斷層形變異常的地震與無震判別*

張四新 劉立煒 薛富平 楊宏偉 焦利真

(中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054)

斷層形變異常的地震與無震判別*

張四新 劉立煒 薛富平 楊宏偉 焦利真

(中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054)

針對斷層形變異常的地震判別不確定性問題，以發(fā)生于青藏塊體東北緣的3次典型中強(qiáng)地震為例，研究了地震前斷層形變異常特征和相應(yīng)時期與之關(guān)聯(lián)的外部構(gòu)造區(qū)域的地震活動狀況。研究結(jié)果表明：如果區(qū)域斷層形變異常滿足地震發(fā)生前的異常特征判據(jù)，并且相應(yīng)時期與之關(guān)聯(lián)的外部構(gòu)造區(qū)域地震活躍背景情況下，其反映地震的概率較大;否則反映無震的可能性較大。

斷層形變異常;青藏塊體東北緣;地震;無震;判別

1 引言

目前，在地形變預(yù)報地震中，多以形變異常的識別和提取方法研究為主［1-4］。但由于地震孕育的復(fù)雜性和地下構(gòu)造的多樣性，形變異常與地震之間并沒有確定的對應(yīng)關(guān)系。“形變異?！辈⒉缓唵蔚韧凇暗卣甬惓！?，出現(xiàn)形變異常之后發(fā)生地震的例子有，但更多的卻是出現(xiàn)形變異常后并無地震發(fā)生的例子，其不確定性也造成了目前地震預(yù)報中較為普遍的錯報、虛報現(xiàn)象。因此，形變異常的地震與無震判別始終是分析預(yù)報工作中的一個難題，也是一個亟待探索和解決的問題。

2 研究思路、研究實例及結(jié)果分析

判斷一個構(gòu)造區(qū)域內(nèi)是否會發(fā)生中強(qiáng)地震，首先取決于形變異常尤其是顯著異常是否產(chǎn)生。但是，一個區(qū)域即使具備發(fā)震的條件，也出現(xiàn)了可能與地震有關(guān)的形變異常，但也不一定就會發(fā)生地震，可能還需要一定的觸發(fā)因素［5，6］。

基于此，本文以發(fā)生于青藏塊體東北緣的3次典型中強(qiáng)地震為例，研究地震前斷層形變異常特征，以及相應(yīng)時期與之關(guān)聯(lián)的外部構(gòu)造區(qū)域的地震活動狀況，探究斷層形變異常與地震的關(guān)系。

2.1 斷層形變異常的定義

針對研究區(qū)域不同斷層場地對區(qū)域應(yīng)力場和局部應(yīng)力條件變化的反映程度存在明顯差異的客觀情況，采用

計算異常判定指標(biāo)。式中vi為斷層場地當(dāng)前形變速率，計算過程為當(dāng)期觀測值與上年同期觀測值之差;vp為斷層場地平均速率，計算為剔除個別異常變化速率之外的所有當(dāng)前斷層形變速率絕對值之和的平均數(shù);rj定義為異常指標(biāo)，為避免斷層波動造成的影響，定義rj≥1.5為異常，rj≥2.0為顯著異常。

2.2 地震前形變異常特征

1)1995年永登5.8級地震

1995年7月22日甘肅永登Ms5.8地震(36.5° N，103.0°E)，位于祁連山構(gòu)造帶的東南外緣。

從震前斷層測點異常演化的時空分布看(圖1 (a)～(c)、表1)，1994年11月(震前8個月)，斷層異常主要分布在祁連山斷裂帶中東段、西秦嶺斷裂帶，顯著異常主要出現(xiàn)于祁連山斷裂帶中東段;1995年3月(震前近4個月)，斷層異常數(shù)量明顯增多，尤其是海原-六盤山斷裂帶、西秦嶺斷裂帶顯著異常增多最為明顯;1995年7月(震前1～20天)，總的異常數(shù)量有所減少，但異常顯著的場地仍有所增加。其中，祁連山斷裂帶中東段、海原-六盤山斷裂帶顯著異常繼續(xù)保持增多態(tài)勢，西秦嶺斷裂帶總體異常數(shù)雖明顯減少，但是位于北部的顯著異常數(shù)量變化不大?？傮w來看，這次地震前，斷層形變異常尤其是顯著異常在數(shù)量上有一個明顯的增多過程，空間上首先出現(xiàn)在祁連山斷裂帶中東段，而后向西秦嶺斷裂帶北部、海原-六盤山斷裂帶擴(kuò)散，最后形成地震震中附近異常相對集中的有序變化過程。

