本州MW9.1地震前破裂区内地震与地球自转之间的相关现象

　　摘要强震发生前震源系统可能处于不稳定状态，在这种情况下，震中附近地区的地震活动或许会对微小的应力变化敏感.地球自转会在震源断层面上引起应力，地球自转速率变化也会在震源断层面上引起应力变化.由于地球自转速率变化非常微小，在震源断层面上引起应力变化也非常微弱，如果震源区处于极不稳定状态，这种微弱的应力变化或许会激发一些地震活动.这些被激发的地震活动将会表现出与地球自转速率变化的显著相关性.为了考察2011年3月11日日本本州MW9.1地震发生前震中附近地区是否存在与地球自转速率变化显著相关的地震活动，选取2000年1月—2011年2月M≥5.0地震集中活动区域为研究区域，根据USGS发布的1991年1月—2011年2月的地震目录，利用舒斯特(Schuster)统计检验方法，研究了地球自转与本州MW9.1地震前发生的地震活动之间的相关性.检验结果用P值来评估，P值越低表示相关性越显著.

　　结果如下：在研究区内5.4≤M≤6.9地震的P值的时间变化显示本州MW9.1地震前从2009年6月—2010年1月存在低于0.5%的P值.当P值达最低值时，约82%的5.4≤M≤6.9地震发生在地球自转速率季节性变化的加速期，显示出了地震活动与地球自转速率加速之间的显著相关性.取3°×3°的空间窗，以0.1°的步长沿经度和纬度滑动对P值进行空间扫描，可以得到P值的空间分布.扫描区域远大于研究区，经纬度范围为(33°N—43°N，138°E—147°E).在P值的空间分布图上，可发现在P值处于最低值期间，低于0.5%的P值集中分布在研究区的北部，本州MW9.1地震震中位于这个低P值区的边缘.因此，本州MW9.1地震前在其破裂区内存在显著的与地球自转相关的地震活动现象，说明破裂区内存在非常不稳定的地区.

　　关键词本州MW9.1地震;地球自转;舒斯特检验;P值

　　0引言

　　地震的发生可看成是震源系统的失稳.临近失稳发生前，震源系统会变得极不稳定，平时对震源系统不起作用的外因可能会起显著作用，或者说震源系统对外因敏感了.作用在震源系统上的外力(如，引潮力等)是外因之一，在这种情况下，震中附近地区的地震活动或许会对微小的应力变化敏感.地球自转会在震源断层面上引起应力，当地球自转速率发生变化时，其在震源断层面上引起的应力也相应发生变化，由于地球自转速率变化非常微小，在震源断层面上引起的应力变化也非常微弱(陈学忠等，2018).

　　如果震源区处于极不稳定状态，这种微弱的应力变化或许会激发一些地震活动.这些被激发的地震活动将会表现出与地球自转速率变化的显著相关性.因此，通过分析地震活动与地球自转速率变化之间的相关性，可以对潜在震源区的稳定性进行评估.我们曾分析了地球自转与1976年河北唐山MS7.8地震前发生在其破裂区及其附近地区中小地震之间的相关性，发震前ML≥2.5地震存在低于1%的P值，80%的地震发生时地球自转速率季节性变化处于加速状态，低于2%的P值集中分布在唐山MS7.8地震破裂区的东北端部(隗永刚等，2018).2011年3月11日，日本于当地时间14时46分发生MW9.1地震，震中位于日本本州岛东北部宫城县以东海域.地震引发大规模海啸，造成重大人员伤亡，并引发日本福岛第一核电站发生核泄漏事故.此次地震是日本地震记录史上震级最高的一次，为太平洋板块和欧亚板块交界处发生的一次逆断层型地震，是一次典型的板缘大地震.本文将致力于2011年3月11日日本本州MW9.

　　1地震前破裂区内不稳定区的研究.

　　1.1研究区域与资料给出了2011年3月11日日本本州MW9.1地震及其余震的震中位置和研究区域，黑框线围成的区域为2000年1月—2011年2月M≥5.0地震集中活动区域，位于本州MW9.1地震破裂区内，为本文的研究区域.选取研究区内于1991年1月—2011年2月期间发生的M≥4.0地震，根据G-R关系得到的完全目录完整性震级为M4.0.本文选用5.0≤M≤6.9的地震进行分析，考虑到余震通常在时空上集中发生，可能会对P值的计算产生影响，在计算时将余震删除.本文采取手工去除余震，M≥5.0余震，其主震一般为7级或以上，本文根据选出的研究区内M≥5.0地震目录，从月频度上找出密集发生的时段，然后再根据这些密集时段是否有相应强震发生确定是否属于余震，从而去掉余震.

