2018, Vol. 61
2. 中国科学院地球科学研究院, 北京 100029;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
2. Institutions of Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
据美国国家地震信息中心(NEIC)测定(http://earthquake.usgs.gov/，数据获取日期为2017年11月30日)，2017年11月12日(UTC)在伊拉克哈莱卜杰(北纬34.905°，东经45.956°，震源深度19 km)发生MW7.3地震.对该地震，中国地震台网(CENC)提供的速报目录震级为MS7.8(http://news.ceic.ac.cn/，数据获取日期为2017年11月30日).为便于后文叙述，我们将此次地震简称为2017年伊拉克地震.据中国国家减灾网(http://www.jianzai.gov.cn/)报道，截止到2017年11月14日，该震已造成约459人死亡和7500人受伤.
2017年伊拉克地震发生在我们划分的巴格达地震区，基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论(秦四清等，2010；杨百存等，2017a)，秦四清等(2016c)曾撰文分析了该区大地震孕育过程并研判了其未来震情，给出了如下预测结果：“标志性地震震级为MW7.7~8.2；震中位置为北纬34.2°，东经46.5°；震源深度为10~30 km；发震时间窗口为中长期.预计向临界状态演化过程中，该区还将发生不超过MW7.5的预震.”上述前瞻性预测结果正确吗？2017年伊拉克地震属何种地震类型？该地震区未来是否还会发生大地震？针对这些科学问题，本文将详细阐述.
1 地质构造背景扎格罗斯造山带位于伊朗西南部，由阿拉伯板块与欧亚板块碰撞而成，是新特提斯碰撞造山带的一部分，为地球上最年轻的陆—陆碰撞造山带(McQuarrie，2004；Jahani et al., 2009)，该造山带北西段山麓的逆冲断层引发了2017年11月12日伊拉克地震(图 1).该造山带北西—南东向延伸约1200 km，平均海拔1000~2000 m，碰撞影响范围扩展至伊朗全境，可达200~300 km(张洪瑞和侯增谦，2015).造山带西南侧发育扎格罗斯褶皱冲断带，为扎格罗斯碰撞造山带的前陆褶皱冲断带，同为波斯湾周缘前陆盆地楔顶带(文磊等，2015).GPS监测数据显示，阿拉伯板块与欧亚板块的平均汇聚速率为20~25 mm·a-1(Hatzfeld and Molnar, 2010; 张洪瑞和侯增谦，2015)，由西北(比特利斯缝合带汇聚速率约为16 mm·a-1)到东南(扎格罗斯造山带东南部汇聚速率约为22 mm·a-1)，汇聚速率递增(Regard et al., 2004；Stern and Johnson, 2010).在此构造背景下，该造山带是目前阿拉伯板块—欧亚板块碰撞带地震活动性最强的区域之一(Abdulnaby et al., 2014).
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图 1 巴格达及其周围地震区地震构造图(构造资料据Stern and Johnson(2010)修改) Fig. 1 Seismotectonic map of the Baghdad seismic zone and its surrounding ones (modified after Stern and Johnson (2010) for tectonic data) |
固体地球发生地震的区域，由被大断裂(带)分割、可相对运动的层次块体组成，如构造板块(Wilson，1965)、断块(张文佑，1984)与活动地块(张培震等，2003)等，可视为非线性耗散系统，具有部分自相似、分形和自组织特性(Keilis-Borok，1994).由于断裂(带)强度远低于块体强度，构造变形主要集中于断裂(带)，而内部变形速率较小的块体基本上作为一个整体运动.我们曾推测，块体内部断裂(地震)活动密切相关，相邻块体以剪切、压剪或挤压方式影响其加载或卸载模式，但不影响其内部地震活动性反映出的本质演化规律.基于这种考虑，在孕震断层多锁固段脆性破裂理论框架下，可定义以大断裂(带)为边界的活动块体区域为地震区或研究区.参考全球构造体系图(苗培实，2010)、亚欧地震构造图(张裕明等，1981)、亚欧地质图(李廷栋等，1997)、中国活动构造图(邓起东等，2007)与中国新疆及邻区地震构造图(沈军等，2014)，以板块边界和区域性大断裂(带)为主控条件，按照超岩石圈断裂、岩石圈断裂、地壳断裂和基底断裂的优先级次序，我们于2016年编制完成了最新2.0版《全球主要地震区划分图》(秦四清等，2016d；Xue et al., 2017)，共划分了包括巴格达地震区(图 1)在内的62个地震区.震例分析(秦四清等, 2016a, b, c；杨百存等，2017b)表明，从沿板块边界展布的大尺度板间地震区、到受区域性大断裂约束的中尺度板内地震区，再到在地震区中划分的次一级小尺度研究区，其不同尺度锁固段和次级锁固段的破裂行为具有自相似性，且遵循相同演化规律，这不仅证实了上述观点和推测，而且解决了地震构造定量分区难题，使得对大地震的预测成为可能.
