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  地震地磁观测与研究  2020, Vol. 41 Issue (5): 222-225  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.05.028
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引用本文  

蒋海昆, 周少辉. 前震:预测意义及识别方法[J]. 地震地磁观测与研究, 2020, 41(5): 222-225. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.05.028.
JIANG Haikun, ZHOU Shaohui. Foreshock, predicting significance and distinguishing methods[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2020, 41(5): 222-225. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.05.028.

基金项目

国家重点研发计划(项目编号:2018YFC1503305)

作者简介

蒋海昆, 男, 博士, 研究员, 主要从事地震预报研究工作。E-mail:jianghaikun@sohu.com

文章历史

本文收到日期:2020-08-10
前震:预测意义及识别方法
蒋海昆 1, 周少辉 2     
1. 中国北京 100045 中国地震台网中心;
2. 中国济南 250014 山东省地震局
Foreshock, predicting significance and distinguishing methods
JIANG Haikun 1, ZHOU Shaohui 2     
1. China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China;
2. Shandong Earthquake Agency, Jinan 250014, China

前震是地震学以及地震预测研究中一个备受关注的领域。由于研究目的和研究重点的不同,不同作者给出的“前震”定义有一定差异。但根据地震成核理论,严格的前震应是主震之前不长时间内,在紧邻主震破裂起始点区域发生的小地震。

在地震预测的所有短临前兆中,前震是公认最有效的预报指标之一(Jones el al,1979)。在我国具有明显减灾实效的地震短临预报中,前震的贡献显而易见,如1975年海城7.3级地震的成功预报,在很大程度上依赖于前震序列所提供的明确的时、空、强信息(吴开统等,1976Whitham et al,1976Raleigh et al,1977Kanamori,1981Wang et al,2006)。近10年来,我国大陆也发生多次6级及以上并具有典型前震的中强地震,例如2010年青海玉树7.1级(最大前震4.7级,间隔约2小时)、2013年香格里拉5.9级(最大前震5.1级,间隔约75小时)、2014年于田7.3级(最大前震5.4级,间隔约31小时)、2020年伽师6.4级(最大前震5.4级,间隔约45小时)等地震,但遗憾的是,在这些前震发生之后、主震发生之前,我们都未能识别出其前震的性质。

前震给人的直观印象是偶尔发生。此前不同作者在全球不同区域的研究结果显示,大约有10%—40%的中强地震伴随有前震(陈颙,1978Jones et al,1979朱传镇等,1996Reasenberg,1999李振等,2011薛艳等,2012)。即便如此,这一比例与实验室结果仍有较大差距,在实验室破裂或断层摩擦实验中,几乎所有情况下都会观察到类似前震的前兆滑动事件(蒋海昆,2000Johnson et al,2013Goebel et al,2013Bolton et al,2019),在这一类实验中,岩样宏观破裂或断层失稳前,微破裂(声发射)频次随时间明显增加(蒋海昆等,1998)。同时,诸如摩擦滑动的速率—状态依从等理论也预期,动态失稳之前会有一个逐渐加速的预滑移或成核过程(Dieterich,1994Marone,1998Ampuero et al,2008),而前震即是其典型表现之一(Dodge et al,1996Bouchon et al,2011)。

近期一篇基于模板匹配产生的地震目录QTM,对美国南加州前震进行系统检测的文章(Trugman et al,2019)引起广泛关注。高质量的南加州地震台网(SCSN)地震监测的完备震级为1.7级,与之相比较,QTM目录的完备性震级要低一个数量级以上(Ross et al,2019),这意味着有更多数据可以使用。他们设计了严格的检测算法,对研究区46次4级以上地震的前震情况进行检测,结果显示70%多的4级以上地震有前震,前震持续时间3至35天不等,中位值为16.6天,前震检出率比基于SCSN目录的前震检出率高出20%,这表明,以往许多没有前震的地震,有相当部分可能缘于监测能力的不足。这一研究结果更重要的意义还在于,实际观测结果与物理实验和理论预期之间的差异得以进一步弥合。这意味着,宏观破裂或失稳前,破裂起始点附近的前震活动可能具有一定的普遍性。因而从地震预测的角度,分析前震活动特征、开展前震识别方法研究,将有利于中强地震的短临预测。