　　2分析方法

　　我们用统计检验方法分析地球自转与地震发生之间的关系.根据地球自转速率随时间的季节性变化曲线，计算本州MW9.1地震前研究区内发生的每个5.0≤M≤6.9地震的相位角θ.计算时规定在地球自转速率季节性变化的极大值处相位角θ=0°，在极大值左边的第1个极小值处相位角θ=-180°，在极大值右边的第1个极小值处相位角θ=180°.根据所有地震的相位角，利用舒斯特(Schuster)统计检验方法检验地震是否发生在某一相位角周围.

　　检验结果用P值来评估，0≤P≤1，表示拒绝地震对于地球自转是随机发生的零假设的显著性水平，当P值越小时，表示排斥这一假设的置信度越高.一般地，如果P≤5%，地震是非随机发生的(Heaton，1975).相位角和P值的具体计算方法参见有关文献(Tsuruokaetal.，1995;隗永刚等，2018)，本文不再赘述.该方法也被应用于地震活动的潮汐触发研究(Tanakaetal.，2002;Tanaka，2010，2012).

　　3结果

　　从1991年1月—2011年2月，取4年的时间窗，以3个月的步长将时间窗在时间轴上滑动，计算每个时间窗里的P值，每个时间窗P值对应的时间取其最后一个地震发生的时间，这样可以得到P值随时间的变化.P值计算的条件是地震数目N>10，各时间窗内的实际地震数目N≥14，2001年以后N≥18，因此，满足统计检验分析的条件.

　　在2009年以前，几乎所有的P值维持在5%以上，表明在2009年以前地震活动与地球自转速率季节性变化之间的相关性并不显著.2009年6月—2010年1月可以看到5.4≤M≤6.9地震的P值低于0.5%，出现了地震与地球自转速率季节性变化之间的显著相关性.当P值达最低值0.105%时，表明地震与地球自转速率季节性变化之间存在非常显著的关联性.b为当P值处于最低值时(2005年12月—2009年11月)5.4≤M≤6.9地震的相角分布.粗实线为分布的最佳拟合正弦曲线.

　　22次地震中，有18次地震发生在相位角小于0°的区域，约占82%，即本州MW9.1地震前多数5.4≤M≤6.9地震发生在地球自转速率季节性变化的加速阶段.在临震前P值回返到了1%～4%之间，地震发生仍然受到地球自转的控制.为2005年12月1日—2009年11月30日发生的5.4≤M≤6.9地震的相位角得到的P值空间分布，此期间研究区内发生的地震的P值处于最低值.空间扫描的区域远大于研究区，经纬度范围为(33°N—43°N，138°E—147°E).空间窗取3°×3°，以0.1°的步长沿经度和纬度滑动.b为P<0.5%的空间分布.可以看到，在扫描空间范围内，一个非常显著的低P值区出现在研究区的北部，本州MW9.1地震震中位于这个低P值区的边缘.

　　4结论与讨论

　　地球自转速率随时都在发生变化，其在震源断层面上引起的应力也相应发生变化.地球自转速率变化非常微小，在震源断层面上引起的应力变化也非常微弱(陈学忠等，2018).平时这种微弱的应力变化对震源断层面可能不起作用，当震源区变得极不稳定时，这种微弱的应力变化或许会激发一些地震活动，显示出地震活动与地球自转速率变化的显著相关性.因此，通过分析地震活动与地球自转速率变化之间的相关性，可以对震源区的稳定性进行评估.

　　为了考察2011年3月11日日本本州MW9.1地震发生前，震中附近地区是否存在与地球自转速率变化显著相关的地震活动，我们研究了本州MW9.1地震前地球自转与地震活动之间的相关性.得到的结果显示，本州MW9.1地震前研究区内5.4≤M≤6.9地震在2009年6月—2010年1月间出现了低于0.5%的P值，表明这些地震与地球自转速率季节性变化显著相关(置信度大于99.5%).在P值处于最低值期间，22个5.4≤M≤6.9地震中，约82%的地震发生在地球自转速率季节性变化的加速期间，其间P值空间分布显示，低于0.5%的P值集中分布在研究区的北部，本州MW9.1地震震中位于这个低P值区的边缘，这说明本州MW9.1地震前在未来强震破裂区内存在地震活动与地球自转速率季节性加速变化显著相关的现象.

　　余震分布区域一般被看成与地震破裂区一致，本州MW9.1地震的破裂区包含了其中所示的研究区，而低P值集中分布在研究区的北部，显然低P值区位于破裂区内.本州MW9.1地震震中位于低P值区的边缘，因此，受地球自转速率变化激发的地震所在的地区，位于未来强震初始破裂点附近.上述结果说明本州MW9.1地震前在破裂区内存在一个显著的不稳定区，与唐山MS7.8地震前的结果类似，不同的只是本州MW9.1地震的初始破裂点位于低P值区边缘，而唐山MS7.8地震的初始破裂点离低P值区远一些.

　　地震论文投稿刊物：《高原地震》(季刊)创刊于1989年，由青海省地震局主办。本刊是青海省地震局预报中心主办的自然科学学术刊物，主要刊登青藏高原及全国地震科学的成果。