云南漾濞2017 年5.1 級和2021 年6.4 級地震異常共性特征研究＊

楊 芬 辛燦錦

1) 中國地震科學(xué)實驗場大理中心，云南大理 671000

2) 云南省大理白族自治州地震局，云南大理 671000

0 引言

地震是照亮地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一盞明燈，同時地震是地球內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變場變化的直接反映，因此小地震的活動規(guī)律可以為中強(qiáng)震預(yù)測提供最為直接可靠的信息。地下水廣泛賦存于地震巖石的孔隙之中，能在各種驅(qū)動力作用下自由地流動。這一特性，決定了地下水對地殼運動，尤其是對地震的孕育與發(fā)生會有較靈敏的響應(yīng)[1]。

當(dāng)震中附近的震源應(yīng)力場變化、蠕動傳播以及應(yīng)變遞次讓位等震源演化過程出現(xiàn)，必將作用和牽連處于同一孕震應(yīng)力應(yīng)變場作用下的多個應(yīng)力集中點產(chǎn)生相應(yīng)活動和演化。因此同一孕震應(yīng)力應(yīng)變場作用下，會觀測到前兆同步性異?，F(xiàn)象[2-4]。

同一區(qū)域的中強(qiáng)震有相似的孕震環(huán)境，相似的孕震環(huán)境表現(xiàn)為震前相同觀測資料有相似的異常過程。2 次地震孕震微環(huán)境和孕震過程會有所差異，表現(xiàn)為相同觀測資料有相似的異常過程，但異常出現(xiàn)時間、異常持續(xù)時間和異常幅度有所不同。筆者對2 次漾濞中強(qiáng)震異常共性特征進(jìn)行總結(jié)，為今后地震預(yù)測提供參考依據(jù)。

1 漾濞構(gòu)造背景與歷史地震

云南漾濞2017 年5.1 級和2021 年6.4 級地震震中位于維西—喬后—南澗斷裂附近（圖1），斷裂屬于我國23 條主要地震帶之一的中甸—大理地震帶。漾濞2021 年6.4 級地震震中60 km 范圍內(nèi)，1900 年以來歷史上5 級以上地震記錄有25 次（表1），其中6級以上地震有4 次，分別為1901 年2 月15 日鄧川6.5 級地震、1925 年3 月16 日大理7.0 級地震、1963年4 月23 日 永 平6.0 級 地 震 和2021 年5 月21 日 漾濞6.4 級地震（圖1）。

表1 漾濞2021 年6.4 級地震震中60 km 范圍內(nèi)，1900 年以來發(fā)生的5 級以上地震統(tǒng)計表Table 1 Statistics of M≥5 earthquakes in 60 km of the epicenter of Yangbi M6.4 earthquake in 2021 since 1900

圖1 云南漾濞及其鄰區(qū)地震分布圖Fig.1 Earthquake distribution map of Yangbi and its adjacent areas

2 云南地震活動性異常

漾濞2017 年5.1 級地震和2021 年6.4 級震群發(fā)震前，云南地震活動性存在以下幾個方面的異常共性特征：云南M≥5.0 地震平靜異常；云南M4.0～4.9 地震平靜異常；云南M≥3.0 地震低頻次活動轉(zhuǎn)為增強(qiáng)態(tài)勢；滇西M≥4 地震成條帶分布；漾濞4 級雙震前震。

2.1 云南M≥5 地震平靜異常

云南1986 年以來M≥5.0 地震歷史年平均活動頻次為3～4 次（圖2a）。2016 年5 月18 日云龍5.0 級地震—2017 年3 月27 日漾濞5.1 級地震期間，云南M≥5.0 地震平靜時間長達(dá)313 天（圖2b）。2020 年5 月18 日巧家5.0 級地震—2021 年5 月21 日漾濞6.4 級震群期間，云南M≥5.0 地震平靜時間長達(dá)368 天（圖2b）。

圖2 1986—2022 年云南M≥5 地震（a） 年活動頻次圖和（b） 時間間隔圖Fig.2 Annual activity frequency diagram （a） and time interval diagram （b） of M≥5 earthquakes in Yunnan from 1986 to 2022

