地球物理学进展  2015, Vol. 30 Issue (5): 2007-2012   PDF    
引用本文
秦四清, 薛雷, 李培, 吴晓娲, 杨百存. 2015. 关于2008年5.12汶川大震若干热点问题探讨[J]. 地球物理学进展, 30(5): 2007-2012, doi: 10.6038/pg20150504  
QIN Si-qing, XUE Lei, LI Pei, WU Xiao-wa, YANG Bai-cun. 2015. Discussion on several focus issues of the Wenchuan earthquake on 12 May 2008. Progress in Geophysics, 30(5): 2007-2012, doi: 10.6038/pg20150504   
关于2008年5.12汶川大震若干热点问题探讨
秦四清, 薛雷, 李培, 吴晓娲, 杨百存     
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
收稿日期: 2015-09-28 修回日期: 2015-10-16.
基金项目: 国家自然科学基金项目(41302233)资助.
作者简介: 秦四清,男,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、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: 依据史料考证了1327年天全MS≥6.0级地震,认为将其修订为MS 7.75级合理.基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论,从孕育周期界定与主震事件判识角度,分析了汶川地震区强(大)震事件的孕育过程.结果表明:汶川地震区至少已经历两轮孕育周期,1327年天全大震和2008年5.12汶川大震分别是第1和第2孕育周期主震事件,该区是一个MS 7.75级地震危险区,其主震事件复发间隔上限值约为681年；2013年4.20芦山MS 7.0级地震是主震后的一次大余震事件,当前孕育周期不会再次发生MS≥7.0级余震；汶川大震发生的直接导火索是1976年松潘-平武双震事件,与修建紫平铺水库并无因果关系.本文所得结论可供相关部门参考,以制定合理的灾后重建规划.
关键词: 5.12汶川大震     4.20芦山地震     汶川地震区     孕育周期     主震复发间隔     紫坪铺水库    
Discussion on several focus issues of the Wenchuan earthquake on 12 May 2008
QIN Si-qing, XUE Lei, LI Pei, WU Xiao-wa, YANG Bai-cun     
Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100029, China
Abstract: According to historical data, it is deduced that the reasonable magnitude of the 1327 Tianquan earthquake is MS 7.75. Based on the brittle failure theory of multiple locked patches in a seismogenic fault system,we analyzed the seismogenic process of major characteristic earthquakes in the Wenchuan seismic zone from the angles of the definition of seismogenic period and the recognition of the main shock event. The results show that the Wenchuan seismic zone has undergone at least two seismogenic periods when two mainshock events, i.e., the 1327 Tianquan MS 7.75 earthquake and the 2008 Wenchuan MS 7.75 earthquake, occurred in the first and second periods, respectively, is a MS 7.75 earthquake-prone zone, and is with the recurrence interval of ~681 years. The aftershock events with MS≥7.0 won't occur again after the 2013 Lushan aftershock in the present seismogenic period. There is no causality between the 2008 Wenchuan earthquake and the Zipingpu reservoir, and the immediate cause leading to the Wenchuan earthquake can be attributed to the 1976 double earthquake swarm events occurred in Songpan-Pingwu. Our results provide the valuable information about the post-earthquake reconstruction program.
Key words: Wenchuan earthquake on 12 May 2008     Lushan earthquake on 20 April 2013     Wenchuan seismic zone     Seismogenic period     Recurrence interval of main shocks     Zipingpu reservoir    
 0 引 言

据吴海波等(2015)统计，2008年之前龙门山断裂带上仅有5次≥6.0级地震记录，分别是1327年天全MS≥6.0级、1657年4月21日汶川-茂县一带MS 6.5级、1941年6月12日泸定-天全一带MS 6.0级、1958年2月8日茂汶-北川一带MS 6.2级和1970年2月24日大邑MS 6.2级地震.可看出，龙门山断裂带长期的历史地震活动性呈现频度与强度均较低特征.

