跨斷層水準與汶川 8.0級地震強余震監(jiān)視＊

蘇 琴,向和平,邱桂蘭,馬伶俐

(四川省地震局測繪工程院,四川雅安 625000)

跨斷層水準與汶川 8.0級地震強余震監(jiān)視＊

蘇 琴,向和平,邱桂蘭,馬伶俐

(四川省地震局測繪工程院,四川雅安 625000)

汶川 8.0級地震后,根據(jù)中國地震局和四川省地震局的安排,四川省地震局測繪工程院完成了龍門山斷裂帶及附近的 5個跨斷層短水準測點的應(yīng)急觀測任務(wù),其中雙河是汶川地震后復(fù)測次數(shù)最多的場地。通過對雙河跨斷層短水準應(yīng)急觀測資料的分析,提取汶川余震監(jiān)視期內(nèi)出現(xiàn)的異常情況及與中強余震的關(guān)系進行討論,為今后強余震的預(yù)報總結(jié)經(jīng)驗。分析結(jié)果認為:雙河跨斷層短水準定點觀測反映了強震發(fā)生后斷層的蠕滑特性,較好地描述了中強余震發(fā)生前跨斷層垂直形變異常形態(tài),為余震的監(jiān)測預(yù)報積累了一些經(jīng)驗。

汶川 8.0級地震;強余震;雙河;跨斷層水準

0 引言

2008年5月 12日,四川省汶川縣發(fā)生了震驚世界的 8.0級地震。地震發(fā)生后,四川省地震局根據(jù)中國地震局的應(yīng)急安排很快對地處龍門山前山斷裂帶南段震中距為 42 km的雙河跨斷層短水準場地進行了震后第一期應(yīng)急監(jiān)測,通過觀測發(fā)現(xiàn)該場地受汶川強震影響非常明顯。

為監(jiān)視強余震的發(fā)生和震后斷層的活動特性,觀測人員于 2008年5月 22日開始對雙河場地進行每天兩個往返定點水準測量和近半年的應(yīng)急觀測。觀測發(fā)現(xiàn),該場地短水準資料反映了該處斷層在汶川地震的強余震發(fā)生前,有較好的前兆異常出現(xiàn),為強余震的判定和了解龍門山斷裂帶震后的活動提供了非常寶貴的資料。本文對該場地在汶川 8.0級地震的強余震監(jiān)視情況進行分析總結(jié),以期為今后強余震的監(jiān)測和預(yù)測提供一些信息和經(jīng)驗。

1 雙河場地概況

雙河跨斷層短水準場地位于四川省大邑縣雙河鄉(xiāng),場地跨越龍門山斷裂帶中安縣—灌縣斷層中段的雙河斷層(周如品等,1986;張永久等,2007)。該斷層總體走向 N35°E,垂直斷距達 500 m,是一個區(qū)域性大斷層,是龍門山褶斷帶與成都凹陷盆地的分界線,地質(zhì)史上有著明顯的控制性,大致形成于印支運動晚期。場地跨越處斷層產(chǎn)狀N35°E/NW∠70°, 走向 N30°～40°E,三迭系上統(tǒng)須家河組(T3X)灰?guī)r(上盤)逆沖于侏羅系沙溪廟組(J2S)砂巖(下盤)之上。斷層通過之處,巖石擠壓劇烈,由構(gòu)造角礫巖、壓碎巖和擠壓片理等構(gòu)成寬達百米的破碎帶。斷層具有壓性特征,有強烈的新活動性,在近代曾發(fā)生過多次中強地震。

該場地由兩點構(gòu)成單一水準測線,1號點位于斷層上盤,2號點位于斷層下盤,場地布設(shè)情況詳見圖 1。

圖1 雙河短水準觀測場地布設(shè)圖Fig.1 The distribution of the short-line leveling points at Shuanghe site

雙河場地建于 1977年6月,1977年7月 15日開始觀測。至今已積累了 30多年的觀測成果,但因種種原因,資料連續(xù)性不好,觀測周期也較少,正常情況下,每年應(yīng)進行 3個周期的跨斷層水準重復(fù)測量。

