地震前后微震震源参数与介质品质因子. 地球物理学报 , 1977, 20(3): 222–231. Zhu C Z, Fu C H, Rong Z G, et al. Source parameters for small earthquakes and the quality factor of the medium before and after the Haicheng earthquake. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 1977, 20(3): 222-231.
[9] 陈运泰, 吴忠良, 王培德, 等. 数字地震学. 北京: 地震出版社, 2000 . Chen Y T, Wu Z L, Wang P D. Digital Seismology(in Chinese). Beijing: Seismological Press, 2000 .
[10] Eric P C. Spectral scaling of earthquake in the Miramichi region of New Brunswick. Bull. Seism. Soc. Am. , 1987, 77(2): 374-365.
[11] 华 卫.中小地震震源参数定标关系研究.北京:中国地震局地球物理研究所, 2007. Hua W. Study on the scaling relationship of source parameters for small to modest earthquake. (in Chinese). Beijing: Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, 2007
[12] 赵翠萍, 夏爱国, 陈章立, 等. 新疆北天山中东段地区震源参数研究. 中国地震 , 2005, 21(1): 61–69. Zhao C P, Xia A G, Cheng Z L, et al. Study on the source parameters occurred on the Middle-East area of Northern Tianshan region, Xinjiang. Earthquake Research in China (in Chinese) , 2005, 21(1): 61-69.
[13] Brune J N. Tectonic stress and the spectrum of seismic shear waves from earthquakes. J. Geophys. Res. , 1970, 75(26): 41057-5009.
[14] Atkinson G M, Mereu R F. The shape of ground attenuation curves in Southeastern Canada. Bull. Seism. Soc. Am. , 1992, 82: 2014-2031.
[15] Moya A, Jorge A. Inversion of Source parameters and site efects from strong ground motion record using genetic algorithms. Bull. Seism. Soc. Am. , 2000, 90: 977-992. DOI:10.1785/0119990007
[16] 黄玉龙, 郑斯华, 刘杰, 等. 广东地区地震动衰减和场地响应的研究. 地球物理学报 , 2003, 46(1): 54–61. Huang Y L, Zheng S H, Liu J. Attenuation of ground motion and site response in Guangdong region. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2003, 46(1): 54-61.
[17] 刘杰, 郑斯华, 黄玉龙. 利用遗传算法反演非弹性衰减系数、震源参数和场地响应. 地震学报 , 2003, 25(2): 211–218. Liu J, Zheng S H, Huang Y L. The inversion of anelastic coefficient, source parameters and site respond using genetic algorithm. Acta Seismologica Sinica (in Chinese) (in Chinese) , 2003, 25(2): 211-218.
[18] 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) (in Chinese) , 2009, 52(2): 365-371.
[19] Shearer P M. Introduction to Seismology. 1999 .
[20] Humphrey J R, Anderson J G. Seismic source parameters from the Guerrero Subduction Zone. Bull Seism. Soc. Am. , 1994, 88: 531-542.
[21] Kanamori H, Brodsky E. The physics of earthquakes. Rep. Prog. Phys. , 2004, 67: 1429-1496. DOI:10.1088/0034-4885/67/8/R03
[22] Mori J, Abercrombie R E, Kanamori H. Stress drops and radiated energies of the Northridge aftershocks. J. Geophys. Res. , 2003, 108.
[23] Mayeda K, Walter W R. Moment, energy, stress drop, and source spectra of western United States earthquakes from regional coda envelopes. J. Geophys. Res. , 1996, 101: 11195-11208. DOI:10.1029/96JB00112
[24] Hardebeck J L, Hauksson E. Static stress drop in the 1994 Northridge, California aftershock sequence. Bull.Seism.Soc.Am. , 1997, 87(6): 1495-1501.
[25] Tusa G, Gresta S. Frequency-dependent attenuation of P waves and estimation of earthquake source parameters in Southeastern Sicily, Italy. Bull. Seism. Soc. Am. , 2008, 98(6): 2772-2794. DOI:10.1785/0120080105
[26] Shi Jinhua, Kim W-Y, Richards P G. The corner frequencies and stress drops of intraplate earthquakes in the Northeastern United States. Bull Seism. Soc. Am. , 1998, 88: 531-542.
[27] Jin Anshu, Moya C A, Ando M. Simultaneous determination site response and source parameters of small earthquakes along the Atotsugawa fault zone, Central Japan. Bull. Seism. Soc. Am. , 2000, 90(6): 1430-1445. DOI:10.1785/0119990140
[28] Atkinson G M. Empirical attenuation of ground-motion spectral amplitudes in Southeastern Canada and the Northeastern United States. Bull. Seism. Soc. Am. , 2004, 94(3): 1079-1095. DOI:10.1785/0120030175
[29] Fletcher J B. Spectra from high-dynamic range digital recordings of Oroville, California, aftershocks and their source parameters. Bull.Seis. Soc. Am. , 1980, 70: 735-755.
[30] Kinoshita S, Ohike M. Scaling relations of earthquakes that occurred in the upper part of the Philippine sea plate beneath the Kanto region, Japan, estimated by means of borehole recordings. Bull. Seismol.Soc. Am. , 2002, 92: 611-624. DOI:10.1785/0120010134
[31] McGarr A, Fletcher J B. Mapping apparent stress and energy radiation over fault zones of major earthquakes. Bull. Seismol. Soc.Am. , 2002, 92: 1633-1646. DOI:10.1785/0120010129
[32] Snoke J A, Munsey J W, Teague A G, et al. A program for focal mechanism determination by combined use of polarity and SV-P amplitude ratio data. J Earthquake Notes , 1984, 55(3): 15.