利用余震法快速判定宏观震中的研究1

王伟锞 李志强 李晓丽

（中国地震局地质研究所，北京100029）

利用余震法快速判定宏观震中的研究1

王伟锞 李志强 李晓丽

（中国地震局地质研究所，北京100029）

当前在震后快速响应阶段的盲场快速评估过程中，震中位置普遍采用速报震中，而速报震中与实际宏观震中之间存在客观的不一致性，会给震灾评估结果带来较大的误差。而在震后短时间内可用信息量极少的情况下，判断宏观震中的位置存在较大的困难，本文通过引入余震法，为震后快速判定宏观震中提出了新的思路。通过对1970年以来近40组破坏性地震的研究，利用余震法可在震后6h根据地震破裂性质推断宏观震中，其准确度、时效性都能为震后快速评估提供较为可靠的依据。

盲场快速评估 余震法 微观震中 宏观震中

引言

地震发生后，政府部门在短时间内除了要了解地震发生的时间、地点和震级外，还需要了解地震产生的灾害规模、烈度的分布等，进而采取相应的抗震救灾对策，将地震带来的损失降到最低。而取得灾害损失信息的快慢，直接关系到抗震救灾的实效。

盲场快速评估是“快速响应”阶段至关重要的一个环节，是指在观测到地震发生的时间、地点和震级之后，在救灾人员未到达地震现场调查之前，利用震前建立的当地房屋建筑、人口经济等震害预测数据库和知识库，并按照震级和当地的烈度衰减关系划出烈度分布范围，计算各烈度区的震害损失，初步评估此次地震的总损失（何钧等，1998）。现阶段的快速评估烈度分布在实际应用中发挥了很大的作用，为抗震救灾工作提供了很多依据和帮助。

目前在灾情快速评估中有极震区位置判定不够准确的情况，导致对烈度分布的评估出现偏差，对救援工作等产生影响。出现此类情况，主要原因在于宏观震中位置判断上的误差。在救援工作中由于出现极震区位置判断失误，导致灾情判断不准确等问题，说明目前快速评估的精度还需进一步改进和提高，为此本论文针对此问题展开讨论。

当强震发生后，在短时间内可获取的灾情信息量极少的情况下，除了对灾害评估模型本身的研究之外，对可用信息的挖掘亦是提高精度的有效方法。由于观测手段等的限制，余震信息在灾情快速评估中的应用较少，随着现代观测手段的提高，已能较完整地记录余震信息，且准确度也有较大提高。针对目前震中位置和破裂方向中存在的问题，本文提出了“余震法”的解决思路，可为灾情快速评估提供一种新的思路。

通过对1970年以来的近40组破坏性地震的研究，本文将“余震法”与传统方法所得结论进行了分析、对比，目前已能证明“余震法”的可靠性和准确度与传统方法相比，已有较大的提高。根据本文的研究，“余震法”在震后6小时推断出的宏观震中，其时效性、准确性都能为实际的抗震救灾工作提供较好的参考依据。

1 震中偏离与余震研究现状

1.1 微观震中与宏观震中的偏离

微观震中，即速报震中，是经过地震监测仪器计算得出的发震位置，也是震源在地表上的投影点所在位置；而宏观震中是地震发生后断层在地表的破裂点，即实际破坏最严重、烈度最大之处。由于铲形断层的存在，无论是推覆构造还是伸展构造，微观震中与宏观震中都存在客观上的不一致性（图1、图2）。目前灾情快速评估中通常采用仪器速报震中，也就是将微观震中作为震害最严重的中心区，而实际宏观震中才是破坏最严重的区域。

图1 推覆构造（据李德威，1992）Fig. 1 Difference of micro and macro epicenter in a Nappe structure（afer Li Dewei, 1992）

图2 伸展构造（据马杏垣，1982）Fig. 2 Difference of micro and macro epicenter in the extensional tectonics（after Ma Xingyuan, 1982）

李闽峰等（2000）研究了1900—1981年发生的133次地震的宏观震中与微观震中的偏离，刘吉夫等（2006）对中国大陆1989—2004年发生的139次地震进行了宏观震中与速报震中的偏离研究。总体上，宏观震中与微观震中存在客观的不一致性（王晓青等，2003），偏离量的大小总体在40km内（刘吉夫等，2006），具体的偏移与发震的区域、构造地质条件等因素有关。

