前震特征及其识别研究

前震特征及其识别研究---------------------------王林瑛1) 　陈佩燕1) 　吴忠良1 , 2) 　白彤霞1)
1) 中国北京100081 中国地震局地球物理研究所　　　　　
2) 中国北京100039 中国科学院研究生院地球系统科学中心摘 摘要　分析了中国大陆地区1970 年以来117 次中强地震(东部MS ≥5. 5 , 西部MS ≥6. 0) 其
中有直接前震的地震11 次, 占9 %; 有广义前震的地震63 次, 占51 %. 直接前震与主震的时
间间隔优势分布在30 天以内, 空间距离50 km 以内, 震级差在1 级以上. 利用辽宁数字地震
资料, 得到了1999 年11 月29 日和2000 年1 月15 日岫岩MS5. 6 和5. 1 地震前的直接前震具有较高的剪应力背景. 关键词　　直接前震　广义前震　环境剪应力
中图分类号: P315. 5 　　　文献标识码: A 引言
广义前震和直接前震的特征与识别及其在强震中短期预测方面的应用研究, 一直是国
际和国内测震学方法中短临预测研究的主攻目标. 我国曾多次实现了短临预测, 在具有明
显减灾实效和社会显示度的地震短临预报中, 直接前震的贡献是显见的(如:1995 年7 月
12 日的孟连MS7. 2 地震和1999 年11 月的辽宁岫岩MS5. 6 地震) . 在日常地震跟踪分析
中, 经常会遇到中等强度的地震发生后, 需要尽快回答其是否含有强震发生的中短期信
息, 对其是否为广义前震或直接前震作出判断. 如果能够在强震发生前对广义和直接前震
作出早期判断和识别, 则可将难度很高的地震三要素(时、空、强) 预测基本转化为单要素
预测(时间: 年尺度或月尺度) , 尤其是直接前震的判断对于短临预测更为重要和关键. 在
近年国内外数字地震学蓬勃发展的进程中, 学者们也特别重视对地震破裂起始的研究(陈
运泰等, 2000) , 将单次直接前震或直接前震序列形象地比喻为大地震前产生的“种子”地震, 同时对这些具有特殊预测意义的“种子”地震, 在利用有关数字化资料研究未来孕震区
破裂聚集和发展成核的物理过程, 探讨孕震区介质临界相变的物理特性方面, 给予了积极
的关注(Ohnaka , 1993) .有关前震形成的机理和震源介质条件的研究是国内外地震学家非常重视的研究课题.
20 世纪80 年代以来, 国内外地震学家对前震进行了一系列的研究(刘正荣, 孔绍麟,
1985 ; Jones et al , 1982 ; 陆远忠等, 1985 ; 梅世蓉, 冯德益, 1993) , 但这些研究着重于直
接前震序列空间分布特征. 在前震识别方面, 国内部分学者在“八五”重点科研攻关课题研究中, 注重通过前震序列的时序衰减特性( h 或p 值) 和地震能量分配比例( b 和k 值) 特征等进行识别。有关广义前震和直接前震形成机理和震源介质性质的研究却较为少见, 最主要的原因是缺少高精度和宽频带的数字化
地震资料, 这阻碍了各种震源介质参数确定精度的提高和源区介质有效信息的提取.
由于中国数字地震观测台网、数字地震前兆观测台网建设逐渐日趋完善. 现代化台站
的建设和运转, 为开展广义前震和直接前震与同等量级的一般地震的源区介质参数和条件差异的研究提供了大量的观测数据, 使得本研究的目标成为可能.1 　前震的定义
梅世蓉和冯德益(1993) 将前震的定义为:“前震是指主震前发生在震源区内与主震有
关的一些地震, 前40 天中发生在距主震100 km 内的地震被认为是有意义的前震, 或称直
接前震”. 陆远忠等(1985) 对前震曾作过这样的描述:“序列中主震前发生的地震叫前震,
主震后发生的地震为余震. 前震一般在主震前几分钟或几天发生. 前震、主震和余震均处
在主震震源区内, 是震源区同一失稳过程的结果”. 陈运泰等(2000) 在专门论述破裂起始
现象时指出:“瞬时前震, 指的是在较大地震之前非常短的时间内(一般为一天或几天内)
发生的、距离较大地震很近的小地震. 这些小地震被认为是较大地震的“种子”. 上述定义
主要针对的是直接前震. 根据这些前震的定义, 基本将直接前震限定在强震孕育区内或边
缘, 与未来强震的孕育区关系密切. 显然, 这些前震的发生部位与一般同等量级地震的介
质性质和应力背景应有所不同.
