強地震前水汽中長期異常變化特征研究

陳梅花 鄧志輝* 馬曉靜 陶京玲 王 煜

1)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

2)中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

強地震前水汽中長期異常變化特征研究

陳梅花1)鄧志輝1)*馬曉靜1)陶京玲1)王 煜2)

1)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

2)中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

以川西及其鄰近地區(qū)為例，研究了在強震孕育中長期階段水汽含量的時空動態(tài)特征。通過對2008年汶川8.0級地震、1976年松潘強震群和2010年玉樹7.1級地震的分析，發(fā)現(xiàn)在川西及其鄰近地區(qū)的強地震孕育過程中，水汽含量異常頻度會出現(xiàn)先下降，然后快速上升的現(xiàn)象。下降開始時間較早，出現(xiàn)在震前10a以上，持續(xù)9a以上，屬中長期異常信息;而快速上升則發(fā)生在震前4a內(nèi)，屬中短期異常表現(xiàn)。地震前水汽含量異常的原因可能是由于巖層中裂隙、孔隙的開合、地下流體的運動和地?zé)崮艿淖兓?，影響地面溫度和潛熱交換的分布所致。

地震異常 水汽含量 汶川地震 松潘震群 玉樹地震

0 引言

已有的研究結(jié)果表明，一些強地震前，出現(xiàn)了潛熱通量異常(Singh et al.，2001;Dey et al.，2003;陳梅花等，2007，嚴研等，2009)。Dey等(2004)發(fā)現(xiàn)2001年印度古特拉地震前大氣中水汽含量出現(xiàn)顯著異常，他認為這是由于地震前潛熱通量異常增加所致。2004年印度尼西亞MW9.0地震的顯著潛熱通量異常出現(xiàn)在地震前20d內(nèi)(陳梅花等，2006)。2005年11月26日九江5.7級地震的溫度異常與潛熱通量異常主要分布在地震前1個月內(nèi)。2010年2月27日智利8.8級地震及其強余震前的3次明顯潛熱通量異常也是出現(xiàn)在強震前的1個月內(nèi)。對四川汶川MS8.0地震前后潛熱通量進行遙感反演，發(fā)現(xiàn)地震前1周，特別是震前2d，在汶川地震震中地區(qū)、龍門山斷裂周邊地區(qū)潛熱通量值出現(xiàn)了顯著升高的現(xiàn)象(嚴研等，2009)。潛熱通量上升是地表蒸發(fā)加強的結(jié)果，在大氣中的表現(xiàn)為水汽含量增加。

以前的研究結(jié)果表明，沿海地區(qū)或內(nèi)陸水體較多或土壤富含水分的地區(qū)，潛熱通量異常多出現(xiàn)在強地震前的短臨階段，而地震孕育的中長期階段是否也存在潛熱通量異常則未見報道。本研究把遙感反演與地面觀測資料相結(jié)合，使用研究時段更長的資料，從地震孕育中長期的時間尺度出發(fā)，從川西及鄰近地區(qū)的震例分析入手，試圖挖掘強地震前后的水汽含量動態(tài)異常信息。自從有觀測資料以來，在四川西部地區(qū)共發(fā)生過2次7級以上地震:2008年汶川MS8.0地震、1976年松潘強震群，另外，在川西鄰近地區(qū)還發(fā)生了2010年玉樹7.1級地震。下文將對這3次強地震前中長期階段的水汽含量動態(tài)進行具體分析。

1 區(qū)域背景與分析方法

圖1是3個震例所在區(qū)域的LandSat衛(wèi)星遙感TM圖像及主要活動斷裂分布圖，覆蓋范圍北緯29.6°～33.4°，東經(jīng)96°～105.9°，約40萬 km2。包括青藏高原東部、川西高原和四川盆地。發(fā)育于該區(qū)的活動斷裂很多，NW向的斷裂有:玉樹－鮮水河斷裂、瑪多－甘德北斷裂、達日斷裂、主峰斷裂、清水河斷裂、怒江斷裂等;龍門山斷裂中央斷裂、龍門山斷裂后山斷裂、龍門山山前斷裂等;近SN向的有:岷江斷裂、虎牙斷裂等。

圖1 研究震例所在地區(qū)地形地貌遙感圖像(活動斷裂資料參考鄧起東等，2007)Fig.1 Remote sensing image of topography of the area where the earthquake cases locate(The active faults information is referred to DENG Qi-dong et al.，2007).

