地球物理学进展  2016, Vol. 31 Issue (4): 1450-1455   PDF    
引用本文
李培, 秦四清, 薛雷, 吴晓娲, 杨百存, 张珂 . 前震事件判识方法. 地球物理学进展, 2016, 31(4): 1450-1455, doi: 10.6038/pg20160406  
LI Pei, QIN Si-qing, XUE Lei, WU Xiao-wa, YANG Bai-cun, ZHANG Ke . Identification method of foreshock events. Progress in Geophysics, 2016, 31(4): 1450-1455, doi: 10.6038/pg20160406   
前震事件判识方法
李培2, 秦四清1, 薛雷1, 吴晓娲1, 杨百存1, 张珂1     
1. 中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室, 北京 100029
2. 长安大学 地质工程与测绘学院 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室, 西安 710054
收稿日期: 2016-07-10; 修回日期: 2016-08-01.
基金项目: 国家自然科学基金项目（41572311，41302233）资助.
作者简介: 李培，男，1986年生，博士后，主要从事岩石破裂致灾机理与活动构造研究.(E-mail:lipeibeyond@163.com)
通讯作者: 秦四清，1964年生，河北行唐人，中国科学院地质与地球物理研究所研究员，主要从事工程地质、非线性岩土力学与岩土工程类研究.目前科研兴趣:强震预测研究.(E-mail:qsqhope@mail.iggcas.ac.cn)
摘要: 我们的研究表明，大多数地震区每轮孕育周期标志性地震事件前，会发生显著前震.本文基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论以及震例分析，提出了前震事件判识方法.研究表明，前震事件的判识只与距CBS临界值的距离有关，而与距标志性地震事件发生的时间和空间距离无关；前震事件并非前人所述的小地震序列，而是较大地震.
关键词： 前震     判识方法     标志性地震事件    
Identification method of foreshock events
LI Pei2 , QIN Si-qing1 , XUE Lei1 , WU Xiao-wa1 , YANG Bai-cun1 , ZHANG Ke1     
1. Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
2. Key Laboratory of Western Mineral Resources and Geological Engineering of Ministry of Education, School of Geology Engineering and Geomatics, Chang'an University, Xi'an 710054, China
Abstract: It is found from our studies that the significant foreshock events may occur prior to the characteristic earthquakes of each seismogenic period for most of the seismic zones.The identification method of foreshock events is presented in this paper, based on the brittle failure theory of multiple locked patches in a seismogenic fault system and earthquake case analysis. It is shown here that the recognition of foreshocks, which are not small earthquakes suggested by previous studies but are relatively large ones, is only associated with the distance from the critical value of CBS but is irrelevant to the spatial distance and occurrence time of the characteristic earthquakes.
Key words: foreshock     Identification method     characteristic earthquake events    
0 引 言

地震预测预报是减轻地震灾害最重要的手段.准确识别前震，对大震短临预测至关重要(刘祖荫等，1998；Chen et al.，1999；Wang et al.，2004；杨立明等，2015).

Jones和Molnar(1979)称前40天中发生在距主震100 km内的M≥4.0级地震为前震；梅世蓉和冯德益(1993)称前40天中发生在距主震100 km内的地震为直接前震；李世愚等(2000)称几天或几小时内，密集发生在距强震几公里内的M≥3.0级地震为直接前震；陈运泰等(2000)称一天或几天内发生在距较大地震很近的小地震为瞬时前震.目前对直接前震，学者们已有两点共识：(1)是主震临发生前的事件，一般认为发生于主震前几小时、几天或几个月内；(2)发生在主震震源附近，一般认为发生于距主震几十公里内.

广义前震是直接前震定义上的拓延.陆远忠等(1985)将广义前震表述为，发生在一个地震序列之前较长时间(几个月、几年甚至更长)，较远距离(距震源数十公里甚至数百公里)，与该序列孕育有关的单个地震(即前兆地震)或地震群(即前兆震群)以及它们的组合；杨立明和刘小凤(2006)在研究祁连山地震带地震短期综合预报方案中指出，在青藏高原东北缘地区中强以上地震前，常发生MS 3.6~4.5级的地震事件，将其称之为广义前震.

