2011年安徽安慶M4.8地震前蘇、皖典型前兆異常特征分析*

王 俊，繆阿麗，李軍輝，何 康，鄭海剛，洪德全，徐如剛，楊源源

(1.安徽省地震局，安徽 合肥 230031；2.大別山地震監(jiān)測預(yù)報實驗場，安徽 六安 237000；3.江蘇省地震局，江蘇 南京 210014)

0 引言

2011年1月19日12時7分42秒，安徽省安慶市轄區(qū)與懷寧縣交界處(30.65°N，117.12°E)發(fā)生M4.8地震(以下簡稱安慶地震)，震源深度5 km，宏觀震中位于安慶市宜秀區(qū)楊橋鎮(zhèn)，極震區(qū)烈度為Ⅵ度，震后除安慶地區(qū)外，貴池、蕪湖、合肥、馬鞍山地區(qū)震感強烈，甚至南京、武漢等地也有輕微震感(孫業(yè)君，周云好，2011)。該地震是32年來安徽省內(nèi)最大的一次地震，震前安徽省地震局有明確的預(yù)測意見：“安徽省2011年中小地震將有所活躍，應(yīng)注意安徽中部地區(qū)發(fā)生M4.5左右地震的可能?！辈⒏鶕?jù)馬鞍山皖27井、安慶皖23井、霍山皖33井水位等突變異常特征，于2010年12月17日填報了為期3個月的短期預(yù)測意見。

2011年安慶地震前，蘇皖交界地區(qū)出現(xiàn)多項前兆異常。而地震前兆異常具有一定的規(guī)律性和復(fù)雜性(張國民等，2005)，因此每個地震都存在共性與差異性。不斷總結(jié)每次地震前觀測到的前兆異常現(xiàn)象和規(guī)律，不僅豐富了震例資料，還提升了對地震孕育過程的認(rèn)識。近年來，蘇皖地區(qū)發(fā)生了多次中等以上地震，繆阿麗等(2016)對2016年射陽M4.4地震前地下流體典型異常特征及機理進行了分析；王維等(2016)對2012年高郵M4.9地震前水位群體異常進行了研究，結(jié)果表明，這兩次地震前流體異常具有一些共性和差異性特征，但這僅分析了震前的流體異常特征。若可以基于更多的震例及震前多學(xué)科前兆異常進行分析研究，對于地震的孕育、發(fā)生過程的認(rèn)識會更加全面。

本文旨在對安慶地震前出現(xiàn)的流體、形變、地電異常特征進行回溯性分析，真實地反映地震前記錄的異常，進一步加強對安徽中強震孕育、發(fā)生過程的認(rèn)識。

1 震前蘇、皖典型前兆異常特征

《中國震例》(蔣海昆，車時，2014)按時間發(fā)展進程將地震異常分為L長趨勢背景異常(震前5年以上)、A中期背景性異常(震前0.5～5年)、B短期趨勢異常(震前1～6個月)及C臨震異常(震前1個月內(nèi))等4個階段類別；異常信度分為Ⅰ(可靠)、Ⅱ(較可靠)、Ⅲ(參考)3個等級。本文按照《中國震例》對異常時間的定義，進行歸納總結(jié)。

安慶地震發(fā)生在皖西南地區(qū)，震中400 km范圍內(nèi)，涉及到安徽、江蘇、浙江、江西、湖北、河南等區(qū)域的98個觀測臺站(點)、236個測項(圖1)，有水位、水溫、水氡、氣氡、電磁波、地磁、地電場、地電阻率、水平擺、垂直擺、水管傾斜、伸縮儀、洞體應(yīng)變、體應(yīng)變、鉆孔應(yīng)變、斷層水準(zhǔn)、自然電位等17個觀測項。

安慶地震前，17個觀測臺站的18個前兆測項先后出現(xiàn)異常變化(圖1，表1，2)。本文根據(jù)異常出現(xiàn)先后順序進行了分類，對異常的時間進程進行了分析。時間上，以中期流體趨勢異常為主(占異常項次61%)，短期的水位、水溫下降異常(占異常項次17%)與地形變、水位臨震異常(占異常項次17%)相配套?？臻g上，定點前兆異常分布較廣，集中在0～250 km范圍內(nèi)(表1)。