然而，2008年和2013年在龙门山断裂带的中段和西南段，先后发生5.12汶川MW 7.9级地震(美国国家地震信息中心(NEIC)测定值)和4.20芦山MS 7.0级地震(中国地震台网中心(CENC)测定值)，其地震活动性骤然呈现频度高、强度大特征，由此引发若干备受学者和社会关注的热点问题，如龙门山断裂带的发震潜力有多大？8.0级左右地震复发间隔有多长？紫坪铺水库是否诱发了5.12汶川大震？围绕上述科学问题，前人已开展了诸多研究，下面作一简要评述.

5.12 汶川大震发生在龙门山断裂带出乎不少专家预料，主要原因是低估了龙门山断裂带发震潜力，其被误判的原因，除对长期活动速率较低的龙门山断裂带潜在地震危险性认识不足之外(张培震等，2008)，另一个重要原因是有史以来龙门山断裂带无7.0级以上地震记录(陈章立和李志雄，2009).事实上，龙门山断裂带无7.0级以上历史地震记录，可能包含多种情况：(1)曾发生但无记载；(2)出现漏记或错记；(3)确实未发生.因此，基于断层历史地震活动水平易低估断层的发震潜力，需谨慎用之.我们认为应从地震区尺度，而不是某条断层角度评估其发震潜力.

5.12 汶川大震后，已有不少学者研究了龙门山断裂带发生类似震级地震的复发间隔.如张培震等(2008)根据汶川大震同震位移和龙门山断裂带整体滑动速率，估算该带发生类似大震的复发间隔约为2000~6000a；Burchfiel et al.(2008)推算的复发间隔约为2000~10000a； Shen et al.(2009)给出的复发间隔约为4000a.尽管评估方法基本相同，但不同学者给出的特征地震复发间隔数值却相差较大，这可能是由于相关参数选取存在不确定性所致.如龙门山断裂带不同部位滑动速率不尽一致，其计算参数如何确定？根据GPS地表变形监测得到的滑动速率能否真实反映该断裂带深部变形特征？基于几十年GPS监测数据得到的该断裂带平均滑动速率能否代表长期历史平均滑动速率？鉴于此，我们对上述学者关于龙门山断裂带发生类似汶川大震复发间隔的研究结论持怀疑态度.从上述研究亦可看出，其地震复发间隔是指特定断层某特征地震复发的时间间隔.然而，特征地震震级的选择常有较大主观性，如谢富仁等(2008)认为龙门山断裂带发生MS 8.0级地震的平均复发间隔为3000a左右，MS 7.5级地震的平均复发间隔为1000a左右，MS 7.0级地震的平均复发间隔为500a左右.我们认为对特定地震区而言，每轮孕育周期的主震事件可定义为特征地震，其时间间隔为复发间隔.

2008年汶川大震后，因其震中距紫坪铺水库较近，且其正式蓄水始于2005年9月，略早于2008年，故引发了紫坪铺水库蓄水是否为汶川大震诱因的讨论.陈厚群等(2009)和陈颙(2009)认为汶川大震不具有水库触发地震的特征，与紫坪铺水库蓄水关系不大；马文涛等(2011)通过重新定位紫坪铺水库专用地震台站和加密地震台站测定的相关地震数据，表明紫坪铺水库与汶川大震之间存在密切关联；雷兴林等(2008)和Ge et al.(2009)通过定量计算，发现紫平铺水库蓄水引起的库仑应力变化有触发汶川大震的潜力，而Gahalaut and Gahalaut(2010)的计算结果却表明紫平铺水库蓄水不足以引发汶川大震.本文拟通过分析流体对岩石破裂过程的作用，探讨紫坪铺水库与汶川大震之间的关系.

综上分析，对汶川大震相关热点问题的研究，主要存在如下共性问题：一是无法定量划分地震区；二是不能正确界定孕育周期和判识主震事件.本文将基于秦四清等(2010)提出的孕震断层多锁固段脆性破裂理论，并结合近期的一些新认识，如孕育周期界定与主震事件判识(秦四清等，2014b，c，d)、最小完整性震级Mc的确定方法(秦四清等，2014e)、地震参数修订原则(秦四清等，2014a)以及地震区危险性等级确定原则(秦四清等，2015)，对上述热点问题进行探讨.