巴格达地震区位于阿拉伯板块和欧亚板块碰撞带的比特里斯缝合带和马克兰褶皱冲断带之间，主要沿扎格罗斯造山带展布，其周围分布有贝斯尼、伊士麦、大不里士和阿巴斯港地震区.
2 孕震断层多锁固段脆性破裂理论锁固段(秦四清等，2010)狭义上可定义为断层面上具有较高强度且承受应力集中的结构部位，如岩桥、非连续断层之间的未断裂区段；广义上还包括被地震区内较小尺度断层围限而成的高强岩石(体)，其是积累高能量的载体.显然，地震区内断层运动模式与地震活动性受一个或多个锁固段所控制.大量的常规岩石力学实验表明(Brace et al., 1966；Martin and Chandler, 1994；Xue et al., 2014)，岩样变形破坏至峰值强度点发生宏观破裂时，必须以体积膨胀点(稳定破裂与非稳定破裂阶段的分界点)的出现为先导(图 2)，这是受载岩石类非均匀介质损伤演化行为的本质特性，也是大地震可预测性的物理基础(Scholz et al., 1973).金振民等(2001)的研究表明，即使在高温(1500 K)、高压(3 GPa)条件下，多种岩石的损伤过程仍具有上述非线性脆性破裂特征.当岩样损伤累积到体积膨胀点时，开始出现微破裂丛集导致的声发射(AE)集群事件，自此AE事件数呈现指数级的剧增(Sammonds et al., 1992)，且在体积膨胀点处有显著高能级AE事件发生(图 3)，通常认为这是岩样宏观破裂前可判识的AE活动前兆.然而，AE活动依赖于岩样均匀性、岩样形状、温度压力条件以及加载速率等，当对具有较大长径比的小尺度岩样以较大应力或应变速率加载时，由于其均匀性较强且较大加载速率导致其脆性破裂程度较高的原因，某些岩样破裂试验结果(Fortin et al., 2009; Zhang et al., 2015)并未出现如图 3所示的典型AE活动前兆.孕震断层锁固段与室内岩样相比，具有大尺度、扁平状的几何特征且承受极其缓慢的剪切应力(应变)加载或应力腐蚀作用，其非均匀性强且脆性破裂程度低(陈竑然等，2017)，其宏观破裂前会出现可判识的地震活动性前兆吗?从Ishida等(2010)对较大尺度“板状(扁平状)”板岩-砂岩岩块(长0.5 m，宽0.5 m，高0.2 m)进行的原位慢速加载直剪试验(图 4)看出，岩块宏观破裂前也出现了类似图 3所示清晰的AE活动前兆；秦四清等(2016a ,b, c)完成的震例分析表明，与此类似的地震活动性前兆能重复出现.这意味着“尺度”、“形状”和“加载速率”是影响岩石累积损伤导致突变行为的重要因素，从室内岩样破裂试验探寻大地震前兆，必须着重考虑这些因素，否则易得出错误结论.显然，上述对小尺度岩石破裂过程的分析，奠定了洞察大尺度锁固段损伤演化行为的认识基础.
