地球物理学报  2018, Vol. 61 Issue (5): 1797-1805   PDF    
引用本文
李丽, Adhikari Lok Bijaya, 李纲, 等. 2018. 基于台网目录分析研究汶川8.0级地震余震时空分布特征. 地球物理学报, 61(5): 1797-1805, doi: 10.6038/cjg2018M0129.  
Li L, Lok B A, Li G, et al. 2018. Characteristics of temporal-spatial distribution of the aftershocks of the 2008 MS8.0 Wenchuan Earthquake. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 61(5): 1797-1805, doi: 10.6038/cjg2018M0129.  
基于台网目录分析研究汶川8.0级地震余震时空分布特征
李丽1, Adhikari Lok Bijaya2, 李纲3, 高福旺3     
1. 北京国家地球观象台, 中国地震局地球物理研究所, 北京 100081;
2. 国家地震中心, 尼泊尔矿产与地质局, 加德满都;
3. 地震预报部, 中国地震台网中心, 北京 100045
收稿日期 2018-03-06, 2018-04-20 收修定稿
基金项目: 国家自然科学基金（40974022）和十一五国家科技专项"汶川地震断裂带科学钻探项目"资助
第一作者简介: 李丽, 女, 1969年生, 研究员, 主要从事地震观测技术研究. E-mail: lilygrace@cea-igp.ac.cn
摘要：2008年5月12日汶川MS8.0地震主震发生后至2012年5月12日，我国地震台网在龙门山断裂区域内（102°E—105°E，30°N—34°N）共记录93837个地震事件，其中80995次事件含有深度信息.本文以台网地震目录为主要研究对象，分析了汶川地震余震序列的时空分布与演化特征.与构造活动密切相关的余震频次-震级关系变化显示，与主震断裂活动直接相关的余震活动在主震后4个月内基本结束.余震释放能量的空间分布及演化分析显示，在主震后6~24 h即有可能捕获未来余震区的大致展布乃至余震发展趋势.
关键词: 余震      能量释放      汶川8.0级地震      时空扫描     
Characteristics of temporal-spatial distribution of the aftershocks of the 2008 MS8.0 Wenchuan Earthquake
LI Li1, Adhikari Lok Bijaya2, LI Gang3, GAO FuWang3     
1. Beijing National Earth Observatory, Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China;
2. National Earthquake Center, Department of Mines and Geology, Kathmandu, Nepal;
3. Earthquake Prediction Division, China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China
Abstract: The seismograph network in China recorded 93837 seismic events in the area of (102°E—105°E, 30°N—34°N) after the 12 May 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake within 4 years after the main shock, of which 80995 events were located with focal depth. Based on the network catalogue, the temporal and spatial distribution of the aftershocks was analyzed. The frequency-magnitude relationship of the aftershocks shows that the activity of aftershocks turned to be weak in 4 months after the main shock. The spatial distribution of the energy released by aftershocks shows that even within 6~24 hours after the main shock, the tendency of development of aftershocks in a long time could be captured.
Key words: Aftershock    Energy released by earthquake    MS8.0 Wenchuan earthquake    Temporal and spatial scanning    
0 引言

2008年5月12日汶川MS8.0地震之后，关于余震活动的时间和空间分布特征已有一系列研究成果.余震序列具有明显的分段性特征(蒋海昆等，2008)，呈现有起伏的衰减，前期频次高、衰减快，后期衰减慢、持续时间长(程万正，2009).不论是余震序列的重新定位研究(黄媛等，2008；朱艾斓等，2008；陈九辉等，2009)，还是震源机制的时空分布特征研究(易桂喜等，2012)，均显示汶川地震的余震序列在时间和空间上的分布与构造背景具有强相关性.

剪切波分裂系统分析则给出了以安县为界，位于龙门山北东段的台站快剪切波的偏振方向与断裂带走向一致，西南段台站剪切波的偏振方向与断裂带走向垂直，进而揭示了龙门山断裂带西南段逆冲、北东段带有明显走滑性质的特征(石玉涛等，2009).进一步的研究则表明，余震在较小尺度内接近随机分布且关联效应明显，在较大尺度内聚集分布，空间距离关联呈幂律关系，无标度区间的上下限与不同烈度区的长短轴间存在关联，时间序列出现较强起伏的地震均集中发生在余震带北段, 而南段余震活动持续处于平稳状态(董丞妍等，2015).

