2016年1月21日青海門源MS 6.4 地震的前兆異常研究

李文君 曾憲偉 羅國富 李國斌 羅恒之 司學蕓

（中國銀川 750001 寧夏回族自治區(qū)地震局）

0 引言

對于中強地震前后的震中周邊地震活動異常和地球物理觀測資料異常的識別和判定一直是地震學家較關(guān)注的科學問題之一。地震工作者對一些震兆異常的認識在震前與震后往往不同，尤其是震后回顧分析相關(guān)資料時，常會有一些新的認識。因此，震后系統(tǒng)總結(jié)某次地震的震兆異常特征無疑對地震預(yù)測預(yù)報工作是必要的。張國民等（2005）對1966—2001年中國大陸100多個震例進行綜合分析，認為前兆異常有地區(qū)性的特征，同時具有規(guī)律性和復雜性。因此，不斷總結(jié)每次地震前的地震活動異常和地球物理觀測資料異常，逐步豐富震例資料，對于提升有關(guān)地震孕育過程的認知是有益的。

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，北京時間2016年1月21日1時13分37.65秒，青海省海北藏族自治州門源回族自治縣（37.65°N，101.62°E）發(fā)生MS6.4地震，震源深度10 km（http://www.cenc.ac.cn/）。據(jù)地震應(yīng)急現(xiàn)場指揮部消息，截至2016年1月25日14時24分30秒，共監(jiān)測到888次余震，地震造成10人輕傷，600多戶房屋受損（胡朝忠等，2016）。此次地震是甘青地區(qū)自2013年7月22日甘肅岷縣漳縣6.6級地震后發(fā)生的最大震級地震，震中距寧夏回族自治區(qū)邊界230 km。震前寧夏地區(qū)的地震活動和地球物理觀測資料均出現(xiàn)了較顯著的異常。本文對門源MS6.4地震前寧夏地區(qū)的地震活動和地球物理觀測資料等進行了回溯性分析與總結(jié)，以期為今后區(qū)域中強地震的預(yù)測預(yù)報工作提供參考依據(jù)。

1 測震學異常

1.1 2016年1月13日固原ML 4.1震群

2016年1月13日至2月1日，寧夏固原市原州區(qū)炭山鄉(xiāng)（36°22′N，106°17′E）發(fā)生ML4.1震群（圖1、圖2），震群序列共記錄到ML≥0.0地震31次，其中，ML0.0—0.9地震13次；ML1.0—1.9地 震16次；ML2.0—2.9地 震0次；ML3.0—3.9地 震1次；ML4.1地 震 1次。31次地震中8次為單臺地震（炭山臺），另外23次為可定位地震，且震源均較淺，震源深度為3—10 km。此次地震序列中最大震級地震為ML4.1地震，其震源深度為6 km；次大震級地震為ML3.2地震，其震源深度為 6 km。

圖1 2016年1月13日至2月1日固原ML 4.1震群震中分布Fig.1 Epicenter distribution of Guyuan ML 4.1 earthquake swarm from January 13 to February 1,2016

圖2 2016年1月13日至2月1日固原ML 4.1震群M—t圖（a）及日頻次（b）Fig.2 M-T diagram and daily frequency chart of Guyuan ML 4.1 earthquake swarm from January 13 to February 1,2016

研究表明，一些震群發(fā)生后，在短時間、近距離內(nèi)往往有中強震發(fā)生（李永莉等，2005；杜方等，2007；李滔，2007）。宋治平等（2001）研究了華北地區(qū)1970年以來的震群活動后認為，震群活動的遷移性與階段性對于強震的中期預(yù)測具有一定指導意義。此外，前兆性或非前兆性震群的判定指標研究表明，地殼結(jié)構(gòu)和斷裂分布的差異可使得不同地區(qū)的震群活動具有不同特征（王煒等，1987；陸遠忠等，1999；任雪梅等，2016）。