圖1 永登5.8級地震前形變異?？臻g分布Fig.1 Spacial distribution of anomalies of fault deformation before Yongdeng Ms5.8 earthquake

表1 1995年永登5.8級地震前主要斷裂測點異常數(shù)Tab.1 Numbers of anomalous spots in main faults before Yongdeng Ms5.8 earthquake

分析單個異常場地的形變曲線(圖2)，較為典型的如位于祁連山斷裂帶中段的扁都口水準(zhǔn)(距震中約260 km)，在1994年11月7日出現(xiàn)4 mm左右的突變，形成臺階型異常，位于海原斷裂帶東段的六盤山水準(zhǔn)(距震中約304 km)在1995年3月5日—7月6日則出現(xiàn)顯著的尖點突跳異常;位于海原斷裂帶西段的窩子灘水準(zhǔn)場地(距震中約146 km)、大水頭場地(距震中約168 km)形變曲線在趨勢性下降基礎(chǔ)上，前者于1995年3月份出現(xiàn)顯著加速現(xiàn)象，7月9日(地震前13天)出現(xiàn)反向;后者則于7月8日(地震前14天)出現(xiàn)顯著加速現(xiàn)象，震后折返。從這些異常的時間進(jìn)程來看，距離震中較遠(yuǎn)的扁都口水準(zhǔn)場地要早于距離震中較近的窩子灘、大水頭場地。

2)景泰5.9級地震

2000年6月6日景泰5.9級地震(37.1°N，104.0°E)位于海原斷裂帶西段，發(fā)震斷層為毛毛山-老虎山斷裂。

分析地震前斷層測點異常演化的時空分布(表2、圖3(a)～(c))，1999年11月(震前7個月)，異常呈明顯的非均勻分布，其中，祁連山斷裂帶異常數(shù)量較少，而海原-六盤山斷裂帶、西秦嶺斷裂帶相對較多，顯著異常主要集中于此區(qū)域;2000年3月(震前3個月)斷層異常急劇增多，尤其是顯著異常。其中海原-六盤山斷裂帶顯著異常最多也最為集中。不難看出，地震前，斷層形變異常尤其是顯著異常在數(shù)量上有一個急劇增多的過程，空間上也多出現(xiàn)在震中所在斷裂附近。

表2 2000年景泰5.9級地震前主要斷裂測點異常數(shù)Tab.2 Numbers of anomalous spots in main faults before Jingtai Ms5.9 earthquake，2000

圖2 中強(qiáng)地震前典型跨斷層場地形變曲線Fig.2 Typical deformation curves of the cross fault site before moderate-strong earthquakes

圖3 景泰5.9級地震前形變異常的空間分布Fig.3 Spacial distribution of anomalies of fault deformation before Jingtai Ms5.9 earthquake

從單個異常場地的形變曲線來看(圖2)，較為典型的有海原斷裂帶西段的甘溝窯水準(zhǔn)(距震中約295 km)，六盤山水準(zhǔn)(距震中約255 km)在1999年11月—2000年5月出現(xiàn)顯著的尖點突跳異常;之后，位于海原斷裂帶西段的窩子灘(距震中約56 km)形變曲線在趨勢性下降基礎(chǔ)上，于2000年3月再次出現(xiàn)加速下降，震前16天(5月20日)出現(xiàn)折返，后于6月6日發(fā)生地震。從這些典型異常出現(xiàn)的時間進(jìn)程來看，距離震中較遠(yuǎn)的甘溝窯、六盤山場地異常出現(xiàn)要早于距離震中較近的窩子灘場地。

3)民樂-山丹6.1級地震

2003年10月25日甘肅省民樂、山丹6.1級地震(38.4°N，101.2°E)，震中位于祁連山北緣斷裂帶與走廊北側(cè)斷裂帶之間。

從震前斷層測點異常演化的時空分布看(表3、圖4(a)～(c)，2003年3月(震前7個月)，除西秦嶺斷裂帶、六盤山斷裂帶外，祁連山斷裂帶、海原斷裂帶異常較少;7月(震前3個月)，斷層異常數(shù)量明顯增多，祁連山斷裂帶中東段、海原-六盤山斷裂帶異常急劇增多，后者尤為明顯;9—10月(震前半個月)，總的異常數(shù)量有所減少，異常范圍主要集中于祁連山斷裂帶中東段和西秦嶺斷裂帶兩個區(qū)域?？偟膩砜矗@次地震前，祁連山、海原-六盤山斷裂帶的斷層異常數(shù)量有一個明顯增多的過程，空間分布也有一個向地震震中附近相對集中的過程。相對而言，西秦嶺斷裂帶斷層異常時空分布相對穩(wěn)定和集中，這一區(qū)域隨后在2003年11月14日也發(fā)生了岷縣5.2級地震。