表1 安慶地震震中附近觀測臺站及前兆異常表

圖1 安慶地震震中及前兆異常觀測點分布圖

1.1 中期異常

蘇皖交界地區(qū)以往震例總結(jié)顯示，地震前兆異常以地下流體中期異常為主。安慶地震前中期異常共12項，其中地下流體(水位、水溫)異常有10項，占83.3%，這充分體現(xiàn)了該地震前地下流體場在中強震孕育過程中對地殼應(yīng)力應(yīng)變場響應(yīng)過程較為突出。震中100～200 km范圍內(nèi)的合肥臺地電阻率、肥東臺定點短水準(zhǔn)出現(xiàn)同步異常變化。上述這些中期異常表現(xiàn)以趨勢上升或下降過程為主，異常持續(xù)時間較長，以震前2年或2年以上的異常居多。從異常出現(xiàn)的時空特征來看，靠近震中的定遠皖04井水位出現(xiàn)上升變化，距震前1年左右，外圍多個水位觀測站水位出現(xiàn)下降變化，與此同時，震中附近的水溫出現(xiàn)加速上升變化。以上中期異常的起始時間表現(xiàn)出從震源區(qū)向外圍擴散，向震中的遷移性特征。

1.1.1 水位異常

安慶地震前水位中期異常主要表現(xiàn)為趨勢下降和趨勢上升(圖2)。從時間進程上看，水位趨勢上升異常出現(xiàn)時間早于趨勢下降異常，如定遠皖04井水位總體呈上升趨勢，但從2007年8月開始上升速率變小(2006年定遠M4.2地震前，該井水位上升速率于2005年開始變小，與本次情況類似)，而最早出現(xiàn)下降的五河女山井水位是于2009年1月開始的。從空間分布上看，距震中較遠的宿遷蘇05井、五河女山井、姜堰蘇10井及武進蘇19井水位表現(xiàn)為下降變化，而相對靠近震中的定遠皖04井、巢湖皖14井及丹徒蘇18井水位、南京江浦臺流量為上升變化(圖2a，b)。值得注意的是2005年九江M5.7地震前，江浦臺流量也呈上升趨勢(圖2b)。進入臨震階段，大部分水位趨勢上升異常開始轉(zhuǎn)折下降(圖2b，c，d)，且趨勢下降速率進一步增大(圖2e，f)，這符合Mjachkin等(1975)提出的裂隙串通(IPE)模型理論，即進入臨震階段，在構(gòu)造應(yīng)力的持續(xù)作用下，微裂隙劇烈增加，小裂隙發(fā)育成較大的裂縫，介質(zhì)的不均勻性會導(dǎo)致大裂縫加速擴容，導(dǎo)致水位下降或加速下降(李利波等，2016)。

圖2 安慶地震前后部分水位中期異常特征曲線

Fig.2 The mid-term anomaly characteristic curve of some water level before and after AnqingM4.8 earthquake

1.1.2 水溫異常

安慶地震前的2項水溫中期異常均表現(xiàn)為趨勢上升(上升速率增大)，進入臨震階段，水溫轉(zhuǎn)為平穩(wěn)變化狀態(tài)，隨后發(fā)震。如無為皖24井水溫從2010年1月15日開始，上升速率明顯加快，由原來的0.000 8 °C/d上升至0.001 5 °C/d，至2011年1月1日恢復(fù)，之后發(fā)震。在2012年高郵M4.9地震前，該井水溫上升速率再次增大，與本次地震前異常具有相似性(圖3a)；巢湖皖14井于2010年4月15日開始，水溫出現(xiàn)快速上升變化，至2010年8月7日轉(zhuǎn)平，隨后緩慢下降，在下降恢復(fù)過程中發(fā)生安慶地震(圖3b)。

