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2021年青海玛多Mw 7.4地震前后b值的变化特征研究.docx
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2021年青海玛多Mw 7.4地震前后b值的变化特征研究.docx
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根据中国地震台网中心测定,北京时间 2021-05-22T02:04:11,青海省玛多县附
近发生 Mw 7.4 地震,震源深度 17 km,震中位于 98.34°E,34.59°N
(https://news.ceic.ac.cn/CC20210522020411.html)。此次玛多地震是 2008 年汶川 Mw
7.9 地震之后中国大陆震级最大的一次地震,地震发生在大陆块体内部,发震断层为东昆
仑断裂西南约 100 km 处的昆仑山口-江错断裂,如图 1 所示。从余震精定位结果、矩张量
解反演和断层破裂来看,此次玛多地震为一次近乎垂直的左旋走滑型地震
[1-3]
。自 1937 年
花石峡 M 7.5 地震至今,该区域一直处于平静状态,没有发生过 7.0 级及以上地震。以往
对该地区的研究主要关注昆仑断裂带上的滑动速率和地震危险性
[4-5]
,对大陆块体内部的次
级断层的研究较少。通常情况下,相比块体边界的深大断裂,块体内部的次级断层滑动速
率相对较小。最新的大地测量研究显示,玛多地震发震断层的现今滑动速率仅为 1.2±0.8
mm/a
[6]
,这表明块体内部低滑动速率的断层也具备发生大地震的可能性。
图 1 2021 年玛多 Mw 7.4 地震周边区域地质构造和 5 级以上历史地震分布
Figure 1. Regional Geological Structure and Earthquakes (≥5.0) Distribution Around the
2021 Mw 7.4 Maduo Earthquake
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地震目录是进行地震构造学、地震活动性、震源物理学以及灾害分析相关的研究的基
础资料。地震的震级是测量地震规模最常用的参数,对于一组地震序列来说,由于震源起
始、破裂以及地震发生时间和震级的不确定性,往往很难对地震可能的发生位置和规模进
行准确判断。1944 年,古登堡和里克特通过研究美国加州地区的历史地震目录,提出了著
名的古登堡-里克特频度-震级(G-R)关系式
[7]
:
N=a-bM ]]>
式中,N 表示震级在 M 以上的地震个数;参数 a 表征区域内的地震活动水平;参数 b
(通常称为 b 值)反映区域内地震相对大小的分布情况。
岩石破裂实验研究发现,b 值随着差应力的增加而线性减小,即低 b 值对应高应力状
态
[8]
。以往对历史地震目录的研究也发现,大地震之前震源区 b 值往往相对较低且呈现下
降趋势,如 2004 年苏门答腊 Mw 9.1 地震、2008 年汶川 Mw 7.9 地震、2011 年日本东北
Mw 9.0 地震和 2020 年阿拉斯加 Mw 7.8 地震。在这些大地震发生之前,震源区的 b 值存
在明显的持续下降趋势
[9-13]
。因此,利用一定时期内区域地震目录计算 G-R 关系中的 b
值,可以作为反映区域构造应力状态的一个重要指标,对未来预测大地震可能的发生区域
也具有重要的参考价值。此外,大地震之后的 b 值演化也可以作为震后地震危险性分析和
是否存在更大地震发震可能的判断依据。文献[14]通过对 27 个地震序列的研究发现,当地
震发生后所伴随的余震序列的 b 值相对背景地震的 b 值变小时,则该地震可能是后续更大
震级地震的前震,并依此提出了“红绿灯”(foreshock traffic light system,FTLS)模型来
评估震后地震危险性。
随着中国数字台网的不断更新和地震监测技术的提高
[15]
,中小地震的检测能力和地震