本文在判斷此次震群活動是否為前兆震群時，計算了該震群的U、F、ρ、K、h、b值以及各種參數(shù)的組合（表1），發(fā)現(xiàn)該震群U、F、K、b等4個參數(shù)滿足非前兆震群的判定指標，只有ρ和h兩個參數(shù)滿足前兆震群判定指標。另外，又通過4種參數(shù)組合來進一步分析震群類型，發(fā)現(xiàn)U—K型、U—ρ型、K—ρ型、U—K—ρ型等4種組合都是非典型前兆震群。綜合分析認為，從各參數(shù)指標來看該震群為非前兆震群。

表1 2016年1月13日固原ML 4.1震群前兆參數(shù)指標Table 1 Precursory parameters of Guyuan ML 4.1 earthquake swarm on January 13,2016

然而，固原ML4.1震群發(fā)生在青藏塊體東北緣與鄂爾多斯臺地的過渡帶內(nèi)（圖3），門源MS6.4地震發(fā)生在祁連地塊的北緣，2次事件均發(fā)生在青藏塊體東北緣的前緣部位，主要受青藏塊體NE向的推擠作用，這與固原ML4.1地震（圖4）和門源MS6.4地震（胡朝忠等，2016；李曉峰，2017；尹欣欣等，2018）震源機制解顯示的NE向主壓應(yīng)力方向一致。地震活動性分析中發(fā)現(xiàn)，1970年以來門源地區(qū)地殼孕震強度為6級左右，固原炭山地區(qū)地殼孕震強度為5級左右，表明前者巖石強度較后者大得多。因此，在青藏塊體NE向的推擠作用下，首先觸發(fā)巖石強度較弱的固原炭山地區(qū)發(fā)生ML4.1小震群活動，而后發(fā)生門源MS6.4地震（二者震中相距440 km，發(fā)震時間相差8天）。同樣，1986年7月14—16日固原炭山地區(qū)接連發(fā)生8次ML≥2.0地震，隨后10天內(nèi)發(fā)生了1986年8月26日門源 6.5級地震。從這2次門源地震和固原小震的發(fā)展來看，固原小震窗口與門源地震間有較好的對應(yīng)關(guān)系，固原小震窗口對門源地區(qū)中強地震有一定的觸發(fā)作用。

圖3 門源MS 6.4地震、固原ML 4.1震群震中Fig.3 Distribution of the Menyuan MS 6.4 earthquake and Guyuan ML 4.1 earthquake swarm

圖4 2016年1月13日固原ML 4.1地震波形擬合和震源機制解隨深度的變化圖（a）為理論波形與（紅）與觀測波形（黑）擬合，波形左側(cè)上面一行為震中距，中間一行為臺站代碼，下面一行為方位角，波形下方的兩行數(shù)字分別為理論波形相對于觀測波形的移動時間（s）及二者相關(guān)系數(shù)（%）；圖（b）為不同震源深度下搜索的震源機制解所對應(yīng)的誤差，當深度為9.5 km時，誤差最小，即為最佳解Fig.4 Waveform fitting of Guyuan ML 4.1 earthquake on January 13 2016 and variation of focal mechanism solution with depth

從以上動力分析來看，使得固原ML4.1震群應(yīng)為前兆震群，對門源MS6.4地震具有一定的指示意義。

1.2 波速比

李善邦（1981）認為：“當震源物理狀態(tài)發(fā)生改變時，震源區(qū)巖石的彈性必然受其影響，使地震波通過時速度發(fā)生改變而產(chǎn)生波速異常”。近年來，隨著地震觀測技術(shù)的不斷改進和臺站布設(shè)密度的增加，以及震相數(shù)據(jù)的不斷積累和判讀精度的提高，利用區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)震相數(shù)據(jù)分析中強地震前后波速比變化特征的研究多見報道（黎明曉等，2006；王琳瑛等，2014）。本文收集整理了2009—2020年產(chǎn)出的地震直達波震相數(shù)據(jù)，利用單臺多震和達法計算了門源MS6.4地震前后震中附近的測震臺站波速比。計算約束條件為：相關(guān)系數(shù)R≥0.95；計算樣本地震次數(shù)N=50；波速比誤差估計γ≤0.05；tS-P≤20。