震例所在地區(qū)主要由高原、高平原、山地和盆地組成，地形基本上是由西北向東南傾斜，西北高原最高，地面海拔4 000～4 500m，其次是川西山地，四川盆地海拔最低。西部高原由北到南依次是NW向的巴顏喀拉山脈和SN向的橫斷山脈。巴顏喀拉山脈山坡較平緩，相對高度不大，為黃河和長江河源的分水嶺。南部橫斷山脈主要由一系列SN向平行延伸的高山和深谷組成，以嶺谷并列，山高谷深為特色，高山之間夾持著怒江、瀾滄江、雅礱江、大渡河等源遠流長的大河。區(qū)內(nèi)高于5 000～6 000m以上的山峰多有冰川分布。川西高原分為丘狀高原和高平原，丘谷相間，谷寬丘圓，排列稀疏，廣布沼澤，其間散布大小海子，分布在若爾蓋、紅原與阿壩一帶的高原沼澤是中國南方地區(qū)最大的沼澤帶。

震例所在地區(qū)氣候受地形影響復(fù)雜多樣，東南盆地為亞熱帶濕潤氣候，川西山地高原和青藏東部高原主要表現(xiàn)為垂直氣候帶，全區(qū)降雨量區(qū)域差別很大，由東南向西北逐漸減少。

本研究選用1960—2010年期間共51a的數(shù)據(jù)，綜合分析其水汽含量的時空動態(tài)。為了提取研究區(qū)強地震前后的水汽含量異常信息，首先分析了水汽含量高值背景。由于水汽含量背景受地形、地貌、氣象等因素的影響，各地背景值不一樣，本研究以各測點1960—2009年共50a的多年平均值加上1.5倍均方差為高值背景。一年中各天平均水汽含量超過高值背景的天數(shù)計入累計水汽含量異常次數(shù)。本文以2008年汶川8.0級地震和1976年松潘7.2級地震為例，研究了震中附近區(qū)域累計水汽含量異常次數(shù)的多年變化情況，并分析了地震孕育中長期階段水汽含量低值異常的時間過程，以及中短期階段水汽含量高值異常的空間分布特征。此外，對于發(fā)生在川西鄰近的2010年玉樹7.1級地震，本文也研究了震中附近50a來水汽含量隨時間的變化過程，發(fā)現(xiàn)它們有相似的特性。

圖2為震例所在地區(qū)水汽含量異常次數(shù)多年平均背景，主要反映水汽含量高值異常頻度在空間上的差異。從圖2中可見，絕大部分地區(qū)水汽含量異常次數(shù)都在55～60次之間，鮮水河斷裂南部和四川盆地東部水汽含量異常次數(shù)較低，在55次甚至50次以下，巴顏喀拉地塊中部水汽含量異常次數(shù)較高，高值帶NW向分布，水汽含量異常次數(shù)超過了60次，最高的甚至達到70次。東南部盆地水汽含量異常次數(shù)較低，這說明該區(qū)的水汽含量動態(tài)比較穩(wěn)定，主要受盆地氣候控制，而在西北山地高原區(qū)的水汽含量動態(tài)變化較大，可能同時受到區(qū)域氣候和區(qū)域NW向構(gòu)造活動的影響。

圖2 水汽含量異常次數(shù)多年平均背景Fig.2 Annualmean background frequency of atmospheric water vapor anomalies.

