引用本文

薛艳, 刘杰, 宋治平, 等. 2018. 汶川地震前地震活动特征的普遍性及其机理探讨. 地球物理学报, 61(5): 1891-1906, doi: 10.6038/cjg2018M0164.  

Xue Y, Liu J, Song Z P, et al. 2018. On the universality and mechanism interpretation of the seismicity characteristics before the 2008 Wenchuan M_S8.0 earthquake. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 61(5): 1891-1906, doi: 10.6038/cjg2018M0164.  

薛艳, 刘杰, 宋治平, 黎明晓     

XUE Yan, LIU Jie, SONG ZhiPing, LI MingXiao     

0 引言

2008年汶川8.0级地震已经过去将近10年，但该地震造成的巨大人员伤亡和财产损失至今仍令人难以忘记.近10年间，学者们围绕汶川地震做了大量的研究工作，取得了丰硕的研究成果(杜方等，2009；安张辉等，2011；晏锐等，2011；赵静等，2012；解滔等，2013；马新欣等，2014；廖华等，2013).在地震活动性方面，梅世蓉等(2009)对比研究了2001年昆仑山口西M_S8.1和汶川M_S8.0地震前不同阶段地震活动异常.薛艳等(2009)研究了汶川地震前地震活动异常特征.陈立德等(2010)研究了汶川地震等4次M_S≥8.0地震前10年5级以上地震活动特征，结果表明，8级大震震中区均为5级以上地震的弱活动或异常平静，一般表现为空区，少数为活动条带，空区大小总体与震级呈正相关.朱红彬(2010)研究认为青藏块体在汶川等8级左右地震前数年会出现大规模中强地震条带的两阶段演化特征.罗国富等(2011)研究了汶川地震前龙门山断裂带能量场的变化特征.易桂喜等(2011)研究了汶川地震前龙门山—岷山构造带的地震活动性参数与地震视应力分布特征.冯梅等(2013)、李艳娥等(2012)和程万正等(2011)研究了汶川地震前后龙门山断裂及附近地区应力场的变化特征.

汶川地震前显著的地震活动特征有：汶川地震前38年，围绕龙门山断裂带形成5.5级以上地震活动增强区，同期龙门山断裂带附近形成5级以上地震背景空区，1999年9月背景空区被打破.2001年9月至2007年3月形成M_L4.0地震孕震空区，震前1年孕震空区内部及其两端相继发生多次M_L4.0~5.0地震，孕震空区被打破.在背景空区形成期间，b值等参数计算显示，龙门山断裂带中段和北东段分别在绵竹—茂县之间与江油—平武之间处于高应力闭锁状态.

这些异常是汶川地震特有的现象？还是巨大地震前普遍存在的地震活动特征？为此，本文在总结汶川地震前不同时段地震活动特征的基础上，又补充研究了2001年以来中国大陆及邻区发生的3次M_S≥7.8地震(中国地震台网测定)和全球其他地区10次M_W≥8.0地震前地震活动特征，并探讨其形成的力学机制.

为了便于比较，本文对包括汶川地震在内的14次巨大地震统一采用美国国家地震信息中心(CENC)发布的M_W震级标度(表 1).研究中主要使用宋治平等(2012)整编的全球历史地震目录(公元前9999至2010)、CENC发布的1973年以来全球4级以上地震目录(http://earthquake.usgs.gov/)和中国地震台网发布的1970年以来我国大陆地区M_L≥1.0地震目录(http://www.Csndmc.ac.cn/newweb/).14次地震的震源机制解资料来源于美国哈佛大学发布的1976年以来全球CMT地震矩心矩张量数据(http://www.globalcmt.org/CMTsearch.html).