圖5為龍羊峽地震臺波速比變化情況。由圖5可見，門源MS6.4地震前該臺站出現(xiàn)了較穩(wěn)定的波速比低值異常變化，波速比低值異常過程中發(fā)震，震后波速比逐步恢復正常。

圖5 龍羊峽地震臺波速比隨時間的變化Fig.5 Time variation curve of wave velocity ratio at the Longyangxia Seismic Station

2 地球物理觀測資料異常

2.1 涇源地震臺伸縮儀EW向形變位移相對變化量

2007—2016年涇源地震臺伸縮儀EW向形變位移相對變化量日均值（圖6）顯示，2007—2010年變化基本平穩(wěn)，2011年11月開始出現(xiàn)持續(xù)上升，存在明顯的張性趨勢性異常，數(shù)據(jù)上升變化期間發(fā)生了2013年甘肅岷縣漳縣6.6級地震。隨后，2013年11月出現(xiàn)反向持續(xù)壓性變化，其中，2014—2016年下降速率緩慢，每年同期變化形態(tài)基本一致，該下降過程中發(fā)生了2016年青海門源MS6.4地震。該測點距門源MS6.4地震震中約480 km。該測項趨勢性下降變化異常應(yīng)與門源MS6.4地震間存在一定的對應(yīng)關(guān)系。

圖6 2007—2016年涇源地震臺伸縮儀EW向形變位移相對變化量日均值Fig.6 The daily mean curve of EW direction of Jingyuan extensometer from 2007 to 2016

2.2 涇源地震臺伸縮儀NS向形變位移相對變化量

2007—2016年涇源地震臺伸縮儀NS向形變位移相對變化量日均值（圖7）顯示，2007—2010年呈緩慢下降變化，2011年轉(zhuǎn)折并呈緩慢上升趨勢；2012年1月開始小幅下降，速率緩慢，5月后反向，年變化幅度偏小，存在破年變異常。2012年5月后持續(xù)上升，顯示明顯的張性變化，分析認為該變化為趨勢性異常。隨后，相繼發(fā)生2013年岷縣漳縣6.6級 地震和2016年青海門源MS6.4地震。該測項趨勢性變化異常在2013年岷縣漳縣6.6級 地震后仍持續(xù)，認為應(yīng)與門源MS6.4地震間存在一定的對應(yīng)關(guān)系。

圖7 2007—2016年涇源地震臺伸縮儀NS向形變位移相對變化量日均值Fig.7 The daily mean curve of NS direction of Jingyuan extensometer from 2007 to 2016

2.3 涇源地震臺垂直擺NS向形變位移相對變化量

2015年4月開始，涇源地震臺形變垂直擺NS向形變位移相對變化量日均值上升速率較快，上升幅度約為往年同期的2倍，存在破年變異常（圖8）。2016年3月中國地震局形變學科管理組牽頭進行現(xiàn)場核實，結(jié)合該測項潮汐參數(shù)、周邊區(qū)域形變異常以及GNSS資料，綜合分析認為，異常信度較高，與門源MS6.4地震間存在一定的對應(yīng)關(guān)系。

圖8 2010—2016年涇源地震臺垂直擺NS向形變位移相對變化量日均值Fig.8 The daily mean curve of NS direction of Jingyuan vertical pendulum from 2010 to 2016

2.4 海原地震臺小山鉆孔應(yīng)變第二分量

2010—2016年海原地震臺小山鉆孔應(yīng)變第二分量日均值（圖9）顯示，2013年12月 6日出現(xiàn)反向變化，由張性變化轉(zhuǎn)為壓性變化，且壓性速率較快，存在異常變化；2014年5月恢復張性變化，速率與2013年12月以前基本一致。之后，發(fā)生2016年青海門源MS6.4 地震。該測點距門源MS6.4地震震中約380 km。該測項異常應(yīng)與門源MS6.4地震間存在一定的對應(yīng)關(guān)系。