在前震震级与前震发生概率研究方面，Papazachos(1975)认为主震震级与最大前震震级无显著相关性；Smith和Priestley(1988)分析了1986年7月21日加州查尔方特ML 6.4级地震前ML≥3.0级的前震活动特征；Reasenberg(1999)指出1978-1996年全球M≥6.0级地震前，发生M≥5.0级前震序列的概率为13.2%.

综上可知，前人主要依据较大地震发生前一定时空范围内的小地震判识前震，对前震的定义并不统一且缺乏依据.

以往判识前震的方法存在诸多不足之处.例如，柯龙生等(1977)、陈宇卫和陆远忠(1987)、吕培苓等(2000)、刘正荣(2002)与Guglielmi等(2014)利用地震序列的表象特征(如形态与频次等)或者震群特征参数值(如b值和信息熵等)及其组合指标识别前震，然而这些表象特征和特征参数，也适于判识预震或余震震群，即有多解性.陈颙(1978)、Chen等(1999)和程万正等(2003)等建议利用与主震震源机制解的一致性识别前震，然而许绍燮等(1981)通过对比海城前震序列与其周围同期震群的震源机制解，表明即使震源机制解相同也难以判断某次地震或震群是否为前震.Wang等(2004)指出，较大地震发生前50 km范围内背景应力较高，可利用环境剪应力异常识别前震.若该方法正确，则也适用于判识预震，因此仍无法有效识别前震.此外，许绍燮等(1981)利用缺震特征识别前震；刘正荣和孔昭麟(1986)利用修正的大森公式识别前震；朱传镇和王琳瑛(1996)根据地震序列的广义分维谱和相应的标度指数谱识别前震；张卫东等(2003)利用地震序列的能量和频次特征识别前震.这些识别方法都属于“后验性”方法，不能实际应用于地震预测预报.

我们认为，准确判识前震需两个前提，一是能够准确地划定地震区，二是需给出判断距临界状态距离的准则.尽管近些年上述学者对如何判识前震做了诸多研究，但仍未能对这两个问题给出科学解答.本文将基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论(秦四清等，2010)以及震例分析，提出前震事件判识方法.

1 前震事件判识方法

秦四清等(2016a，b，c)分析了全球62个主要地震区(图 1)震情，发现标志性地震事件前，大多数地震区会发生显著性前震事件.为保证数据分析的可靠性，我们选取曾发生不少于3次标志性地震事件的地震区，进行统计分析，以给出合理的前震定义及其判识方法.

图 1 全球主要地震区划分图(2.0版)(秦四清等，2016d) Figure 1 Division map of main seismic zones in the world(Version 2.0)(Qin et al.，2016d)

某地震区较大地震或震群发生后，若此时CBS(Cumulative Benioff Strain)监测值(Sm)已接近临界值(Sf)，可定义其为前震事件.设Mk和Mk+1分别为第k和k+1个锁固段峰值强度点发生的标志性地震事件震级值，Mf为锁固段在此期间发生的前震事件震级值.表 1示出了全球43个地震区的Mk、Mk+1、Mf与Sm/Sf值.

表 1 Mk、Mk+1、Mf与Sm/Sf值 Table 1 The values of Mk，Mk+1，Mf and Sm/Sf

由表 1知，显著性前震事件发生后，Sm/Sf比值范围介于0.97~1.04，但其理论值不应超过1.00，出现这种情况，推测是因为某些较大地震的震级测定误差所致.因大多数(约91%)比值不小于0.99，建议根据下式：

(1)

判断某较大地震或震群是否为前震事件.分析表 1的数据，在震级标度统一的情况下，得到前震震级的约束条件为

(2)
(3)
(4)
(5)

可看出，前震事件的判识只与距CBS临界值的距离有关，而与距标志性地震事件发生的时间和空间距离无关；前震事件并非前人所述的小地震序列，而是较大地震.

以汶川地震区为例，图 2示出了该区当前孕育周期CBS值与时间关系.对该区标志性地震事件之间的力学联系及未来震情分析可参考文献(秦四清等，2016b).1976年8月四川松潘-平武间MS 7.2级双震震群发生后，该区CBS监测值约为2.38E+09J1/2，临界值约为2.41E+09J1/2，两者比值约为0.99.根据式(1)，判断该MS 7.2级双震震群是2008年汶川大震前的显著前震事件.