根據(jù)某地區(qū)發(fā)生地震自然概率的計算關(guān)系式[5]：

式中，ν是研究區(qū)平均Mi≥M的地震發(fā)生率，是復(fù)發(fā)周期的倒數(shù)，τ為待預(yù)測時間。

以云南M≥5.0 地震年平均活動頻次3 次來統(tǒng)計，實際平均復(fù)發(fā)周期T=0.33 年，其倒數(shù)ν=3。2016年5 月18 日云龍5.0 級地震—2017 年3 月27 日漾濞5.1 級地震的待預(yù)測時間段τ=0.86，2020 年5 月18 日巧家5.0 級地震—2021 年5 月21 日漾濞6.4 級震群的待預(yù)測時間段τ=1.01，將上述參數(shù)代入公式（1），分別得到云南發(fā)生M≥5.0 地震的自然概率為0.924 和0.952。

2.2 云南M4.0～4.9 地震平靜異常

2016 年8 月12 日巧家4.5 級地震—2016 年11 月17 日漾濞4.2 級地震期間，云南M4.0～4.9 地震平靜時間長達(dá)97 天（圖3a）。2021 年3 月1 日洱源4.0 級地震—2021 年5 月13 日漾濞4.0 級地震期間，云南M4.0～4.9 地震平靜時間長達(dá)73 天（圖3a）。

圖3 云南（a） M4.0～4.9 地震時間間隔圖和（b） M≥3 級地震3 個月活動頻次圖Fig.3 （a） Time interval diagram of M4.0～4.9 earthquakes and （b） quarterly activity frequency diagram of M≥3 earthquakes in Yunnan

2.3 云南M≥3.0 地震低頻活動

2015 年9 月—2016 年6 月 云 南M≥3.0 地 震 低頻活動，3 個月活動頻次連續(xù)10 個月低于歷史活動水平，至2016 年9 月M≥3.0 地震3 個月活動頻次達(dá)47 次，突破歷史活動平均水平44.7 次，地震活動由低頻次活動轉(zhuǎn)為增強(qiáng)態(tài)勢（圖3b）。其后間隔6 個月發(fā)生2017 年3 月27 日漾濞5.1 級地震。

2019 年6 月—2020 年6 月云南M≥3.0 地震低頻活動，3 個月活動頻次連續(xù)13 個月低于歷史活動水平，至2020 年9 月M≥3.0 地震3 個月活動頻次達(dá)53 次，突破歷史活動平均水平44.7 次，地震活動由低頻次活動轉(zhuǎn)為增強(qiáng)態(tài)勢（圖3b）。其后間隔7 個多月發(fā)生2021 年5 月21 日漾濞6.4 級震群。

2.4 滇西M≥4 地震成條帶分布

2016 年5 月18 日云龍5.0 級地震后，2016 年5 月19 日—2017 年3 月26 日，滇西M≥4 地震成條帶分布，2017 年3 月27 日漾濞5.1 級地震發(fā)生在條帶的端部（圖4a）。

圖4 滇西M≥4 地震分布圖Fig.4 Distribution map of M≥4 earthquakes in western Yunnan

2020 年5 月18 日 巧 家5.0 級 地 震 后，2020 年5 月19 日—2021 年5 月20 日M≥4 成條帶分布，2021年漾濞6.4 級震群發(fā)生在條帶的端部（圖4b）。

2.5 漾濞2016 年和2021 年4 級雙震前震

漾濞2016 年11 月17 日發(fā)生4.2 級和4.4 級雙震前震，其后間隔4 個多月2017 年3 月27 日發(fā)生漾濞5.1 級地震（圖5a）。漾濞2021 年5 月18 日和19 日分別發(fā)生4.2 級和4.4 級雙震前震，其后間隔2 天2021 年5 月21 日發(fā)生漾濞6.4 級震群（圖5b）。

