利用余震的“一点点”给地震断层形态“画像”

利用余震的“一点点”

给地震断层形态“画像”

通常，地震仪接收到的主震和余震信号可以近似理解为地下岩层中“某一点”发生位移、变形、破裂等活动产生的振动数据，但是地下介质“城坚壁厚、分层断错”，很多小振动的信号会被“围困”在地下，在传输过程中能量逐渐衰减耗尽，无法“突围”传递到地表，因此观测记录到的信号可以说只是全部的“一点儿”。另外，在现有技术下，可以用来三维定位破裂点的有效信号也只占到全部收到信号的“一点儿”。

如何用有限的余震震源的点信息来“勾描”未知的断层面，并识别地震断层在地下空间展布的几何特征，即给地震断层的空间分布形态“画像”，就变得非常有挑战性。

什么是余震

余震一般指主震之后在同一震源区内接连发生的较小地震，其强度比主震小，发震期持续时间可达数月至数年，依照断裂规模和活动性等特征，余震分布范围可横跨几十到上百公里，数量可达数百上千个甚至更多。一般情况下，在主震发生后，随着时间的推移余震发生数量逐渐变少，发震频率逐渐降低，震级也会逐渐降低。

一般来说，震级越大，后续发生余震的可能性越高。例如，2024年1月23日新疆阿克苏地区乌什县发生7.1级地震，震后5小时共发生100余次余震，这些余震统称为余震序列。而同年5月27日四川凉山州木里县发生5.0级地震，震后5小时共发生60余次余震。这里统计的都是可定位的余震。

同样，随着时间的延长，余震的累计数量在不断增加。例如，在新疆乌什7.1级地震后5小时内共发生100余次余震；至震后两天，共发生余震数量超过3200次，见图1。

图1 新疆乌什7.1级地震余震时空演化图（来自国家地震科学数据中心）

图中，圆圈尺寸越大，对应的震级越高，颜色从红至蓝表示震后时间从0到48小时区间。AB、CD、EF、GH之间的连线为剖面线，一共绘制4个剖面线下的剖面图，用于在二维平面上分析余震分布。7个黑色五角星和红色五角星相对应，表示5.0级以上地震事件。其中最大的五角星为主震，是本次7.1级地震事件，与之连线的红白色圆形为“沙滩球”，表示本次主震断层的断层类型、走向、倾向、滑动角等信息。

受制于复杂多变的地下环境，并非所有余震信号都能传送到地震监测设备，部分信号会在传播路径中能量衰减耗尽（如被多孔松软介质吸收，在界面处反射折射），最终获得的有效信号不足以判断是否来自同一个余震，或者信号质量较差不足以进行定位。因此，获得的可定位余震并非是全部发生的事件，而可能只是“一点点儿”。

捕捉余震

地震发生后，为获取更多余震信息，可以在震中距一定范围内加密布设临时的流动地震台。例如2013年4月20日四川芦山7.0级地震发生后，在12个小时内第一个临时地震台开始工作，最终在距震中0.1-200千米范围内布置了35个临时台用以记录低至ML0.8级的地震事件。

为保证捕捉的余震数据质量，流动地震台一般应远离可能影响观测的振动源，如人类活动与自然气象活动频繁的场地等，在避开上述区域后，大多数为野外环境。在找（水）平、找（真）北与授时后，为了保证仪器的稳定运行，还需要提供稳定的电源（太阳能与蓄电池）、GNSS卫星信号（北斗）、网络信号（4G/5G）。这样，地震仪才可以进行完整的正常运行，并实时传输数据，用来实时处理和评估地震情况。

图2 应急监测车辆

为了保证太阳能的稳定供电，需要避开地震仪上方大面积遮挡物；为了保证地震仪授时与真实时间同步，需要避开四周大型建筑物或者山体以免遮挡卫星信号；同时，为了保证数据的实时传输，还要选择移动网络通信较好的地方，在灾区甚至会跟随一辆应急通信车以保证网络与各类数据的稳定传输，如图2为中国地震局地球物理研究所的应急监测车，监测车包含北斗卫星、移动4G、非视距通讯等导航、通讯系统，并具备地震、次声、气象等要素的监测功能。

图3 夜间架设应急流动地震台

在布置流动地震台时，运输和架设过程中面临着野外环境和路况、极端天气和气候、余震不断、山体滑坡和落石等次生灾害的考验和挑战，部分地区还需要将设备拆卸后进行人力运输。

利用余震识别

地震断层空间几何特征

捕捉到的余震要进行余震定位，那么余震定位分布和断层系统有什么空间关系呢？散点构成线，线组成面，面构成空间。余震在空间中离散分布在断层附近，属于断层系统中某个断层活动的表现。

以2013年芦山7.0级为例，芦山地震是一次逆冲型地震。将余震的“点”绘制在三维空间中，如图4。

图4 芦山地震余震定位三维分布

（根据Fang et al.,2015数据绘制）

这些看似随机分布的离散点组成了Y型断层系统，如何识别出断层系统的多个“面”，并可视化展示，需要探索一个“未知”的规律。这些散点看似无规律分布，但是全都分布在上述两个断层附近。

利用断层分布规律识别出灰色和蓝色标识的两个断层“空间”，如图5。

图5 芦山地震破裂空间识别结果

图中展示出归属两个断层的“点”。可以通过建立的断层模型计算出每个断层的破裂“面”和破裂面主要破裂方向的“线”。

2013年芦山7.0级地震震源区主要受区域构造应力场控制，近NE-SW向断层在近水平的NW-SE向主压应力挤压作用下发生逆冲运动，震中位于龙门山断裂带南段的前山断裂附近，主震破裂表现出挤压逆冲变形特征。余震序列主要受倾向NW、倾角约45°的近NE-SW向逆冲断层控制，部分余震发生在与主发震断层近乎垂直的倾向SE的反冲断层上。在西北—东南方向的二维剖面上余震分布呈现明显的“Y”形状。

在无限的时空里，人们目前能够直接观测到并实现定位的余震数据只有“一点儿”，而利用仅有的“点”信息分析探索出“线、面、空间”展布的未知科学规律，是对地震学家的挑战，也是吸引他们孜孜不倦前行的动力。

余震的“点”组成地震断层面也是具有一定规律的，这种规律科学家们一直在不停地探索，并且不断地贴近实际情况。

在余震研究结果的不断积累下，利用这些点的分布来探索出看不见摸不着的破裂面和破裂空间的规律，使之变得不再完全未知。

供稿：融媒体驻地球所通讯站 侯晓琳 杨家英 王红强

参考文献：

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, 龙锋, AmauryVallage 等. 2016. 2013年芦山地震序列震源机制与震源区构造变形特征分析. 地球物理学报, 59(10): 3711-3731, doi: 10.6038/cjg20161017.

排版：杨欣宇

编辑：赵雪晴

校对：张文妮

审核：郑轶文