前震具有显著的时空丛集特征。空间集中现象很好理解,时间分布从更精细的尺度上看则比较复杂,若以地震频次、地震强度或所释放能量等参数来表征的话,有的前震显示持续增强或震群型序列的活动特征(吴开统等,1976Wu et al,2014),有的则更像一次独立的主—余型地震序列,如2010年日本东海域9.0级地震、我国大陆2013年香格里拉5.9级地震、2014年于田7.3级地震、2020年新疆伽师6.4级地震等的前震序列都是如此,即中强以上那个地震的前震序列往往也是由一次较大地震及其自身的余震所组成。

前震的发生可能与构造环境有一定关系,例如我国辽宁营口—海城—岫岩地区前震型序列比例较高,除1975年海城7.3级地震外,1999年岫岩—海城5.6级地震也具有典型的前震活动(于龙伟等,2000)。前震序列b值明显偏低于余震序列,也低于本地区背景地震的b值,这已被许多震例和实验所证实(Mogi,1979Molchan et al,1999Helmstetter et al,2003薛艳等,2012)。从震源谱特征的角度,有作者认为前震振幅谱中存在异常的高频成分,其观点可以得到实验研究结果的支持(蒋海昆,2000),但报道的实际震例尚不多见。

震源机制一致是前震序列的另一个突出特征(陈颙,1978Chen et al,1999),曾被认为是识别前震的重要手段。近期利用数字观测资料对前震序列的研究同样显示,前震的波形也极其相似(倪四道等,2010Bouchon et al,2011)。沿着这一思路衍生出来的还有振幅谱相关系数等方法(Lund et al,2002崔子健等,2012),高的振幅谱相关系数实际上就是反映了较为一致的震源机制。一般认为,一致的震源机制或较高的振幅谱相关系数与较高的应力环境相对应,较高的应力环境有利于强震的发生,但强震究竟是否发生,实际上还取决于诸多其他因素。近期对多组已发表研究结果的对比分析还显示,一致的震源机制或较高的振幅谱相关系数可能主要反映的是同一断层段持续、重复发生的、规模较小的破裂或黏滑。换言之,仅仅依据震源机制一致性或高的振幅谱相关系数,无法判定一个地震序列究竟是不是前震序列。这也意味着,地震时空丛集和震源机制一致是前震序列的典型特征,但却不是判定前震的充分条件(蒋海昆等,2015周少辉等,2016)。

前震与普通震群都有时空丛集的特点,且震级往往不高。近期为数不多的震例研究(Bouchon et al,2011Kato et al,2012, 2014)显示,前震成核的破裂扩展速度和滑动位移有随时间较快增大的趋势,还可能出现小震活动向主震震中迁移的现象。与此相对应,普通震群一般没有明显的扩展或迁移现象(曲均浩等,2015)。因而,随观测条件的日益改善,这一有明确物理意义的差异或许可以成为探索前震识别方法的可能途径之一。

综上所述,关于前震可以简单小结如下:①前震比例可能比我们已知或预想的要多得多,近期基于更加完备地震目录的前震研究结果,进一步弥合了实际观测与实验研究和理论预期之间的差距;②前震的显著特点是时空丛集且震源机制一致,但大部分时空丛集且震源机制一致的震群或小震序列不是前震,仅靠这一特征基本上无法判定是否为前震;③由于地震成核一旦开始将导致最终失稳(Das et al,1981),而前震是成核过程的重要组成部分,是失稳前变形加速的直接证据(Scholz,2002),也是亚失稳理论预期的亚失稳阶段典型的微震活动特征(马瑾等,2012),因而对前震的有效识别,是评估后续是否发生宏观失稳的直接证据;④尽管已开展了许多研究,但迄今为止尚无有效的前震识别方法。

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