表 1 Table 1

表 1 2001年以来我国大陆及邻区4次MS≥7.8地震和全球10次MW≥8.0地震的基本参数及有关地震活动特征参数 Table 1 Basic parameters and statistical parameters of seismicity of 4 earthquakes with MS≥7.8 in Chinese mainland and adjacent areas and 10 earthquakes with MW≥8.0 in global area since 2001 序号 发震时间年-月-日 震中位置(°)纬度，经度 地点 震级MW 震源深度/km 震源错动类型与板内和板间地震划分 余震区长轴/km 增强区M0, L, Δt 增强区与余震区长轴比值 背景空区M0, L, Δt 背景空区起止时间 孕震空区M0, L, Δt 孕震空区起止时间 1 2001-11-14 35.95, 90.54 昆仑山口西 7.8 10 走滑/板内 420 5.5, 1260, 21 3.0 5.0, 590, 20 1981-01-01—2000-11-25 4.0, 500, 4 1996-11-22—2000-11-25 2 2003-09-27 49.90, 87.90 中俄蒙交界 7.3 16 走滑/板内 110 5.0, 850, 30.6 7.7 5.0, 400, 30.6 1973-01-01—2003-09-26 / / 3 2008-05-12 31.00, 103.32 汶川 7.9 14 逆冲/板内 320 5.5, 1100, 38 3.4 5.0, 350, 29.5 1970-03-01—1999-09-13 4.0, 400, 5.5 2001-09-01—2007-03-10 4 2015-04-25 28.14, 84.70 尼泊尔 7.8 15 逆冲/板间 196 5.5, 1100, 13 5.6 5.0, 570, 13 2002-01-01—2014-12-17 4.5, 370, 7 2007-11-01—2014-12-17 5 2004-12-26 3.30, 95.98 苏门答腊近海 9.1 30 逆冲/板间 1200 6.5, 2700, 21 2.3 6.5, 1100, 21 1984-01—2004-12-25 6 2005-03-28 2.09, 97.11 苏门答腊近海 8.6 30 逆冲/板间 500 6.5, 1600, 21 3.2 6.5, 457, 21 1984-01—2005-03-27 5.0, 750, 1.3 2003-09-16—2004-12-25 7 2007-09-12 -3.78, 101.0 苏门答腊近海 8.4 34 逆冲/板间 375 6.5, 1600, 23.5 4.3 6.5, 300, 23.5 1984-01-1—2007-09-11 5.0, 370, 2.7 2004-12-26—2007-09-11 8 2009-09-29 -15.49, -172.1 汤加海域 8.1 18 正断/板内 270 6.5, 980, 23 3.6 6.5, 500, 23 1986-08-06—2009-08-29 5.0, 570, 1.8 2007-11-26—2009-09-28 9 2010-02-27 -36.12，-72.90 智利 8.8 22 逆冲/板间 650 6.0, 1550, 15 2.4 6.0, 660, 15 1996-03-01—2010-02-26 M≥5.5, 780, 4.9 2005-04-14—2010-02-26 10 2011-03-11 38.30, 142.37 日本以东近海 9.1 29 逆冲/板间 600 无 / 无 无 无 / 11 2012-04-11 2.29, 93.08 苏门答腊海域 8.6 20 走滑/板内 430 无 / 5.0, 700, 32 1973-01-01—2004-12-25 无 / 12 2014-04-01 -19.64，-70.81 智利 8.2 20 逆冲/板间 185 6.5, 1400, 27 7.6 6.5, 510, 27 1988-03-01—2014-02 M≥5.5, 530, 4 2009-11-14—2013-12-31 13 2015-09-16 -31.57，-71.67 智利 8.3 22 逆冲/板间 315 6.5, 1275, 13 4.1 6.0, 590, 10.2 2003-07—2013-10 M≥5.0, 460, 1.2 2014-05-22—2015-08-11 14 2017-09-08 15.07, -93.72 墨西哥 8.1 45 正断/板间 240 6.5, 1800, 17.7 3.9 6.0, 460, 16.7 2001-01—2017-09-07 M≥5.5, 390, 6.7 2008-02-13—2014-10-10 注：表中M0分别表示构成增强区、背景空区和孕震空区的最低震级；L分别表示增强区、背景空区和孕震空区长轴，单位：km；Δt表示增强区、背景空区和孕震空区的持续时间，单位：年.

表 1 2001年以来我国大陆及邻区4次MS≥7.8地震和全球10次MW≥8.0地震的基本参数及有关地震活动特征参数 Table 1 Basic parameters and statistical parameters of seismicity of 4 earthquakes with MS≥7.8 in Chinese mainland and adjacent areas and 10 earthquakes with MW≥8.0 in global area since 2001

美国国家地震信息中心发布的全球地震目录始于1973年，苏有锦等(2014)研究认为，该目录1973—1994年，最小完备震级M_C在4.6~4.9级之间变化，平均4.7级；1995—2010年，M_C在4.3~4.5级之间变化，平均4.4级.1977—1997年，M≥4.8地震基本完备；1995—2010年，M≥4.5地震基本完备.

为了便于理解，下面对本文的几个关键词进行简要解释.在我国，梅世蓉最早提出了空区的概念：6级以上地震前若干年，通常出现不同强度地震环绕大震震中分布的特殊状态，形成地震包围的“空白区”，空白区内活动性很低，空白区外活动性高(梅世蓉，1960).这里的“空白区”即“背景地震空区”，即在大震前较长时间，由较大震级(5级以上或6级以上地震)围成的空区(刘蒲雄等，1989).而“孕震空区”由较低震级构成，指在大地震发生前震源区及其周围小震活动突然减少的现象(Mogi, 1987, 1988；陆远忠等，1985；王炜等，1989).大震前，在震源区周围一定时空范围内经常出现地震活动增强现象，而震中附近则表现为平静，形成环形分布区，也称为“地震活动增强区”(Mogi，1969；梅世蓉等，1996a).余震区指一次主震发生后，大量余震震中集中分布在主震周围的一定区域.余震区是震源体在地表的二维投影.

1 汶川地震前地震活动特征

2008年汶川M_W7.9地震发生在青藏高原内部巴颜喀拉地块的东边界带—龙门山逆冲推覆断裂带上，晚第四纪滑动速率为2~3 mm·a^-1(徐锡伟等, 2005, 2008).历史上龙门山断裂带无7级以上大震记录，自1657年汶川6.5级地震后，龙门山断裂带在最近300多年来一直处于6.5级以上强震平静状态(闻学泽等，2009).

1970年2月24日大邑6.2级地震后至汶川地震前，从云南北部至甘青川交界大范围地区形成一个NNE走向、长约1050 km的5.5级以上地震的椭圆形活动增强区，而龙门山断裂带5.5级以上地震一直处于平静状态(图 1a).由于龙门山断裂带以东地区处于华南Ⅰ级地块，地震活动水平较弱，因此汶川地震前的5.5级以上增强区呈一个半椭圆形环状分布图像(图 1a).汶川地震为单侧破裂，余震区长约320 km，其东北段超出了背景空区范围(图 1a中三角形为汶川地震的余震).