圖5 漾濞 4 級雙震前震Fig.5 Distribution map of Yangbi M4 double earthquakes

3 云南地下流體異常

漾濞2017 年5.1 級地震和2021 年6.4 級震群發(fā)震前，200 km 范圍內(nèi)，云南地下流體觀測資料洱源中層水溫，下關(guān)和保山水汞，下關(guān)和洱源固體二氧化碳，下關(guān)、龍陵和騰沖水氡測項存在中短期異常共性特征（表2）。漾濞2017 年5.1 級地震前，2016 年6 月龍陵和騰沖水氡出現(xiàn)同步性異常，2016 年9 月下旬—10 月下旬保山水汞，下關(guān)和洱源固體二氧化碳，下關(guān)水氡出現(xiàn)同步性異常。漾濞2021 年6.4 級地震前，2020 年12 月下旬—2021 年1 月中旬保山水汞，下關(guān)和洱源固體二氧化碳，下關(guān)、龍陵和騰沖水氡出現(xiàn)同步性異常。

本文對前兆異常的同步性定義為：不同測項30 天內(nèi)同時達(dá)到異常指 標(biāo)值[2,6-7]。

3.1 水溫前兆異常

洱源中層水溫分別于2016 年11 月23 日和2020 年10 月4 日開始呈現(xiàn)持續(xù)性低值異常過程（圖6），于地震前兩天2017 年3 月25 日和2021 年5 月19 日 達(dá) 到 異 常 最 低 值31.175 6℃和31.104 6℃。水溫觀測值2017 年3 月26 日為31.175 6℃，2017 年3 月27 日為31.190 4℃，地震當(dāng)天回升。2021 年5 月21 日31.104 9℃，22 日31.120 7℃，震后第2 天觀測值回升。2 次地震都是在水溫持續(xù)下降異常過程中發(fā)震，震后當(dāng)天或第2 天水溫回升。

圖6 洱源中層水溫日均值圖Fig.6 Daily mean value chart of intermediate water temperature in Eryuan

3.2 水汞前兆異常

下關(guān)水汞日均值≥260 ng/L 對應(yīng)200 km 范圍內(nèi)M≥5.0（圖7a）。分 別 于2017 年2 月25 日 和2020年7 月19 日達(dá)到260 ng/L 和298 ng/L 高值異常。

圖7 下關(guān)和保山一井水汞日均值圖Fig.7 Daily mean value chart of water mercury in Xiaguan and Baoshan No.1 Well

保山一井水汞日均值≥160 ng/L 對應(yīng)200 km 范圍內(nèi)M≥5.0（圖7b）。分別于2016 年9 月6 日、10 月8 日 和2021 年1 月8 日 達(dá) 到179 ng/L、287 ng/L 和169 ng/L 高值異常。

3.3 固體二氧化碳前兆異常

為突出觀測數(shù)據(jù)日變量，對下關(guān)和洱源固體二氧化碳日均值進(jìn)行一階差分處理，

式中，Δxi為差分值，xi為當(dāng)天觀測值，xi-1為前一天觀測值。

下關(guān)固體二氧化碳日均值一階差分突破2.5 倍方差線，對應(yīng)200 km 范圍內(nèi)M≥5.0（圖8a）。分別于2016 年10 月26 日 和2021 年1 月4 日 達(dá) 到-41 mg/L和53 mg/L 異常值。

圖8 固體二氧化碳日均值一階差分圖Fig.8 Daily mean value chart of solid carbon dioxide

洱源固體二氧化碳日均值一階差分突破2.5 倍方差線，對應(yīng)200 km 范圍內(nèi)M≥5.0（圖8b）。分別于2016 年9 月24 日 和2021 年1 月21 日 達(dá) 到88 mg/L和-85 mg/L 異常值。

3.4 水氡前兆異常

為突出觀測數(shù)據(jù)日變幅度，對下關(guān)、龍陵和騰沖水氡進(jìn)行日均值變化速率處理，

式中，εi為變化速率，xi為當(dāng)天觀測值，xi-1為前一天觀測值。

下關(guān)水氡日均值變化速率≥0.139 Bq/L 對應(yīng)200 km 范圍內(nèi)M≥5.0（圖9a）。分別于2016 年10 月18 日和2021 年1 月19 日達(dá)到0.139 Bq/L 和0.145 Bq/L高值異常。

