前兆場變化在地震空間位置判斷上的應用＊

廖麗霞,關玉梅,葉曉明

(福建省地震局,福州 350003)

前兆場變化在地震空間位置判斷上的應用＊

廖麗霞,關玉梅,葉曉明

(福建省地震局,福州 350003)

運用福建前兆觀測臺網(wǎng)資料,分析了形變應力場和水位震后效應場等前兆場的空間變化規(guī)律與福建區(qū)域地震的相關性。結(jié)果顯示,福建多次ML＞4.5地震的孕育過程均伴隨著形變應力及水位震后效應的成場。研究認為,當形變應力場與水位震后效應場的時空演化規(guī)律趨于一致時,這一區(qū)域就具備發(fā)生中強以上地震的背景條件,跟蹤分析形變應力場及水位震后效應場的空間遷移規(guī)律,可對未來發(fā)生的地震的空間位置做出較為準確的判斷。

前兆場;應力場;水位震后效應;遷移規(guī)律;福建地區(qū)

0 引言

地震從孕育到發(fā)生的過程也是一個能量從積累到釋放的過程。在地震孕育過程中,環(huán)境應力場會發(fā)生變化,各種地震前兆場也會發(fā)生變化。目前人們分析、預報地震和總結(jié)震例更多的是從各種前兆測項的異常數(shù)量、異常幅度、異常持續(xù)時間及異常的時間和空間分布與地震的相關性這一角度來進行(蔣海昆等,2009;張肇誠,1988,1990a,b,1999,2000;陳棋福,2002a,b,c),較少從前兆場的概念入手。從場的角度分析得最多的是 GPS觀測資料的運用,如人們常用 GPS觀測結(jié)果分析中國大陸現(xiàn)今水平應變場和長趨勢垂直構(gòu)造運動特點(楊國華等,2002;顧國華,2005),還對中國大陸現(xiàn)今應變場動態(tài)做了研究(郭良遷等,2008)。這些研究都是從大區(qū)域應力場的角度出發(fā),較少結(jié)合地震活動性進行分析,而是側(cè)重于地殼或板塊運動學與動力學。楊仕升等(2004)曾將環(huán)境剪應力場與區(qū)域地震活動性做了相關性分析;李強等(2005)則對環(huán)境應力值在地震空區(qū)形成到臨近地震及前震發(fā)生時的變化情況做了分析;王曉強等(2009)對新疆巴楚—伽師 6.8級地震前的剪應力進行了分析。這些分析表明在地震孕育和發(fā)生的同時環(huán)境應力場確實發(fā)生了同步變化。本文運用福建前兆觀測臺網(wǎng)資料,從流體水位測項、形變伸縮儀、鉆孔體應變、跨斷層短水準等測項在應力作用下成場的空間變化與福建區(qū)域地震的相關性分析入手,以期利用前兆場的空間變化規(guī)律對未來地震的發(fā)震地點做出準確判斷。

為了便于分析,筆者做如下定義:如果相鄰的 3個以上(含 3個)水井水位震后效應形態(tài)一致從而形成一個水位階躍上升(或下降)的集中區(qū),我們就稱之為水位震后效應場。同樣地,如果相鄰的 3個以上(含 3個)形變應力測點在趨勢上均呈一致的受壓或拉張狀態(tài),我們就稱之為形變壓應力場或張應力場。我們將所有這些前兆測項在應力作用下形成的場統(tǒng)稱為前兆場。

1 福建前兆觀測臺網(wǎng)概況及分析資料的選取

福建省地震局沿NW和NE兩組主要的構(gòu)造斷裂帶布設了密度較大的前兆觀測臺網(wǎng),包括地下流體、地殼形變和磁電 3大學科 13種觀測手段,觀測形式有 24小時連續(xù)自動記錄的數(shù)字化觀測和模擬觀測。地下流體學科目前共有 37個觀測點、111個臺項,觀測手段主要有氡、水質(zhì)、水位、水溫等;地殼形變學科有 13個流動跨斷層短水準場地、122個流動重力測段、40個定點臺項,定點觀測手段主要有 GPS、鉆孔應變、地傾斜、洞體應變、重力、跨斷層短水準等;磁電學科目前共有20個定點臺項、39個流動地磁測點,觀測手段主要有電磁波、磁場強度和磁偏角。

近兩年來,全省各地磁觀測臺均受周邊基建及臺站本身遷移改造影響,資料信度不高,而且電磁波反映的多是短臨地震異常,因此磁電學科資料不參與場的分析。由于水位觀測與形變觀測得到的一致性變化應該與環(huán)境應力場的變化有關,因此本文主要對水位及各種應變資料進行分析。由于水位受降雨影響較大,其趨勢變化更多的是體現(xiàn)年變及降雨,故本文不統(tǒng)計水位的趨勢變化,只統(tǒng)計水位的震后效應。而漳州臺體應變受降雨影響較大,其趨勢變化更多的是體現(xiàn)年變及降雨,因此也不列入統(tǒng)計范圍。