1.2 余震研究

余震的分布可以反映地下活动、断层（震源断层）的形状，但并不一定能形成一个很清晰的平面。一般认为，这不仅仅是因为确定震源时有误差的原因，而且还反映了震源断层的凹凸、分叉和雁形排列等现象。根据地震的成因，可认为余震主要沿断层面分布（宇津德治，1990）。

日本学者茂木对日本余震序列的研究表明，余震频度符合下式：

式中，t为距主震的时间；n1、n2、h、P均为常数；t0约为100天。

余震在主震发生后数量最多，且随时间的延续呈数量逐渐减少。这说明如果在短时间内能获得大量的余震信息，并将余震信息引入震后烈度衰减关系的快速判定，就能符合快速评估的时间要求。

1.3 余震法判定震中位置的思路

余震与主震震中之间的关系，从数量来说，余震的数量很多，可选取余震的质心作为余震与主震之间的关联点。而找出余震质心与主震震中之间的关系，就能得出余震与主震震中位置之间的关系。

这里引入“余震质心”的概念，把余震与主震震中位置联系起来。质心也就是质量中心，是指物质系统上被认为质量集中于此的一个假想点。对于密度均匀、形状对称分布的物体，其质心位于其几何中心处。在一个N为空间中的质量中心，其坐标系计算公式为：

式中，X表示某一坐标轴；mi表示物质系统中i质点的质量；xi表示物质系统中i质点的质量。

余震不仅有各自的发震位置，还包含各自不同的震源深度、震级大小等信息，且不仅余震的发震位置能反映宏观震中的位置特点；余震的震源深度、震级大小同样也反映了宏观震中的位置特点。

本文初步选取了几组震例进行简单处理，并将震源深度和震级的大小按不同的权值（按震级越大影响因子越大，震源深度越大影响因子越小）进行计算，得出结论：余震质心的位置在余震数量较少的情况下，余震质心的位置偏离有明显差别，且随着余震数量的增多其影响越来越小。

根据目前的观测条件，余震震源深度与余震震级大小的判定存在一定程度的误差，且上述两者对总体余震质心位置的影响相对较小，暂时对余震信息做简化的处理，只考虑余震的位置因素。

微观震中与宏观震中之间存在客观的不一致性，余震质心的分布理论上应位于微观震中和宏观震中之间的某个位置上。不同的发震性质对微观震中、宏观震中以及余震质心三者之间的关系有较大影响。图3a、图3b和图3c分别给出了正断层型地震、逆断层型地震、走滑断层型地震的余震质心位置。

图3 不同发震类型余震质心的位置Fig. 3 Centroid locations of aftershocks in different fault mode

2 余震法快速判定时间分析

王碧泉等（1983）将绝大多数余震序列的持续时间定在主震后3个月。本文主要讨论余震在震后衰减关系快速判定中的应用，基于快速判定的特点而考虑过长时间的余震，则可能失去快速判定的意义，所以本文选取震后1个月的余震序列作为1次地震的全部余震。而将震后1个月的余震数据作为判定依据，在时间上显然不能满足快速评估的要求。为此，表1给出了对所有震例余震信息的统计，表中是按余震信息的获取时间段，分为0.5h、2h、6h、12h、24h、48h六组时间段的余震数，以及1个月的全部余震数。

表1 全部震例不同时间段可用余震数统计Table 1 Number of aftershocks in different periods after main shock

续表

从数量上来看，震后0.5h的余震数量大多数偏少；6h后有22次震例的余震数超过10个，占55%；24h后余震数在20个以上的的震例有18组。同时，按不同的时间段计算余震质心位置，并对其进行分析。下面以2003年07月21日云南楚雄大姚6.4级地震为例进行分析（图4）。

从图4可以看出，震后6h余震质心位置比后面12h、24h、28h以及全部的余震质心位置发生变化的要小，因此可将其作为此震例的余震法时间点。以此方法对全部震例余震质心随时间延伸而变化的情况进行统计，可得出以下几点结果：

（1）震后0.5h的余震质心位置与其他余震质心位置普遍存在较大的偏差，显然其不能反映宏观震中的位置特点；

（2）震后2h与前面0.5h的余震质心位置则出现较明显的变动；

（3）随着时间的延后以及余震数量的增多，余震质心的位置变化变小，在29组震例中，有26组在震后6h后的位置变化较小，占全部震例的89.7%；

（4）震后12h后，余震质心位置的变化与6h相比，在很小的范围内变化或已不再变化，震后24h、震后48h的情况也基本相同。

综上所述，余震质心在震后6h的位置已趋于稳定，同时结合前面的余震法在震后6h余震质心已趋于稳定的结论，即可得出余震法应用于烈度衰减关系快速判定时，在震后6h就能得出相对准确的主震震中判定的结果。