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图 2 岩样或锁固段变形破坏过程示意图 Fig. 2 Schematic illustration of deformation and failure process of rock specimen or locked patch |
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图 3 单轴压缩下花岗闪长岩AE能量变化特征(据Zhao等(2013)修改) Fig. 3 Variation characteristics of AE energy for a granodiorite specimen subjected to uniaxial compression (modified after Zhao et al. (2013)) |
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图 4 测试过程中的AE事件率与剪切荷载(据Ishida等(2010)修改) Fig. 4 AE event rates and shear load during the test run (modified after Ishida et al. (2010)) |
诸多研究已经揭示，从厘米级受载岩样中的微破裂、米级的矿山微震活动到公里级尺度的地震，其频次—震级关系与变形时空分布等的一阶统计具有相似性(Lei et al., 2003)；不同尺度的岩样蠕变试验(Brantut et al., 2013)表明，其通常具有典型的初始、等速与加速蠕变三阶段特征，且较大破裂或宏观破裂常由微裂纹成核、扩展与连通而成.这些结果意味着岩石破裂行为在空间域和时间域具有层次结构(杨百存等，2017a)，因此从代表性小尺度岩石破裂试验揭示的损伤演化机制，可用于分析大尺度天然锁固段的破裂行为.Vallianatos等(2013)也指出，从实验室尺度到地球尺度的岩石(体)断裂过程行为可能具有普适性，这进一步佐证了我们的认识.
在孕震断层多锁固段脆性破裂理论框架下，定义锁固段在体积膨胀点和峰值强度点处发生的地震为标志性地震，若为双震则视为能量等效的一次地震，其间(非稳定破裂阶段)发生的地震统称为预震，临近峰值强度点的预震为前震(图 2)，如图 5所示，对多锁固段情况，定义最后一个锁固段在峰值强度点处发生的地震(最后1次标志性地震)为主震，其后与之有关的地震为余震，余震活动结束后，新一轮地震周期将开始.
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图 5 地震区地震周期旋回 Fig. 5 Cycle of seismic period for a defined seismic zone |
我们(秦四清等，2010；秦四清等, 2016a, b, c；杨百存等，2017b)的研究表明，地震区标志性地震为可预测地震类型，其孕育过程遵循如下确定性规律和约束条件，即：
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(1) |
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(2) |
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(3) |
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(5) |
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(6) |
式中，Sc为误差校正后第1锁固段体积膨胀点对应的CBS值，Sf(k)为误差校正后第k个锁固段峰值强度点对应的CBS值；Sc*和Sf*(1)分别为误差未校正前第1锁固段体积膨胀点和峰值强度点对应的CBS值，Δ为第1锁固段体积膨胀点之前的CBS误差值；Mn和Mn+1分别为第n(n≥1)次和第n+1次标志性地震震级，MP为在此期间发生的预震或前震震级, MT=min(Mn+1, Mn)-0.2；ET为主震前该地震区积累的弹性应变能，EM为主震本身释放的弹性应变能，EA为余震释放的弹性应变；EB为某次标志性地震(锁固段峰值强度点对应的地震)发生前地震区积累的弹性应变能，EC为该标志性地震本身释放的弹性应变能，若满足式(6)，则可判定该标志性地震不为主震.
式(1)的物理涵义是，当第k个锁固段损伤累积至峰值强度点时，第k+1个锁固段恰好演化至体积膨胀点，即第k个锁固段的峰值强度点应变等于第k+1个锁固段的体积膨胀点应变，此时发生标志性地震的载体是第k+1个锁固段，而第k个锁固段主要起能量传递作用.我们发现这种特定作用机理，在描述锁固型斜坡失稳(陈竑然等，2017)和标志性地震孕育规律(秦四清等, 2016a, b, c；杨百存等，2017b)方面具有普适性，且能解释许多深层次的问题，对此将另文阐述.
震例分析表明(秦四清等，2016c)，某地震区连续发生的几次标志性地震(从第n次到n+i次，i≥1)，常遵循如下关系：
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(7) |
其中，Mn+i=Mn-0.2较为多见.
式(1)—(7)为孕震断层多锁固段脆性破裂理论涉及的基本力学表达式，其中式(1)为标志性地震物理预测模型，式(2)为该模型误差修正计算公式，在统一震级标度情况下利用式(3)—(7)有助于从特定地震区地震序列中甄别出标志性地震，可大大降低滥用式(1)的风险，有效规避大地震预测陷入数字游戏的怪圈，可视为式(1)的约束条件.
地震区每次标志性地震发生前，通常会发生显著预震，其震级(MF)与标志性地震震级之间存在如下约束关系(李培等，2016)：
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(8) |
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(9) |
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(10) |
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(11) |
特定地震区显著预震或显著震群事件发生后，若CBS监测值(Sm)与临界CBS值的关系满足：
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(12) |
则称其为显著前震或显著前震序列.式中α为常数，李培等(2016)认为α取0.99，但考虑到较大地震的震级测定误差问题，我们建议α取值0.98更为合理，如此可增强式(12)的实用性.
