2016年广西苍梧MS5.4地震前地震活动图像演化特征

李 莎，阎春恒，周 斌，郭培兰，周军学

（广西壮族自治区地震局，南宁 530022）

0 引言

2016年7月31日广西苍梧县沙头镇发生Ms5.4地震（下文简称苍梧地震），极震区烈度达到Ⅶ度，造成梧州市苍梧县沙头镇和石桥镇、贺州市八步区仁义镇、贺州市平桂区共45个行政村不同程度破坏，直接经济损失达10 204.41万元[1]。苍梧地震地处华南褶皱系二级地质构造单元湘桂褶皱带的南部，是1959年以来广西内陆发生的最大地震，并打破了东南沿海地震带长达17年的5级地震平静。地震研究人员对此次地震的孕震机理、前兆异常现象高度关注。徐晓枫等[2]、姚海东等[3]和莫佩婵等[4]分别利用CAP方法反演了苍梧地震震源机制，讨论了此次地震发震构造。胡久常等[5]研究结果显示，苍梧地震前两天，海南、广西、广东、湖南、江西、福建6个省区的地磁台站普遍出现地磁垂直分量日变不同程度的“双低点”异常；王新胜等[6]分析了梧州台连续重力资料，发现苍梧地震前数月存在重力非潮汐持续上升变化；周斌等[7]解译了苍梧地区流动重力和GNSS监测资料，发现苍梧地震位于重力变化梯度带附近，也处于面应变梯度带零值过渡区和最大剪应变率高值区的边缘部位；莫佩婵等[4,8]总结了苍梧地震前广西及邻区测震学及前兆异常变化特征，得到了多项前兆观测资料异常；郭培兰等[9]对苍梧地震的地震活动、震害特征及应急对策开展了分析。以上研究成果为区域地震活动图像分析积累了宝贵经验和成果。

地震活动图像是指区域地震活动的时空展布方式，包括地震活动的增强和平静、空区、条带等，是中强地震预测的重要技术指标[10-13]。如薛艳等[14]指出汶川地震前出现大范围地震活动增强区以及不同时空尺度的地震空区；陈大庆等[15]认为，1987年江西寻乌5.4级及1994年台湾海峡7.3级地震前出现压应力区闭锁地震活动减弱，张应力区中小地震活动呈活跃的趋势。除地震活动图像外，近年来视应力在地壳应力场动态变化监视和地震预测研究中的应用等方面也受到了一些学者的重视，也相应开展了大量的研究工作[16-20]。地震视应力是震源区绝对应力水平的下限估计[21-22]，地震视应力越高，表明震源区的应力水平越高；反之，应力水平则低[23-26]。李艳娥等[27]研究发现，2011年日本Mw9.1大地震前，自2002年中起视应力开始呈趋势性上升变化；彭关灵等[28]研究结果显示，2018年通海Ms5.0地震前视应力出现高值异常。

苍梧地震前，华南地区中等地震、小震群活跃现象突出。莫佩婵等[4]分析了苍梧地震前广西及邻区小震活动增强和震群活跃现象，发现这些现象对苍梧地震具有一定前兆指示意义，但资料时间段较短，研究范围较小。为此，本文系统分析苍梧地震前华南地区地震活动增强现象，并利用小震视应力时空变化研究区域应力场变化，探讨地震图像演化与苍梧地震活动的内在关系。若无特别说明，文中的地震标度均为ML震级。

1 资料和方法

1.1 资料概况

据广西地震台网中心资料，公元288—1969年，苍梧震中250 km范围内共记录4.0以上地震191次，其中5.0～5.9地震36次，6.0～6.9地震1次，最大地震为1969年7月26日广东阳江6.6级地震。1970年至2016年7月31日，苍梧震中250 km范围内共记录3.0级以上地震181次，4.0～4.9级地震11次，5.0～5.9地震1次，最大地震为2016年7月31日广西苍梧Ms5.4地震，地震主要分布于粤西地区（图1）。该范围内地震总体活动水平不高，苍梧地震前，有历史记载以来最大地震为1946年8月1日苍梧4.5级。利用最大曲率法（MAXC），计算得到2008年以来苍梧震中250 km范围内的完备性震级Mc为1.2。