图4 余震质心位置随时间变化分布图Fig. 4 Distribution of aftershock centroid at different time

3 余震质心与宏观震中位置关系的讨论

3.1 余震质心与微观震中和宏观震中偏移的分析

剔除前面统计的余震信息过少的震例（10个），对剩余的29个震例中，震中偏移量进行统计可得出（图5）：

（1）震中位置偏移小于10km的震例有9个，10—35km的震例有16个，大于35km的仅有4个。微观震中与宏观震中的偏差集中在10—35km，这与李闽峰（2000）、刘吉夫等（2006）所得到的震中偏移量相吻合。

（2）用微观震中与质心的距离和宏观震中与质心的距离进行对比（图 6a），其质心与微观震中和宏观震中距离的偏移差如图6b所示（正值表示微观震中与质心的距离大于宏观震中与质心的距离；负值表示宏观震中与质心的距离大于微观震中与质心的距离）。

（3）余震质心与震中距离差的绝对值在10km内的震例有20例（其中14例小于5km），距离差的绝对值越小，说明余震质心越靠近微观震中和宏观震中中间的位置。偏移差为正值，表示绝对值越大，说明余震质心越靠近宏观震中；相反则为负值，说明质心越靠近微观震中。

图5 震中位置偏移量分析Fig. 5 Statistical analysis on epicenter offset for different earthquakes

图6 震中与质心偏移分析Fig. 6 Offset between epicenter and centroid

3.2 余震质心与震中位置的关系

将余震质心在烈度图上标出，并结合上面的统计结果对震例进行分析，由于观测精度等的影响，将10km作为误差范围。对于震中偏移量小于10km的震例，此时可用余震质心表示宏观震中；而对于震中偏移量大于10km的震例，当余震质心距震中位置小于两震中偏移量的1/3时，则可视为距离较小，亦可用余震质心代替震中；当不满足上述两种情况时，则将余震质心视为在微观震中和宏观震中的中间。

综上所述，根据余震计算余震质心，进而推断宏观震中，可得出以下2种情况（图7a）：

（1）余震质心反映出宏观震中，可将质心作为宏观震中来考虑；

（2）余震质心位于两震中的中间，与两震中偏差角度随不同的发震机制有所变化。

在对上述震例进行分析时，共有 17组震例的余震质心与两震中之间的偏移量较小（对应第1种情况）；而剩余12组震例的震中位置偏移量较大，且余震质心基本处于两震中之间（对应第2种情况）。

对第2种情况的震例进行质心偏移角度分析，偏移角度在0°—30°的震例有8例，且以走滑型地震为主，角度偏差较大的震例其发震机制也较复杂。在66%以上的震例中，余震质心与两震中基本呈线性分布；而偏差角度在60°以内的震例在83%以上（图7b）。

图7 余震质心位于两震中中间的角度分析Fig. 7 Offset angle of centroid located in the middle of epicenters

3.3 从地震破裂性质讨论余震质心分布的两种情况

由于地震破裂类型单一的震例较少，所以本文采用以下2种分类方法：若走滑型分量占主导地位，则视为走滑型地震，若非走滑分量占主导，则视为非走滑型地震，称为“分类一”；“分类二”则将纯走滑型地震视为典型走滑型地震，而非纯走滑型地震，则视为非典型走滑型地震（见表2）。

表2 可用震例统计Table 2 Earthquakes available for statistics

续表

从表2可以看出，走滑型地震共有17组，其中9组震例可用余震质心表示宏观震中；7组震例余震质心在两震中的中间；1组震例余震质心不符合前面提到的2种分布关系。非走滑型地震共有12组，其中9组震例可用余震质心表示宏观震中；3组震例余震质心与两震中较远，不符合前面提到的2种分布关系。而余震质心在两震中中间的震例有2组。