图 1

Fig. 1

图 1 汶川地震前不同时段地震活动空间分布 (a) M≥5.5地震分布图(红色圆表示1970-02-25—2008-05-11期间发生的地震；三角形表示汶川地震的余震)；(b) M≥5.0地震分布图(空心圆、蓝色圆和红色圆分别表示1930-01-01—1970-02-24、1970-02-25—1999-09-13和1999-09-14—2008-05-11期间发生的地震)：(c) ML≥4.0地震分布图(圆和三角形分别表示2001-09-01—2007-03-10和2007-03-11—2008-05-11期间发生的地震，红色矩形表示马尔康ML5.0震群)；图 1中红色五角星表示汶川主震. Fig. 1 Space distribution of seismic activity at different periods before the Wenchuan earthquake (a) Distribution of earthquakes with M≥5.5 during 1970-02-24—2008-05-11, the star and triangles denote the main shock and aftershocks of the Wenchuan earthquake; (b) Distribution of earthquakes with M≥5.0, open circles, blue circles and red circles denote the shocks during 1930-01-01—1970-02-24, 1970-02-25—1999-09-13 and 1999-09-14—2008-05-11, respectively; (c) Distribution of earthquakes with ML≥4.0 (circles and triangles respectively denote the shocks during 2001-09-01—2007-03-10 and 2007-03-11—2008-05-11, red rectangle denote the Barkam ML5.0 earthquake swarm). In Fig. 1, the red star denote the Wenchuan earthquake.

1970年2月24日大邑6.2级地震后至1999年9月13日，龙门山断裂带附近5级以上地震出现29年的平静，形成NE走向、长约350 km的5.0级地震背景空区(图 1b).而1970年之前空区内部5级以上地震非常活跃(图 1b中的空心圆)，29年的平静是1930年以来最为突出的现象(薛艳等，2009).1999年9月14日四川绵竹5.0级和1999年11月30日四川安县5.0级地震发生在龙门山断裂带上(图 1b中红色实心圆)，使背景空区解体，其后继续平静，直至发生汶川M_W7.9地震(图 1b中红色五角星).

2001年9月1日至2007年3月10日环绕着龙门山断裂带形成了一个M_L≥4.0地震孕震空区，空区长约400 km，持续时间5.5年.正常情况下，空区内部中等以上地震比较活跃，汶川地震前5.5年的4级地震平静为近20年来最为突出的现象(薛艳等，2009).在4级地震空区形成的过程中，空区外围(将空区扩大1.3倍，去掉空区内部的地区)地震非常活跃，蠕变曲线从2004年开始加速上升，2007年至汶川地震前曲线转平(薛艳等，2009).期间发生了甘肃岷县2003年11月13日M_S5.2和2004年9月7日M_S5.0地震，2006年6月21日甘肃文县M_S5.0地震.引人注目的是四川马尔康震群(图 1c红色矩形).该震群从2004年12月14日开始活动，至2007年10月30日停止活动，共发生M_L≥2.0地震309次，其中M_L4.0~4.9地震5次，最大为2005年1月5日马尔康M_L5.0地震.由此看来，该空区为孕震空区(陆远忠等，1982).

由上可见，汶川地震前数十年在汶川地震周围形成5.5级以上地震活动增强区，区内地震活动表现出三阶段特征.第一阶段，地震增强区形成的中早期形成5级地震背景空区，地震活动图像呈环形分布.第二阶段，1999年5级背景空区被打破，整个增强区的地震活动图像表现为空区消失，或空区缩小的特点.2001年之后，形成M_L4级地震孕震空区，当孕震空区被打破，预示着大地震的逼近，这属于第三阶段特点.

2 大震前地震活动共性特征分析

按照汶川地震的研究思路，本文共分析了14次大震前的地震活动特征.挑选震例的原则为：我国大陆及邻区2001年以来全部M_S≥7.8地震(我国台网测定)；2004年以来全球全部M_W≥8.5地震；苏门答腊附近和智利地区全部M_W≥8.0地震.限于时间，其他地区仅挑选了部分有影响的M_W≥8.0地震.为了便于比较，14次地震震级全部使用CENC发布的M_W标度.

在14次巨大地震中，板内地震4次，分别为2001年11月14日昆仑山口西M_W7.8、2003年9月27日中俄蒙交界M_W7.3、2008年5月12日汶川M_W7.9和2012年4月11日M_W8.6地震.其中前3次地震发生在我国大陆内部及边缘，2012年M_W8.6地震发生在巽他海沟西侧的澳大利亚板块内部.在4次板内地震中，3次为走滑型错动，1次为逆冲型错动.板间地震10次，其中2次位于欧亚地震带，8次位于环太平洋地震带.板间地震主要为逆冲型破裂，仅有2次为正断层错动(图 2).由图 2可见，14次震例的区域构造背景有明显的差异.表 1列出了14次大震的基本参数及有关地震活动特征参数.