西南部水汽含量異常次數(shù)多年平均背景非常均一，這可能與該區(qū)數(shù)據(jù)點稀疏有關(guān)，沒有足夠的數(shù)據(jù)來反映區(qū)域內(nèi)水汽含量異常頻度在空間上的差異，所以本文不作詳細討論。

2 震例分析

2.1 2008年5月12日汶川MS 8.0地震

2008年5月12日四川汶川地區(qū)發(fā)生MS8.0地震，該地震發(fā)生于四川西北高原的東側(cè)邊緣的龍門山逆沖斷裂帶上，是青藏高原地殼物質(zhì)的緩慢東向移動與四川盆地和華南地塊堅硬地殼相互作用的結(jié)果。此次汶川大地震在地表形成200多km長的地表破裂帶;灌縣－江油斷裂在地震中也發(fā)生了破裂，形成的地表破裂帶長度超過60km(張培震等，2008)。地表破裂以兼有右旋走滑分量的逆斷層型破裂為主。

本研究對震中附近龍門山斷裂帶上水汽含量異常的多年變化進行了分析，在震中附近取1個控制點，計算出該點每年水汽含量異常累計次數(shù)隨時間的變化。圖3為1960—2010年震中附近龍門山斷裂帶內(nèi)水汽含量異常每年累計次數(shù)變化曲線。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，龍門山斷裂帶水汽含量異常累計次數(shù)從1990年開始逐漸減少，2005年減到最低，2006年開始回增，2007年快速增加到接近歷史高值，由2006年的25次增加到2007年的85次，2008年繼續(xù)增加達到100次，2009年繼續(xù)保持高值，2010年開始減少。

圖3 汶川8.0級地震震中附近1960—2009年水汽含量異常每年累計次數(shù)變化曲線Fig.3 Curve of the frequency per annum of atmospheric water vapor anomalies over epicentral region ofWenchuan earthquake from 1960 to 2009.

在分析震中附近累計水汽含量異常次數(shù)的時間過程的基礎(chǔ)上，本文還以汶川MS8.0地震周圍約20萬km2的地區(qū)為研究區(qū)，分析了地震孕育的中短期階段水汽含量高值異常的空間分布特征。

圖4a為2005年研究區(qū)水汽含量異常次數(shù)分布圖。從圖4中可以看到，在2005年研究區(qū)水汽含量異常次數(shù)整體偏低，最大不超過80次，高值區(qū)域位于東部盆地，而最低不超過20次，最低值區(qū)域分布在龍門山斷裂中段，從汶川地震震中到北川地區(qū)。北部岷江斷裂周圍地區(qū)和南部龍泉山斷裂以西地區(qū)水汽含量異常次數(shù)也比較低，介于20～40次，少于多年平均次數(shù) (圖2b)，其余地區(qū)介于40～60次之間。

圖4b為2007年研究區(qū)水汽含量異常次數(shù)分布圖，異常次數(shù)整體上在2005年的基礎(chǔ)上有所增加，大部分地區(qū)水汽含量異常次數(shù)介于40～60次之間。撫邊河斷裂及其兩側(cè)，研究區(qū)東北角武都縣周圍地區(qū)達到60次以上，汶川震中及周圍地區(qū)最大，超過80次，由2005年的水汽含量異常次數(shù)最少區(qū)變?yōu)樽疃鄥^(qū)。

圖4c是2008年研究區(qū)水汽含量異常分布圖，異常次數(shù)空間分布整體格局和2007年相近，但高值異常區(qū)更集中，異常次數(shù)最高值區(qū)仍然位于震中附近龍門山斷裂帶，水汽含量異常次數(shù)在2007年的基礎(chǔ)上進一步上升，超過100次，其次是圍繞瑪多斷裂東段兩側(cè)，出現(xiàn)了一個NW向的高值條帶，超過80次，在龍泉山西坡斷裂南側(cè)的局部區(qū)域超過60次，其余地區(qū)都為60次以下。