图8是不同地震类型余震质心分布。从图8可以看出，走滑型地震余震质心位于两震中中间的震例占 41.2%，可用余震质心表示宏观震中的震例占 52.9%；非走滑型地震的余震质心可表示宏观震中的震例占75%。有4组震例不符合前面说的2种分布特点，它们分别为：1996年03月19日新疆伽师7.1级地震；1998年03月19日新疆阿图什6.3级地震；2003年08月16日内蒙古赤峰6.2级地震；2005年11月26日江西省九江-瑞昌6.0级地震。同时从图8还可以看出，走滑型地震余震质心的分布与地震模型符合度较低（仅占41.2%），其原因与确定走滑型地震的方法有关。在部分震例中，逆冲推覆（或拉张）构造对地震破裂亦有较大的影响，虽走滑分量相对较大，但将其看作走滑型显然会有较大的误差。

图8 不同地震类型余震质心分布特征Fig. 8 Distribution of centroid in different earthquake type

图9是不同破裂类型余震质心分布。有 9组震例为典型的走滑类型（分类二），其中 6组震例余震质心在两震中中间（图9a），基本呈线性分布，占66.7%；另外3组震例可用余震质心表示宏观震中，它们分别为：1970年01月05日云南通海7.8级地震；2007年06月03日宁洱县6.6级地震；2008年08月30日四川省攀枝花6.1级地震。如果将其他非典型的走滑型震例归入非走滑型震例中再次进行统计（图9b），则共有15组震例可用余震质心表示宏观震中，占75%。

图9 不同破裂类型余震质心分布特征Fig. 9 Distribution of centroid in different fault type

4 结论

综上所述，用余震法快速判定宏观震中是可行的，其准确度、时效性较传统方法有较大的提高，可为快速判定宏观震中提供更好的依据，归纳起来主要有以下2点结论：

（1）余震质心与震中的位置关系与地震破裂类型相关，总的来说可分为2种情况：一是余震质心处于两震中中间，可根据微观震中和余震质心推测宏观震中位置，此情况适用于纯走滑型地震；二是余震质心接近宏观震中，这时可将余震质心看作宏观震中，此情况适用于非纯走滑型地震。

（2）文中将 6h作为余震法快速判定的时间，符合快速判定宏观震中的实效性要求。余震信息量随时间的增加而变大，同时余震质心的位置亦随之变化，研究结果表明，在震后6h左右，有89.7%的震例其余震质心的位置已基本趋于稳定，其与震后12h、震后24h乃至震后30d的余震质心相比都变动较小。

以1990年4月17日新疆乌恰西南6.4级地震为例，其余震质心位于两震中中间，此次地震是北西西向断裂发生右旋错动的结果（王筱荣等，2009），用余震法计算余震质心，图10给出了余震质心与两震中的关系。再以2002年12月14日甘肃省玉门5.8级地震为例，其余震质心与宏观震中非常接近，此次地震为祁连山北缘断裂内的次级断裂——旱峡-大黄沟断裂活动的结果，表现为逆冲断层（何文贵等，2004）；图11给出了用余震质心表示的宏观震中。通过以上2个震例，也可佐证上述2点结论。

图10 余震质心在两震中中间且呈线性分布Fig. 10 Linear distribution of aftershock centroids in the middle of two epicenters

图11 余震质心可表示宏观震中位置Fig. 11 A case of consistent of aftershock centroid and macro-epicenter

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Rapid Determination of Macro Epicenter Based on Aftershocks

Wang Weike, Li Zhiqiang and Li Xiaoli
(Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China)

Currently, the micro epicenter is usually regarded as the macro epicenter approximately when the rapid off-site estimation is calculated in the stage of rapid response after the earthquake. However, the inconsistency between micro epicenter and macro epicenter probably leads to a big error of the result. In view of the great difficulty in determining macro epicenter under the condition of little information available shortly after the earthquake, this paper introduces the method of aftershock analysis, a new approach for rapid determination of macro epicenter. Through analysis on 40 groups of destructive earthquakes since 1970, we find that macro epicenter can be inferred with our aftershock-analysis method,. By this method, it is possible to estimate the macro epicenter within after main shock.

Off-site rapid assessment；Method of aftershock analysis；Micro epicenter；Macro epicenter

王伟锞，李志强，李晓丽，2011. 利用余震法快速判定宏观震中的研究. 震灾防御技术，6（1）：36—48.

地震应急青年基金（CEA_EDEM_201017）、中央级公益性科研院所基本科研基金（DF-IGCEA-0608-2-9）、国家973科技支撑项目（2008BAC44B01）共同资助

2010-07-27

王伟锞，男，生于1983年。硕士研究生。主要从事防震减灾相关研究。E-mail：wwking@126.com