图 2

Fig. 2

图 2 14次巨大地震空间分布与震源机制解示意图 Fig. 2 Epicenter distribution of the 14 great earthquakes and their focal mechanism solution

2.1 大震前地震活动增强区与背景空区

(1) 板内大地震前地震活动增强区

2001年昆仑山口西M_W7.8地震发生在青藏高原内部NWW走向的大型走滑断裂带—东昆仑断裂带的库赛湖段上(徐锡伟等，2002).历史地震破裂和古地震研究显示(青海省地震局等，1999)，在本次地震西部的马尔盖茶卡—向阳湖段发生了1973年玛尼M_S7.3和1997年玛尼M_S7.5地震，而本次地震发生的库赛湖段和以东的西大滩-布青山段为7级地震破裂空段.1981年至昆仑山口西地震前，5级以上地震形成长约1260 km的地震活动增强区(图 3a)，增强区内围绕东昆仑断裂带中西段形成NWW走向、长约590 km的5级地震背景空区(图 3a).2000年11月26日在距离M_W7.8地震初始破裂点30 km处发生5.1级地震(图 3a中主震附近的红色圆点)，打破了该空区.地震活动增强区为一个标准的环形分布图像，昆仑山口西地震长约420 km的余震区位于环形分布区内的背景空区里(图 3a中的空心圆表示余震).

图 3

Fig. 3

图 3 2001年昆仑山口西MW7.8(a)和2003年中俄蒙交界MW7.3(b)地震前地震增强区图像(M≥5.0) (a)蓝色圆和红色圆分别表示1981-01-01—2000-11-25和2000-11-26—2001-11-13发生的地震；空心圆为余震；(b)红色圆为1973-01-01—2003-09-26期间发生的地震；三角形为余震. Fig. 3 Images of earthquake enhancement areas before the 2001 Western Kunlunshan Pass MW7.8 and the 2003 MW7.3 earthquake in the border between China, Russia and Mongolia (a) Blue circles and red circles respectively denote the shocks during 1981-01-01—2000-11-25 and 2000-11-26—2001-11-13, hollow circles denote the aftershocks; (b) Red circles denote the shocks during 1973-01-01—2003-09-26 and triangles denote the aftershocks.

2003年中俄蒙交界M_W7.3地震发生在阿勒泰地震带上，该带宽约200~300 km，长度约500~600 km，是亚州大陆内部一个规模宏大的活动造山带(尹光华等，2006).有记录以来，本次地震震中150 km范围内没有发生过7级以上地震.1973年开始形成长约850 km、NEE走向的5级以上地震活动增强区(图 3b).与汶川地震类似，由于位于块体边缘，也是半椭圆形环状分布图像.增强区内存在长约400 km的背景空区.本次地震余震区呈NW向展布，长约90 km，余震全部发生在5级地震空区内.

(2) 板间大地震前活动增强区(或称活动段与空段)

2015年尼泊尔M_W7.8地震发生在喜马拉雅地震带，该带是印度板块与欧亚板块的碰撞造山带.本次尼泊尔地震前存在近200 km的8级地震破裂空段，本次地震的余震基本填满了该空段(薛艳等，2015).尼泊尔地震前13年，即2002—2012年形成长约1100 km的5.5级以上地震活动增强区，其内形成长约570 km的5级地震背景空区，该空区被2013年8月30日5.0级地震打破，2015年4月25日尼泊尔M_W7.8地震及其余震发生在该空区内，余震区长约196 km(图 4a).

图 4

Fig. 4

图 4 板间几次大震前的背景空段与增强区 (a) 2015年4月25日尼泊尔7.8级地震(蓝色圆表示5.0~5.4级地震；红色圆表示5.5~6.9级地震；红色三角形表示5.0~6.9级地震；圆与红色三角形分别表示2002-01-01—2014-12-17和2014-12-18—2015-04-24期间发生的地震；绿色三角形表示余震)；(b) 2004-2007年3次苏门答腊MW≥8.0以上地震(图中圆表示1984-01-01—2004-12-25期间发生的6.5级以上地震，三角形分别表示3次8级以上地震的余震)；(c) 2014年4月1日智利MW8.2地震(红色圆和红色三角形分别表示1983-03-01—2014-02-27和2014-02-28—2014-03-31期间发生的6.5级以上地震；绿色三角形表示余震)；(d) 2017年9月8日墨西哥MW8.1地震(圆表示2000-12-04—2017-09-07期间发生的6级以上地震；蓝色圆表示6.0-6.4级地震，红色圆表示6.5级以上地震，三角形表示余震). Fig. 4 The background gaps and active strengthening areas before several great interpolate earthquakes (a) The April 25, 2015 Nepal MW7.8 earthquake (blue circles, red circles and red triangles respectively denote shocks with M5.0~M5.4, with M5.5~M6.9 and with M5.0~M6.9, circles and red triangles respectively denote shocks during 2002-01-01—2014-12-17 and 2014-12-18—2015-04-24, green triangles denote the aftershocks of the Nepal earthquake); (b) The 3 Sumatra earthquakes with MW≥8.0 (circles denote shocks with M≥6.5 during 1984-01-01—2004-12-25, triangles denote the aftershocks of the 3 great earthquakes); (c) The April 1, 2014 Chile MW8.2 earthquake(red circles and red triangles respectively denote shocks during 1983-03-01—2014-02-27 and 2014-02-28—2014-03-31, green triangles denote aftershocks); (d) The Mexico MW8.1 earthquake in September 8, 2017(circles denote shocks during 2000-12-04—2017-09-07. Blue circles and red circles respectively denote events with M6.0~M6.4 and with M≥6.5, triangles denote aftershocks).