上述分析說明，在2008年汶川8.0級地震孕育的中長期階段，出現(xiàn)了明顯的水汽含量異?，F(xiàn)象，汶川震中附近地區(qū)水汽含量異常頻度從震前18a開始下降，持續(xù)15a，震前2a開始回升，震前1a震中附近地區(qū)由原來的異常頻度最低區(qū)變?yōu)楫惓ｎl度最高區(qū)，地震當年繼續(xù)上升，并維持1a的異常頻度高值狀態(tài)，然后開始回落。

圖4 2008年汶川8.0級地震前水汽含量異常頻度分布圖Fig.4 Spatial distribution of the frequency of atmospheric water vapor anomalies over epicentral region before the MS 8.0 Wenchuan earthquake.

2.2 1976年松潘震群

發(fā)生在1976年的松潘強震群由3次強震組成，位于四川省北部松潘、平武之間SN走向的虎牙斷裂上。松潘強震群的3次強震分布在虎牙斷層的北、中、南3段上。第1次強震發(fā)生在北京時間8月16日，震級為7.2級。第2、3次強震分別發(fā)生在第1次強震發(fā)生的6d和7d之后，即22日和23日，震級分別為6.7級和7.2級。從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景來看，1976年松潘強震群的發(fā)震構(gòu)造部位也是位于青藏高原的東部邊緣。在印度板塊與歐亞板塊的陸陸碰撞作用下，向NE運動的青藏高原地殼在這里受到了位于東北部的鄂爾多斯地塊和位于東部的四川盆地兩個剛性地塊的阻擋，使這里產(chǎn)生了非?；钴S的構(gòu)造活動，發(fā)育了大量的斷層構(gòu)造(岳漢等;2008)。

圖5為1960—1995年松潘震中附近控制像點水汽含量異常每年累計次數(shù)變化曲線，該點水汽含量異常每年累計次數(shù)從1962年開始逐漸減少，1971年減到最小值，1972開始快速回增，1973年增加到接近100次，1974年短暫回落，1975年繼續(xù)增加，超過100次，1976年達到105次，為多年最大，強震發(fā)生。1977年震后開始回落。

圖5 松潘地震震中附近1960—1995年水汽含量異常每年累計次數(shù)變化曲線Fig.5 Curve of the frequency per annum of atmospheric water vapor anomalies over epicentral region of Songpan-Pingwu earthquake from 1960 to 1995.

圖6 a為1971年研究區(qū)水汽含量異常分布圖，水汽含量異常次數(shù)整體偏小，大部分地區(qū)不超過60次，龍泉山西坡斷裂西側(cè)及龍門山斷裂帶北段局部區(qū)域介于60～80次之間，撫邊河斷裂北側(cè)局部區(qū)域介于80～100次之間，虎牙斷裂帶及其南北兩側(cè)水汽含量異常次數(shù)最低，不超過40次。龍門山斷裂帶中段東側(cè)也有一小范圍水汽含量異常次數(shù)較小。

1975年研究區(qū)水汽含量異常次數(shù)比1971年有一個整體增加的趨勢，區(qū)域南北部地區(qū)大都在60～80次之間。震中附近水汽含量異常次數(shù)明顯增加，在空間分布上，虎牙斷裂及外圍地區(qū)最高，超過80次，個別點超過100次，區(qū)域中部，橫跨龍門山形成一條EW向條帶，水汽含量異常次數(shù)介于40到60次之間(圖6b)，處于多年平均水平。

圖6c是研究區(qū)1976年水汽含量異常分布圖，最大值出現(xiàn)在松潘強震群震中及其西側(cè)，超過100次，另外在馬多斷裂，阿壩縣周圍出現(xiàn)一塊次高區(qū)，異常次數(shù)超過80次。其余地區(qū)基本上介于60～80次之間，龍泉山西坡斷裂兩側(cè)異常次數(shù)低于60次。