2 思路和方法

地球上絕大多數(shù)地震都是構(gòu)造地震,是斷層錯動造成的(徐果明,周蕙蘭,1982)。地震孕育過程中,在區(qū)域應力和震源應力的共同作用下,大區(qū)域范圍內(nèi)地殼的不同層位巖石的構(gòu)造應力會發(fā)生明顯的變化。在一定的構(gòu)造部位上,壓應力增強,而在另一些部位,則張應力增強(中國地震局監(jiān)測預報司,2004)。大區(qū)域應力場提供了孕震背景,局部應力場則與強震孕育關系密切,它促進了強震的形成和發(fā)育(郭良遷等,2008)。因此統(tǒng)計分析形變學科各測項壓應力和張應力在不同時期相對集中的空間分布情況,結(jié)合同期發(fā)生的地震事件,就可了解局部應力場的變化情況與發(fā)震地點的相關性,從而對未來地震的發(fā)震地點做出一定程度的預測。

由于地下流體中水位與應力的物理相關性很明確——受壓則上升,受拉張則下降,因此水位的觀測對象實際上是體應變。但水位的干擾因素很多,其測值短時間上升或下降并不全是構(gòu)造應力場受壓或拉張的真實體現(xiàn),大多數(shù)是降雨、外界環(huán)境干擾或觀測技術(shù)系統(tǒng)故障引起的,因此區(qū)域應力變化不能僅憑水位測值的階段性上升或下降來分析。近年來全球 8級強震頻發(fā),福建地區(qū)中強地震頻度也增大。筆者注意到,在大區(qū)域應力場相同并且沒有降雨的情況下,同一次地震事件引起的各水井水位的同震效應和震后效應大不相同,表現(xiàn)為水震波、階升及階降等形式。水震波是地震波在傳播路途中,含水層發(fā)生應變波動性變化在井孔水面上的響應。波動性應變一般以彈性形變?yōu)橹?主要是對地震波的反映。但是,有理由認為水位的階升和階降可能與水井所在區(qū)域的局部應力有關,而當多個水井水位階升和階降呈相對集中分布時,很可能就是局部應力場異常的體現(xiàn)(廖麗霞等,2009)。因此統(tǒng)計分析不同時期井水位震后階升和階降的空間分布情況,就有可能對未來地震的發(fā)震地點做出一定程度的預測。

3 對比與分析

3.1 水位震后效應場分析

震后效應是地震發(fā)生后,在某一地塊或斷裂上井孔含水層由于區(qū)域應力場和地震波傳播形成的附加應力場的迭加引起的變化。這種變化包含著區(qū)域應力場應力的信息,一般以彈塑性或塑性變化為主。筆者曾追蹤福建省水位觀測井對多次遠、大地震的震后效應的時空演化特征,并結(jié)合福建地區(qū)同期發(fā)生的地震事件進行分析,認為水位階躍上升集中區(qū)可能是區(qū)域應力相對集中區(qū),也可能就是未來的發(fā)震地點(廖麗霞等,2009)。2007年以來,福建地區(qū)的多次中等強度的地震均發(fā)生在全球范圍內(nèi)的巨震或大震后水位階躍上升井孔所圍成的空間區(qū)域范圍即水位震后效應場內(nèi),如 2004年印尼MS8.7地震后,在福建地區(qū)形成的后效水位階躍上升井孔就有規(guī)律地集中在永安—晉江斷裂帶 NE向地段(圖 1中橢圓部分)(廖麗霞,王玫玲,2008),這一水位震后效應場在隨后的全球大震中一直存在,而 2007年福建順昌ML4.9及ML4.7地震和永春ML4.6地震也發(fā)生在這一水位階升集中區(qū)內(nèi)。這一系列地震發(fā)生后該水位震后效應場消失。2008年汶川MS8.0地震發(fā)生后,漳廈地區(qū)、古田水口庫區(qū)(圖 2中橢圓部分)又形成一大一小兩個后效水位階升集中區(qū),筆者曾據(jù)此及其它前兆指標在 2008年福建省地震局年中會商會上提出,2008年下半年將會在漳廈地區(qū)發(fā)生 ML4.5地震,2008年7月 5日長泰ML4.6地震印證了這一判斷。

圖1 福建水位觀測網(wǎng)對 2004年印尼MS8.7巨震的遠震效應空間分布圖Fig.1 Coseis mic water-level response ofwells in Fujian subsurface fluid network to Indonesia MS8.7 earthquake in 2004

圖2 福建水位觀測網(wǎng)對 2008年汶川MS8.0地震的遠震效應空間分布圖Fig.2 Coseis mic water-level response ofwells in Fujian subsurface fluid network to Wenchuan MS8.0 earthquake