2004年印尼苏门答腊近海M_W9.1地震发生在澳大利亚板块、印度板块与东南亚板块的接触地带，震中位于巽他海沟东侧.沿巽他海沟，印度板块和澳大利亚板块插入东南亚板块之下.在9.1级震源断层西侧的运动速率为47 mm·a^-1(Michel et al., 2001; Bock et al., 2003).巽他海沟存在长约1000 km的8级地震空段，9.1级就发生在该破裂空段上.该地震为单侧破裂，余震都分布在主震以北，其余震区长约1200 km，主震以南还存在近200 km的破裂空段，此空段上发生了2005年3月28日苏门答腊8.6级地震，其余震区长约500 km(薛艳等, 2005, 2008).1984—2004年9.1级地震前苏门答腊岛北端以北至安达曼群岛中南部长达1100 km范围内没有发生6.5级以上地震，而苏门答腊岛及附近1600 km范围内地震非常活跃，但在2005年苏门答腊8.6级和2007年8.4级地震震中附近分别存在长约457 km和300 km的6.5级地震空段.2004年苏门答腊9.1级地震初始破裂点发生在活跃区的西北端，其余震向西北方向展布，余震填满了整个空段(图 4b中绿色三角形).2005年苏门答腊8.6级地震及其余震发生在457 km长的空段内(图 4b中黄色三角形)，2007年9月12日苏门答腊8.4级地震及其余震发生在300 km的空段内(图 4b中的粉色三角形).

南美板块西边界带的智利2010年以来接连发生了3次8级以上地震，分别为2010年2月27日8.8级、2014年4月1日8.1级和2015年9月16日8.2级地震.在这3次地震前均存在8级地震破裂空段，2015年8.2级地震发生在1943年4月6日8.2级地震震源区附近，表明该区8级地震的复发周期为70—80年(薛艳等，2011).这3次8级地震的余震区分别长约650 km、185 km和315 km(表 1).2014年智利8.2级地震前出现了长达510 km的6.5级地震背景空区，形成时间为1988年3月至2014年2月，同时还形成长约1400 km的半椭圆形增强区(图 4c).

2017年9月8日墨西哥8.1级地震发生在可可斯板块向北美板块的俯冲边界带上，1985年9月19日墨西哥8.0级地震后，墨西哥附近地区没有发生过8级以上地震.1900年以来形成长约340 km的7级地震空段，本次地震就发生在该7级地震空段上.余震区长约240 km.2000年12月5日至8.1级地震前，震中附近形成长约460 km的6级地震背景空区，而空区南北两侧6.5级以上地震非常活跃，形成长约1800 km的增强区(图 4d).

强震前，在震源区周围一定时空范围内经常出现地震活动增强现象.这是国内外学者早已注意到的异常现象.茂木清夫(Mogi，1969)曾指出巨大地震前10—20年，在大震震源区周围常出现地震活动增强的环形分布(即“面包圈”)，称之为环形现象或地震活动增强区.梅世蓉等(1996a)对中国大陆及邻区16次巨大地震前的地震活动环形分布图像与规律进行了归纳，并初步定性地讨论了其形成机理.宋治平等(1999)在研究巨大地震的基础上，增加了中国大陆资料完整的7级大震以及华北地区6级多强震，程度不同地剖析了80多次6级以上地震前的活动图像异常，研究表明，强大地震前普遍存在地震活动增强区(或环形分布)现象.

本文对14次大震前地震活动增强区的分析显示，有12次大震前出现了增强区现象.即增强区具有一定的普遍性.增强区长轴(面包圈外边界线)介于850~2700 km范围内，长轴取对数与主震震级大体呈正相关关系(图 5a)，拟合关系式为

(1)

图 5

Fig. 5

图 5 增强区长轴L对数与主震震级(a)和增强区长轴L与余震区长轴L′比值对数(b)与主震震级的统计关系图 Fig. 5 The statistical relationship charts between the logarithm of the long axis of the active strengthening area and the magnitude of the main shock (a) and between the logarithm of the ratio of the scale of the strengthening area to the aftershock area and the magnitude of the main shock (b)

公式(1)的拟合相关系数为0.897，可见地震震级越大，其增强区规模越大.此外，增强区与余震区尺度之比为2.3~7.7，其对数大体与主震震级呈负相关(图 5b)，线性拟合关系式为

(2)

公式(2)的拟合相关系数为-0.678.即震级越大，增强区与余震区尺度之比越小.

在14次巨大地震中有13次地震前出现了背景空区，空区持续时间10—32年，有8次巨大地震在空区打破后发生.即背景地震空区现象具有普遍性.对于板内大地震，构成背景空区的最小震级为5.0级，而对于板间地震，构成背景空区的最低震级为6.0级或6.5级(表 1).

背景空区长轴(面包圈的内环长轴)对数与主震震级大体呈正相关关系(图 6a)，拟合两者之间的线性关系式，

(3)

图 6

Fig. 6

图 6 背景地震空区长轴L对数与主震震级MW关系(a)和背景空区长轴L、余震区长轴L′与主震震级MW的分布(b; 蓝色三角形代表背景空区，红色三角形表示余震区) Fig. 6 The statistical relationship charts between the logarithm of the long axis of the background gap and the magnitude of the main shock (a) and the distribution of the long axis of the background gap, the long axis of the seismogenic gap and the magnitude of the main shock (b; blue triangles and red triangles denote the background gap and the seismogenic gap respectively)

公式(3)的拟合相关系数为0.615.可见，背景空区越大，主震震级越大.

在存在背景空区的13次大震中，有5次大震的余震区与背景空区规模相当，其余8次背景空区明显大于余震区(表 1，图 6b).

