大同窗地震活动频次和应变能特征

王霞 宋美琴

山西省地震局，太原市晋祠路二段69号 030021

0 引言

地震窗是指某些能以微震活动形式灵敏反映区域应力场变化的特殊构造部位（敖雪明等，1998）。自20世纪70年代以来，我国的地震学家就陆续提出并开展了地震窗的研究工作（王泽皋等，1995；薛丁等，2012；夏瑞良，1984），所得结论是开窗后1～3个月（有的窗稍长一点），外围将有较大的或中强以上地震发生；地震频度的变化包含了丰富的地震前兆信息，具有较高短期预报效能（姜秀娥等，1982、1989；王泽皋，1986；王桂岭等，1987；苏鸾声，1997；王培玲等，2004；郑兆苾等，1999），这倍受广大分析预测人员的高度重视；也有的以应变能作为预测指标来反映地震窗对周边中强震的指示意义（缪鹏等，2014；王想等，2016）。近年来，围绕地震窗开展的工作已明显转向数字地震学方面的研究（陈宇卫等，2007；李发等，2013；洪德全等，2013；吕芳等，2013）。

1989年10月19日大同-阳高发生了6.1级地震，这是1815年以来山西地区最大的一次地震，且于1991年3月26日和1999年11月1日又在原地发生了5.8级和5.6级地震。自6.1级地震后该区域余震不断，作为1个余震“窗口”（下文简称“大同窗”图1），截至2016年10月窗口余震总数已达17679次，各震级的地震频次分别为0.0～0.9级13111次，1.0～1.9级3978次，2.0～2.9级439次，3.0～3.9级120次，4.0～4.9级23次，5.0～5.9级7次，6.0～6.9级1次（图2）。大同窗位于山西断陷带北部的大同盆地，处在活动断裂很发育的地区，在地震构造上位于华北北部的敏感部位。以往研究结果表明，其余震序列的日、月频度变化与山西地震带4级以上地震及张-渤地震带的中强地震活动对应较好（啜永清，1995、1999a；啜永清等，1999b），然而仅以频度来分析大同窗，难以很好地反映地震活动状态，尤其是地震能量释放特征。2015年5月大同窗再次开窗，其地震月频次达41次，是2014年3月以来月均值的2倍以上，这次开窗是孕震过程的“窗口”效应？还是“正常背景”的自身地震活动起伏？或是受到周边强震的影响，值得深入思考。因此，本文对大同窗地震序列活动的衰减特征进行研究，以探索地震“应变能”的异常变化。

图1 大同窗位置和小震分布

图2 大同窗余震的M-t图

1 研究方法与资料

1.1 地震频度的幂函数衰减

在半对数坐标系上作出大同余震窗地震频度幂函数衰减曲线，并在曲线上同时绘出了山西带和张渤带中强地震，以最大限度突出异常提取出震兆信息为原则来定出警戒线，凡频度增高超出警戒线的点均作为震兆信息，可参考文献王泽皋（1979）、王泽皋等（1989）。

作大同窗1989年10月18日～2016年10月31日的地震的（ML≥0.0地震无漏记）拟合月频度衰减曲线，识别出正常背景活动时段和异常活跃时段，即在幂函数衰减的背景上所出现的异常峰值。

1.2 应变能计算

利用Gutenberg等（1956）的简化经验公式，根据震级计算地震释放能量（能量单位：J）

以此计算地震释放应变能

对最小完整性震级以上的每一次地震计算其应变能，根据震例，从中提取应变能阈值线。

据大同窗1989年10月18日～2016年10月31日的ML≥0.0地震序列目录（ML≥0.0地震无漏记），表1给出了其中4次ML≥5.0地震活动高潮时段的目录，对全时段目录计算ML≥0.0地震的应变能，以10日累计5日滑动做出应变能时序曲线，然后进行幂函数衰减拟合。

表1 大同窗4次M L≥5.0地震活动统计

1.3 目标地震选取

根据啜永清（1995、1999；啜永清等，1999）等研究结果，选取了1989年10月～2016年10月山西地震带及华北北部ML≥4.0地震共57个（图3），作为本研究的目标地震。

2 结果分析

2.1 月频次衰减拟合

大同窗地震月频次的衰减拟合结果显示（图4）：幂函数衰减系数为0.767，虚线拟合的频度异常阈值为n＝1331.8t-0.7645；月频次对应地震为45个，漏报12个，虚报3次。值得一提的是2008年6月和7月的月频次分别为30次和22次，2013年6月的月频次为36次，均超过拟合线；而这2次虚报，分别出现在2008年5月汶川8.0级地震、2013年5月鄂霍次克海8.0级地震之后；而2015年5月的月频次达41次，超过拟合线，由上述可认为，此次虚报可能与2015年4月尼泊尔8.1级地震有关，因此认为2015年5月开窗受到中国大陆周边大震影响（图4，表2）。

从图2可见，大同窗明显分为3个活跃时段和2个正常背景活动时段，且交替出现（表3），另在4次ML≥5.0地震活动时显示超出拟合线的异常高值。大同窗在活跃时段，山西带、张渤带地震密集发生；在正常背景活动时（平均约4年），山西带、张渤带发生的地震较少。相比前2个活跃时段，第3个活跃时段自2008年5月汶川8.0级地震开始，持续时间最长，其间山西带、张渤带发生一系列中等地震，周边发生多个8级以上大震也造成了大同窗开窗的虚报现象，表明中国大陆周边强震对大同窗产生一定的影响（表4）。