目录的完备性得到了大幅提升。为了探明 2021 年玛多 Mw 7.4 地震之前震源区的孕震环境
和余震的演化过程,本文利用中国地震台网中心提供的 2009-01-01—2021-05-20 的地震
目录和震后余震序列,统计分析玛多地震前后地震 b 值的变化,尝试从震源区 b 值的动态
变化过程中获取玛多地震的孕震信息,以揭示地震前后的应力演化过程及区域应力的时空
差异性,为今后构造块体内部的地震危险性研究和余震演化提供参考。
1. 方法和数据
目前有两种计算地震 b 值的方法,即最小二乘方法
[16]
和最大似然估计方法
[17]
。在最小
二乘方法中,利用地震震级和累计地震次数之间的关系给出线性趋势,计算趋势线的斜率
给出该区域的 b 值。该方法的缺点是易受高震级地震的影响。为了克服这个问题,文献
[18]和文献[19]提出了最大似然估计方法,利用所有地震目录的平均幅度来估算 b 值,并发
现对于超过 50 个的地震事件,最大似然估计方法优于最小二乘方法。考虑到研究区地震
的分布,本文采用最大似然估计方法计算研究区的 b 值分布和震源附近 b 值变化的时间序
列,计算式为:
b=Nlg∑i=1N(Mi-Mc+ΔM/2) ]]>
式中,N 是在地震事件数量;M
i
是第 i 个地震的震级大小;Mc(the complete
magnitude)是完备震级(所能检测到的最低震级);ΔM 为最小震级差,ΔM/2 是对震级
四舍五入的修正。
要想深入了解一个地区的地震活动,高质量的地震数据库是必不可少的,通常情况
下,b 值的估算依赖于所选的地震目录。本文选取中国地震台网中心提供的 2009-01-01—
2021-05-20 的地震目录,所选范围为 94°E~103°E,31°N~38°N,目录包括 32 230 个定
位良好的事件。为了获取研究区 b 值的空间分布,本文将研究区域细分为 0.1°×0.1°网格,
以每个网格点为圆心,设定落入半径 R=100 km 的圆柱体中的地震数目大于等于 50 个,
以此来拟合 G-R 关系,计算给出该格点的 b 值。准确合理的 b 值估计强烈依赖于完备震级
Mc
[20-21]
,因此本文采用最大曲率法
[18]
对 Mc 进行估算。该方法简单有效,选取震级频率曲
线中斜率最大值所对应的震级,再增加修正系数+0.2
[22]
,以获取最终的 Mc。为了确保每个
计算格点上地震目录的完备性,在计算每个格点上的 b 值时,删除 Mc 以下的所有地震事
件,并始终确保地震事件数大于等于 50 个,对于不满足上述条件的格点则将其忽略。而
对于玛多地震前震源区 b 值时间序列的计算,根据测试结果和前人研究成果
[9]
,最终使用
窗长为 50 个事件,滑动步长为 5 个事件。每组 b 值的误差利用文献[23]的方法估算。
2. 玛多地震前 b 值计算结果
为了满足 b 值的计算要求,研究区的范围略小于地震目录的范围(95°E~102°E,
32.5°N~36.5°N)。本文利用最大似然估计方法,计算了 2021 年玛多 Mw 7.4 地震之前震
源区及其周边地区 b 值的空间分布,如图 2 所示,其中红色虚线框为震源区,相应格点的
Mc 在 1.0~1.3,这与文献[24]的结果类似。由图 2 可看出,2021 年玛多地震之前研究区
的 b 值呈现不均匀分布,范围在 0.5~1.4,而在 2021 年玛多地震发震断层周边区域 b 值较
低,都在 0.6 以下,明显低于正常水平(b=1.0)。这反映出由于构造运动,玛多地震发震
断层区域的剪切应力积累在地震之前处于较高状态。另外,通过对比低 b 值区域的空间展
布和 2021 年玛多地震的断层破裂和余震分布
[1,25-26]
,二者在空间上有很好的对应关系。图
3 为震源区的频度-震级分布,其中频度-震级分布包括累积和非累积频度-震级分布,灰色
虚线是频度-震级曲线中斜率最大值对应的震级。由图 3 可以看出,目前情况下的地震目
录(Mc=1.3)较好地吻合了 G-R 关系,震源区的 b 值为 0.56。
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