刘蒲雄等(1989)系统研究了我国大陆地区1913—1981年21次M_S≥6.7地震(仅1次地震强度超过8级)前的背景地震空区，结果表明，背景地震空区是强震前普遍存在的长期背景性异常，构成背景空区的最低震级为5级，规模为300~600 km，空区尺度与主震震级没有明显的相关性.空区持续时间为10—30年，多数情况下，主震在背景空区被打破后发生.

本文研究的震例强度为M_W≥7.3，其中4次7级地震，8次8级地震，2次9级地震.研究结果与刘蒲雄等(1989)的大体一致，但是背景空区的规模更大，为300~1100 km，与主震震级呈现出一定的正相关关系.在13次存在背景空区的大震中，有7次地震在背景空区打破后发生.

为了确定孕震空区，通过空区内部地震M-t图来判断震前的平静是否显著，同时根据空区外围地震活动蠕变释放来判断空区外围地震是否活跃，如果空区内部平静显著，而同时空区外围蠕变加速则判断为孕震空区(王炜等，1989).例如，在2015年9月16日智利8.3级地震前1.3年，即2014年5月22日至2015年8月11日，围绕主震震中形成长约460 km的5.0级以上地震空区(图 7a)，在2014年之前空区内地震非常活跃，平均每年大约发生9.3次5.0级以上地震，而2014年5月22日后的1年零2个多月地震没有发生5级以上，平静现象突出(图 7b).2015年8月12日空区被打破，且打破空区的地震与8.3级主震震中仅相距15 km.余震区长约315 km，孕震空区尺度明显大于余震区.

图 7

Fig. 7

图 7 2015年智利地震前(a)M≥5.0和2017年墨西哥地震前(图c)M≥5.5地震分布及空区内部地震活动M-t图(b:智利地震；d：墨西哥地震) (a)蓝色圆和红色圆分别表示2014-05-22—2015-08-11和2015-08-12—2015-09-15期间发生的5.0级以上地震；(b) 2015年智利地震前孕震空区内(图 6a中的椭圆区)地震活动M-t图；(c)蓝色圆和红色圆分别表示2008-02-13—2014-10-10和2014-10-11—2017-09-07期间发生的5.5级以上地震；(d) 2017年墨西哥地震前孕震空区内(图 6a中的矩形区)地震活动M-t图. Fig. 7 Distribution of M≥5.0 shocks before the 2015 Chile earthquake (a) and of M≥5.5 shocks before the 2017 Mexico earthquake (c), M-t plot of earthquakes in the seismogenic gap before the 2015 Chile earthquake (b) and before the 2017 Mexico earthquake (d) (a) Blue circles and red circles denote the shocks during 2014-05-22—2015-08-11 and 2015-08-12—2015-09-15 respectively. (c) Blue circles and red circles denote the shocks during 2008-02-13—2014-10-10 and 2014-10-11—2017-09-07.

2017年墨西哥8.1级地震前出现了5.5级以上地震孕震空区，空区形成时间为2008年2月13日至2014年10月10日，长约390 km.从空区内部长期的地震活动看，这一平静现象非常突出(图 7d).2014年10月11日空区打破后相继在其内部和边缘发生多次5.5级以上地震(图 7c中红色圆).本次地震余震区长约240 km，孕震空区明显大于余震区尺度.

在14次巨大地震中有11次地震前出现了孕震空区，占总数的78.6%.空区长轴在370~780 km范围内(表 1).其中板内孕震空区的构成为4级，板间地震构成空区的最低震级为5.0级或5.5级.孕震空区形成时间为主震前1—9年.70%震例在孕震空区被打破后发生.

统计孕震空区规模与主震震级的关系，结果显示，孕震空区长轴L对数与主震震级呈正相关关系(图 8)，拟合关系式为

(4)

图 8

Fig. 8

图 8 孕震空区长轴L对数与主震震级MW的统计关系 Fig. 8 The statistical relationship chart between the logarithm of the long axis of the seismogenic gap and magnitude of the main shock

公式(4)的拟合相关系数为0.746，可见，震级越大，孕震空区越大.

本文对全球2001年以来14次巨大地震前的地震活动特征分析显示，无论是板内还是板间巨大地震前地震活动增强区普遍存在.一般情况下，增强区呈椭圆形的环形分布图像，典型震例为2001年昆仑山口西M_W7.8地震前地震活动增强区分布图像(图 3a).由于周围地震活动差异较大，这类图像有时会呈半环形分布，如2008年汶川M_W7.9地震(图 1a)和2015年尼泊尔M_W7.8地震前的地震活动增强区(图 4a).更特别的是发生在部分板间地震中，由于该类地震主要处于板块与板块交汇或碰撞的带状区域，在大地震前震中附近形成地震空段，而空段两端集中活动，形成两个地震活动段夹着一个空段的图像，大地震发生两个活动段之间的空段内，如2017年墨西哥M_W8.1(图 4d).此外，若同时孕育多个大震，也会形成多源环形分布图像，如苏门答腊近海2004年M_W9.1、2005年M_W8.6和2007年M_W8.4地震(图 4b).