3.2 形變場分析

筆者利用福建省流動跨斷層短水準和定點形變的伸縮儀和鉆孔體應變觀測資料,統(tǒng)計分析各臺項的趨勢受力情況。圖 3是 2007～2008年福建地區(qū)壓應力和張應力的空間分布情況。從圖 3可以看出近兩年來,福建地區(qū)壓應力場呈現(xiàn)為由北向南和由西向東遷移并在閩南地區(qū)集中的規(guī)律。2007年至 2008年上半年,福建地區(qū)壓應力場主要分布在鄭和—海豐斷裂帶及長詔斷裂帶北段,而這一時間段內(nèi)福建地區(qū)發(fā)生的地震如 2007年3月 13日順昌ML4.9及 ML4.7地震、2008年3月 6日古田ML4.8地震就發(fā)生在壓應力場集中的區(qū)域。2008年下半年,福建地區(qū)壓應力場主要分布在閩南地區(qū),2008年7月 5日長泰ML4.6地震同樣發(fā)生在壓應力場集中的區(qū)域。

圖3 2007～2008年福建省形變觀測網(wǎng)形變場空間遷移圖(a)2007年4月至 2008年4月;(b)2008年4月至 2008年8月Fig.3 Space migration of defo rmation field in Fujian deformation network from 2007 to 2008(a)from April 2007 to April 2008;(b)from April 2008 to August 2008

3.3 地震震中位置遷移分析

2007～2008年,福建內(nèi)陸共發(fā)生 ML4.5以上地震 5次,分別是 2007年3月 13日順昌ML4.9及ML4.7地震、2007年8月 29日永春 ML4.6地震、2008年3月 6日古田 ML4.8地震、2008年7月 5日長泰ML4.6地震。由圖 4可見這些地震的震中位置由北向南遷移(圖中箭頭所指方向),這一規(guī)律與水位震后效應場及形變壓應力場的遷移規(guī)律是一致的。

圖4 2007～2008年福建內(nèi)陸發(fā)生的ML＞4.5地震震中位置遷移圖Fig.4 Epicentralmigration ofML＞4.5 earthquakes occurred in Fujian area from 2007 to 2008

4 結(jié)論和討論

前兆場的形成及地震事件的發(fā)生均是同一區(qū)域應力場作用的結(jié)果。地震孕育過程中,與應力相關的前兆測項如形變的伸縮儀、鉆孔體應變、跨斷層短水準及流體的水位會在應力作用下在一定區(qū)域范圍內(nèi)變化并趨于一致,最后成場,當形變應力場與水位震后效應場的時空演化規(guī)律趨于一致時,這一區(qū)域就具備發(fā)生中強以上地震的背景條件。追蹤分析形變應力場及水位震后效應場的空間遷移規(guī)律,就有可能對未來地震的空間位置作出較為準確的判斷。

隨著 “九五”、“十五”前兆觀測儀器數(shù)字化進程的不斷推進,我們獲取的前兆信息量飛速遞增。由于數(shù)字化觀測系統(tǒng)將地震監(jiān)測到地震預報的每一個工作環(huán)節(jié)都串到一起,從而大大縮短了數(shù)據(jù)從獲取到應用的周期,但系統(tǒng)中的每個環(huán)節(jié)都可能影響觀測資料的質(zhì)量。實際上目前觀測資料所反映的絕大多數(shù) “異?！本c地震無關,而是由電源系統(tǒng)、儀器觀測系統(tǒng)、觀測環(huán)境及人為干擾等引起的(廖麗霞等,2007)。只有充分運用各種前兆資料,從場的角度進行分析,動態(tài)跟蹤各前兆應力是否成場及其隨后的遷移演化規(guī)律,在應力成場而不是呈無序狀態(tài)的前提下再動態(tài)跟蹤各前兆測項的變化規(guī)律,從中提取短臨異常,并結(jié)合以往震例,才能對地震作出較為準確的預報。

本文只是筆者從場的角度分析孕震地點的一種嘗試,由于目前取得的震例還不多,所得結(jié)論應在今后更多的震例中不斷加以驗證。

陳棋福 .2002a.中國震例 (1992-1994)[M].北京:地震出版社 .

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Application of the Variation of Precursory Field to the Prediction of the Location of earthquakes

L IAO L i-xia,Guan Yu-m ei,YE X iao-m ing
(Earthquake Adm inistration of Fujian Province,Fuzhou350003,Fujian,China)

We analyze the relation be tw een the precursory fields such as the deform ation stress field and the post-seism ic effect field of w ater level w ith the earthquakes ever occurred in Fujian area on the basis of the data from the precursor netw ork in Fujian Province,and find that m any ML4.5earthquakes occurred in Fujian area w ere accompanied by the form ation of the deform ation stress field and post-seism ic effect field of w ater level.W hen the m igration of the field of post-seism ic effect of w ater level and field of deform ation stress are identical,the related area has the probability of m edium-strong earthquakes'occurrence.A nalyzing the m igration of post-seism ic effect of w ater level and crustal deform ation,w e m ay predict the location of the earthquakes.

precursory field; stress field;w ater-level post-seism ic effect;m igration patterns;Fujian area

P315.75

A

1000-0666(2011)01-0019-05

2010-01-27.

2009國家自然基金“基于流體地球化學探討天山地區(qū)泥火山成因及其活動與地殼變形作用”(40962006)資助.