群體性前兆異常的時(shí)空演化特征及成因分析

蘇維剛，孫璽皓，趙玉紅，馬震

(青海省地震局，青海 西寧 810001)

0 前 言

中國(guó)地震學(xué)者在20世紀(jì)80年代，通過(guò)對(duì)大量震例中的地震前兆或異常進(jìn)行分析、梳理與總結(jié)，將前兆歸納為11類(lèi)觀測(cè)手段、75個(gè)項(xiàng)目，充分顯示了地震前兆的豐富性和多樣性[1-2]，前兆觀測(cè)異常與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)和動(dòng)力過(guò)程密切相關(guān)，前兆異常的數(shù)量、幅度等可以作為指示區(qū)域應(yīng)力水平高低的參量[3]。

青海省屬于強(qiáng)震多發(fā)省份,省內(nèi)地震活動(dòng)分布廣、強(qiáng)度大、頻度高，歷史上曾發(fā)生過(guò)多次7級(jí)以上乃至8級(jí)的大地震[4]。自2017年11月以來(lái)，流體、形變和電磁學(xué)科均有多個(gè)測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)不同程度的異常變化，呈群體性異常特征。此外，2016年1月21日門(mén)源6.4級(jí)地震前出現(xiàn)異常的臺(tái)點(diǎn)，有部分在這一期間也出現(xiàn)異常，例如平安靜水位以及門(mén)源傾斜等，但出現(xiàn)的的異常其形態(tài)和幅度與門(mén)源6.4級(jí)地震前有所差異。在異常跟蹤過(guò)程中大部分異常因超過(guò)預(yù)報(bào)有效期被取消，但兩個(gè)時(shí)期集中出現(xiàn)的異常仍然沒(méi)有具體合理的解釋。鑒于震情趨勢(shì)的復(fù)雜性和異常數(shù)量的顯著性，本文對(duì)這些群體性異常進(jìn)行綜合分析，從而對(duì)這些集中出現(xiàn)的異常進(jìn)行較好的成因分析，以期對(duì)未來(lái)震情趨勢(shì)的判定起到一定的指示作用。

1 青海省前兆觀測(cè)及異常分布情況

目前青海定點(diǎn)前兆站網(wǎng)有地下流體觀測(cè)點(diǎn)17個(gè)、地殼形變觀測(cè)點(diǎn)8個(gè)、電磁觀測(cè)點(diǎn)11個(gè)。從分布區(qū)域來(lái)看(見(jiàn)圖1)，觀測(cè)項(xiàng)目主要集中在青海東部，其余零散分布于柴達(dá)木盆地及大武、玉樹(shù)等地區(qū)。2018年1月和7月前后多學(xué)科多手段呈現(xiàn)群體性前兆異常變化，具有多手段觀測(cè)的11個(gè)前兆臺(tái)站有6個(gè)出現(xiàn)多測(cè)項(xiàng)異常變化，異常占比55%。

2 群體性前兆異常特征分析

2.1 趨勢(shì)性異常特征分析

格爾木鉆孔應(yīng)變分量1-3的差應(yīng)變從2018年初開(kāi)始呈趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折異常(圖2b)。格爾木水平擺傾斜東西分量2018年自趨勢(shì)性東傾轉(zhuǎn)折呈轉(zhuǎn)平異常(圖2a)。都蘭地電場(chǎng)2017年各測(cè)道年變幅出現(xiàn)異常變化，第一裝置東西向2017年年變幅度為2016的20%(圖2c)。青藏高原受印度板塊持續(xù)北向推擠使在整個(gè)青藏高原地區(qū)形成多處應(yīng)變集中區(qū)，其中格爾木臺(tái)站所處的西昆侖斷裂帶地區(qū)為應(yīng)變率高值區(qū)，且方向以近東西向?yàn)橹鱗5-7]。格爾木鉆孔應(yīng)變和水平擺傾斜是對(duì)區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變變化的直接響應(yīng)，都蘭地電場(chǎng)的變化是地下電性結(jié)構(gòu)變化的響應(yīng)，這3個(gè)觀測(cè)項(xiàng)在2018前后均出現(xiàn)趨勢(shì)性異常變化，表明柴達(dá)木塊體及其周邊存在區(qū)域應(yīng)力調(diào)整。

圖1 青海省定點(diǎn)前兆臺(tái)點(diǎn)分布

圖2 趨勢(shì)性異常變化特征

2.2 中短期異常特征分析

門(mén)源水平擺和垂直擺傾斜自2017年11月10日前后轉(zhuǎn)折呈“V”字型變化(圖3)，樂(lè)都臺(tái)水平擺和垂直擺傾斜的東西分量均在2018年1月初前后均出現(xiàn)加速傾斜變化(圖4)，平安淺層水溫于2018年1月9日出現(xiàn)趨勢(shì)性上升變化，平安水位自2018年2月21日自趨勢(shì)性上升出現(xiàn)轉(zhuǎn)平變化(圖5)。分析可能是由于上地幔熱物質(zhì)侵入地殼導(dǎo)致堅(jiān)固體內(nèi)微破裂發(fā)展或引起已有斷層的滑動(dòng)，區(qū)域地殼受擠壓變形，出現(xiàn)傾斜的突變變化或加速傾斜變化，底部熱物質(zhì)上涌到淺層地表，孔隙壓增大，水位和水溫均表現(xiàn)為上升變化[8-10]。2018年6月初平安水溫出現(xiàn)顯著下降變化(圖5)，2018年8月1日和9日格爾木動(dòng)水位和德令哈動(dòng)水位先后出現(xiàn)顯著上升變化(圖6)。

