余震的成因及其持续时间

余震的成因及其持续时间

 

——36年后的新唐山地震是否是1976年唐山大地震的余震？



嵇少丞 《构造地质学》科普系列之25

图1. 汶川地震主震及其余震微观震中分布图（a）和震源深度分布图（b）。改自朱艾斓等（2008）。

2012年5月28日10时22分，河北省唐山市市辖区、滦县交界发生4．8级地震，29日5时，相同区域又发生3．2级地震，两次连续的地震引起人们强烈关切。

2012的唐山地震是否是1976年的唐山地震的余震？

同属于中国地震台网中心的蒋海昆和孙士鋐两位研究员的意见就截然不同。蒋海昆说，这次唐山地震就是1976年7.8级唐山大地震的余震，希望市民不必恐慌。孙士鋐则表示，将相隔36年之久的两次地震联系起来， 把后者称之为前者的余震是不妥当的。孙士鋐还强调，整个地震系统的专家对这种“余震”说法也是存疑的。网民们对蒋海昆研究员的说法亦有评论：“姐妹二人，出生相差10年，还是同卵双胞胎吗？”“为了让市民不必恐慌， 有必要把相隔36年之久的两次地震联系起来， 把后者称之为前者的余震吗？”其实，官方敷衍牵强的“解释”，反而让民众更加怀疑与恐慌。

 

图2. 汶川地震后的一次余震，恐怖至极

蒋海昆研究员现任中国地震台网中心地震预报部副主任，据他对他“余震”观点的解释是： “余震是在大地震，即中强度以上地震之后接连发生的地震。可以从空间、时间以及破裂机制等方面来判断一次地震是否属于余震。余震一般在主震的同一地方发生。这两天的地震，发生地处于1976年唐山大地震70多公里破裂区的中部，即属于大地震的余裂区。从时间上看，此次地震还处于余震明显活动的时间段里面，是正常的余震。”

上述解释，普通民众很难读懂，但是从事地震地质、地球物理研究的人员又认为上述解释还不到位。例如，难道震源出现在同一条断裂带内的所有地震都是先前强震的余震吗? 在人类生存的时段（比地质作用时段短得多）里，同一条断裂，其变形方式几乎是不变的，其上发生的众多地震肯定都具有相似的破裂机制。例如，引发唐山系列地震的正是北东走向、稍兼正断分量的右旋走滑断裂。所以，仅凭震源位置(空间)和破裂机制这两方面是无法判断一次地震是否属于余震的。

其实，在地震学上，前震、主震、余震的概念相当模糊，没有十分精确的界定。如果一次震级较小的地震发生在一次震级较大的地震之前， 前面震级较小的地震就叫前震，后面那次震级较大的地震就叫主震。如果一次震级较小的地震发生一次震级较大的地震之后，震级较大的地震叫主震，那么后面发生的震级较小的地震就是余震。举个例子，某地发生一次6.5级地震，之后4个小时发生了一系列震级小于5.3级的地震，人们就把那次6.5级地震称之为主震，之后发生的小震叫余震。结果6.5级地震过后5小时又发生一次8.0级地震，那么后来这个8.0级地震就是主震，它之前的所有地震包括那次6.5级地震就是前震了。如果6.5级地震过后5小时发生的地震不是8.0级，而是6.7级，人们又会称之为双震，即6.5和6.7级两次地震都是主震。

双震有时发生在同一断裂体系中不同的断层上， 例如，1988年11月6日21时03分14.5秒在云南省澜沧地区的木戛河断裂发生了7.6级地震（22.83oN，99.71oE）。13分钟之后，在其西北方向上约63 公里处耿马地区的南汀河断裂上又发生7.2级地震（23.40oN，99.77oE），后者由前者触发而起。这两个地震的余震分布带都呈N25oW，但并不完全重合，澜沧地震的断裂长75 千米，耿马地震的断裂长60 千米。木戛河断裂是正－右旋走滑断层，南汀河断裂为逆－右旋走滑断裂。木戛河断裂和南汀河断裂合在一起就是澜沧－耿马断裂带。这两次地震还触发了一条近东西走向的汉田坝断裂，产生4次6级多的余震。