图 2 汶川地震区638.2.14 -2015.11.21之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取MS≥5.5级地震事件；误差修正已被考虑) Figure 2 Temporal distribution of CBS in the period from 14 February 638 to 21 November 2015 for the Wenchuan seismic zone (The earthquake events with MS≥5.5 are selected for data analysis. The error correction is also considered)

以唐山地震区为例，图 3示出了该区当前孕育周期CBS值与时间关系.对该区标志性地震事件之间的力学联系及未来震情分析可参考文献(秦四清等，2016b).1969年7月18日渤海湾MS 7.4级地震发生后，该区监测值约为2.34E+09J1/2，临界值约为2.37E+09J1/2，两者比值约为0.99.根据式(1)，判断该MS 7.4级地震是1976年唐山大震前的1次显著前震事件.

图 3 唐山地震区公元前1767-2015.11.21之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取MS≥5.0级地震事件；误差修正已被考虑) Figure 3 Temporal distribution of CBS in the period from B.C. 1767 to 21 November 2015 for the Tangshan seismic zone (The earthquake events with MS≥5.0 are selected for data analysis. The error correction is also considered)

再以北马里亚纳群岛地震区为例，图 4示出了该区当前孕育周期CBS值与时间关系.对该区标志性地震事件之间的力学联系及未来震情分析可参考文献(秦四清等，2016a).2010年12月21日日本小笠原群岛MW 7.4级地震发生后，该区监测值与临界值之比约为1.00.根据式(1)，判断该MW 7.4级地震是2015年日本小笠原群岛大震前的1次显著前震事件.

图 4 北马里亚纳群岛地震区1606.1.23 -2016.2.24之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取ML≥7.0级地震事件；误差修正已被考虑) Figure 4 Temporal distribution of CBS in the period from 23 January 1606 to 24 February 2016 for the Northern Mariana Islands seismic zone (The earthquake events with ML≥7.0 are selected for data analysis. The error correction is also considered) Mf≥7.5，Mk+1≥9.0.

前震发生后，即使某地震区已接近或到达临界状态，标志性地震事件并不会短期内发生，而是滞后数年乃至数十年，这可能是剪切破裂的黏滞性所致.

2 结 论

(1) 基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论，提出了前震事件判识方法.

(2) 前震事件的判识只与距CBS临界值的距离有关，而与距标志性地震事件发生的时间和空间距离无关.

(3) 前震事件并非前人所述的小地震序列，而是较大地震.