圖3 安慶地震前后水溫中期異常特征曲線

1.1.3 地電阻率異常

安慶地震震中400 km范圍內(nèi)僅靠近震中的合肥臺出現(xiàn)地電阻率異常，為中期異常，信度高。合肥臺NE向地電阻率于2010年5月開始出現(xiàn)反常變化，在梅雨季節(jié)未出現(xiàn)正常規(guī)律下降，反而持續(xù)上升(圖4)。在2010年8月沒有出現(xiàn)往年同期的極小值，卻出現(xiàn)了極大值，呈明顯的破年變異常現(xiàn)象，震后異常逐漸恢復(fù)。李軍輝等(2013)研究得出，在安慶地震前29 d，大陸東部出現(xiàn)較明顯地磁低點位移異常，分界線沿安徽金寨、山東新沂、大山等臺站，這種地磁場的變化可能與安慶地震的孕育、發(fā)生相關(guān)聯(lián)。

圖4 安慶地震前后合肥臺地電阻率變化特征曲線

1.1.4 地形變異常

震源區(qū)定點地形變觀測站僅出現(xiàn)1項中短期異常變化，為肥東臺定點短水準(zhǔn)中期趨勢下降異常。自投入觀測以來，肥東臺短水準(zhǔn)高差逐漸變大，2009年11月20日該測線基巖標(biāo)A點出現(xiàn)反向下降變化，至2010年8月10日高差累計減小2.96 mm，之后又增大恢復(fù)，在恢復(fù)過程中發(fā)生安慶地震(圖5)。定點跨斷層短水準(zhǔn)是直接測量斷層位移的，其觀測數(shù)據(jù)真實、可靠，它的下降可能反映了短期內(nèi)局部斷裂的蠕動現(xiàn)象(黃英等，2015)。

圖5 安慶地震前后肥東臺定點短水準(zhǔn)變化特征曲線

Fig.5 The fixed point short level characteristic curve of Feidong station before and after Anqing earthquake

徐如剛等(2011)根據(jù)2010年5月和9月的2期重力場測量結(jié)果，進行了差分處理，得出2010年9月重力場差分動態(tài)異常。中期階段，震中西側(cè)區(qū)域出現(xiàn)顯著的重力值變化(圖6a)，短期階段，西側(cè)重力值恢復(fù)正常而震中附近出現(xiàn)明顯梯級帶特征。而重力梯級帶，特別是位于重力相對較大變化的部位，容易產(chǎn)生剪切應(yīng)力而發(fā)震，為地震的發(fā)生提供了破裂條件和能量(申重陽等，2009；徐如剛等，2011)。

1.2 短、臨突降異常

一般認(rèn)為獲取臨震異常是預(yù)測地震發(fā)生時間的有效手段(劉耀煒等，2004)。安慶地震發(fā)生前，水位短、臨異常突出。從2010年10月初(震前3個多月)開始，馬鞍山皖27井、安慶皖23井水位及宿遷蘇05井水溫都出現(xiàn)了明顯的短期同步突降異常變化(圖7a～c)。進入臨震階段，黃山臺鉆孔應(yīng)變、涇縣臺水管傾斜超限、霍山皖33井水位(圖7d)出現(xiàn)先突降后緩降的異常變化。時間上，這些短臨異常變化具有同步、協(xié)調(diào)性特征；空間上，除宿遷蘇05井水溫觀測站震中距較大，其他異常觀測站均位于震中200 km范圍內(nèi)。在孕震初期，異常向外圍擴散，進入臨震階段，異常由外圍向震中遷移(圖1)。從異常演化特征分析，馬鞍山皖27井、安慶皖23井沿樅陽—宿松斷裂分布，異常出現(xiàn)的時間早于其他短臨異常，且安慶、宿遷、涇縣、黃山及霍山觀測點數(shù)據(jù)在臨震階段表現(xiàn)為異常結(jié)束或下降速率減緩特征。下面對部分觀測點異常進行介紹。

(1)馬鞍山皖27井水位快速下降

皖27井于2008年9月開始數(shù)字化觀測，觀測以來水位總體變化平穩(wěn)，年變幅約60 cm。2010年10月5日開始水位大幅度、快速下降，至2011年1月18日下降幅度達1.9 m，在水位最低值時發(fā)生安慶地震，震后又快速回升(圖7a)。

圖6 安慶地震前2010年5月(a)和9月(b)重力場差分異常圖(據(jù)徐如剛等(2011)修改)