为研究较长时间尺度上余震的时空活动特征，本文选取汶川地震主震发生后4年的全部余震数据，对汶川地震余震序列的时间和空间分布特征进行了分析，通过在研究余震活动的时间特征及三维空间特征的过程中捕获到的区域构造及活动演化信息，给出了汶川地震主震后区域应力调整时长及余震的空间展布与构造及灾害的关联特征.

1 资料

本研究所用汶川地震序列目录是由区域地震台网定位后经中国台网中心审核后形成的，是目前包含汶川地震序列的最完全的目录.本文选取覆盖整个龙门山断裂区域的东经102°—105°、北纬30°—34°为研究区域.

该目录自主震2012年5月12日14时28分0.4秒开始，至2012年5月12日23时18分50.5秒止.目录采用北京时间，在研究区中时刻、经纬度、震级三要素均有记录的事件为93837次，其中具有深度定位结果的事件80995次.资料的统计信息见表 1，2.0级及以上事件的时间和空间分布见图 1.

表 1 汶川地震余震目录的统计信息 Table 1 Statistics for all the aftershocks in the used catalogue
图 1 汶川地震余震空间和时间分布图(2008年5月12日—2012年5月12日，M≥2.0) Fig. 1 Spatial and temporal distribution of Wenchuan aftershocks (M≥2.0 from 12 May 2008 to 12 May 2012)
2 余震序列的时间分布特征

取目录中M2.0以上地震事件共计25748个进行震级与频次的分布关系分析.采用最小二乘法计算所得拟合关系为lnN=5.3895-0.8340M，所得拟合方差对应于lnN=a+bM中的参数a和b分别为0.018和0.0764，见图 2.

图 2 余震频次-震级分布拟合曲线 (2008年5月12日—2012年5月12日，M≥2.0) Fig. 2 Frequency-magnitude distribution for the used catalogue (M≥2.0, from May 12, 2008 to May 12, 2012)

采用自2008年5月12日14时起，每增加10天计算一次b值及均方差的算法，所得结果曲线见图 3.分析表明，2008年8月之后，自主震开始计算的汶川余震序列的b值一直维持在0.8~0.83之间.据此，可以认为汶川主震后应力的大幅调整时间不超过4个月.

图 3 余震序列b值随时间的变化 (2008年5月12日—2012年5月12日，M≥2.0) Fig. 3 Variation of b values of Wenchuan aftershocks (M≥2.0, from May 12, 2008 to May 12, 2012)

采用自2008年5月12日14时起，10天为步长，根据lnE=4.8+1.5×M计算2.0级以上地震的能量.将每一个窗口的计算点除以该窗口距主震的天数的平方，获得每一时间点上余震能量累计加速度，然后用每一时间点的加速度与前时间点相减，得到余震能量增加加速度变化的衰减曲线，见图 4，主震后800天的能量增长加速度数值见表 2.表 2也显示了主震后110~130天、330~360天是余震衰减的重要时间点.与图 3给出的b值曲线对比，分析表明，主震后4个月内龙门山地区的应力调整过程基本结束，主震后12个月以后区域的余震活动与主震后构造的强烈调整关系不明显.

图 4 主震后余震释放能量空间分布图(图中色标为lnE计算的数值) (a)主震后1小时；(b)主震后2小时；(c)主震后3小时；(d)主震后4小时；(e)主震后5小时；(f)主震后6小时；(g)主震后1天；(h)主震后4个月. Fig. 4 Spatial distribution of the energy released by aftershocks (the number of the scale is the value of lnE) (a) 1 hour after the main shock; (b) 2 hours after the main shock; (c) 3 hours after the main shock; (d) 4 hours after the main shock; (e) 5 hours after the main shock; (f) 6 hours after the main shock; (g) 1 day after the main shock; (h) 4 months after the main shock.
表 2 主震后800天内余震释放能量的加速度数值 Table 2 Acceleration values of the energy released by aftershocks within 800 days after the main shock
3 余震能量释放的空间分布特征

在汶川主震之后的4个月内，研究区域中共发生2.0级以上余震13763次，其中3.0级以上地震3471次，4.0级以上地震515次，5.0级以上地震48次，6.0级以上地震6次.即，以4年为统计段，在汶川主震后的8%的时间里，发生了53.4%的2.0级以上地震、68%的3.0级以上地震、67%的4.0级以上地震、60%的5.0级以上地震、75%的6.0级以上地震.