广义前震是在直接前震定义上的拓延, 陆远忠等(1985) 对广义前震同时作过这样的论
述:“广义前震是发生在一个地震序列之前较长时间(几个月、几年甚至更长) , 较远距离
(距震源数十千米甚至数百千米) , 与该序列孕育有关的单个地震(即前兆地震) , 或地震群
(即前兆震群) 以及它们的组合”.
上述前震的定义在时间上作出了较为明确的界定, 在空间上限定的比较宽松和笼统.
1970 年以来, 我国大陆地区发生了上百次中强震, 如果根据它们所具有的前震与主震事件
的时空距分布特点, 给出前震更为具体的界定, 对于进一步给出前震较为客观的定量判定
标志是有益的. 为考察多年以来积累的大量主震事件前震与主震之间时空距分布实际具有
的特征, 在上述定义的基础上, 首先选取相对宽松的范围进行统计, 以便确定出较为客观
的优势分布特征.
本文不分直接前震还是广义前震, 选取的震级范围为ML 4. 0～5. 9. 取前震震级下限
在ML 4 以上, 是考虑其与区域微震活动相比具有一定的显著性. 因为震级愈小的地震随机
发生的概率愈大, 与主震的关系也会随着震级的降低随机偶合的成份明显增加. 首先在时
间和空间上定义“疑似”前震为: 与主震间隔时间Δt ≤360 天, 与未来强震距离ΔR ≤350
km , 与主震的震级差在0. 5 级以上. 在此定义下, 以主震为参考点筛选最为宽松条件下的
“疑似”前震, 而后考察“疑似”前震是否在与主震事件时空距非常接近的区域内, 存在明显
的优势分布. 如果这种统计的优势分布特征存在, 则可对直接前震给出相对客观的定量判
别依据. 地震数据取自1970～2003 年中国地震局分析预报中心全国地震目录. 东部地区
(东经105°以东) 为MS5. 5 以上主震(排除海域和台湾地震) , 西部地区(东经105°以西) 为
MS6. 0 以上主震, 共选取主震事件117 次. 本研究重点考察了这117 例主震事件的前震情
况. 筛选结果可选出“疑似”前震63 例, 占主震事件总数的51 %. 2 　直接前震与主震的时空分布特征
为了解直接前震与主震的时间分布特征, 本文对确定的“疑似”前震与主震的时间间隔
的分布特征进行了统计分析.
2. 1 　直接前震与主震的时间分布特征
图1 为不同统计间隔“疑似”前震的比例. 图中可见到在50 天内, 尤其是30 天内的比
例明显高于其它统计时间. 这种明显的高比例区间, 恰好是“直接前震”与主震的时间间
隔, 与上述对直接前震的描述基本相符. 优势的时间间隔分布在25 天以内(图1) , 较上述
将前震定义在40 天内更为短些.
2. 2 　直接前震与主震的空间分布特征
与“疑似”前震和主震时间分布特征的分析相同, 图2 为“疑似”前震与主震的空间距离
的分布特征. 图中也可看到优势分布在50 km 范围内, 间隔200 km 以上的比例也有所升
高, 其原因是空间间距越远, 统计的环形面积随之很快增大. 如果同时考虑统计的面积因
素, 随着统计半径的增加, 与统计范围相比, 落入的“疑似”前震的比例也是明显降低的.
尽管如此, 在50 km 的间距内表现出显著的高比例分布特征是可信的. 同样, 与上述对直
接前震的描述相符, 其优势的空间间隔分布在50 km 范围以内(图2) , 较上述将前震定义
的空间范围100 km 以内更为近些.　由上述统计结果可见, 将直接前震定义在主
震前30 天和50 km 范围内比较符合客观实际.
2. 3 　主震与直接前震的震级差分布特征
研究主震与前震的震级差的分布特征, 需要
确定前震的震级范围. 考虑到前震和主震震级应
有一定差距, 将前震震级定义在ML 4. 0～5. 9. 根
据前面的统计结果, 空间间距限制在50 km 范围
内, 为增加统计的样本, 将时间差扩大到60 天
内. 再考察符合条件的直接前震事件与主震事件
的震级差别的分布特征, 由此得到直接前震与主震震级差别的优势分布, 给出直接前震与
主震震级差较为客观的定义. 图3 给出直接前震与主震震级差的统计结果. 由图3 中可见,
震级差的优势分布在1～1. 5 级, 震级差小于1 级时与震群特点接近, 地震类型接近群发特
点. 因此, 直接前震与主震震级差定义在1 级以上较为合适. 综上, 从时间、空间和强度三方面研究前震与主震间隔的统计结果表明, 对于直接前
震可以定义为:
1) 直接前震一般发生在主震事件前30 天内.