图 1 苍梧震中250 km范围地震分布图

1.2 地震活动图像分析方法

根据苍梧地震前的区域地震活动，本文拟采用小震活动增强、地震迁移及震群活动等地震活动图像分析方法和思路来研究苍梧地震前地震活动图像演化特征。

1）小震活动增强。焦远碧等[29]将岩石蠕变声发射实验中观测到的瞬态蠕变、稳态蠕变、加速蠕变3个阶段的声发射变化与地震活动相对比，发现大震前震中区域地震活动可能出现于稳态阶段后期，地震频度较低但幅值大，可能出现在主破裂前较长时间，是一种中期前兆，而且在大多数强震前可能观测到。众多震例研究表明，在较大地震前，震中周围200～300 km范围内的地震活动增强是一种具有普适性的震兆[30-31]。本文主要分析广西及邻区，特别是苍梧震中250 km范围内3.0级以上地震活动变化特征。

2）地震活动迁移。地震迁移是指地震按一定的时间、空间相继发生的现象，是由边界动力源脉动式推压引起的动力波传播决定的[32]。地震迁移现象在国内外研究甚多，在全球[33]、东亚大陆[34]、中国[35]、日本关东地区[36]、南北地震带[37-38]、鲜水河断裂带[39-40]、祁连山地震带[41]、东南沿海地震带[42-44]等，均存在类似的地震有序迁移现象，在潜在震源区的划分及地震活动危险区预测方面已得到广泛应用。本文将分析2012年至苍梧地震华南及邻区（107°～120°E，21°～32°N）4.0 级以上地震迁移特征及其与苍梧地震的关系。

3）震群活跃。震群是地震活动的一种形式，被认为由一组相当震级的地震组成，在时间和空间上聚集，缺乏一个明显的主震[45-46]。震群可能是由流体（岩浆或水库蓄水）侵入引起，也可能是因为区域构造应力的增强导致。Toda等[47]认为震群可作为判断区域应力变化的一个重要指标，即利用震群活动来预测未来发生地震危险性升高。本文对震群的判定规则为：最大地震释放的能量占全序列地震释放总能量的比小于90%[48]，或与最大地震震级差ΔM＜0.6的地震次数在3次及3次以上[49]。据此，分析苍梧地震前华南地区（106.5°～118.5°E，18°～30°N）震群活动的时空特征及其与苍梧地震的关系。

1.3 视应力计算方法

为分析苍梧地震前区域构造应力场变化特征，利用华南地区数字化台网记录的宽频带地震波形资料，结合台站分布和地震频次，计算2012年以来苍梧震中250 km范围内2.5级以上地震视应力。通常视应力与地震震级之间存在相关性，为消除震级对视应力的影响，对视应力计算结果进行拟合，再用视应力减去对应震级的视应力拟合值，得到差视应力，并以8个地震为一组，1个地震为步长进行滑动绘制差视应力随时间演化曲线。

2 苍梧地震前地震活动图像演化特征分析

2.1 小震活动增强特征分析

M-t图（图2）显示，2008—2011年，苍梧震中250 km范围内3.0级以上地震活动水平较弱，仅发生4次3.0级以上地震，最大地震为2010年9月23日广东高州3.5级。2012年开始，苍梧震中250 km范围内3.0级以上地震开始活动，2012年11月至2013年5月出现3级地震活跃，7个月内发生5次3.0级以上地震，且地震强度逐渐增强。此后，3.0级以上地震平静6个月，被2013年12月6日广东高州4.2级地震打破。后约1年时间内，再次出现小震活跃，发生5次3.0级以上地震，最大震级4.1，地震应变释放曲线呈现加速特征。2015年1月至2016年6月，地震活动减弱，仅发生2015年8月26日广东高州3.6级和2016年3月7日广西平乐3.0级地震，随后发生2016年7月31日广西苍梧地震。郭培兰[52]分析了1970—2009年广西及邻区13次4.5级以上震例，发现12次震例前存在3.0级小震活动明显增强现象，认为小震活动增强对广西未来中强地震趋势分析有指示意义。杨向东等[53]研究发现，地震活动增强一段时间后，其活动水平明显下降，震中附近中小地震在时间轴上往往表现为增强—平静的异常特征。刘蒲雄等[54]研究结果显示，在地震活动增强过程中，累积频度和地震应变释放曲线显示加速形态。结合前人研究成果综合分析，苍梧地震前存在小震活动增强现象，呈现“小震活动增强—小震持续活跃—小震相对平静—发生中强地震”特征。其中，2012年11月至2013年底为增强时段，2013年底至2014年为活跃时段，2015年至发震前为平静时段。