根据上述时间分析结果，采用2008年5月12日14:29至9月12日14:29共计4个月123天的余震数据进行空间特征分析.

利用lnE=4.8+1.5×M计算每个地震的能量，然后对(东经102°—105°，北纬30°—34°)的每个0.1°点为中心的±0.1°范围内统计累计地震能量.震后4个月的能量分布，采用克里金插值法进行格点化，绘制能量等值线见图 4.

图 4显示，汶川8.0级地震后余震的能量释放主要分为南、中、北三段，即主震的映秀附近、中部的北川附近、北部的青川附近.分析主震后1个月、1周、1天的余震能量释放，可以清晰地看到，在同一等值线标度的情况下，主震后1天的能量释放，已经足以勾画龙门山南、中、北三段的未来能量集中释放区.

继续收缩时间窗口，在主震后的1、2、3、4、5、6小时，分别采用等值线的图像显示研究区域中余震释放能量的空间分布特征.分析发现，早在主震后的1小时中，仅仅利用台网给出的地震序列，就已清晰看到南段能量集中的端倪，直至震后6小时，可以完整地看出南段、北段两个清晰的能量集中区，中部的能量集中区逐渐显著.此间数小时，余震的能量有从南段向北段展开的趋势.余震能量释放的空间格局，从震后1小时初见端倪，直至震后4个月，南、中、北段能量集中释放区完全成型，然后一直延伸至震后数年.

分析表明，汶川主震后6小时，整个龙门山断裂带300 km长、几十公里宽的区域上，余震展布的能量释放格局就已经形成，主震后3~4个月时，能量释放格局达到稳定状态.震后不同时间窗长内的余震空间分布也显示，震后1天，余震沿着龙门山断裂带呈北弱南强、中段未见规模活动的状态；震后2天，余震出现了以震中为核心的南段和以12天后最大强余震的青川为核心的南段；震后10天，则整个龙门山断裂覆盖了余震，大致可分南、中、北三段.

4 余震空间分布与构造的深浅关系

采用数据中有深度记录的22587次M2.0以上事件进行空间扫描，即按照经度和纬度均为0.1°的步长，从东经102°、北纬30°开始，对每个0.1°格点中的地震，取深度平均值，作为该格点的深度数值.

根据统计，发生最多地震次数的格点上共发生过811次地震.为了避免因部分格点中地震数量过少而影响格点深度平均值的现象发生，取次数大于6次的格点进行深度平均.获得主震后4年深度分布的等值线，叠加上区域断裂(张培震等，2008).

图 5显示，汶川主震后4年内，以北川为分界，从发震深度上，龙门断裂可以分为南段和北段两个较深区域.南段中，汶川主震以南、以北各有一个发震深度较深区域.北段则沿青川断裂有一范围较广的北东向发震深度较深区域.

图 5 余震的震源深度与断裂的关系示意图 (a)主震后1天；(b)主震后2天；(c)主震后4个月；(d)主震后1年. Fig. 5 Spatial distribution of the aftershock's focal depths on the fault plane (a) 1 day after the main shock; (b) 2 days after the main shock; (c) 4 months after the main shock; (d) 1 year after the main shock.

在龙门山断裂的南段，自北向南被江油—灌县断裂、北川—映秀断裂和茂汶—汶川断裂三条断裂覆盖.从深度等值线上可以看出，发生在江油—灌县断裂上绵竹附近的地震，震源深度最大，但展布范围不大；以汶川主震为分界，南、北两侧各有一个震源深度较深的区域，平均震源深度为15 km，汶川主震北侧的震源深度较深的区域沿着断裂展布.龙门山断裂南段的深度分布总体上表现为东南侧深、西北侧浅的特性，反映了该区域几条断裂受主震后区域应力调整而发生错动的深浅不同，且这一区域的断裂具有复杂的力学性质.

为了勾画余震区深部发震环境的演化，研究给出了余震的深度在主震后1天、2天、10天、1个月、4个月、1年、4年的空间演化图像.分析显示，震后2天，在北段，即未来发生最强余震的青川地区，就出现了震源深度达到15 km上下地震活动.而此时，距离最强余震的发生还有12天.而以震源深度信息刻画的区域余震活动图像则显示，主震后4个月所形成的图像在其后的3年多，一直没有发生格局上的改变.