2 汶川地震前后資料情況

1977年始測以來水準資料在 2 mm范圍內(nèi)波動變化。由于 1991年以前的觀測周期不固定,因此看不出明顯年變形態(tài),1993年后監(jiān)測周期相對固定,并時有加密監(jiān)測。1977～1994年間為 0.06 mm/a的張性變化,1994～2008年間為 0.14 mm/a壓性變化。觀測資料表明汶川 8.0級地震后該處斷層上盤相對下降,達 7.76 mm,突現(xiàn)了此處斷層受汶川 8.0級地震影響的張性活動特性(圖 2)。這與汶川 8.0級逆沖型地震的形變特征相矛盾,分析其原因,筆者認為汶川地震雖是逆沖型地震,其破裂位置主要發(fā)生在龍門山斷裂的中央斷裂和前山斷裂中北段區(qū)域(徐錫偉等,2008),而跨斷層場地附近均沒有明顯的地表破裂現(xiàn)象發(fā)生(蘇琴等,2009)。在汶川 8.0級地震擠出破裂的同時,雙河場地斷層產(chǎn)生張性活動,發(fā)生同震變化。

圖2 雙河短水準汶川 8.0級地震前后觀測曲線圖Fig.2 The observation curves of short-line leveling pre and after theMS8.0 Wenchuan Earthquake at Shuanghe site

3 雙河短水準應(yīng)急觀測資料與汶川8.0級地震強余震監(jiān)視

汶川 8.0級地震發(fā)生后,四川省地震局測繪工程院于 2008年5月 18日進行了震后雙河測點跨斷層水準第一期監(jiān)測工作。監(jiān)測結(jié)果顯示汶川地震導(dǎo)致該場地斷層有 7.6 mm的變化。2008年5月 22日開始對雙河場地進行每天兩個周期的定點監(jiān)測,監(jiān)測 40多天后,由于余震已慢慢衰減,又改為每7天監(jiān)測兩個周期,直到 2008年12月 30日結(jié)束應(yīng)急強化觀測。至此該場地震后跨斷層短水準就有兩種形式的資料:一是定點定時觀測資料,二是流動定點不定時觀測資料。下面分兩個階段討論這兩種資料在汶川 8.0級地震余震監(jiān)視中的作用。

3.1 汶川 8.0級強余震監(jiān)視的第一階段資料及異常情況

為監(jiān)視斷層在強震后的活動情況,為汶川大震的強余震的預(yù)測提供依據(jù),雙河跨斷層短水準震后應(yīng)急觀測第一階段任務(wù)是定點觀測,每天上、下午各進行一次往返測量,共完成 91期監(jiān)測任務(wù)。

圖3 雙河短水準汶川 8.0級震后應(yīng)急定點觀測曲線圖Fig.3 The emergency observation curves of short-line leveling after theMS8.0 Wenchuan Earthquake at Shuanghe site

圖3是汶川 8.0級強震后第一階段觀測資料變化曲線圖。表 1是在汶川 8.0級強震后雙河跨斷層短水準第一階段監(jiān)測時出現(xiàn)的異常以及對應(yīng)的中強震情況。從圖 3和表 1中可清楚地看出:

(1)雙河跨斷層定點水準測點有較明顯的日變規(guī)律,其觀測曲線變化形態(tài)為上午上升、下午下降,正常情況下上升—下降幅度為 0.2～0.3 mm左右。

(2)雙河測點跨斷層短水準定點觀測曲線在余震區(qū)發(fā)生 4.5級以上地震前均有較明顯的前兆異常出現(xiàn),異常持續(xù)時間為 1～3天,異常持續(xù)時間與震級大小沒有明確的關(guān)系。

(3)異常表現(xiàn)形勢主要分為兩種情況:第一種是日變反向型,即上午上升、下午下降的規(guī)律被打破,曲線表現(xiàn)為應(yīng)上升時下降,應(yīng)下降時則上升,這種情況在主震發(fā)生一個月后出現(xiàn)的頻率較高,如2008年6月 17日～2008年7月 5日,余震區(qū)共發(fā)生了 5次≥4.5級地震;第二種情況是日變消失型,即曲線不上升也不下降,而是穩(wěn)定在一定量值上微弱波動。這種情況在強震后一個月內(nèi)比較明顯,且出現(xiàn)異常后大多對應(yīng) 5.0級以上強余震。如 2008年5月 26日～2008年6月 12日發(fā)生的 6次強余震中就有 4次異常表現(xiàn)為日變消失,且大多是 5.0級以上強余震,只有一次 4.5級地震。