3 巴格达地震区地震活动性特征数据分析时，1900年1月1日前采用宋治平等(2011)提供的地震目录，之后采用美国国家地震信息中心(NEIC)地震目录.需说明的是，宋治平等(2011)编著的《全球地震目录》一书，系通过收集全球多个权威网站、多种正式出版的书籍和文献给出的地震目录，再修订后编辑而成，包括全球公元前9999年至1963年M≥5.0和1964年至2011年5月M≥6.0地震目录3万多条.秦四清等(2016a，b，c)对全球62个地震区标志性地震孕育过程的分析表明，该书提供的大多数地震目录有较高的准确性，对少数不准确或有争议的地震目录(主要是震级，包括宋治平、NEIC和CENC提供的地震目录)，参考全球主要地震台网测定值、某些机构和学者的研究结果，根据式(3)、(4)和(7)修订了这些地震的震级参数(秦四清等，2016d).具体到巴格达地震区，根据上述公式亦修订了宋治平等(2011)给出的某些不合理的震级参数(秦四清等，2016c)，这极大地减小了因震级误差引起的震情分析的不确定性.
需说明的是，对872年6月22日伊朗洛雷斯坦地震，宋治平等(2011)给出该震为MS7.8，根据式(4)应修订为MK7.7合理，秦四清等(2016c)曾将该震修订为MS7.7有误，尽管其对CBS值的影响很小，但必须纠正.
为便于比较，将不同震级标度统一换算为地方震级标度(ML).如图 6所示，从500年至今，巴格达地震区共发生了ML≥7.0地震21次，其中ML≥7.5地震7次，展示出较强且不均匀的时间域地震活动性特征.空间域(图 1)亦是如此，大地震主要集中在该区的西北侧，其次为东南侧，中部未发生过大地震.
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图 6 巴格达地震区500—2017-11-30之间的地震活动性数据分析时选取ML≥6.5地震 Fig. 6 Seismicity in the period from 500 to 30 November 2017 for the Baghdad seismic zone The ML≥6.5 earthquakes are selected for data analysis |
某次显著地震发生后，准确界定其所属地震类型不仅能检验前瞻性预测结果，而且有助于准确掌握其震后趋势.鉴于NEIC和CENC测定的2017年伊拉克地震震级相差较大，以下将分情况讨论.
(1) 该地震为MW7.3(NEIC)
图 7示出了巴格达地震区经误差校正后当前地震周期标志性地震之间的力学联系，根据伊拉克摩苏尔845年9月6日/847年MK7.7双震发生前的CBS值，可较准确地连续预测到1007年9月17日伊拉克巴格达/1008年4月11日伊朗波斯湾MK7.7双震，与1149年伊拉克迪亚拉/1150年4月1日伊朗克尔曼沙赫MS7.5双震的临界CBS值，即这些标志性地震孕育规律遵循着式(1).由式(9)和(12)可判断2017年伊拉克MW7.3地震为第3锁固段向峰值强度点演化过程中发生的1次显著前震，与秦四清等(2016c)对预震(前震)震级的预判结果“不超过MW7.5”相符.
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图 7 巴格达地震区公元前600—2017-11-30之间CBS值与时间关系 MK表示由灾害信息确定的震级；数据分析时选取ML≥6.5地震；误差修正已被考虑. Fig. 7 Temporal distribution of CBS in the period from B.C. 600 to 30 November 2017 for the Baghdad seismic zone MK denotes the magnitude determined from disaster information. The ML≥6.5 earthquakes are selected for data analysis. The error correction is also considered. |
(2) 该地震为MS7.8(CENC)
由式(1)、(3)和(6)可判断该震为巴格达地震区第3锁固段峰值强度点对应的标志性地震(图 8)，与上一次标志性地震的时间间隔约为869年，如果不掌握标志性地震的孕育规律，显然无法预测该震的发生.从表 1可看出秦四清等(2016c)对该震的前瞻性四要素预测结果，与CENC测定值相差不大，可认为其中长期预测结果可信.