上述分析表明，1976年松潘震群孕育的中長期階段也出現(xiàn)了明顯的水汽含量異?，F(xiàn)象，松潘地震震中附近地區(qū)水汽含量異常頻度出現(xiàn)了一個先降后升的過程，震前14a開始，該區(qū)的水汽含量異常頻度開始下降，下降過程持續(xù)9a，震前4a開始增加，震中及其附近地區(qū)已經(jīng)由水汽含量異常頻度低值區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咧祬^(qū)，地震當年水汽含量異常頻度達到最大，震后開始回落。此外，在1971年龍門山斷裂帶中段東側(cè)也有一水汽含量異常次數(shù)較低的區(qū)域，但在震前中短期階段沒有出現(xiàn)相應(yīng)的高次數(shù)異常，即無中短期異常配套，可以作為當時排除地震危險性的指標之一。

圖6 1976年松潘地震前水汽含量異常頻度分布圖Fig.6 Spatial distribution of the frequency of atmospheric water vapor anomalies over epicentral region before Songpan-Pingwu earthquake.

2.3 2010年4月14日玉樹7.1級地震

2010年4月14日青海省玉樹發(fā)生了7.1級地震，震中位置為33.2°N，96.6°E，震源深度14km(據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心CENC)，發(fā)震斷裂是甘孜－玉樹斷裂。甘孜－玉樹斷裂是廣義的鮮水河斷裂向西北延伸的部分，也是青藏高原川滇菱形塊體向東擠出的北部邊界。地震產(chǎn)生的地表破裂長度為23km，走向NW—NWW，總體表現(xiàn)為左旋走滑，兼有擠壓逆沖活動(張永雙等，2010)。

圖7為1960—2010年玉樹地震震中附近地區(qū)水汽含量高值異常每年累計次數(shù)變化曲線，該圖顯示，水汽含量高值異常每年累計次數(shù)從1997年開始逐漸下降，2008年降到最低值，為18次，2009年開始快速回升，2010年地震發(fā)生。

類似于汶川地震和松潘震群，2010年玉樹7.1級地震孕育的中長期階段也出現(xiàn)了水汽含量異常頻度持續(xù)10a以上的下降，而在震前2a的中短期階段又快速上升的現(xiàn)象。

圖7 1960—2010年玉樹地震震中附近水汽含量異常每年累計次數(shù)變化曲線Fig.7 Curve of the frequency per annum of atmospheric water vapor anomalies over epicentral region of Yushu MS 7.1 earthquake from 1960 to 2010.

3 結(jié)論與討論

上述3個震例分析結(jié)果表明，在川西及鄰近地區(qū)的強地震孕育過程中，震中附近地區(qū)水汽含量異常頻度會發(fā)生先下降，然后快速上升的過程。下降開始時間較早，出現(xiàn)在震前10a以上，持續(xù)9a以上，屬中長期異常信息;而快速上升則發(fā)生在震前2～4a內(nèi)，屬中短期異常表現(xiàn)。

地震前水汽含量異常的原因可能是由于巖層裂隙的開合、地下流體的運動和地?zé)崮艿淖兓?，影響地面溫度和潛熱交換的速度所致。在地震孕育的中長期階段，地殼巖石壓縮變形，孔隙、裂隙不斷閉合或減少(郭德勇等，1998;郝錦綺等，2002;楊竹轉(zhuǎn)，2004)，由地下釋放的熱水、熱氣減少，潛熱交換速度也隨之降低，水汽含量頻度表現(xiàn)為逐步下降的趨勢。在地震孕育的中短期階段，地殼巖石變形進一步加劇，微破裂不斷擴展，由地下釋放的熱水、熱氣增加，潛熱交換速度也隨之迅速增加，水汽含量異常頻度表現(xiàn)出突發(fā)的快速上升。通過對2008年汶川8.0級地震、1976年松潘強震群和2010年玉樹7.1級地震的分析，初步驗證了這一認識的合理性。

