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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

江颖 刘子维 张晓彤 张丽娜 韦进

江颖, 刘子维, 张晓彤, 张丽娜, 韦进. 2021年青海玛多Mw 7.4地震前后b值的变化特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 907-915. doi: 10.13203/j.whugis20220071
引用本文: 江颖, 刘子维, 张晓彤, 张丽娜, 韦进. 2021年青海玛多Mw 7.4地震前后b值的变化特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 907-915. doi: 10.13203/j.whugis20220071
JIANG Ying, LIU Ziwei, ZHANG Xiaotong, ZHANG Lina, WEI Jin. Variation Features of b-Value Before and After the 2021 Maduo Mw 7.4 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 907-915. doi: 10.13203/j.whugis20220071
Citation: JIANG Ying, LIU Ziwei, ZHANG Xiaotong, ZHANG Lina, WEI Jin. Variation Features of b-Value Before and After the 2021 Maduo Mw 7.4 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 907-915. doi: 10.13203/j.whugis20220071

2021年青海玛多Mw 7.4地震前后b值的变化特征研究

doi: 10.13203/j.whugis20220071
基金项目: 

国家自然科学基金 41774093

详细信息
    作者简介:

    江颖,博士,副研究员,主要研究方向为重力学和地球动力学。jiangyingchen@126.com

    通讯作者: 刘子维,博士,研究员。liuzw2019@qq.com
  • 中图分类号: P315

Variation Features of b-Value Before and After the 2021 Maduo Mw 7.4 Earthquake

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41774093

More Information
    Author Bio:

    JIANG Ying, PhD, associate professor, specializes in gravity and geodynamics. E-mail: jiangyingchen@126.com

    Corresponding author: LIU Ziwei, PhD, professor. E-mail: liuzw2019@qq.com
  • 摘要: 古登堡-里克特频度-震级关系式中的b值常被用作估算区域应力大小的一个重要指标,对于评估地震发生概率起着至关重要的作用。北京时间2021-05-22T02:04:11青海省玛多县附近发生Mw 7.4地震,此次地震发生在巴颜喀拉块体内部,东昆仑断裂以南的次级断裂昆仑山口-江错断裂上。为了揭示这次玛多地震之前震源区的孕震环境和震后余震的演化,利用中国地震台网中心提供的2009-01-01-2021-05-20地震目录,对玛多地震发震前后的b值分布和变化进行了研究。研究发现,在2021年5月22日之前,玛多地震主震区b值最低,表明震源区存在明显的应力积累;从近十年震源区b值的时间序列来看,b值也呈现下降趋势,该发现可以作为今后判定块体内部大地震主震临近的重要依据。利用震后的余震序列计算了断层周边的b值变化,发现早期的b值变化对后期余震的发生位置预测也具有一定的指导作用。
  • 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

    图  2  玛多地震前b值的空间分布

    Figure  2.  Distribution of b-value Before the 2021 Maduo Earthquake

    图  3  震源区的频度-震级分布

    Figure  3.  Frequency-Magnitude Distribution of Earthquakes

    图  4  2021年玛多Mw 7.4地震之前b值随时间的变化特征

    Figure  4.  Variation Characteristics of b-value Before the 2021 Maduo Mw 7.4 Earthquake

    图  5  利用不同地震数目计算得到的b值分布

    Figure  5.  Distribution of b-value Calculated by Different Earthquake Numbers

    图  6  利用不同半径计算得到的b值分布

    Figure  6.  Distribution of b-value Calculated by Different Radius

    图  7  2021年玛多地震前后的地震分布和震源区b值变化

    Figure  7.  Earthquake Distribution Before and After the 2021 Maduo Earthquake and b-value Changes Around the Fault

    图  8  2021年玛多地震的余震分布以及库仑应力和震后b值变化

    Figure  8.  Distribution of Aftershocks and Changes of Coulomb Stress and b-value After the 2021 Maduo Earthquake

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-09
  • 刊出日期:  2022-06-05

2021年青海玛多Mw 7.4地震前后b值的变化特征研究

doi: 10.13203/j.whugis20220071
    基金项目:

    国家自然科学基金 41774093

    作者简介:

    江颖,博士,副研究员,主要研究方向为重力学和地球动力学。jiangyingchen@126.com

    通讯作者: 刘子维,博士,研究员。liuzw2019@qq.com
  • 中图分类号: P315

摘要: 古登堡-里克特频度-震级关系式中的b值常被用作估算区域应力大小的一个重要指标,对于评估地震发生概率起着至关重要的作用。北京时间2021-05-22T02:04:11青海省玛多县附近发生Mw 7.4地震,此次地震发生在巴颜喀拉块体内部,东昆仑断裂以南的次级断裂昆仑山口-江错断裂上。为了揭示这次玛多地震之前震源区的孕震环境和震后余震的演化,利用中国地震台网中心提供的2009-01-01-2021-05-20地震目录,对玛多地震发震前后的b值分布和变化进行了研究。研究发现,在2021年5月22日之前,玛多地震主震区b值最低,表明震源区存在明显的应力积累;从近十年震源区b值的时间序列来看,b值也呈现下降趋势,该发现可以作为今后判定块体内部大地震主震临近的重要依据。利用震后的余震序列计算了断层周边的b值变化,发现早期的b值变化对后期余震的发生位置预测也具有一定的指导作用。

English Abstract

江颖, 刘子维, 张晓彤, 张丽娜, 韦进. 2021年青海玛多Mw 7.4地震前后b值的变化特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 907-915. doi: 10.13203/j.whugis20220071
引用本文: 江颖, 刘子维, 张晓彤, 张丽娜, 韦进. 2021年青海玛多Mw 7.4地震前后b值的变化特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 907-915. doi: 10.13203/j.whugis20220071
JIANG Ying, LIU Ziwei, ZHANG Xiaotong, ZHANG Lina, WEI Jin. Variation Features of b-Value Before and After the 2021 Maduo Mw 7.4 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 907-915. doi: 10.13203/j.whugis20220071
Citation: JIANG Ying, LIU Ziwei, ZHANG Xiaotong, ZHANG Lina, WEI Jin. Variation Features of b-Value Before and After the 2021 Maduo Mw 7.4 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 907-915. doi: 10.13203/j.whugis20220071
  • 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

    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。

    • 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=Nlgi=1N(Mi-Mc+ΔM/2) ]]>

      式中,N是在地震事件数量;Mi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]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。

    • 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[125-26],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。

      图  2  玛多地震前b值的空间分布

      Figure 2.  Distribution of b-value Before the 2021 Maduo Earthquake

      图  3  震源区的频度-震级分布

      Figure 3.  Frequency-Magnitude Distribution of Earthquakes

      以往研究发现,区域地震b值随时间变化[9-13],特别是大地震前后,b值由低到高的变化反映了应力由累积到释放的过程。因此,为了更详细直观地反映震源区b值变化特征,本文选取2009—2021年玛多地震之前的131个地震事件,统计累积频度-震级分布,并以50个地震事件为计算窗长、以5个地震事件为滑动步长,获得2021年玛多地震发震前震源区b值随时间变化曲线,结果如图 4所示。由图 4(a)可以看出,2010—2021年玛多地震震源区的b值一直处于较低水平(b < 0.8);2015年玛多Ms 5.3地震之前b值开始下降,2021年玛多Mw 7.4地震之前b值也呈现下降状态,说明b值的降低时间与大地震时间序列存在一定的对应关系。由图 4(b)可以看出,该区域在地震之前处于应力连续积累状态,这种现象与实验室研究结果[27]和2008年汶川Mw 7.9地震前的b值变化十分相似[11-12]

      图  4  2021年玛多Mw 7.4地震之前b值随时间的变化特征

      Figure 4.  Variation Characteristics of b-value Before the 2021 Maduo Mw 7.4 Earthquake