根據(jù)單個異常場地的形變曲線的分析(圖2)，較為典型的如位于海原斷裂帶東段的甘溝窯水準(zhǔn)(距震中約580 km)形變曲線在2002年11月向下出現(xiàn)6.2 mm的大幅階躍后，2003年3—9月維持小幅波動，震后11月出現(xiàn)大幅折返。位于祁連山斷裂帶中段的石灰窯口水準(zhǔn)(距2002年玉門5.9級地震震中359 km，距2003年民樂地震震中約31 km)形變曲線在趨勢性下降基礎(chǔ)上，于2002年7月出現(xiàn)明顯加速現(xiàn)象，而后緩慢折返。2003年10月1日再次出現(xiàn)加速后發(fā)震。從這些典型異常出現(xiàn)的時間進(jìn)程分析，盡管有玉門5.9級地震的疊加影響，仍可以看出距離震中較遠(yuǎn)的甘溝窯場地異常出現(xiàn)要早于距離震中較近的石灰窯口水準(zhǔn)場地。

2.3 地震前外部構(gòu)造塊體地震活動狀況

圖4 民樂-山丹6.1級地震前形變異?？臻g分布Fig.4 Spacial distribution of abnormity of fault deformation before Minle-Shandan Ms6.1 earthquake

表3 2003年民樂-山丹6.1級地震前主要斷裂測點異常數(shù)Tab.3 Numbers of anomalous spots in main faults before Minle-Shandan Ms6.1 earthquake

青藏塊體東北緣地處青藏高原地震區(qū)和南北地震帶的復(fù)合部位，因此，區(qū)域地震活動的強(qiáng)弱與這兩個區(qū)域的地震活動狀況密切關(guān)聯(lián)。通過對青藏高原北部地區(qū)、南北地震帶30多年所發(fā)生地震和研究區(qū)域響應(yīng)地震的對比研究(表4)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域內(nèi)近20次中強(qiáng)地震發(fā)生前，青藏高原北部地區(qū)或南北地震帶中南段都有中強(qiáng)地震發(fā)生，而且區(qū)域外與區(qū)域內(nèi)的中強(qiáng)地震之間存在一定的呼應(yīng)遷移現(xiàn)象。從監(jiān)測區(qū)內(nèi)3次典型中強(qiáng)地震的發(fā)生來看，外部構(gòu)造塊體在震前均有顯著的中強(qiáng)地震發(fā)生。這表明，在區(qū)域應(yīng)變能積累到一定程度并導(dǎo)致形變異常產(chǎn)生情況下，與之關(guān)聯(lián)的外部構(gòu)造塊體中強(qiáng)地震的活躍可對區(qū)域地震的發(fā)生起到一定的催化和觸發(fā)作用。

表4 外部構(gòu)造塊體地震活動及區(qū)域響應(yīng)地震(Ms≥5.0)Tab.4 Seismic activities of correlative outer tectonic region and regional response earthquakes(Ms≥5.0)

3 認(rèn)識與結(jié)論

1)通過對研究區(qū)域內(nèi)3次地震發(fā)生前的斷層形變異常特征分析發(fā)現(xiàn)：①從異常形態(tài)上看，地震前大致會出現(xiàn)階躍、尖點突跳以及趨勢積累-加速-轉(zhuǎn)折兩類異常現(xiàn)象。前者通常會出現(xiàn)在震源區(qū)外圍;而后者則出現(xiàn)在震源區(qū)周圍。②從異常出現(xiàn)的時間過程看，具有明顯的階段性特征。地震前是距離震中較遠(yuǎn)的斷層場地最先出現(xiàn)階躍、尖點突跳類異常，且往往有相對本底存在大幅甚至巨幅形變的顯著異常出現(xiàn)。之后，隨著地震的臨近，震源區(qū)周圍開始有趨勢積累-加速或趨勢積累-加速-轉(zhuǎn)折特征的形變異常出現(xiàn)。在此過程中，斷層形變異常數(shù)量尤其是顯著異常有一個急劇的增多過程。③從異常格局看，地震前形變異常分布一般經(jīng)歷了從外圍向震中附近逐漸集中，從無序到有序的時空演化過程。