1 热点问题探讨

汶川地震区地震构造图示于图 1，其边界受塔藏断裂、文县断裂、略阳断裂、龙泉山断裂、保新厂-凰仪断裂和玉科断裂约束.

图 1 汶川地震区地震构造图(3.3版) Fig. 1 Seismotectonic map of the Wenchuan seismic zone(Version 3.3)

本文分析采用的地震目录引自国家地震科学数据共享中心(CEDC, http://data.earthquake.cn/data,2014年2月13日下载该日之前数据，之后数据于2015年9月21日更新)，数据为研究时段所有地震事件.计算Benioff应变时，先把不同的震级标度统一换算为地方震级ML，然后依次计算地震矩、地震能量与Benioff应变值与CBS(Cumulative Benioff Strain)值.为减小发震前CBS监测值与预测临界值的误差，以及有效提取锁固段本身破裂信息，我们在数据分析时考虑了最小完整性震级Mc(秦四清等，2014e).

1.1 1327年天全地震震级考证

1327年天全地震由于年代久远，且适逢泰定帝驾崩、政局不稳，故关于此次地震的史料记载不详，其震级值为多大 尚存争议，如顾功叙等(1983)将该震定为MS 4.75级，宋治平等(2011)认为该震为MS 6.0级，而孙成民等(2010)将该震修订为MS 7.5~7.75级.那么1327年天全地震为多大合理呢？

在《中国地震历史资料汇编》(谢毓寿和蔡美彪，1983)和《四川地震全记录》(孙成民等，2010)等著作中，通过考证《元史▪泰定帝纪》和《元史▪五行志》等有关史料，对1327年天全地震描述如下：“泰定四年八月，巩昌府通渭山崩.碉门地震，有声如雷，昼晦.天全道山崩，飞石毙人.凤翔、兴元、成都、峡州、江陵同日地震.”需说明的是，碉门即今四川天全，兴元即今汉中(距天全500多公里)，凤翔即今陕西凤翔(距天全600多公里)，峡州即今湖北宜昌(距天全800多公里)，江陵即今湖北江陵(距天全900多公里).根据汪素云等(2006)统计的有感半径R与震级M的对应关系(表 1)，估算1327年天全地震为7.2~8.2级.基于上述分析，并参考秦四清等(2014a)提出的地震参数修订原则，我们认为将其定为MS 7.75级合理.如此，可认为该震为汶川地震区第1孕育周期的主震事件，这也填补了龙门山断裂带无7.0级以上地震记录的空白.由于该周期地震目录缺失严重，故难以根据我们的理论分析主震事件孕育过程.

表 1 有感半径R与震级M统计关系表 Table 1 Statistical relationship between the sensible radius(R) and magnitude(M)
1.2 第2孕育周期主震事件孕育过程

上述分析表明，由于年代久远，某些历史地震目录的可靠性及参数精度较差，使用时需进行多方面复核.如对1713年9月4日茂县叠溪地震，顾功叙等(1983)给出的震级值为MS 6.5级，宋治平等(2011)和孙成民等(2010)给出的震级值为MS 7.0级，根据秦四清等(2014a)提出的地震参数修订原则，我们认为前者参数合理.同理，对1748年5月2日松潘地震，宋治平等(2011)和孙成民等(2010)给出的震级值均为MS 6.5级，我们认为将其修订为MS 7.0级合理.

图 2示出了汶川地震区第2孕育周期经误差修正后标志性地震事件之间的力学联系.可看出，1748年5月2日松潘MS 7.0级地震与1933年8月25日茂县叠溪MS 7.5级地震，分别是第1锁固段在膨胀点和峰值强度点的标志性事件；1933年MS 7.5级地震发生后，标志着第2锁固段已发生宏观破裂；1976年8月16日和23日的松潘-平武MS 7.2级双震是2008年5月12日汶川大震的直接导火索.需说明的是，对2008年汶川大震，NEIC测定值为MW 7.9级，CENC测定值为MS 8.2级，而一些学者(王卫民等，2008; 张勇等，2008; 许才军等，2009)通过矩张量反演给出的震级值为MW 7.9级.能量分析表明，汶川大震发生前该地震区积累能量低于一次MW 7.9级地震对应的能量，汶川大震实际震级应小于MW 7.9级.根据秦四清等(2014a)提出的地震参数修订原则，我们认为将其定为MS 7.75级合理.如此，可认为该震为汶川地震区第2孕育周期的主震事件.