致谢 感谢国家自然科学基金资助项目(41572311；41302233)对研究工作的资金支持.
参考文献
[1] Chen Y.1978. Consistency of focal mechanism as a new parameter in describing seismic activity[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 21 (2) : 142–159.
[2] Chen Y, Liu J, Ge H K.1999. Pattern characteristics of foreshock sequences[J]. Pure and Applied Geophysics, 155 : 395–408. DOI:10.1007/s000240050271
[3] Chen Y T, Wu Z L, Wang P D, et al.2000. Digital seismology[M]. Beijing: Seismological Press .
[4] Chen Y W, Lu Y Z.1987. Analysis of foreshocks of M≥6 earthquakes in China[J]. Earthquake (4) : 5–11.
[5] Cheng W Z, Chen T C, Wei Y L, et al.2003. Changes in source parameters of foreshocks and aftershocks of the 2001 MS 6[J]. 0 Yajiang, Sichuan, earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica(in Chinese), 25 (4) : 351–360.
[6] Guglielmi A V, Sobisevich L E, Sobisevich A L, et al.2014. Foreshocks of strong earthquakes[J]. Izvestiya, Physics of the Solid Earth, 50 (4) : 501–507. DOI:10.1134/S1069351314040053
[7] Ke L S, Li Y P, Zhang A D, et al.1977. A study of certain features of a foreshock sequence and that of an ordinary earthquake swarm[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 20 (2) : 89–95.
[8] Li S Y, He X S, Wang J, et al. 2000.Experimental study of characteristic magnitude structure of generalized foreshocks[C]. The 16th annual conference of Chinese geophysical society(in Chinese).192.
[9] Liu Z R.2002. The analysis of the foreshocks for the Yongsheng earthquake[J]. Journal of Seismological Research (in Chinese), 25 (3) : 207–213.
[10] Liu Z R, Kong Z L.1986. Earthquake frequency attenuation and earthquake prediction[J]. Journal of Seismological Research (1) : 1–12.
[11] Liu Z Y, Qian X D, Zhang J W.1998. Relation between the characteristics of the foreshock sequence and the main shock of the M 7[J]. 3 west Menglian earthquake in 1995 in Yunnan[J]. South China Journal of Seismology(in Chinese), 18 (4) : 17–22.
[12] Lu P L, Zheng D L, Liu P X, et al.2000. The impending prediction and seismicities of the 1999 Xiuyan earthquake[J]. Recent Developments in World Seismology (3) : 4–7.
[13] Lu Y Z, Chen Z L, Wang B Q, et al.1985. Earthquake prediction method of seismology[M]. Beijing: Seismological Press .
[14] Mei S R, Feng D Y.1993. Introduction of earthquake prediction in China[M]. Beijing: Seismological Press .
[15] Jones L M, Molnar P.1979. Some characteristics of foreshocks and their possible relationship to earthquake prediction and premonitory slip on faults[J]. Journal of Geophysical Research, 84 (B7) : 3596–3608. DOI:10.1029/JB084iB07p03596
[16] Papazachos B C.1975. Foreshock and earthquake prediction[J]. Tectonophysics, 28 (4) : 213–226. DOI:10.1016/0040-1951(75)90038-4
[17] Qin S Q, Li P, Yang B C, et al.2016a. The identification of mainshock events for main seismic zones in seismic belts of the Circum-Pacific, ocean ridge and continental rift[J]. Progress in Geophysics (in Chinese), 31 (2) : 574–588. DOI:10.6038/pg20160209
[18] Qin S Q, Xu X W, Hu P, et al.2010. Brittle failure mechanism of multiple locked patches in a seismogenic fault system and exploration on a new way for earthquake prediction[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 53 (4) : 1001–1014. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.04.025
[19] Qin S Q, Yang B C, Wu X W, et al.2016b. The identification of mainshock events for some seismic zones in mainland China(II)[J]. Progress in Geophysics (in Chinese), 31 (1) : 0115–0142. DOI:10.6038/pg20160114