1976的唐山地震同样复杂，可视为双震。 那年7月28日3点42分53.8秒发生的7.8级地震，震中在唐山开平区越河乡，即：北纬39.6度，东经118.2度，震中烈度达11度，震源深度16公里。当天18点45分又在滦县发生了7. 1级地震，同年11月15日天津宁河发生了6. 9级地震。7.8级地震地震持续约12秒，有感范围广达14个省、市、自治区，其中北京市和天津市受到严重波及。强震产生的能量相当于400颗广岛原子弹爆炸。整个唐山市顷刻间夷为平地，全市交通、通讯、供水、供电中断。地震前没有发生明显的前震，而且发生于凌晨人们熟睡之时，使得绝大部分人毫无防备，唐山被夷成废墟，682267间民用建筑中有656136间倒塌和受到严重破坏，242769人死亡，164851人重伤，4204个孩子成了孤儿。由于当时特殊的政治经济环境，地震罹难场面惨烈到极点，为世界罕见。


为什么要发生余震？


大家知道，汶川地震的主震发生于2008年5月12日14点28分4秒。截至2008年10月31日共发生余震35407多次，其中4.0~4.9级234次，5.0~5.9级32次，6.0~6.9级8次，最大余震为5月25日16时21分青川县的6.4级地震。5.4级以上的较强余震均分布与茂县、绵竹以南及平武以北地区，中间部分无较强余震发生。余震范围长达320千米，宽80千米。90%的余震分布在0~20千米深的上地壳，其余10%的余震分布在25~40千米深的下地壳，在20~25深度之间存在明显的缺震层，对应于龙门山推覆构造的韧性滑脱面。震级较大的余震给灾民和救援人员的生命带来非常大的危险，因为建筑物结构在主震时已经受到损坏，再受到余震袭击，损坏就会扩大，甚至造成倒塌。主震之后，援救人员到破坏的建筑物内搜寻和营救灾民，原居民回家寻找亲人，取回物品，都冒着非常大的危险。

为什么一次大地震后会发生无数次余震？原因不外如此几个方面：（1）断裂带及其邻区各地块之间应力和应变的重新调节与平衡。主震时岩石发生破裂与位移，造成新的不平衡，余震是主断面周围邻近区域小断层在新的应力场作用下发生局部破裂与位移造成的。大家可以做个类比实验，将黄豆倒进一个玻璃瓶里，粗看好像瓶子满了，摇晃几下，体积变小了，再摇晃，体积还要减小， 摇晃使得豆粒变得更紧密堆积了，豆粒之间要发生位移，这就对应于发生小地震。等到豆粒全部作最紧密堆积（74%）之后，体系就稳定了。从这层意义上说，余震是重新夯实因主震造成源区岩石破碎松散的地质过程。（2）主震造成断裂带内部岩石及其周边岩石的力学性质发生突变， 例如孔隙度与渗透率增加，岩石摩擦强度降低，断层易于活动，形成小震。（3）主震使得断裂带内部特别是已经滑移区与尚未滑移区的边界线（位错）周围的流体压力重新分配。局部区域流体压力相对升高，总是有利形成新的破裂和使得老断裂重新活动，形成余震。

地震属于“自洽系统”，具有自相似的特点。每次地震，无论大小，都有余震， 甚至都有前震。每个地震，都可能是其他地震事件触发而成。每个地震，又都可能触发或激发新的地震事件，形成余震。所以，目前对前震、主震、余震的划分有些人为因素，从其形成的力学因素考虑较少。


图3. 发生在两次地震之间的余震频度分布

如何鉴别36年后的地震是否是1976年唐山大地震的余震？


余震以其震级低（一般比主震至少低一个震级）和频度（单位时间内发生地震的次数）高为特征。所有余震所释放的总能量也不会高于主震能量的10%。目前，判别一次地震是否是以前某年某月某日主震的余震，主要看现今地震频度是否恢复到主震之前相当长时段的正常水平（即背景频度），检验用的是修订后的Omori经验公式， 这是一个尾巴拖的非常非常长的衰减曲线。主震1-2年之后，地震频度一般就已经很小了。