2)通過對青藏高原北部地區(qū)、南北地震帶30多年發(fā)生地震和研究區(qū)域響應(yīng)地震的對比研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地震活動強(qiáng)弱與這兩個區(qū)域的地震活動狀況密切關(guān)聯(lián)，監(jiān)測區(qū)內(nèi)3次典型中強(qiáng)地震發(fā)生前，青藏高原北部地區(qū)或南北地震帶在震前均有顯著中強(qiáng)地震發(fā)生。這也表明，在判別區(qū)域斷層形變異常是否屬于地震前兆時，與之關(guān)聯(lián)的外部構(gòu)造塊體中強(qiáng)地震活躍與否也是必須考慮的因素之一。

3)從研究可知，要做好斷層形變異常的地震與無震的判別工作，一是需要判斷區(qū)域斷層形變異常(包括異常的形態(tài)、時間過程、空間分布過程等)是否滿足地震發(fā)生前所出現(xiàn)的異常特征;二是需要注意分析與之關(guān)聯(lián)的相關(guān)地震帶的地震活動情況。從已有的震例看，在同時滿足以上兩個條件情況下，斷層形變異常反映地震的概率較大;反之可能性就較小。如2008年汶川8.0級地震后，接連發(fā)生海西6.3級、6.4級以及玉樹7.1級地震，但研究區(qū)內(nèi)并無響應(yīng)地震發(fā)生，原因就在于區(qū)域斷層形變異常不滿足地震發(fā)生前的異常特征判據(jù)。

1 鞏守文.門源、江口地震的斷層形變前兆分析［J］.地震，1992，12(1)：34-39.(Gong Shouwen.Analysis of fault deformation precursors of Menyuan and Jiangkou earthquakes［J］.Earthquake，1992，12(1)：34-39)

2 郭良遷，等.張北6.2級地震的斷層形變速率異常［J］.地殼形變與地震，2001，(1)：79-84.(Guo Liangqian，et al.Anomaly of fault deformation rate related to Zhangbei earthquake of 6.2［J］.Crustal Deformation and Earthquake，2001，(1)：79-84)

3 張四新，等.地震前后斷層測點群體活動的量化指標(biāo)［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2006，(2)：53-57.(Zhang Sixin，et al.Quantized index of swarm movement of observation sites in faults before and after earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，(2)：53-57)

4 焦青，等.汶川8.0級地震前后龍門山斷裂活動場所特征淺析［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2008，(4)：7-37.(Jiao Qing，et al.Preliminary study on motion characteristics of Longmenshan fault before and after Ms8.0 Wenchuan earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，(4)：7-37)

5 馬宗晉.華北地區(qū)的多(應(yīng)力集中)點場與地震［J］.地震地質(zhì)，1980，2(1)：39-47.(Ma Zongjin.Multipoints(concentrated)stress field and earthquakes in north china crust［J］.Seismology and Geology，1980，2(1)：39-47)

6 張國民，等.構(gòu)造塊體成組孕震模型和前兆場某些特征分析［J］.地震學(xué)報，1995，17(1)：1-10.(Zhang Guoming，et al.Seismogenic model of earthquakes in groups in tectonic block and analysis for some features of earthquake precursory field［J］.Acta Seismologica Sinica，1995，17 (1)：1-10)

DISCRIMINATION OF EARTHQUAKE AND NO EARTHQUAKE ACCORDING TO ANOMALY OF FAULT DEFORMATION

Zhang Sixin，Liu Liwei，Xue Fuping，Yang Hongwei and Jiao Lizhen
(Second Crust Monitoring and Application Center，CEA，Xi’an 710054)

Aiming at the uncertainty of earthquake discrimination by using anomaly of fault deformation，3 strong earthquakes in the northeast margin of Qinghai-Tibet block as typical examples were analyzed.In addition，the abnormal characteristics(modality、time series、spatial distributing)of fault deformation before the earthquake，the seismic activity of correlative outer tectonic region were analyzed.From these analyses the following conclusions are drawn.If the anomaly of fault deformation satisfies the criterion of abnormal characteristics before earthquake and the seismic activity of correlative outer tectonic region is strong，the possibility of an earthquake is big;otherwise little possibility of an earthquake.

anomaly of fault deformation;northeastern margin of Qinghai-Tibet block;earthquake;no earthquake; discrimination

1671-5942(2011)05-0065-06

2011-03-04

中國地震局“地震監(jiān)測、預(yù)報、科研三結(jié)合”課題

張四新，男，1967年生，高級工程師，主要從事大地形變與現(xiàn)今地殼運動及地球動力學(xué)研究.E-mail：zsx12002@yahoo.com.cn

P315.72

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