利用余震的“一點點”

給地震斷層形態(tài)“畫像”

通常，地震儀接收到的主震和余震信號可以近似理解為地下巖層中“某一點”發(fā)生位移、變形、破裂等活動產(chǎn)生的振動數(shù)據(jù)，但是地下介質(zhì)“城堅壁厚、分層斷錯”，很多小振動的信號會被“圍困”在地下，在傳輸過程中能量逐漸衰減耗盡，無法“突圍”傳遞到地表，因此觀測記錄到的信號可以說只是全部的“一點兒”。另外，在現(xiàn)有技術(shù)下，可以用來三維定位破裂點的有效信號也只占到全部收到信號的“一點兒”。

如何用有限的余震震源的點信息來“勾描”未知的斷層面，并識別地震斷層在地下空間展布的幾何特征，即給地震斷層的空間分布形態(tài)“畫像”，就變得非常有挑戰(zhàn)性。

什么是余震

余震一般指主震之后在同一震源區(qū)內(nèi)接連發(fā)生的較小地震，其強度比主震小，發(fā)震期持續(xù)時間可達(dá)數(shù)月至數(shù)年，依照斷裂規(guī)模和活動性等特征，余震分布范圍可橫跨幾十到上百公里，數(shù)量可達(dá)數(shù)百上千個甚至更多。一般情況下，在主震發(fā)生后，隨著時間的推移余震發(fā)生數(shù)量逐漸變少，發(fā)震頻率逐漸降低，震級也會逐漸降低。

一般來說，震級越大，后續(xù)發(fā)生余震的可能性越高。例如，2024年1月23日新疆阿克蘇地區(qū)烏什縣發(fā)生7.1級地震，震后5小時共發(fā)生100余次余震，這些余震統(tǒng)稱為余震序列。而同年5月27日四川涼山州木里縣發(fā)生5.0級地震，震后5小時共發(fā)生60余次余震。這里統(tǒng)計的都是可定位的余震。

同樣，隨著時間的延長，余震的累計數(shù)量在不斷增加。例如，在新疆烏什7.1級地震后5小時內(nèi)共發(fā)生100余次余震；至震后兩天，共發(fā)生余震數(shù)量超過3200次，見圖1。

圖1 新疆烏什7.1級地震余震時空演化圖（來自國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心）

圖中，圓圈尺寸越大，對應(yīng)的震級越高，顏色從紅至藍(lán)表示震后時間從0到48小時區(qū)間。AB、CD、EF、GH之間的連線為剖面線，一共繪制4個剖面線下的剖面圖，用于在二維平面上分析余震分布。7個黑色五角星和紅色五角星相對應(yīng)，表示5.0級以上地震事件。其中最大的五角星為主震，是本次7.1級地震事件，與之連線的紅白色圓形為“沙灘球”，表示本次主震斷層的斷層類型、走向、傾向、滑動角等信息。

受制于復(fù)雜多變的地下環(huán)境，并非所有余震信號都能傳送到地震監(jiān)測設(shè)備，部分信號會在傳播路徑中能量衰減耗盡（如被多孔松軟介質(zhì)吸收，在界面處反射折射），最終獲得的有效信號不足以判斷是否來自同一個余震，或者信號質(zhì)量較差不足以進(jìn)行定位。因此，獲得的可定位余震并非是全部發(fā)生的事件，而可能只是“一點點兒”。

捕捉余震

地震發(fā)生后，為獲取更多余震信息，可以在震中距一定范圍內(nèi)加密布設(shè)臨時的流動地震臺。例如2013年4月20日四川蘆山7.0級地震發(fā)生后，在12個小時內(nèi)第一個臨時地震臺開始工作，最終在距震中0.1-200千米范圍內(nèi)布置了35個臨時臺用以記錄低至ML0.8級的地震事件。

為保證捕捉的余震數(shù)據(jù)質(zhì)量，流動地震臺一般應(yīng)遠(yuǎn)離可能影響觀測的振動源，如人類活動與自然氣象活動頻繁的場地等，在避開上述區(qū)域后，大多數(shù)為野外環(huán)境。在找（水）平、找（真）北與授時后，為了保證儀器的穩(wěn)定運行，還需要提供穩(wěn)定的電源（太陽能與蓄電池）、GNSS衛(wèi)星信號（北斗）、網(wǎng)絡(luò)信號（4G/5G）。這樣，地震儀才可以進(jìn)行完整的正常運行，并實時傳輸數(shù)據(jù)，用來實時處理和評估地震情況。