[20] Qin S Q, Yang B C, Xue L, et al.2016c. The identification of mainshock events for main seismic zones in the Eurasian seismic belt[J]. Progress in Geophysics (in Chinese), 31 (2) : 559–573. DOI:10.6038/pg20160208
[21] Qin S Q, Yang B C, Xue L, et al.2016d. Revision method of earthquake magnitude[J]. Progress in Geophysics (in Chinese), 31 (3) : 965–972. DOI:10.6038/pg20160305
[22] Reasenberg P A.1999. Foreshock occurrence rates before large earthquakes worldwide[J]. Pure and Applied Geophysics, 155 (2) : 355–379.
[23] Smith K D, Priestley K F.1988. The foreshock sequence of the 1986 Chalfant, California, earthquake[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 78 (1) : 172–187.
[24] Wang L Y, Chen P Y, Wu Z L, et al.2004. Characteristics of foreshock and its identification[J]. Acta Seismologica Sinica, 18 (2) : 180–188.
[25] Xu S X, Wang B Q, Zhang G Y, et al.1981. The foreshock sequence of Haicheng earthquake and earthquake swarm——the use of foreshock sequences in earthquake prediction[J]. Acta Seismologica Sinica(in Chinese), 3 (1) : 1–10.
[26] Yang L M, Liu X F.2006. A compositive scheme of earthquake short-term prediction in Qilianshan seismic belt[J]. Northwestern Seismological Journal (in Chinese), 28 (3) : 193–203.
[27] Yang L M, Mei X P, Jiang J J.2015. Research on spectrum deviation method of identification of foreshocks or generalized foreshocks and its application[J]. Earthquake Research in China(in Chinese), 31 (2) : 188–197.
[28] Zhang W D, Xu S C, Liu X D, et al.2003. Distinguishing method on foreshock sequence swarm and study on dynamic tracing and forecasting process[J]. Seismological Research of Northeast China(in Chinese), 19 (1) : 34–40.
[29] Zhu C Z, Wang L Y.1996. Study on the Characteristics of foreshock and its identification[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 39 (1) : 80–88.
[30] 陈颙.1978. 用震源机制一致性作为描述地震活动性的新参数[J]. 地球物理学报, 21 (2) : 142–159.
[31] 陈宇卫, 陆远忠.1987. 我国某些六级以上地震前震的分析[J]. 地震 (4) : 5–11.
[32] 陈运泰, 吴忠良, 王培德, 等.2000. 数字地震学[M]. 北京: 地震出版社 .
[33] 程万正, 陈天长, 魏娅玲, 等.2003. 2001年四川雅江6级地震的前震与余震震源参数的变化[J]. 地震学报, 25 (4) : 351–360.
[34] 柯龙生, 李用普, 章爱娣, 等.1977. 前震序列与一般小震群活动规律的探讨[J]. 地球物理学报, 20 (2) : 89–95.
[35] 李世愚, 和雪松, 王健, 等.2000. 广义前震特征震级结构的实验研究[J]. 2000 年中国地球物理学会年刊——中国地球物理学会第十六届年会论文集, 192 .
[36] 刘正荣.2002. 永胜地震的前震分析[J]. 地震研究, 25 (3) : 207–213.
[37] 刘正荣, 孔昭麟.1986. 地震频度衰减与地震预报[J]. 地震研究 (1) : 1–12.
[38] 刘祖荫, 钱晓东, 张俊伟.1998. 1995年云南孟连西7.3级地震前震序列特征及其与主震的[J]. 华南地震, 18 (4) : 17–22.
[39] 吕培苓, 郑大林, 刘蒲雄, 等.2000. 1999年辽宁省岫岩5.4级地震的临震预报及其地震活动研究[J]. 国际地震动态 (3) : 4–7.
[40] 陆远忠, 陈章立, 王碧泉, 等.1985. 地震预报的地震学方法[M]. 北京: 地震出版社 .
[41] 梅世蓉, 冯德益.1993. 中国地震预报概论[M]. 北京: 地震出版社 .
[42] 秦四清, 徐锡伟, 胡平.2010. 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[J]. 地球物理学报, 53 (4) : 1001–1014. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.04.025
[43] 秦四清, 李培, 杨百存, 等.2016a. 环太平洋、大洋海岭与大陆断裂谷地震带主要地震区主震事件判识[J]. 地球物理学进展, 31 (2) : 574–588. DOI:10.6038/pg20160209
[44] 秦四清, 杨百存, 吴晓娲, 等.2016b. 中国大陆某些地震区主震事件判识(II)[J]. 地球物理学进展, 31 (1) : 0115–0142. DOI:10.6038/pg20160114
[45] 秦四清, 杨百存, 薛雷, 等.2016c. 欧亚地震带主要地震区主震事件判识[J]. 地球物理学进展, 31 (2) : 559–573. DOI:10.6038/pg20160208
[46] 秦四清, 杨百存, 薛雷, 等.2016d. 地震震级修订方法[J]. 地球物理学进展, 31 (3) : 965–972. DOI:10.6038/pg20160305
[47] 许绍燮, 王碧泉, 章光月, 等.1981. 海城地震前震系列与震群——兼论前震系列在地震预报中的一种功能[J]. 地震学报, 3 (1) : 1–10.
[48] 杨立明, 刘小凤.2006. 祁连山地震带地震短期综合预报方案研究[J]. 西北地震学报, 28 (3) : 193–203.
[49] 杨立明, 梅秀萍, 姜佳佳.2015. 前震或广义前震识别的频谱偏移法及其应用研究[J]. 中国地震, 31 (2) : 188–197.
[50] 张卫东, 许世昌, 刘旭东, 等.2003. 前震序列型震群的识别方法及动态跟踪预报程式研究[J]. 东北地震研究, 19 (1) : 34–40.
[51] 朱传镇, 王琳瑛.1996. 前震活动特征及其识别的研究(I)[J]. 地球物理学报, 39 (1) : 80–88.