圖3 門(mén)源傾斜異常變化特征

圖4 樂(lè)都傾斜東西分量異常變化特征

圖5 平安水位和水溫異常變化特征

圖6 格爾木和德令哈動(dòng)水位異常變化特征

3 前兆異常的時(shí)空演化特征及機(jī)理探討

3.1 前兆異常的時(shí)空演化特征

經(jīng)過(guò)梳理，2017年11月至2018年12月有效異常共12項(xiàng)，其中中長(zhǎng)期異常3項(xiàng)，中短期異常9項(xiàng)(如圖7)。綜合異常的性質(zhì)和異常的出現(xiàn)及結(jié)束時(shí)間，本文將9項(xiàng)中短期異常的演化主要?jiǎng)澐譃?個(gè)階段：第一階段為2017年11月至2018年2月，第二階段為2018年6月至2018年8月。從前兆異常的時(shí)空演化來(lái)看，區(qū)域應(yīng)力顯著變化主要在2018年1月前后和7月前后，且兩階段的異常變化主要分布在祁連地震帶西段和三湖區(qū)域。

圖7 前兆異常時(shí)空演化進(jìn)程

3.2 前兆異常的機(jī)理探討

2018年前后格爾木水平擺傾斜和鉆孔應(yīng)變以及都蘭地電場(chǎng)出現(xiàn)趨勢(shì)性異常，表明整體區(qū)域應(yīng)力發(fā)生調(diào)整，1～2月樂(lè)都水平擺和垂直擺東西分量?jī)A斜加速，表明該方向擠壓應(yīng)力水平增強(qiáng)，同時(shí)平安靜水位打破原有的降低趨勢(shì)，保持在較高水位，隨后平安水溫出現(xiàn)升高，說(shuō)明祁連地震帶西段出現(xiàn)應(yīng)力擠壓增強(qiáng)。7～8月樂(lè)都形變和平安流體類(lèi)異常均趨向結(jié)束，表明所在區(qū)域應(yīng)力水平趨于正常，德令哈動(dòng)水位和格爾木動(dòng)水位出現(xiàn)大幅升高，表明三湖地區(qū)出現(xiàn)新一輪擠壓應(yīng)力的增強(qiáng)變化。

馮德益等人根據(jù)諸多震例資料的分析研究，明確地提出了地震前兆過(guò)程的3個(gè)發(fā)展階段[11]，即α、β和γ階段。α階段前兆異常從震源區(qū)向外圍擴(kuò)展；β階段前兆異常快速發(fā)展，大范圍出現(xiàn)；γ階段地震前兆異常從外圍向震源區(qū)收縮，之后進(jìn)入地震即將發(fā)生的臨震階段。這三個(gè)階段可以與地震孕育的3個(gè)階段相聯(lián)系，通過(guò)對(duì)2016年門(mén)源6.4級(jí)、2010年玉樹(shù)7.1級(jí)地震等震例分析發(fā)現(xiàn)震前均具有三階段演化特征，且γ階段以短期異常為主，并具有近源場(chǎng)異常向外擴(kuò)散的特征[12]。宋治平等基于包體流變模型計(jì)算的研究顯示球形硬包體的地面體應(yīng)變隨時(shí)間的變化也表現(xiàn)出3個(gè)階段特征，且γ階段前兆從近源區(qū)為向外擴(kuò)展[13]。綜合分析認(rèn)為2018年前后出現(xiàn)的趨勢(shì)性異常演化處于地震前兆過(guò)程的α階段，而兩個(gè)時(shí)段出現(xiàn)的中短期異常均對(duì)應(yīng)于地震前兆的γ階段，但孕震體未達(dá)到破裂發(fā)震的階段，因此兩階段的異常演化均為無(wú)震異常。

4 結(jié)論與思考

通過(guò)對(duì)2017年11月以來(lái)出現(xiàn)的群體性異常進(jìn)行梳理分析，發(fā)現(xiàn)異常主要分為趨勢(shì)性異常和中短期異常。認(rèn)為2018年前后出現(xiàn)的趨勢(shì)性異常演化處于地震前兆過(guò)程的α階段，而兩個(gè)時(shí)段出現(xiàn)的中短期異常均對(duì)應(yīng)于地震前兆的γ階段。2018年1月前后和7月前后兩個(gè)階段的中短期異常分別指示了祁連地震帶西段和三湖地區(qū)區(qū)域應(yīng)力擠壓增強(qiáng)的狀態(tài)，但孕震體未達(dá)到破裂發(fā)震的階段，因此兩階段的異常演化均為無(wú)震異常。

值得思考的是，此次群體性異常第一階段門(mén)源測(cè)點(diǎn)最先出現(xiàn)異常，第二階段格爾木測(cè)點(diǎn)最先出現(xiàn)異常，雖然這兩個(gè)階段異常演化均為無(wú)震異常，但后續(xù)在2019年3月28日發(fā)生的茫崖5.0級(jí)地震距格爾木測(cè)點(diǎn)最近，2019年9月16日甘州5.0級(jí)地震距門(mén)源測(cè)點(diǎn)最近，所以在后續(xù)震情跟蹤過(guò)程中，對(duì)群體性前兆異常演化階段中最先出現(xiàn)異常變化的周邊區(qū)域持續(xù)跟蹤關(guān)注可能對(duì)發(fā)震信息的捕獲有一定幫助。