(4)雙河測點跨斷層短水準定點觀測出現(xiàn)異常所對應(yīng)的地震空間分布規(guī)律性不太好。余震區(qū)不管是北段發(fā)生強余震還是南段發(fā)生強余震,雙河定點觀測資料均會出現(xiàn)明顯的異常,但很難就異常特征來判定未來發(fā)生強余震的準確地點。

表1 雙河跨斷層短水準定點觀測異常情況統(tǒng)計表Tab.1 The observational abnormal cases at Shuanghe cross-fault short-line leveling site

3.2 汶川 8.0級地震強余震監(jiān)視的第二階段資料及異常情況

汶川 8.0級地震后,雙河跨斷層短水準應(yīng)急觀測第二階段任務(wù)從 2008年7月 9日開始至 12月 30日結(jié)束。該時段內(nèi)每周進行兩次(約每 3～4天一次)往返重復(fù)測量,共完成 51期監(jiān)測任務(wù),目的是監(jiān)視斷層在特大地震發(fā)生后一個月至半年的時間內(nèi)的活動情況,為強余震的預(yù)測提供前兆依據(jù)。

圖4是汶川地震后第二階段觀測資料變化曲線圖。表 2是雙河跨斷層短水準在汶川地震后第二階段監(jiān)測時段出現(xiàn)的異常及對應(yīng)的 4.5級以上中強地震情況。分析表 2和圖 4可得出如下結(jié)論:

圖4 雙河短水準 12汶川 8.0級震后應(yīng)急觀測變化曲線Fig.4 The variation of the emergency observation curves in Shuanghe short-range leveling site after theWenchuanMS8.0 Earthquake

(1)汶川 8.0級地震后,在余震區(qū)每次發(fā)生4.5級以上中強余震前,雙河短水準應(yīng)急觀測變化曲線均會出現(xiàn)異常。異常持續(xù)時間與地震大小有一定的關(guān)系。異常持續(xù)時間長,震級就大,反之持續(xù)時間短則震級相對較小。一般來說,在主震后 50～180天時間內(nèi),異常持續(xù) 3～4天發(fā)生的地震在 4.5～4.9級間,而 5.0級以上地震則大多發(fā)生在異常持續(xù) 6～14天時間內(nèi)。

(2)一般情況下出現(xiàn)異常后均有 4.5級以上地震發(fā)生,如果出現(xiàn)異常卻沒有發(fā)生 4.5級以上地震,那么之后將連續(xù)發(fā)生多次 4～4.4級地震。

(3)異常表現(xiàn)形式大多為曲線維持在一定量級上作蠕動變化。強震發(fā)生后,每期跨斷層觀測資料理論上都應(yīng)監(jiān)測到斷層的即時活動性或因氣象、誤差等產(chǎn)生的變化,而當斷層蠕滑活動時,傳遞到地表監(jiān)測的信息為觀測值無正常的活動變化,當這種正常的變化連續(xù)消失時,即判定為蠕滑。

(4)異常特征與余震的準確地點相關(guān)性不太好。根據(jù)異常特征判定準確的發(fā)震地點比較困難,但大多能判定余震區(qū)將發(fā)生中強震。發(fā)震地點的不確定性為汶川 8.0級強余震的預(yù)報工作帶來了相當大的難度。

表2 雙河跨斷層短水準應(yīng)急觀測異常情況統(tǒng)計表Tab.2 The emergency observational abnor mal cases at Shuanghe cross-fault short-line leveling site

4 結(jié)論與認識

4.1 結(jié)論

雙河跨斷層短水準測點較好地反映了汶川 8.0級強震發(fā)生后斷層的垂直形變活動特征,描述了余震區(qū)發(fā)生中強余震前跨斷層短水準資料的異常特性。

(1)第一階段定點連續(xù)觀測與第二階段應(yīng)急流動觀測成果均反映出:在汶川主震的中強余震發(fā)生前觀測資料出現(xiàn)了明顯且直觀的異常,異常表現(xiàn)形態(tài)大多為觀測曲線日變消失(連續(xù)定點觀測)或蠕動變化(流動應(yīng)急觀測),表明在主震發(fā)生后 45天內(nèi),斷層破日變后伴生中強余震,主震發(fā)生后 50～180天時間段內(nèi)斷層垂直活動停止滑動后伴生中強余震,且斷層的垂直活動停滯時間與震級有一定的聯(lián)系。