梅世蓉等(1996a)定性讨论了中国大陆及邻区16次巨大地震前的地震活动环形分布图像的形成机理.板内大震的动力来源是缓慢的板块相对运动，其孕震通常都要经历一个漫长的过程，可长达数百年或上千年.在此过程中，边界大致处于位移速率基本不变的状态.坚固体地震孕育模型(梅世蓉，1995)和硬包体弹性理论(Dobrovolsku，1979)分析表明，这样的边界条件，能够逐步积累大量弹性位能的地区是具有坚固体(硬包体)性质的高速块体区及其外围一定范围.当坚固体外围的非均匀、非完全弹性介质中加上断层(相当于软包体)，其内部虽不积累能量，但断层外也有位能的积累，积累的总能量较少，发生大破裂不可能，而发生中小破裂是可能的.一旦时机成熟(能量密度达到相应极限值)，中、小破裂就会发生.坚固体内因其破裂强度高，能量密度不够，所以保持不破状态(形成地震空区).这就是在地震孕育的中长期阶段普遍出现地震活动增强区(环形分布，或面包圈)的原因.

梅世蓉(1996b)基于坚固体地震孕育模型对大地震前的地震活动增强区的三阶段特点定性分析，并总结出不同阶段的地震活动主要特点，即第一阶段：地震活动分布于震源外围地区，震源附近地区处于空区或空段，地震活动图像呈环形分布特点.第二阶段：震源区开始活动，空区打破或缩小或消失，增强区的地震活动性增强，地震频度、强度、集中度、应变释放率增大，出现震丛与条带.第三阶段：震源附近地区再次转为平静，形成孕震空区.

宋治平等(2000)通过对三维流变介质包体模型的理论研究表明，硬包体作为孕震体，在地表产生的体应变空间场并非固定不变的，而是具有三阶段的不同变化特征，即体应变的空间范围和强度随时间分别存在逐渐增大和增强的过程，而当体应变的范围和强度达到极值后，体应变的范围和强度还存在一个缩小和变弱的过程.体应变等值线的空间范围经历“逐渐变大→最大→变小”的过程，体应变的强度经历“逐渐变强→极值→变弱”的过程.

许昭永等(1997)给出了在常应力加载的情况下，三维介质中嵌入硬包体的岩石破裂实验的应变场演变过程，结果显示，随着边界应力逐渐增加，应变场大小和范围经历“逐渐变大→极值→变弱(变小)”的过程.虽然实验结果与理论结果的条件并不完全相同，但两者确实存在一定的相似性.

汶川地震前数十年在汶川地震周围形成地震活动增强区，该区内的地震活动表现为三个阶段不同特征，首先，增强区形成的早期出现地震背景空区，地震活动图像呈环形分布特征.当背景空区被打破，整个增强区的地震活动图像表现为空区消失，或空区缩小的特点.之后，再次出现孕震空区，当孕震空区被打破，预示着逼近大地震的发生.可见，汶川地震前增强区及空区的阶段性演化特点是地震孕育过程中表现出来的现象.

Dobrovolsku(1979)基于三维弹性包体理论模型推导出地震孕育过程中应变场范围(半径r)与应变ε的关系为

(5)

式中，α为包体内外剪切模量之比，τ为边界剪应力，μ为包体外剪切模量，V为震源体积.我国中强以上地震余震区面积S与震级M的关系式(吴开统等，1990)为

(6)

震源体积V近似等于S×H，H为震源深度，由此可得：

(7)

其中，为与震级无关的常数，表明地震活动增强区长轴L(即2r)的对数与震级M成线性关系，即地震增强区尺度大小由主震大小决定.

宋治平等(1999)据中国大陆地区85次6级以上地震前的地震增强区长轴L(单位km)对数与主震震级M_S的线性关系为log₁₀(L)=0.254M_S+0.781(相关系数为0.85).本文统计出地震增强区长轴L对数与震级M_W的线性关系为log₁₀(L)=(1.181±0.321)+(0.237±0.039)M_W(相关系数为0.897).表明地震增强区大小与主震震级关系具有一定力学基础.

Dobrovolsku (1979)基于三维弹性包体理论模型，取应变ε=10^－8为背景值，则其影响范围r与震级M的关系为

(8)

取震级与能量的关系如下：

(9)

其中a，b为待定常数.ρ为单位体积的能量，即能量密度.V为震源体积.

对于大地震，震源半径R大于震源深度H(即R>H)，则震源体适合取为圆柱体模型，则体积V为V=πHR².由这些公式不难求出震源体影响范围的尺度和震源尺度之比(r/R)与震级M的关系式为

(10)

其中，A₁=log₁₀(πρH)^1/2-a/2, B₁=0.434-b/2.

对于7级以下地震，震源半径(R)小于震源深度(H)(即R≤H), 则震源体适合取为球体模型，其体积V=4πR³/3，则

(11)

其中，A₂=log₁₀(4πρ/3)^1/3-a/3, B₂=0.434-b/3.

可见，无论震源体是圆柱模型(适合于大震)或球体模型(适合于中强震)，其影响范围与震源尺度之比的对数与震级呈线性关系，这说明地震活动增强区尺度和震源尺度之比与震级的关系具有一定力学基础.

如果取地震能量与震级关系E=10^11.8+1.5M(Gutenberg and Richter, 1956)，则B₁和B₂分别为-0.316和-0.07.如果取E=10^9.5+1.6M(吴开统等，1990)，则B₁和B₂分别为-0.366和-0.1.

宋治平等(1999)据中国大陆地区85次6级以上地震前的地震增强区的尺度(半长轴r)和震源区尺度(半径R)之比与震级M的关系为，log₁₀(r/R)=-0.216M+2.200(相关系数为0.83)，这一统计关系中震级M的系数为-0.216，介于圆柱模型和球体模型的理论值.