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图 8 巴格达地震区公元前600—2017-11-30之间CBS值与时间关系 数据分析时选取ML≥6.5地震；误差修正已被考虑. Fig. 8 Temporal distribution of CBS in the period from B.C. 600 to 30 November 2017 for the Baghdad seismic zone The ML≥6.5 earthquakes are selected for data analysis. The error correction is also considered. |
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表 1 预测与CENC测定结果对比 Table 1 Comparison between the predicted results by us and measured ones by CENC |
2017年伊拉克地震发生后，巴格达地震区的未来地震趋势如何？利用孕震断层多锁固段脆性破裂理论，考虑该震震级值的不同，可对其进行研判.
(1) 该地震为MW7.3
由上述分析知，该震为1次显著前震，根据式(6)判断该区当前地震周期存在第3锁固段，当其损伤累积至峰值强度点时，应发生标志性地震.截止到2017年11月30日，该区CBS监测值约为3.53×109J1/2，已接近临界值3.56×109J1/2(图 7).对该区未来标志性地震四要素预测结果如下：震级为MW7.7~8.2(双震型为MW7.5~8.0)；震中位置为北纬34.2°N，东经46.5°E；震源深度为10~30 km；发震时间窗口为中长期.预计向临界状态演化过程中，该区将发生不超过MW6.8的前震.
(2) 该地震为MS7.8
由上述分析知，该震为预期的标志性地震.截止到2017年11月30日，该区CBS监测值约为3.64×109J1/2，远离临界值5.12×109J1/2(图 8).根据式(6)判断该区当前地震周期存在第4锁固段，当其损伤演化至峰值强度点时，应发生MW7.8~8.3(双震型为MW7.6~8.1)标志性地震.因目前该区远离临界状态，既无必要也不能准确给出其震中位置和发震时间窗口，当接近临界状态时，参考该区地震活动性动态另文确定之.预计向临界状态演化过程中，该区还将发生不超过MW7.6的预震.
6 讨论2017年伊拉克地震发生后，中国地震台网(CENC)、美国国家地震信息中心(NEIC)、国际地震中心(ISC)和美国哈佛大学(HRV)提供了该震震级参数(表 2)，可看出不同机构提供的参数不同且相差较大.考虑到震级测定值的误差问题，该震也有MW7.5的可能性，如此巴格达地震区未来地震趋势还有如下两种可能：
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表 2 不同机构提供的2017年伊拉克地震震级参数 Table 2 Magnitude parameters of the 2017 Iraq earthquake provided by different agencies |
(1) 仍为显著前震，则巴格达地震区目前CBS监测值约为3.56×109J1/2，已达到临界状态，将发生标志性地震，四要素预测结果与MW7.3情况相同.
(2) 从巴格达地震区当前地震周期标志性地震孕育规律可看出，2017年伊拉克地震发生前，该区已发生的3次标志性地震均为双震，可认为其是一个典型的“双震型”地震区.若2017年伊拉克地震为MW7.5，不能排除该震为标志性地震(双震)之一的可能性，若如此该区还将发生另一次MW7.5地震，与2017年伊拉克MW7.5地震组成标志性地震(双震).对该震的四要素预测结果如下：震级为MW7.5；震中位置为北纬34.3°N，东经46.9°E；震源深度为10~30 km；发震时间窗口为两年内.
由此可见，显著地震震级测定值的不同结果，直接影响地震区地震类型界定、CBS值计算结果与震后趋势研判.为此，建议有关机构提高震级值的测定精度，以更好地把握地震区地震趋势.
7 结论(1) 若2017年伊拉克地震为MW7.3，则该震为巴格达地震区第3锁固段向峰值强度点演化过程中发生的1次显著前震，该区未来将发生MW7.7~8.2(双震型为MW7.5~8.0)标志性地震，目前该区已接近临界状态；若2017年伊拉克地震为MW7.5，除可能为显著前震外，还可能为标志性地震(双震)之一，若如此两年内该区将发生另一次MW7.5地震.
(2) 若2017年伊拉克地震为MS7.8，则该震为巴格达地震区第3锁固段峰值强度点对应的标志性地震.我们判断该震不为主震，预测该区未来还将发生MW7.8~8.3(双震型为MW7.6~8.1)标志性地震，目前该区远离临界状态.
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