圖9 2010—2016年海原地震臺小山鉆孔應(yīng)變第二分量日均值Fig.9 The daily mean value curve of the second component of borehole strain in Xiaoshan,Haiyuan from 2010 to 2016

2.5 海原地震臺甘鹽池井水位

海原地震臺甘鹽池井位于海原斷裂附近，其水位存在較規(guī)律的年變化，即春季上升，秋冬季下降，年變化幅度約為8 cm。2009年6月季度檢查后，水位探頭出現(xiàn)故障，廠家維修后于7月21日重新架設(shè)，之后水位基本持平。季度檢查數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)變化真實可靠。2011年3月水位開始緩慢上升，累計上升幅度約14 cm，存在破年變異常（圖10）。在持續(xù)上升期間先后發(fā)生2013年甘肅岷縣漳縣6.6級地震和2016年青海門源MS6.4地震。該測點距門源6.4級地震震中約350 km。該趨勢性異常應(yīng)與門源MS6.4地震間存在一定的對應(yīng)關(guān)系。

圖10 2007—2016年海原地震臺甘鹽池井水位整點值Fig.10 The hourly sampled value curve of Haiyuan Ganyanchi well water level from 2007 to 2016

2.6 海原地震臺甘鹽池井水溫

海原地震臺甘鹽池井水溫正常變化形態(tài)為年度周期性趨勢性下降（圖11）。根據(jù)以往震例回顧，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升變化時往往在青藏塊體東北緣發(fā)生6級以上強震。2015年8月，甘鹽池井水溫日均值出現(xiàn)趨勢性轉(zhuǎn)折上升，11月初恢復下降變化，2016年1月21日發(fā)生門源MS6.4地震，地震發(fā)生在轉(zhuǎn)折上升（8—11月）恢復后約2個月，該變化與以往震例震前變化形態(tài)類似。

圖11 2015年6月至2016年2月海原地震臺甘鹽池井水溫日均值Fig.11 The daily mean water temperature curve of Ganyanchi well in Haiyuan from June 2015 to February 2016

4 結(jié)論

通過對2016年1月21日青海門源MS6.4地震前寧夏境內(nèi)出現(xiàn)的測震學異常、地球物理觀測資料異常的梳理，發(fā)現(xiàn)震前存在測震學異常2項；地球物理觀測資料異常6項，其中，形變異常4項，地下流體異常2項。這些異常多為中長期異常，測震學異常和甘鹽池井水溫異常為短期異常，無臨震異常出現(xiàn)。

（1）分析1986年門源6.5級地震和2016年門源MS6.4地震前固原炭山地區(qū)的地震活動后認為，固原ML4.1震群應(yīng)為前兆震群，對門源MS6.4地震具有一定的指示意義。

（2）門源MS6.4地震震中周圍500 km范圍內(nèi)有3個測震臺站（DUL、LYX和MAD）震前出現(xiàn)了較穩(wěn)定的波速比低值異常變化，波速比低值異常過程中發(fā)震，震后波速比逐步恢復正常。另外，都蘭地震臺（DUL）2019年1月再次出現(xiàn)的波速比異常應(yīng)與張掖5.0級地震間存在對應(yīng)關(guān)系。

涇源地震臺伸縮儀EW、NS向形變位移相對變化量，涇源地震臺垂直擺NS向形變位移相對變化量以及海原地震臺小山應(yīng)變第二分量、甘鹽池井水位等在門源MS6.4地震前均出現(xiàn)不同程度的中長期異常。

（4）2015年8月，海原地震臺甘鹽池井水溫出現(xiàn)趨勢性轉(zhuǎn)折上升，11月初恢復下降變化，2016年1月21日發(fā)生青海門源MS6.4地震，地震發(fā)生在地震發(fā)生在轉(zhuǎn)折上升（8—11月）后約2個月。該變化與以往震例震前變化形態(tài)類似。