由上可见，震级不同，震源影响场的尺度也不相同，即增强区尺度与震源区尺度之比随震级增大而减小.据中国大陆强震资料(宋治平等，1999)，对6.0~6.9级地震的增强区约为震源区的5~8倍，7.0~7.9级地震的增强区约为震源区的3~5倍，8.0~8.9级地震的增强区约为震源区的2~3倍.本文对14次7.3级至9.1级震例的统计结果显示，增强区规模是震源区(余震区)的2.3~7.7倍，其比值对数与震级呈负相关关系.

宋治平等(2000)通过对三维流变介质包体模型的理论研究表明，在震源2倍尺度区域(近源区)是体应变变化量最大区域；在震源3~5倍区域为远源区中的体应变高值区.本文统计的14次大地震的增强区尺度和震源区之比绝大多数介于2~5，与理论分析结果基本一致.

本文在分析汶川地震前地震活动背景空区、地震活动增强区及孕震空区的基础上，又对2001年以来我国大陆及邻区3次M_W≥7.3地震和全球10次M_W≥8.0地震前的主要地震活动特征进行了系统总结和力学分析，得到如下认识：

(1) 汶川地震前38年，大范围地区形成5.5级以上地震活动增强区，增强区内环围绕龙门山断裂带形成5级地震背景空区.汶川地震发生在增强区内的背景空区里.震前6.5年形成M_L4.0孕震空区，震前1年孕震空区内部及其两端相继发生多次M_L4.0~5.0地震，孕震空区被打破，逼近汶川地震的发生.

(2) 在14次巨大地震中有13次出现背景空区，形成时间为震前13~38年，空区持续时间10—32年.板内背景空区构成的最低震级为5.0，板间背景空区构成的最低震级为6级或6.5级.54%的地震在背景空区打破后发生.多数背景空区大于余震区，其长轴对数与主震震级呈正相关关系.

(3) 环绕背景空区的地震活动增强区现象不仅在汶川地震前出现，而是全球大地震前的普遍现象.在本文研究的14次地震中有12次地震前出现增强区，占总数的85.7%.板内大震前的地震活动增强区图像可以归纳为单源环形、单源半环形.板间地震前的地震活动增强区图像可以归纳为单源空段形、单源半环形和多源空段形图像.构成板内地震背景空区的最低震级为5.0级或5.5级，构成板间地震背景空区的最低震级为6.0级或6.5级.地震增强区长轴对数与主震震级呈正相关关系，增强区规模与余震区之比的对数与主震震级呈负相关关系.

(4) 78.6%的巨大地震前数年(1—10年)形成孕震空区，空区持续1—7年.构成板内地震孕震空区的最低震级为4.0级，构成板间地震孕震空区的最低震级为5.0级或5.5级.多数孕震空区打破后发震.孕震空区长轴对数与主震震级呈正相关关系.

(5) 基于坚固体地震孕育模型、体源流变模型理论以及岩石实验结果认为，地震活动增强区(或称环形分布)是由于孕震体在孕育过程中形成一个高应变区域，而震源区的破裂强度高于周围介质而形成的环状区域.体源流变模型理论的计算表明, 地震孕育过程中体应变的范围和强度存在逐渐增大和变小的过程，这是地震活动增强区出现三阶段特征的原因；震源2倍尺度区域(近源区)是体应变变化量最大区域.在远源区中，震源3~5倍尺度区域的体应变相对较高.从体源弹性理论计算表明，地震增强区大小的对数与震级大小成正比关系，增强区尺度与震源区尺度之比的对数与震级大小成反比.说明大震前地震活动增强区、背景空区及孕震空区是地震孕育过程中的普遍现象，其规模由孕震体大小决定.

本文研究显示，板内地震背景空区和板间地震背景空区、板内地震孕震空区和板间地震孕震空区构成的最低震级不同，其原因有两方面：其一，与构造背景相关，板间地区构造运动强烈，背景地震活动水平明显高于板内地区，如果降低震级，在板间大震震中附近不存在显著的平静；其二，构成背景空区和孕震空区的最低震级与主震震级有关，本文板内地震强度均低于M_W8.0，而板间地震强度均大于M_W8.0.

此外，统计结果显示，地震活动增强区、背景空区和孕震空区长轴对数与主震震级皆呈正相关关系，线性拟合相关系数分别为0.897、0.615和0.746.与地震增强区相比，背景空区和孕震空区与主震震源空间关系更密切，但地震增强区长轴与主震震级的线性回归关系更好，相关系数更大.究其原因，一方面，背景空区或孕震空区与主震断层的闭锁区有关，可能与主震的震级大小、破裂方式、介质性质、周围断层有关，相对比较复杂，而地震增强区反映的是离主震更远处的地震活动，与周边应力状态有关，与主震的震级关系可能更密切.此观点是否正确，需要进一步研究.另一方面，本文是针对巨大地震的统计，样本震级范围为7.3~9.1级，但7级和9级地震数量非常少，即本文统计样本量少、样本震级范围小，且区域构造背景差异大，如果扩大震级范围、增大样本量，并区分板内地震和板间地震统计，可能统计关系更合理.

两位审稿专家提出了许多宝贵意见和建议，李海兵研究员组织汶川地震十周年专辑并提出修改意见，对本文的提高帮助很大，本研究图件主要采用GMT绘制，在此一并致谢！