圖7 安慶地震前水位，水溫短、臨異常時間曲線

(2)安慶皖23井水位加速下降異常

皖23井于2007年9月2日開始數(shù)字化水位觀測，記錄具有規(guī)則的年變動態(tài)，年變幅度為35～80 cm。2010年10月9日水位開始快速下降，后緩慢下降，在下降過程中發(fā)震，異常幅度約45 cm，震后繼續(xù)下降(圖7b)。時間上與馬鞍山皖27井水位異常變化同步；構(gòu)造上兩者相關(guān)聯(lián)，均位于樅陽—宿松斷裂近側(cè)(圖1)。

(3)宿遷蘇05井水溫下降異常

蘇05井水溫為趨勢上升型動態(tài)變化，2010年11月5日水溫出現(xiàn)轉(zhuǎn)折下降變化，至2010年12月25日累計下降0.1°C，后在上升恢復(fù)過程中發(fā)生安慶地震(圖7c)，震后異常繼續(xù)上升恢復(fù)到正常趨勢狀態(tài)，該井水溫映震特征為短期下降異常，如2012年高郵M4.9地震前(圖7c)。

(4)霍山皖33井水位突降異常

皖33井水位日變幅1～2 cm，固體潮清晰，觀測資料表明，該井映震表現(xiàn)是水位突升或突降異常，為短臨異常。該井水位于2010年12月8日突降約6.5 cm，12月9日繼續(xù)緩慢下降，在下降過程中發(fā)生了安慶地震，震后水位繼續(xù)下降(圖7d)。

2 前兆異常特征分析

2.1 時間進程中的配套性和階段性

在安慶地震孕育過程中，尤其是地下流體(水位、水溫)前兆異常表現(xiàn)為中期、短期及臨震異常的時間進程中的配套性和階段性。配套性出現(xiàn)為：中期階段，震中附近的定遠皖04井水位出現(xiàn)上升變化，震前1年，距震中最遠的宿遷蘇05井水位出現(xiàn)下降變化，震前半年至3個月的中短期階段，安慶皖23井、馬鞍山皖27井水位出現(xiàn)大幅度下降變化，震前1個月的短臨階段，震源區(qū)的霍山皖33井水位出現(xiàn)突降變化。這種時間進程上的配套性是地下流體前兆異常的主要特征之一(劉耀煒，施錦，2000)。階段性表現(xiàn)為：安慶地震前以地下流體(均為水物理測項)異常為主，兼有地形變、地電阻率異常。從圖8a可以看出最先出現(xiàn)的是水位趨勢上升異常，但只有1項。震前12個月前兆異常月頻次逐漸增加，異常種類增加，出現(xiàn)地形變、地電阻率等異常；震前9個月異常數(shù)量相對平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)明顯增加，震前3個月異常項快速增加；震前1.5個月，異常月頻次開始轉(zhuǎn)折下降，即進入臨震階段部分異常結(jié)束，異常項減少。以上異常的時間進程表明，安慶地震的孕育過程主要受區(qū)域應(yīng)力場的統(tǒng)一作用。因此，時間進程上的中、短、臨的配套過程以及前兆異常月頻次的加速、轉(zhuǎn)折的階段性特征，對準(zhǔn)確把握地震的發(fā)生時間具有重要參考意義(李瓊等，2016；張立等，2016)。

2.2 空間演化過程的協(xié)調(diào)性

由前兆異常時空演化圖(圖8b)可知，本次地震前兆異常分布于震中0～400 km空間范圍，但主要集中于0～250 km，有12個觀測點出現(xiàn)異常變化，占異常測項比66.7%；距震中250～400 km有6個測項出現(xiàn)異常變化，占異常測項比33.3%。這表明，靠近震中異常變化呈顯著的群體性、同步性特征。空間上，前兆異常主要集中郯廬斷裂帶西側(cè)。中期階段，起始異常是定遠皖04井，隨后異常沿郯廬斷裂帶向外圍擴散、遷移；進入中短期階段，異常沿本次地震發(fā)震構(gòu)造樅陽—宿松斷裂向震中遷移，這種具有方向性的協(xié)調(diào)性異常演化特征，是前兆異常特別是地下流體異常在短臨階段判斷發(fā)震區(qū)域的重要指標(biāo)之一(劉耀煒，施錦，2000)。本次地震前前兆異常在空間演化過程中的協(xié)調(diào)性變化，可理解為異常向震中收縮的一種動態(tài)過程(李宣瑚，1981)。震前重力場、地磁場的異常變化，也表征了震中附近區(qū)域能量在不斷積聚以及地震孕育過程中的場兆信息(徐如剛等，2011；李軍輝等，2013)。