2) 直接前震一般发生在与主震事件相距50 km 的范围内.
3) 直接前震与主震事件的震级差在1 级以上.
以上述3 点作为直接前震的量化定义较为合适. 如果一旦能将直接前震加以准确识
别, 则预测的分辨率可达到30 天和50 km 范围内, 未来主震的强度比前震大致高1 级以
上. 其预测的时空分辨率是较高的.
根据上述定义, 在1970 年以来117 例中强震前符合本文定义, 可识别出直接前震的主
震为13 次(表1) , 在主震事件中有11 %具有直接前震. 但困难的是, 并非所有的ML 4. 7～
5. 9 地震后都会发生强震, 在这类地震中符合广义前震或直接前震条件的比例很低, 为直
接前震的更是凤毛麟角. 在全国大陆地区1970 年以来ML 4. 7～5. 9 地震发生过1 697 次,
有直接前震的仅占其中的0. 016 %. 由此可见, 虽然在10 %左右的6 级以上地震前存在前
震, 但只有将前震从大量的一般中等显著地震中有效地识别出来, 方可对中强地震作出有
效的中短期或临震预测.为了解直接前震与主震的时间分布特征, 本文又近一步对确定的13 次直接前震与主
震的时间间隔进行了统计. 结果表明: 在13 例直接前震中, 与主震的时间间隔小于20 天
的占92 %, 小于10 天的占77 % , 小于1 天的占38 %(表2) .
对于确定的13 次直接前震与主震空间距离进行了统计. 结果表明: 直接前震与主震的
空间距离小于30 km 的占69 % ,小于10 km 的占38 %(表3) .
　在上述研究的基础之上, 本文将与主震空间间距在50 km 范围内, 与震前时间差30
天内的“疑似”前震视为直接前震.
3 　构造环境剪应力与直接前震的识别
考察117 例中强震前有直接前震发生情况的统计结果表明, 有直接前震的仅占11 % ,
而且对于单次直接前震的识别仍十分困难. 117 例中强震前符合本文定义条件的广义前震
63 次, 占51 %. 1970 年以来大陆地区发生ML 4. 7～5. 9 地震1 697 次, 为广义前震的仅占
0. 07 %. 虽然有51 %的中强震具有广义前震, 但由于其占同等大小的一般地震的比例很
低, 将广义前震从一般地震中有效地识别出来仍然是十分重要和困难的. 可见, 直接前震
的识别至关重要, 特别是孤立的前震识别, 既具有明显的短临预测意义, 同时也具有较为
理想的预测分辨率. 利用数字化地震波数据, 研究前震与一般地震应力环境的差异是识别
前震可能的有效途径之一.
根据白彤霞和陈培善(1998) 提出的地震发生的断裂力学破裂模式, 绝大部分浅源地震
都是岩石在构造环境剪应力作用下发生的大规模破裂的宏观表现. 因此, 构造环境应力场
是控制地震发生的重要因素. 在地震孕育、发展和发生的过程中, 构造环境应力场也会表
现出应力强度在时间和空间的调整变化.
陈培善等(1993) 根据地震发生的断裂力学破裂模式和震源谱理论, 导出了震源处峰值
加速度ap 、峰值速度vp 和峰值位移dp 与构造环境剪应力值和地震矩M0 的关系:
ap = Caτ20
(1)
式中, Ca 为常数. 若能够根据一批实际观测资料, 确定出这3 个常数, 则可根据震源处的
ap 与构造环境剪应力值τ0 的关系, 直接计算出τ0 . 当然, 由实际观测值换算到震源处的
值, 还必须考虑加速度、速度和位移的衰减模式. 在有数字资料之前, 利用模拟资料的体
波震级mb 和长周期面波震级MS , 估计环境应力值τ0 . 式(1) 表明, 应力值的平方仅与峰值
加速度成正比. 利用数字化原始记录, 采用国际地震学和地球物理协会( IASPEI) 和联合国
科教文组织(UNESCO) , 以及美国地震学会(SSA) 推荐的地震波数字化分析处理软件Pit2
sa , 只需测出地震S 波的加速度峰值ap , 再根据合适的衰减模式将观测台站记录到的加速
度峰值ap , 经过几何扩散和介质吸收效正, 换算成震源处的加速度峰值, 再由公式(1) 即可
推算出测定地震的τ0 值. 为进一步避免误差, 可用多台τ0 结果进行平均, 以保证τ0 计算
值的稳定性. 该方法的优越性是计算步骤少, 测量精度高(陈培善等, 1998) .