美國國家氣象數(shù)據(jù)中心和美國國家大氣研究中心提供了數(shù)據(jù)，在此表示感謝。

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LONG-AND M ID-TERM ANOMALOUS VARIATIONS OF ATMOSPHERIC WATER VAPOR BEFORE STRONG EARTHQUAKE

CHEN Mei-hua1)DENG Zhi-hui1)MA Xiao-jing1)TAO Jing-ling1)WANG Yu2)

1)Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing，100036，China

The spatial-temporal variations of atmospheric water vapor in western Sichuan Province and its vicinity during themid-and long-term earthquake preparation process are studied.The MS8.0 Wenchuan earthquake in 2008，the Songpan-Pingwu earthquake sequence in 1976 and the Yushu MS7.1 earthquake in 2010 are selected as cases of the study regions.The result shows the frequency of atmospheric water vapor anomalies will decrease at first，then increase quickly during the mid-and longterm process of strong earthquake.The decreasing of the frequency of atmospheric water vapor anomalies begins relatively early，mostly over 10 years before earthquake and will lastmore than 9 years，which is considered asmid-and long-term precursor.The rapid increase appears4 years before earthquake，as a kind ofmid-and short-term precursor.

The frequency of atmospheric water vapor anomalies over epicentral region of Wenchuan earthquake began to decline slowly 18 years before the earthquake and continued for 15 years，then increased rapidly 2 years before the earthquake.The atmospheric water vapor anomalies in the epicenter area changed from lowest frequency to high frequency 1 year before the earthquake，then the event occurred.It continued to increase until 2009 then resumed to normal state.

14 years before Songpan-Pingwu earthquake，the frequency of atmospheric water vapor anomalies over the epicenter region began declining and it continued for 9 years，and then increased 4 years before the event.The anomalies in the epicenter region changed from lowest frequency in 1971 to high frequency in 1973，and reached the highest in 1976，and then the main shock happened.After the earthquake，it resumed to normal state.

Similarly to the above two cases，there had been atmospheric water vapor anomalies before the MS7.1 Yushu earthquake in 2010，the frequency of anomalies declined from 1997 to 2008 when the lowest value was reached.It increased quickly in 2009 till the event occurred in 2010.

The atmospheric water vapor anomalies over epicentral region may be due to the opening-closing movement of pores and fractures in the rock layer before the earthquake，resulting in themigration of underground fluid and underground heat energy，and then causing the change of the surface temperature and surface latent heat flux.

During themid-and long-term process of earthquake preparation，the rate of latentheat exchange decreases due to the reduction of the hotwater vapor from underground caused by the closing of pore and fracture when the crustal rocks undergo compression deformation，so the frequency of atmospheric water vapor anomalies begins to decline.While during the mid-and short-term process of earthquake preparation，the accelerating of the crustal rocks deformation and the expanding ofmicro fractureswill lead to increasing the hot water vapor from underground，accelerating the latent heat exchange，and quickly increasing the frequency of atmospheric water vapor anomalies.Analyses of the above three cases prove preliminarily that this assumption is reasonable.

earthquake anomaly，atmospheric water vapor，Wenchuan earthquake，Songpan-Pingwu earthquake sequence，Yushu earthquake

P315.72

A

0253－4967(2011)03－0549－11

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2011.03.005

2011－05－31收稿，2011－07－27改回。

中國地震局地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(IGCEA2060302)和國家自然科學(xué)基金(40841016、40372131、40702056)共同資助。

鄧志輝，研究員，E－mail:deng6789@163.com。

陳梅花，女，1976年生，2005年在中國地震局地質(zhì)研究所獲構(gòu)造地質(zhì)學(xué)博士學(xué)位，副研究員，現(xiàn)主要從事衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用于地震預(yù)測的研究，電話:010－62009082，E－mail:moonchun@126.com。