    • 通常情况,地震数量和研究区域的大小会影响b值的计算结果[28-29]。为了进一步测试并验证计算结果的可靠性,分别测试了计算b值所用的地震数目和计算半径对结果的影响。图 5是计算半径为100 km时,利用不同地震数目计算得到的b值分布。由图 5可以看出,对于不同的地震数量(N≥50,60,70,80,90,100),研究区的b值空间分布基本没有差别,特别是2021年玛多地震发震断层区域的b值始终处于较低水平,且范围也没有变化。图 6是当地震数N≥50时,利用不同半径计算得到的b值分布。由图 6可以看出,对于不同的计算半径(R=50,60,70,80,90,100 km),由于受到地震数目和分布非均匀性的影响,当R=50 km和60 km时,2021年玛多地震震源区域不满足计算要求,无法计算b值的分布;但当R≥70 km时,可以有效计算出2021年玛多地震发震断层区域的b值;从计算结果来看,b值同样也始终处于较低水平,且范围也没有明显变化。因此,对于该研究区域,当地震数目和计算半径在合理范围内时,b值大小和分布并不依赖于这些参数。

      图  5  利用不同地震数目计算得到的b值分布

      Figure 5.  Distribution of b-value Calculated by Different Earthquake Numbers

      图  6  利用不同半径计算得到的b值分布

      Figure 6.  Distribution of b-value Calculated by Different Radius

    • 大地震之后,强余震也会引发严重的灾害,如果忽略余震活动的影响,可能会低估某些区域的地震危险性。以往研究发现,大地震后震源区的b值会出现上升现象[1114]。为了进一步探究2021年玛多Mw 7.4地震之后b值的变化及可能的余震演化过程,利用玛多地震震后8天的余震数据进行震后b值的计算,得到地震前后的地震分布和震源区的b值变化,如图 7所示。

      图  7  2021年玛多地震前后的地震分布和震源区b值变化

      Figure 7.  Earthquake Distribution Before and After the 2021 Maduo Earthquake and b-value Changes Around the Fault

      为了保证余震目录的完备性,计算时扣除主震后前5 h的地震目录,得到Mc=1.3,如图 7(a)所示;而对于断层周围背景b值的计算,利用主震前201个地震事件进行计算,得到Mc=1.0,如图 7(b)所示。通过对比主震后b值与区域背景b值可以发现,2021年玛多地震之后b值并没有快速上升,震后8天的b值与背景b值相同(见图 7(b))。由图 7(c)可以看出,玛多地震震源周围和地表破裂西端的b值明显上升,而发震断层两端和中间区域的b值却显著降低,表明这些区域仍然有较高的应力积累,今后高概率会持续发生余震,危险性较高。

      为了验证震后8天b值变化的准确性是否真实反映了应力变化状态,本文对比分析了震后8~190天的余震分布和震后8天的余震分布,图 8是不同时间段的余震分布以及库仑应力和震后b值变化。由图 8(a)可以看出,震后8天的b值降低区余震较为丰富,断层西侧增量最高,达到475%;震源西侧比东侧的余震更丰富,且震源西侧余震增量约为东侧余震增量的两倍,这可能与震源西侧的超剪切破裂有关[30-31]。此外,通过对比图 8(c)中的玛多地震同震库伦应力变化发现[32],震后8天的b值降低区与同震库伦应力增强区有较好的一致性,说明震后早期的b值变化可以准确反映出震源区应力变化;利用震后190天的余震,采用同样的计算方法得到发震断层区域的b值变化,如图 8(d)所示,发现只有断层两端的b值降低,表明今后发震断层的两端仍然有继续发生余震的可能。

      图  8  2021年玛多地震的余震分布以及库仑应力和震后b值变化

      Figure 8.  Distribution of Aftershocks and Changes of Coulomb Stress and b-value After the 2021 Maduo Earthquake

    • 本文通过计算2021年玛多地震前后的b值的变化,基于已有研究结果和分析讨论,主要得到了以下结论:

      1)玛多地震发生前主震区的b值最低,表明震源区存在明显的应力积累;从震源区震前b值的时间序列来看,b值呈现下降状态,该发现可以作为判定块体内部大地震主震临近的重要依据。

      2)通过对玛多地震震后早期b值变化情况的分析和讨论,认为地震之后早期的b值变化可为余震分布的预测提供一定的参考。

参考文献 (33)

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