(2)兩種觀測方式均反映出跨斷層垂直形變異常特征與中強余震的發(fā)生地點沒有太大的相關(guān)性,要解決這個問題還需要結(jié)合其它方法來進行認真的綜合分析和研究。

(3)隨著汶川地震的余震逐步衰減,跨斷層短水準觀測資料表現(xiàn)出來的異常形態(tài)發(fā)生較明顯的變化。定點形變觀測在震后一個半月內(nèi)具有較好的前兆預(yù)測意義,其預(yù)測概率為 0.69;應(yīng)急觀測(7天 /2周期)在主震后 50～180天內(nèi)具有較好的前兆預(yù)測意義,其預(yù)測概率為 0.56;強震發(fā)生半年后,主震區(qū)余震逐漸減少,跨斷層垂直形變觀測曲線則逐步恢復(fù)到正常的斷層活動形態(tài),但震時產(chǎn)生的永久性形變?nèi)匀焕^續(xù)存在(這里的正常年變只是相對震前的年變化形態(tài)而言)。

4.2 認識

由前面的分析可以看出強余震的發(fā)生與斷裂活動有著緊密的聯(lián)系。一次強震發(fā)生后,震中能量的釋放觸動了斷層的滑動。它和余震是一種共生現(xiàn)象,是大震之后應(yīng)力調(diào)整過程中的兩種應(yīng)變釋放形式(劉玉權(quán)等,1988;李杰,趙金花,2001)。

跨斷裂地形變測量結(jié)果反映地面斷層活動特征?？梢栽O(shè)想它是由斷裂深處首先破裂面向上傳播的結(jié)果,即斷裂活動是地震的續(xù)發(fā)現(xiàn)象。汶川8.0級強震后,強大的能量致使距震中 42 km的處于龍門山前山斷裂尾端的雙河斷層產(chǎn)生 7.76 mm的同震變化,其上盤明顯下降,但該處斷層沒有產(chǎn)生破裂,且與震中位置不在同一破裂段上。雙河斷層受力方式的差異致使其與逆沖型強震的斷層活動形態(tài)不同。強震破裂段的逆沖力傳遞到該處轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓘埩?迫使斷層在瞬間產(chǎn)生張性變化。隨著余震逐步衰減,斷層也隨之調(diào)整,斷層在調(diào)整過程中會以余震的形式釋放能量,在主震區(qū)附近發(fā)生余震前,斷裂深部的能量逐漸傳播,到達雙河場地時即表現(xiàn)為一定時間段的蠕滑,蠕滑后即釋放能量,此時發(fā)生一系列中強余震。而隨著余震逐步衰減,該場地表現(xiàn)出的異常也相對減弱,直至逐步恢復(fù)到震前的年變化形態(tài),完成了強震引發(fā)斷層的調(diào)整活動過程。

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Cross-faultLevel and 8.0 Earthquake AftershockM on itoring

SU Q in,X IANG He-ping,Q IU Gui-lan,MA L ing-li
(Earthquake Adm inistration of Sichuan Province,Surveying and M apping Engineering Institute,Ya'an625000,Sichuan,China)

A fter the W enchuan8.0earthquake,in accordance w ith national and provincial seism ological bureau arrangem ent,Sichuan Seism ologicalB ureau of Surveying andM apping Engineering Institute and the completion of the Longm en Shan fault zone near the5cross-fault standard of m easurem ent points short of em ergency observation tasks,in w hich pairs of R iver is m easured again after the earthquake the highest num ber of venues.This w ill be short on cross-fault standard of em ergency Shuanghe observation data analysis,extraction m onitoring aftershocks inW enchuan anom alies that have em erged during the period and w ith the discussion of the relationship betw een strong aftershocks,aftershocks ofthe forecast for future lessonslearned.A nalysis concluded that:Shuanghe cross-fault short observation reflects the level of fixed-point after the earthquake fault creep characteristics,better describes the occurrence of strong aftershocks in the vertical fault deform ation anom aly before the cross-shape,as the aftershocks have accum ulated som e experience in m onitoring and forecasting.

strong aftershock of W enchuan8.0Earthquake,Shuanghe,cross fault leveling

P315.72+7

A

1000-0666(2010)04-0269-05

2009-12-17.

2010年三結(jié)合課題(2010020909)資助 .

致謝:本文編寫過程中得到李愛霞工程師、宗萍助理工程師等在資料收集和處理方面的大力支持,在此謹表謝忱!