圖9 水氡日均值變化速率圖Fig.9 Daily mean value variation rate diagram of water radon

龍陵水氡日均值變化速率≥1.4 Bq/L 對應(yīng)200 km 范圍內(nèi)M≥5.0（圖9b）。分別于2016 年6 月10 日 和2021 年1 月9 日 達(dá) 到1.47 Bq/L 和1.85 Bq/L高值異常。

騰沖疊水河水氡日均值變化速率≥0.30 Bq/L 對應(yīng)200 km 范 圍 內(nèi)M≥5.0（圖9c）。分 別 于2016 年6 月6 日 和2020 年12 月29 日 達(dá) 到0.308 Bq/L 和0.443 Bq/L 高值異常。

4 異常共性特征及原因的認(rèn)識和討論

綜上所述，云南漾濞2017 年3 月27 日5.1 級和2021 年5 月21 日6.4 級地震前地震活動性和地下流體觀測資料存在一些異常共性特征，小結(jié)如下：

（1）漾濞2017 年5.1 級地震和2021 年6.4 級震群前，云南地震活動性存在時序、空間和時空3 方面中短臨異常共性特征。時序特征有云南M≥5.0 地震平靜異常，云南M4.0～4.9 地震平靜異常和云南M≥3.0 地震低頻次活動轉(zhuǎn)為增強(qiáng)態(tài)勢中期異常共性特征?？臻g特征有滇西M≥4 地震成條帶分布中期異常共性特征。時空特征有漾濞4 級雙震前震短臨異常共性特征。

（2）中強(qiáng)震和小震都處于平靜狀態(tài)，即地震能量處于積累狀態(tài)，為下一次中強(qiáng)震的發(fā)生提供能量積蓄。當(dāng)?shù)卣鹉芰糠e累到一定程度，就會呈現(xiàn)預(yù)釋放過程，小震開始相對活躍，地震從異常平靜轉(zhuǎn)為增強(qiáng)態(tài)勢，這個動態(tài)發(fā)展過程為中強(qiáng)震預(yù)測提供了時間參考。中等地震有序分布可能是地震動態(tài)孕育過程的時空呈現(xiàn)，為中強(qiáng)震預(yù)測提供了時空參考。前震和震群活動同樣可能是中強(qiáng)震預(yù)釋放過程的時空呈現(xiàn)，為中強(qiáng)震預(yù)測提供了時空參考。

（3）漾濞2017 年5.1 級和2021 年6.4 級震群發(fā)震前，200 km 范圍內(nèi)，云南地下流體觀測資料洱源中層水溫，下關(guān)和保山水汞，下關(guān)和洱源固體二氧化碳，下關(guān)、龍陵和騰沖水氡測項存在中短期異常共性特征。漾濞2017 年5.1 級地震前，2016 年6 月龍陵和騰沖水氡出現(xiàn)同步性異常，2016 年9 月下旬—10 月下旬保山水汞，下關(guān)和洱源固體二氧化碳，下關(guān)水氡出現(xiàn)同步性異常。漾濞2021 年6.4 級地震前，2020 年12 月下旬—2021 年1 月中旬保山水汞，下關(guān)和洱源固體二氧化碳，下關(guān)、龍陵和騰沖水氡出現(xiàn)同步性異常。洱源中層水溫在2 次地震中開始呈現(xiàn)持續(xù)下降異常過程中發(fā)震，震后當(dāng)天或第2 天水溫回升。

同一區(qū)域的中強(qiáng)震有相似的孕震環(huán)境，相似的孕震環(huán)境表現(xiàn)為地震前相同觀測資料有相似的異常過程。2 次地震孕震微環(huán)境和孕震過程會有所差異，表現(xiàn)為相同觀測資料有相似的異常過程，但異常出現(xiàn)時間、異常持續(xù)時間和異常幅度有所不同。