根據(jù)安慶M4.8地震的震源機制解結(jié)果，震源界面Ⅰ走向為223°，傾角為90°(直立)，傾向為NE55°。據(jù)野外考察得出的極震區(qū)走向結(jié)果推斷，223°走向的界面為斷層面，這是一次垂直升降錯動地震，東南盤上升，西北盤下降(孫業(yè)君，周云好，2011)，這一結(jié)論與流體異常形態(tài)相符，由此可見本次地震前群體性前兆異常受區(qū)域構(gòu)造活動的控制。因地震孕育、發(fā)生是地殼應(yīng)力不斷累積至釋放的過程，處于活動構(gòu)造帶附近的觀測井在地震孕育過程中可能表現(xiàn)得更加靈敏，因此活動構(gòu)造帶附近的前兆異?？臻g演化的遷移性、協(xié)調(diào)性特征有益于判斷未來的發(fā)震區(qū)域。

圖8 安慶地震前前兆異常時間(a)、空間(b)演化圖

Fig.8 Map of precursor anomaly temporal(a)and spatial(b) evolution before Anqing earthquake

3 討論和結(jié)論

通過對安慶M4.8地震前前兆異常的時間、空間及不同測項異常變化特征進行深入分析，獲得了以下幾個方面的認(rèn)識：

(1)安慶地震前，水位(流量)、水溫的映震效能較好，距震中越近，異常越顯著，靠近震中的水位短、臨異常突出。電磁、形變測項雖多，但震前異常不明顯，可能是監(jiān)測點分布不均勻、觀測環(huán)境受干擾等影響所致。在震中附近區(qū)域長期開展重力場觀測，在震前獲得了明顯的重力梯級帶異常變化特征，為當(dāng)時震情判斷提供了重要依據(jù)。今后，既要合理布局觀測點，增加有效觀測手段，提升監(jiān)測質(zhì)量，又要長期開展地球物理場(重力場、重磁場等)觀測，以實現(xiàn)綜合觀測與科學(xué)分析，有效提升地震監(jiān)測預(yù)報水平(車用太等，1996；劉耀煒等，2004)。

(2)安慶地震前的中、短期、臨震異常表現(xiàn)出相配套以及明顯的階段性特征。中、短期階段電磁、形變出現(xiàn)異常變化，地下流體異常月頻次緩慢增加。震前3個月，異常月頻次快速增加，進入臨震階段，部分異常結(jié)束，異常月頻次出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折下降。這種異常時間進程上的配套性、階段性特征是判斷發(fā)震時間的有效指標(biāo)之一。

(3)安慶地震前定點前兆異?？臻g分布呈現(xiàn)2個方面的特征：一是遷移性，首先出現(xiàn)的異常位于距震中約250 km處，隨后向震中外圍遷移；進入短臨階段，由外圍向靠近震中方向遷移；震前地球物理場重力差分異常也表現(xiàn)出由西側(cè)向震中遷移的特征，這種前兆場與地球物理場的遷移特征可作為未來地震地點的一個判定指標(biāo)；二是集中分布在250 km范圍內(nèi)，這可能反映了靠近震中區(qū)不同測點異常群體性、協(xié)調(diào)性特征顯著，可能表征了區(qū)域應(yīng)力場的變化狀態(tài)。前兆異常的群體性、協(xié)調(diào)性變化有益于判斷區(qū)域應(yīng)力場的變化，未來地震的發(fā)生地點預(yù)判需關(guān)注應(yīng)力集中區(qū)(王維等，2016)。

本文在撰寫過程中得到付虹研究員、劉耀煒研究員的精心指導(dǎo)，在此表示衷心感謝。