图 2 苍梧震中250 km范围内3.0级以上地震M-t、蠕变图

苍梧地震前，震中附近表现出短时间小震相对平静，但位于右江地震带的桂西北地区（图3黑框区域）出现3级地震频次增强现象（图4）。1970年以来，广西及其邻近北部湾海域共记录到Ms5.0以上地震5次，其中1977年广西平果Ms5.0、1994年底和1995年初北部湾Ms6.1、Ms6.2双震前，桂西北地区均出现3.0级以上地震季频度增强现象，季频度均达到4次。1988年北部湾Ms5.0前小震增强现象不明显（图4）。苍梧地震前，桂西北地区再次出现小震活跃。从2016年起至苍梧地震前，广西地震台网分别记录到1月11日靖西3.4级、1月21日平果3.0级、2月1日南宁3.8级、4月3日扶绥3.4级及7月16日平果3.4级共5次地震，季频度达到4次。上述表明桂西北地区3级以上地震活动与广西及其邻近北部湾海域5.0级以上地震存在较好的对应关系，可将桂西北地区3级地震季频度达到4次作为广西及其邻近北部湾海域5级以上地震活动的中期异常指标。

图 3 2016年1—11月广西及邻区3.0级以上地震分布

图 4 1970—2016年桂西北地区3.0级以上地震季频度与广西及北部湾MS5.0以上地震

2.2 华南及邻区地震迁移及震群活动分析

据统计，2012年至苍梧地震前华南及其邻区4.0级以上地震较活跃，并呈现较规律的震中分布特征。2012年2月至2015年3月，华南及邻区共发生18次4.0级以上地震，其中14次地震震中位于水库地区，占地震总数的78%。而2015年6月至苍梧地震前，华南及其邻区发生的5次4.0级以上地震震中均位于非水库地区（图5，表1）。即与前几年相比，华南及其邻区显著地震活动主体地区已由水库区向非水库区迁移。地震的孕育，是应力-应变集中发展的过程。水库蓄水后，库水对库区介质的作用会产生一个附加应力场，并与区域构造应力场叠加，共同控制区域构造活动[55-56]。当区域应力积累到较高水平时，受水库蓄水影响，水库地区更容易达到应力临界状态而率先进入失稳滑动。因此，区域应力场增强过程中，对区域应力调整相对敏感的水库地区可能会先发生中小地震。这些对区域应力场变化的“敏感点”，可视为“应力窗口”或多（应力集中）点场[57-58]。

图 5 2012—2016年华南及邻区4.0级以上地震和苍梧地震前华南地区震群分布图

与华南及邻区中等地震由水库区迁移至非水库区同期，华南地区共记录到10次小震震群及1次小震序列活动，震中主要位于广西中部、广东东北部、湖南东南部、福建西南部，呈近NE向的条带状分布，苍梧地震发生在条带中西部（表2，图5）。统计2000年以来华南地区2.0级以上震群活动，发现2015年3月30日贵州剑河Ms5.5地震前9个月，震群季频次达到5次；苍梧地震前3个月，震群季频次达到4次。苍梧和剑河地震前，震群季频度均升高，可能对华南地区5.5级左右地震活动具有指示意义。

3 苍梧地震前震中区应力变化特征

通过计算获得2012年以来苍梧震中250 km范围内2.5～3.6级共41次地震的视应力，这些地震主要集中分布于苍梧地震南部。从差视应力的空间分布可知，苍梧地震南部差视应力以偏高为主（图6）。考虑到地震样本的空间分布及时间连续性，选取地震相对密集的苍梧地震南部26次地震（图6红色线圈内地震）进行视应力时间序列分析。结果显示，2014年6月，该地区视应力出现上升现象，并于2014年10月左右达到最高值，高视应力持续至2016年初，6个月后发生苍梧地震（图7a）。差视应力在2014年中开始急速上升，约2个月后出现最大值，高值持续10个月，2015年5月恢复至正常水平，14个月后发生苍梧地震（图7b）。由此表明，苍梧地震发生在区域应力场增强过程中。