从图 1看出，5.12汶川MS 7.75级主震发生后，4.20芦山MS 7.0级地震发生前，以大邑为界，ML≥4.0级地震序列主要集中在龙门山断裂带中段和东北段，其西南段则相对平静，呈现出单向破裂特征.我们推测这种现象可能是由于龙门山断裂带西南段(大邑-天全一带)，在第1孕育周期1327年天全主震发生时，已被整体贯通所致.

图 2 汶川地震区1488.9.25-2015.9.21之间CBS值与时间关系(第2孕育周期)
(数据分析时选取ML≥3.0级地震事件；横坐标对应的时间减去3000年为实际年份；误差修正已被考虑.) Fig. 2 Temporal distribution of CBS in the period from 2 5 September 1488 to 21 September 2015 for the Wenchuan seismic zone(2nd seismogenic period)
(The earthquake events with ML≥3.0 are selected for data analysis. The real time is the value on the horizontal axis minus 3 000 years. The error correction is also considered.)

2013年芦山MS 7.0级地震发生后，诸多学者认为汶川大震与芦山地震有一定联系，但两者并不是主震与余震的关系，是两次独立的地震事件(杜方等，2013; 徐锡伟等，2013; 刘杰等，2013)，其主要理由是芦山地震发生于汶川大震后地震活动性相对平静的龙门山断裂带西南段(图 1).秦四清等(2014f)认为，主震与余震不应以空间距离的远近和时间间隔的长短界定，而应从地震区时空尺度角度判定.对于特定地震区，每一轮孕育周期均包括孕育(多锁固段逐次累进性破裂)、主震事件发生(最后一个锁固段发生宏观破裂)与余震活动三个阶段.由下述能量分析知，到目前为止，该区余震活动尚未结束，发生在汶川地震区的芦山地震是一次大余震事件.

关于芦山地震后汶川地震区后续地震活动性，秦四清等(2014f)认为由于芦山地震并没有使龙门山断裂带西南段发生整体破裂，其破裂区与汶川大震破裂区之间尚有近30~50 km的未破裂区，故该区仍有发生大余震的构造条件.根据本文新认识，1327年天全主震导致龙门山断裂带西南段整体破裂，不具有发生更大余震的构造条件.截止到2015年9月21日，汶川MS 7.75级主震及其余震释放能量之和约为3.35E+16J, 略小于该区主震前积累能量3.53E+16J, 剩余能量不足以发生一次MS≥7.0级地震，这说明该区不具有发生更大余震的能量条件.从构造和能量条件判断，汶川地震区第2孕育周期不会发生大余震事件，但仍不能排除发生强余震(MS＜7.0)事件，芦山地震可视为当前孕育周期余震活动接近尾声的标志性事件.当余震活动结束后，第3轮孕育周期开始.

1.3 汶川地震区危险性等级及主震复发间隔

秦四清等(2015)研究表明，特定地震区每轮孕育周期主震事件震级值相差较小，可定义主震震级值为该区危险性等级.据此，可定义汶川地震区为MS 7.75级地震危险区.

如前所述，根据汶川地震区前两轮孕育周期主震事件，可得出主震事件复发间隔约为681年，远小于其他学者给出的龙门山断裂带特征地震复发间隔值.秦四清等(2014c)研究表明，诸多地震区每轮孕育周期主震事件复发间隔呈缩短趋势.如此，可认为681年是汶川地震区第3孕育周期主震事件复发间隔的上限值.为此，建议国家相关部门重新审视汶川大震后重建规划事宜.

1.4 紫平铺水库蓄水与汶川大震关系

因紫坪铺水库距2008年汶川大震震中较近，故水库蓄水可能会对锁固段产生如下双重作用：

(1)库区蓄水对锁固段的附加载荷作用.我们认为该附加载荷与锁固段所承受的几公里乃至数十公里上覆岩石自重应力相比可以忽略，可不考虑其对锁固段破裂的作用.