本文利用1999 年11 月～2000 年1 月辽宁数字地震台网记录的数字化波形资料, 计算
了辽宁岫岩地震序列精选出的112 个地震事件的环境剪应力值, 以分析研究直接前震附近
地区的环境剪应力背景τ0 值与一般地震的差异. 图4a 为计算所得的7～10 个台站平均的
环境剪应力τ0 值与ML 对比图. 由图4a 可见, 取对数后的剪应力τ0 值与ML 具有很好的
正比关系, 如果不取对数, 则剪应力τ0 值随ML 呈指数增长. 可见, 环境应力背景的强弱
与震级的大小存在依赖关系. 本研究根据这种依赖关系, 进行线性拟合后可推算出相应震
级环境应力的经验值, 将实测的环境剪应力值与理论环境剪应力值之差, 作为表征源区附
近环境应力与正常环境应力的偏离量τ3
0 值. 图4b 为偏离量τ3
0 值与ML 的关系图, 图中基
本看不到线性关系的存在. 由此表明: 偏离量τ3
0 值与ML 的大小基本无关, 在正常的情况
下, 偏离量τ3
0 值应正值或负值随机分布. 在112 次地震事件的偏离量τ3
0 值在时间变化的
　2 期　　　　　　　　　　　　王林瑛等: 前震特征及其识别研究175
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过程中,可清楚地看到,在1999 年11 月29 日的MS5. 6 主震前大都高于经验值,取正值,甚
至在临震之前达到3 MPa 以上. 主震过后,偏离量τ3
0 值逐渐恢复正常. 值得注意的是,在
此序列最后一次MS5. 1 中强地震前,偏离量τ3
0 值再次明显上升. 这种随震情发展表现出的
明显起伏变化,很可能反映了在中强地震前孕震区环境应力背景的增强过程. 图5 为1999
年11 月～2000 年1 月辽宁岫岩地区ML ≥2 地震的环境剪应力偏离量τ3
0 值随时间变化图.
　
图4 　(a) 环境剪应力τ0 值与ML 关系图; (b) 环境剪应力值
的偏离量t
3
0 与ML 关系图
　
图5 　辽宁岫岩地震序列环境剪应力偏离值τ3
0 随时间变化图
1999 年11 月～2000 年1 月的辽宁岫岩MS5. 6 地震序列, 是一次典型的前主余震事
件. 其环境剪应力偏离量τ3
0 值在两次中强显著事件前显现出的高背景应力状态是比较可
信的, 是一次通过数字化地震资料得到的典型前主余震序列应力背景变化的实例, 结果是
令人鼓舞的. 它可以作为前震背景应力较高的证据. 尽管这仅是一次震例, 但该序列中强
震前应力背景增高的差异是有一定说服力的, 使我们看到了数字地震资料中可能含有十分
重要的孕震区附近应力环境的信息, 为识别直接前震和预测地震序列后续的强余震, 提供
了一种较为有效的震源区附近应力状态改变的物理判据.
4 　结论
上述研究结果表明, 直接前震一般发生在主震事件前30 天内; 直接前震一般发生在与
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主震事件相距50 km 的范围内; 直接前震与主震事件的震级差大致在1 级以上.
如果一旦能将直接前震加以识别, 则可根据前震的时间、位置和能量推测未来主震事
件的三要素. 其预测的时空分辨率可达到30 天和50 km 范围内, 未来主震的强度比前震
高1 级以上. 其短临的预测意义是较为理想的. 前震与主震具有较小时空距的统计结果也
证明,前震与余震同处于主震震源区内或附近,是震源区同一失稳过程的不同阶段的表现.
1999 年11 月的辽宁岫岩5. 6 级地震序列, 是一次典型的前主余震事件. 在其序列的
演化过程中, 中强震前剪应力背景增高的研究事实再次证明, 直接前震与未来强震的背景
应力强弱密切相关. 可根据破裂加速度的高低判断其应力环境的变化, 从数字地震波中提
取到前震判别的重要物理依据. 充分利用数字地震资料, 是提取前震的判别物理依据的有
效途径之一. 来自： http://www.cea-igp.ac.cn/%E5%85%B1%E4%BA%AB%E8%B5%84%E6%BA%90/%E8%AE%BA%E6%96%87%E4%B8%8B%E8%BD%BD%E5%8C%BA/%E6%A0%B8%E5%BF%83%E6%9C%9F%E5%88%8A/%E5%89%8D%E9%9C%87%E7%89%B9%E5%BE%81%E5%8F%8A%E5%85%B6%E8%AF%86%E5%88%AB%E7%A0%94%E7%A9%B6.PDF