图3 山西地震带及华北北部M L≥4.0地震的震中分布

图4 大同窗月频次统计结果及其与地震的对应情况

表2 周边大震与大同窗的地震频次

表3 大同窗月频次衰减活动统计表

表4 周边大震与大同窗的地震活动

2.2 应变能结果

大同窗应变能时序曲线结果显示（图5），幂函数衰减系数为1.232，以虚线拟合的应变能异常ε＝6.7373×107t-1.3298为阈值，出现19次异常，有3次虚报；应变能变化对应地震为26个、漏报31个（图5（b）、5（c）），地震对应率较频次指标差。其中，第1次（1997年2月）和第3次（2015年5月）虚报是受到青藏块体强震影响后，出现应变能超出阈值的异常（表5）；而第2次虚报出现在2000年1～6月，应变能为，并无强震影响，可能是大同窗口1999年11月1日5.6级地震后自身能量调节所致。

图5 大同窗应变能统计及其与地震对应情况

由于发现大同窗的地震活动受周边强震的影响，因此本文统计了青藏块体1990年以来7级以上强震和西太平洋板块8级以上强震活动对大同窗开窗活动的影响，另对构造上直接相关的鄂尔多斯地块周缘M≥5.8地震的影响也作了分析（图6）。自1990年以来青藏地区共发生7级以上地震10次，西太平洋板块8级以上地震5次，其中10次地震后1年之内，大同窗应变能指标出现超限异常（图5，表5）；9组强震后，其中6组的应变能异常持续时间在5个月内、3组在半年以上。另5次未对大同窗产生影响的强震中，3次位于青藏块体，2次位于西太平洋板块，但其中汶川地震后1月内频次出现开窗异常，表明它还是对窗口活动产生一定的影响。

值得注意的是，西太平洋板块对大同窗产生影响的强震中（共5次），其中在3次强震后应变能异常幅度较一般，其余2次未产生影响，说明该区域对大同窗的影响较青藏块体弱，且有研究认为2011年日本9.0级地震对华北地区的影响程度很弱，并不会改变区域现代构造应力场的分布格局（陈为涛等，2012；丰成君等，2013）。

表5 青藏块体强震对大同窗应变能影响的统计结果

图6 周边强震空间分布对大同窗应变能的影响

另外，1990年以来鄂尔多斯块体周缘M≥5.8地震共3次，均在地震后1年之内，大同窗应变能指标出现超限异常，且若震级越大、距离越近，则应变能异常出现越早、幅度越大，两者之间明显相关（表6）。

3 讨论与结论

本文对大同窗地震的月频次进行幂函数衰减拟合，结果显示其衰减过程中存在活跃时段和正常活动时段的分段特征，第3次活跃时段始于2008年5月汶川8.0级地震后，持续时间较前2个活跃时段长，目前仍处在活跃时段。当大同窗地震处在活跃时段时，山西带和张渤带就密集发生一系列ML≥4地震。大同窗地震的频次变化可能与构造应力场的强弱有关，当构造应力场随时间变化不大时，地震的频次变化较好地服从幂函数衰减，即处在正常背景活动时段；当地震频次变化超过幂函数衰减背景而出现异常峰值即活跃时段，可能反映了区域构造应力场的增强过程，山西带和张渤带ML≥4地震发生在频次增高以后。大同窗地震活动在山西带远场地震、张渤带中等地震前有所反映，前者是由于大同窗位于同一大陆裂谷的北端，后者可能与大同火山至渤海下方“Y”字形低波速异常起到的传导作用有关（Lei，2012）。

本文以ε＝6.7373×107t-1.3298为阈值结果，对大同窗的地震应变能进行统计分析，出现19次地震应变能超限异常，其中在16次异常出现后山西带和张渤带发生了中强地震，但其漏报地震较多，这较频次指标的映震效能差。大同窗位于山西带北端，而山西带又处于鄂尔多斯块体东缘，构造上存在较为直接的关联，因此鄂尔多斯块体周缘强震对大同窗地震活动产生直接影响，表现为强震的震级越大、与大同窗的距离越近，则大同窗应变能异常出现得越早、且幅度越大。另外，大同窗也受到青藏块体、西太平洋板块强震的间接影响，在两大块体的11次强震后地震频次或应变能有所反映。由于大同窗所处的构造环境复杂，位于六棱山北麓断裂、团堡断裂和大王村断裂交汇部位附近，区内还分布着玄武岩火山区，且窗口内发生过1989、1991和1999年大同-阳高中强震群，震区介质比较破碎敏感，对区域应力场的变化反映灵敏。因此，受到印度板块NE向持续推挤作用，青藏高原整体隆升及其物质向东和东南出现“挤出”的侧向流动，其应力也会通过下地壳和上地面的粘滞层产生远程传递作用（Wang et al，2001；缪鹏，2010；李延兴等，2005），而强震活动正是地幔运动在地表的能量释放，可通过应力传递对大同窗甚至山西带产生触发作用，进而影响这些区域中强震的发生。值得关注的是，2001年昆仑山口8.1级、2008年汶川8.0级和2015年尼泊尔8.1级地震后，山西地震带约2年内出现了一系列中强地震；而2011年日本9.0级地震后，对山西地震带地震活动的影响很弱（陈为涛等，2012；丰成君等，2013）；因此大同窗甚至山西带受青藏块体强震的影响较强，而受西太平洋板块的俯冲作用的影响较弱，这与一些学者对中国大陆周边板块作用的动力学研究结果较为一致（汪素云等，1980）。