可见， 余震的持续时间主要取决于如何认定该地区的地震的背景频度。在世界上主要板块的边界，经常发生地震，地震复发周期短，前后两次地震之间的背景频度较高，容易估算，用Omori经验公式得出的余震的持续时间一般不到10年。但是，这样的方法硬搬到成分复杂、历史复杂、构造复杂、地热结构各异的大陆就有问题了，地震复发周期一般为几百甚至几千年，之前没有地震仪，无法完整地记录所有级别的地震。因此，也就无法准确估算各地区地震的背景频度，也就无法自信地套用Omori经验公式计算余震的持续时间。


一个地区余震的持续时间取决于主震后断裂带岩石力学性质的恢复，就像前面那个例子中，体积减小一直到瓶子里黄豆最紧密堆积为止。唐山地震的震源深度为16公里，在这么大深度上，压力高达400多MPa，主震瞬间在岩石中形成的破裂空隙是无法持久的，很快就会被假熔岩、压溶-沉淀矿物（方解石、石英等）胶结，岩石剪切强度和渗透率用不了几年就会基本恢复。但是，近地表几公里的浅部地壳（<4-5 km），断裂带岩石的强度和渗透率恢复一般较慢。所以，从地质角度讲，那些震源深度十几公里的地震不可能是30多年前地震的余震，而是断裂的局部活化，即重新活动，重新激活。

图4. 汶川地震余震频度的衰减——大尾巴曲线(据蒋海昆等， 2008）。因为背景频度不清，故用该值确定余震的持续时间不可行。我认为如果地震频度下降到最大峰值的1%以下，余震就可视为基本结束。

 

那些套用Stein and Liu (2009, Nature, doi:10.1038/nature08502)“经验公式”的人是否也低估了唐山断裂带的位移速率？那个“经验公式”非常简单，余震的持续时间(y)等于314除以断裂带的滑移速率（mm/y）。可见, 余震的持续时间与滑移速率成反比。他们认为，唐山断裂带的位移速率是每年2 mm, 那么余震的持续时间就是157年， 主震过去才36年，离余震结束的157年还早着呢。

图5. Stein and Liu （2009）作出的余震的持续时间与断裂滑移速率的关系图，误差很大的，见本文讨论，不能死板硬套这个关系。

 

 

如何正确估算一个断裂带的位移速率？有人用GPS的测量数据。但是，GPS测量的结果仅是过去几年、十几年的地表位移的相对速率，一不能代表地下十几公里震源深度的岩石的位移速率，大家知道，脆性岩层中的断层平常是闭锁的，直到地震那一霎那才解锁、滑移。脆性层之下的韧性岩层是连续变形的，人们还不知道如何测量其原地应变速率。二不能代表地震复发周期内平均的位移速率。这方面的教训是惨痛的，汶川地震之前，有人依据GPS数据说横跨龙门位移速率小于1-2 mm/y，因此不可能发生地震，从而把龙门山从四川地震防范重点的名单上剔除。

Liu Jie et al.（1997）  在其Acta Seismologica Sinia (Vol. 10, No. 6, 703-712， 中国地震学报英文版)论文中，研究了1954-1964、1960-1971和1971-1976间唐山断裂的平均位移速率，发现分别是20.8 、32.5和480 mm/y，在地下14-18公里深度，滑移速率一般为30-40 mm/y。将这些数据带进Stein and Liu (2009) “经验公式”得出，唐山地震的余震的持续时间只有0.65-15年。

 

所以，无论从理论上，还是实际效果上，都没必要硬把相隔36年之久的两次地震联系起来， 把后者称之为前者的余震，它们无非就是唐山断裂某个局部区域的现在活动而已，并不一定指示不久的将来会发生强震。

 

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