余震深度分析表明，汶川主震区域以南、以北至北川、北川以北至青川，是龙门山断裂带上三个发震深度较深的区域.这三个区域中的平均余震震源深度在10~15 km.绵竹附近，是整个区域中余震震源深度最深的区域.主震后2天，深度分布格局就已初现.至主震后4个月，分布格局基本稳定.再次说明主震后区域构造应力的调整端倪起于主震后2天、过程结束于震后120天以内.此后，龙门山断裂带发生的余震，均为缓慢调整过程中的小规模破裂事件.

基于上述时间进程的研究，选取近似垂直断裂(NW43°)，分别穿过都江堰市、绵竹县、北川县、平武县、青川县和广元市的6个剖面进行分析.示意见图 6.取震后4个月时段，以横轴为距离相关城市的距离、纵轴为深度，绘制地震随深度的分布图及各剖面上每1 km一滑动、每个节点±2 km范围内地震的平均lnE能量等值线.

图 6 余震释放能量深度剖面(2008年5月12日—2008年9月12日，M≥2.0) (a)余震能量分布剖面示意；(b) A剖面(以广元市为原点)；(c) B剖面(以青川为原点)；(d) C剖面(以平武为原点)；(e) D剖面(以北川为原点)；(f) E剖面(以绵竹为原点)；(g) F剖面(以都江堰为原点). Fig. 6 Profiles for the energy released by aftershocks (M≥2.0, from May 12, 2008 to Sept 12, 2008) (a) Index map for the profiles cross the aftershock belt; (b) Profile A; (c) Profile B; (d) Profile C; (e) Profile D; (f) Profile E; (g) Profile F.

从主震后4个月内穿过都江堰、绵竹、北川、平武、青川、广元6个区域的、垂直于龙门山断裂走向的余震深度分布图像可以看出，自南向北长达300多公里的余震区，在主震后构造应力调整所释放的能量在垂向的分布上较为复杂.

总体上此阶段在各剖面上余震的主要能量释放集中在15 km左右，与主震的深度接近；由南自都江堰，向北经过北川至广元，余震能量释放从20 km左右的深度逐渐向较浅的15 km左右深度集中；北川以南，余震能量释放所勾画的断裂较宽，为50 km左右；北川以北，余震能量释放所勾画的断裂较窄，为20~30 km左右；以平武为界，平武北侧的断裂与南侧的断裂，从余震能量释放分布图像看，不论是断层的倾角还是断裂的破裂强度，均有显著不同.

5 结论

本文以2008年5月12日汶川8.0级地震后4年中中国地震台网记录到93837条余震事件为研究对象，分析了余震的时空分布与演化特征.研究发现，汶川地震主震发生后，余震频次和区域地震能量迅速下降直至4个月后基本趋于平稳，这表征汶川8.0级地震这样的陆内逆冲型地震主要的余震活跃期不超过4个月.此现象为2015年尼泊尔8.0级地震的余震活动所证实(Adhikari et al., 2015).与尼泊尔8.0级地震类似的余震时空分布特征还有，主震后2周左右在断裂的另外一端发生最大主余震.此现象有待深入研究.

本文利用地震台网实时产出的大量地震事件数据，通过空间扫描和数据拟合等算法，发现震后利用大量的台网记录数据可以较为清晰地勾画出断裂的余震能量释放空间特征，并有助于快速判断未来余震时空演化趋势.例如，汶川8.0级地震之后的6小时，即可通过台网数据捕获到未来余震区域的高能量释放区，1天内就能勾画出未来余震能量集中释放区，而这三个高能量释放区(见图 4g)与主震、最大强余震及灾情最严重区直接相关.虽然上述结果具有一定的偶然性，但通过图像分析方法，例如置信传播等新型的图像学处理方法(Yang et al., 2009)，或将进一步推动地震台网产出的大量实时数据进一步为社会防灾减灾服务.

致谢

感谢中国地震台网中心地震预报部在数据收集中的帮助.感谢吴忠良、杨大克在数据分析中的帮助.感谢田继枫、张爽在绘图方面的帮助.

参考文献
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