圖2 應(yīng)急監(jiān)測車輛

為了保證太陽能的穩(wěn)定供電，需要避開地震儀上方大面積遮擋物；為了保證地震儀授時與真實時間同步，需要避開四周大型建筑物或者山體以免遮擋衛(wèi)星信號；同時，為了保證數(shù)據(jù)的實時傳輸，還要選擇移動網(wǎng)絡(luò)通信較好的地方，在災(zāi)區(qū)甚至?xí)S一輛應(yīng)急通信車以保證網(wǎng)絡(luò)與各類數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，如圖2為中國地震局地球物理研究所的應(yīng)急監(jiān)測車，監(jiān)測車包含北斗衛(wèi)星、移動4G、非視距通訊等導(dǎo)航、通訊系統(tǒng)，并具備地震、次聲、氣象等要素的監(jiān)測功能。

圖3 夜間架設(shè)應(yīng)急流動地震臺

在布置流動地震臺時，運輸和架設(shè)過程中面臨著野外環(huán)境和路況、極端天氣和氣候、余震不斷、山體滑坡和落石等次生災(zāi)害的考驗和挑戰(zhàn)，部分地區(qū)還需要將設(shè)備拆卸后進(jìn)行人力運輸。

利用余震識別

地震斷層空間幾何特征

捕捉到的余震要進(jìn)行余震定位，那么余震定位分布和斷層系統(tǒng)有什么空間關(guān)系呢？散點構(gòu)成線，線組成面，面構(gòu)成空間。余震在空間中離散分布在斷層附近，屬于斷層系統(tǒng)中某個斷層活動的表現(xiàn)。

以2013年蘆山7.0級為例，蘆山地震是一次逆沖型地震。將余震的“點”繪制在三維空間中，如圖4。

圖4 蘆山地震余震定位三維分布

（根據(jù)Fang et al.,2015數(shù)據(jù)繪制）

這些看似隨機分布的離散點組成了Y型斷層系統(tǒng)，如何識別出斷層系統(tǒng)的多個“面”，并可視化展示，需要探索一個“未知”的規(guī)律。這些散點看似無規(guī)律分布，但是全都分布在上述兩個斷層附近。

利用斷層分布規(guī)律識別出灰色和藍(lán)色標(biāo)識的兩個斷層“空間”，如圖5。

圖5 蘆山地震破裂空間識別結(jié)果

圖中展示出歸屬兩個斷層的“點”。可以通過建立的斷層模型計算出每個斷層的破裂“面”和破裂面主要破裂方向的“線”。

2013年蘆山7.0級地震震源區(qū)主要受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場控制，近NE-SW向斷層在近水平的NW-SE向主壓應(yīng)力擠壓作用下發(fā)生逆沖運動，震中位于龍門山斷裂帶南段的前山斷裂附近，主震破裂表現(xiàn)出擠壓逆沖變形特征。余震序列主要受傾向NW、傾角約45°的近NE-SW向逆沖斷層控制，部分余震發(fā)生在與主發(fā)震斷層近乎垂直的傾向SE的反沖斷層上。在西北—東南方向的二維剖面上余震分布呈現(xiàn)明顯的“Y”形狀。

在無限的時空里，人們目前能夠直接觀測到并實現(xiàn)定位的余震數(shù)據(jù)只有“一點兒”，而利用僅有的“點”信息分析探索出“線、面、空間”展布的未知科學(xué)規(guī)律，是對地震學(xué)家的挑戰(zhàn)，也是吸引他們孜孜不倦前行的動力。

余震的“點”組成地震斷層面也是具有一定規(guī)律的，這種規(guī)律科學(xué)家們一直在不停地探索，并且不斷地貼近實際情況。

在余震研究結(jié)果的不斷積累下，利用這些點的分布來探索出看不見摸不著的破裂面和破裂空間的規(guī)律，使之變得不再完全未知。

供稿：融媒體駐地球所通訊站 侯曉琳 楊家英 王紅強

參考文獻(xiàn)：

Fang, L. H., J. P. Wu, W. L. Wang, et al. Aftershock Observation and Analysis of the 2013 Ms7.0 Lushan Earthquake, Seismol. Res. Lett., 2015, 86(4):1135-1142, doi:10.1785/0220140186.

易桂喜, 龍鋒, AmauryVallage 等. 2016. 2013年蘆山地震序列震源機制與震源區(qū)構(gòu)造變形特征分析. 地球物理學(xué)報, 59(10): 3711-3731, doi: 10.6038/cjg20161017.

排版：楊欣宇

編輯：趙雪晴

校對：張文妮

審核：鄭軼文