(2)库区蓄水可能通过渗流进入发震断层深部.如此，一则会加速锁固段破裂，导致主震事件发震时间提前；二则会降低锁固段强度，与不考虑流体作用相比，可略微降低主震事件震级.

基于上述认识，我们认为应从如下两个层次分析紫平铺水库与汶川大震的关系：

(1)紫平铺水库蓄水对周边地区地震活动性有无影响？

毋庸置疑，答案是肯定的.由于库区蓄水会略微影响周边地区渗流场和应力场，故库区附近断层活动性及地震活动性必然会有某种程度响应.某些学者的研究也证实了该观点，如胡先明等(2009)和卢显等(2010)通过分析紫坪铺水库专用台网所测地震记录，利用库区附近3.0级以下地震目录进行统计分析，认为库区断层活动性和小震活动性与库水位存在一定相关性.作为对比，我们以2000年1月1日至2008年5月12日汶川大震前，汶川地震区ML≥3.0级地震序列作为研究对象，分析了M-t关系和年频次(图 3).可看出，紫坪铺水库蓄水前后汶川地震区ML≥3.0级地震的活动强度和频度并无显著变化.综上可知，紫平铺水库蓄水对地震活动性的影响仅局限于库区附近，且主要对ML＜3.0级地震事件产生影响.

图 3 汶川地震区M-t图和年频次图
(数据分析时选取ML≥3.0级地震事件) Fig. 3 M-t plot and annual earthquake frequency in the Wenchuan seismic zone
(The earthquake events with ML≥3.0 are selected for data analysis.)

(2)紫平铺水库蓄水与汶川大震有无因果关系？

根据图 2所示汶川地震区第2孕育周期标志性地震事件之间的力学联系，可知导致汶川大震发生的直接导火索是1976年松潘-平武双震事件.换言之，1976年松潘-平武双震的发生已决定了汶川地震区第2孕育周期必然会发生一次MS 7.75级的主震事件，与修建紫平铺水库无因果关系.从图 2可看出，自1976年松潘-平武双震发生后，至2008年汶川大震前，汶川地震区CBS值变化速率处于平稳状态，未观察到紫平铺水库蓄水对锁固段破裂起到加速作用，故可忽略紫平铺水库蓄水对汶川大震发震时间的影响；汶川地震区第1和第2轮孕育周期主震事件均为MS 7.75级，可认为紫平铺水库蓄水也未影响到第2孕育周期主震事件震级.

综上，尽管紫平铺水库蓄水相当于对锁固段施加了一个附加载荷，且库区蓄水也可能通过渗流进入锁固段影响其物理力学性质，这可能会略微影响汶川大震发震时间和震级，但上述分别表明这两种影响均可忽略.

从孕育周期界定和主震事件判识角度分析，汶川地震区自1488年9月25日进入第2轮孕育周期后，就决定了该区必然要发生一次MS 7.75级主震事件，而该区只有龙门山断裂带具有发生该级别主震事件的能力.因此，该区建设水库与否，主震都会发生在龙门山断裂带，紫平铺水库与汶川大震不存在因果关系.

2 结论与建议

基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论，对2008年5.12汶川大震若干热点问题进行了探讨，得出如下结论：

(1)通过史料考证，认为将1327年天全地震修订为MS 7.75级合理，这说明龙门山断裂带曾发生7.0级以上地震.

(2)汶川地震区至少已经历两轮孕育周期，1327年天全大震和2008年汶川大震分别是第1轮与第2轮孕育周期的主震事件，可定义该区是一个MS 7.75级地震危险区.

(3)该区主震事件复发间隔上限值约为681年.

(4)2013年芦山MS 7.0级地震是2008年汶川MS 7.75级主震后的一次大余震事件，当前孕育周期不会再次发生MS≥7.0级余震.

(5)1976年松潘-平武MS 7.2级双震事件是汶川大震发生的直接导火索，汶川大震与修建紫平铺水库无因果关系.

致 谢 感谢国家自然科学基金资助项目(41302233)对研究工作的资金支持.

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