4 讨论与结论

本文系统分析了苍梧地震前华南地区地震活动图像演化特征，并结合震前震中周边地区中小地震视应力变化，探讨了地震活动图像与苍梧地震活动的内在关系，得出以下结论。

表 1 2012—2016年华南及邻区4.0级以上地震及参数

表 2 苍梧地震前华南地区震群及参数

图 6 苍梧地震前震中250 km范围内2.5～3.6级地震差视应力空间分布

图 7 苍梧地震前震中南部2.5～3.6级地震应力变化时间序列

1）苍梧地震前，广西地区存在小震增强和集中活跃现象。苍梧地震前4年，震中250 km范围内小震增强和持续活跃，呈现“小震活动增强—小震持续活跃—小震相对平静—发生中强地震”特征，同时伴随地震应变释放曲线呈现加速。郑萍等[59]也指出苍梧地震前出现中期区域地震增强-密集活跃、短期区域地震显著平静现象。随着发震时间的逼近，桂西北地区出现3.0级以上地震频次增强，苍梧地震前，3.0级以上地震季频度达到4次。震例回溯显示，1977年平果Ms5.0、1994和1995年北部湾Ms6.1、Ms6.2双震前亦出现桂西北地区3.0级以上地震季频度升高现象。

2）苍梧地震前，华南及邻区出现中等地震迁移和小震群活跃。2012年至2015年6月，中等地震集中发生在对区域应力相对敏感的水库地区，中等地震活动一定程度上释放了水库地区积累起来的应变能。由于非水库地区未发生显著地震活动，成为应变能积累相对较高地区。在此背景下，随着华南地区应力水平进一步增强，2015年6月至2016年7月，中等地震活动主体地区迁移至对应力变化较敏感的非水库地区。与此同时，苍梧地震前1年内，华南地区发生10次小震震群及1次小震序列活动，呈近NE向的条带状分布，苍梧地震就发生在条带中西部。2015年贵州剑河Ms5.5地震前9个月，华南地区震群季频次达到5次，苍梧地震前3个月震群季频次达到4次。华南地区震群、季频度均升高，有可能对该区5.5级左右地震活动具有指示意义。

3）苍梧地震前，区域应力出现增强过程。视应力计算结果显示，苍梧地震前2年差视应力升高，表明震源区应力水平存在增强过程。受地震资料限制，未能分析更大范围的区域应力变化情况。但应力增强现象与震中附近小震活动增强、桂西北地区3级地震活动增强以及华南地区中等地震迁移存在很好的同步性。据此推测，苍梧地震发生在华南地区应力水平增强背景下。2012年以来，华南地区中等地震迁移、小震群活跃及广西地区小震活动增强等地震活动图像的演化，是区域应力增强过程中的伴随现象。因此，华南地区地震活动对苍梧地震具有一定前兆指示意义。

综上，“小震活动增强—小震持续活跃—小震相对平静—发生中强地震”的小震演化特征及桂西地区3.0级以上地震季频次达到4次可作为广西及其邻近北部湾邻近海域5.0级左右地震活动的参考指标；华南及邻区中等地震由水库地区向非水库地区的有序迁移，可反映该地区区域应力水平的增强；华南地区2.0级以上小震群季频次达到4次对华南地区5.5级左右地震活动具有较好对应关系。中小地震活跃是中强地震前普遍存在的现象，其活动特征受地质构造、岩石物性、受力方式等诸多因素影响，不同构造区或同一构造区不同地震活动期内，中强地震前的中小地震活动图像演化可能会存在差异。

致谢 广东、福建、湖南、海南、贵州、广西数字地震台网为本研究提供的地震数字波形，中国地震局地球物理研究所陈学忠研究员和重庆市地震局陈丽娟工程师在视应力计算方面提供了指导和帮助，研究图件主要采用GMT绘制，在此对以上单位和个人表示衷心感谢。