九寨溝MS7.0地震的前兆異常時(shí)空演化特征及其分析

張小濤 宋治平 李綱

中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號(hào) 100045

0 引言

2017年8月8日21時(shí)19分（北京時(shí)間）四川省阿壩州九寨溝縣發(fā)生MS7.0地震。房立華等（2018）利用四川地震臺(tái)網(wǎng)和流動(dòng)地震臺(tái)站的觀測數(shù)據(jù)，對(duì)九寨溝地震的主震、余震序列進(jìn)行了重新定位，確定九寨溝 MS7.0地震主震震中為 33.201°N、103.806°E，震源深度為20.4km。余震呈NWW-SEE向條帶狀分布，走向約150°，長度約42km。此次地震發(fā)生在青藏高原東緣巴顏喀拉塊體的北邊界東昆侖斷裂帶東端與東邊界岷山構(gòu)造帶交匯區(qū)域（易桂喜等，2017）。震后，一些學(xué)者從不同學(xué)科的角度對(duì)九寨溝地震進(jìn)行了研究（何暢等，2017；高曙德等，2017；楊博等，2017；徐東卓等，2017；姚鑫等，2017；劉芳等，2017）。何暢等（2017）利用成都臺(tái) GM4磁通門磁力儀秒采樣資料，分析了九寨溝MS7.0地震前該臺(tái)地磁諧波振幅比異常變化特征。高曙德等（2017）對(duì)九寨溝MS7.0地震前平?jīng)龅仉娮杪实漠惓Ｗ兓M(jìn)行了研究。楊博等（2017）利用 1999～2015年流動(dòng) GNSS觀測資料及處理結(jié)果，分析了九寨溝MS7.0地震前區(qū)域水平形變場及其變化。雖然前人對(duì)此次地震進(jìn)行了不同程度的研究，但絕大多數(shù)是從單一手段對(duì)此次地震進(jìn)行分析的。

本文嘗試綜合考慮震中附近較大范圍內(nèi)的形變、電磁、流體3大學(xué)科的前兆異常，分析其時(shí)空演化特征，進(jìn)一步了解地震的孕育過程，以期有助于加深對(duì)九寨溝地震前異常時(shí)空演化特征及力學(xué)機(jī)理的認(rèn)識(shí)。由于九寨溝MS7.0地震的余震展布長度僅約42km（房立華等，2018），破裂尺度較短，因此本文采取以主震震中（33.201°N，103.806°E）為中心的圓形震中距來研究九寨溝地震前的前兆異常演化特征。由《中國震例》（張肇誠等，1990；陳棋福等，2002）可知，7級(jí)地震的孕震范圍約在距震中500km以內(nèi)，因此，本文以九寨溝地震震中為圓心，對(duì)震中距小于500km的前兆異常進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 前兆異常概況

本文用到的前兆異常來自中國地震局下屬各省、市、自治區(qū)地震局報(bào)送的《宏微觀異常零報(bào)告表》。圖1給出了震中距500km范圍內(nèi)的背景前兆測項(xiàng)空間分布。由圖1可見，背景前兆測項(xiàng)主要分布在震中的東北方向和西南方向；在震中的西北、東南方向也有前兆觀測，但數(shù)量較少。圖2給出九寨溝MS7.0地震前形變、電磁、流體3大學(xué)科存在異常的前兆空間分布。從行政區(qū)看，前兆異常主要分布于四川、甘肅、寧夏、陜西和重慶境內(nèi)。從構(gòu)造塊體看，前兆異常主要位于塊體的邊界，如青藏一級(jí)塊體的東北緣、華北和華南一級(jí)塊體的交界部位及川滇菱形二級(jí)塊體的東北邊界，另外，在華南塊體的內(nèi)部也存在一些異常。從異常出現(xiàn)時(shí)間來看，為九寨溝地震前1年內(nèi)，異常主要分布于甘東南地區(qū)。圖3給出了震中距小于500km的70項(xiàng)前兆異常的時(shí)間進(jìn)程，其中，形變異常38項(xiàng)，流體異常20項(xiàng)，電磁異常12項(xiàng)；震前1年以上出現(xiàn)的異常53項(xiàng)，3個(gè)月～1年的中期異常9項(xiàng)，3個(gè)月內(nèi)的短臨異常8項(xiàng)。

圖1 距九寨溝MS 7.0地震震中500km范圍內(nèi)的背景前兆測項(xiàng)

圖2 距九寨溝MS 7.0地震震中500km范圍內(nèi)的前兆異?？臻g分布

圖3 距九寨溝MS 7.0地震震中500km范圍內(nèi)前兆異常的時(shí)間進(jìn)程

2 異常測項(xiàng)比隨震中距的變化

由于前兆異常的空間分布不均勻性受前兆觀測點(diǎn)的約束，為了刻畫前兆異常隨震中距變化的關(guān)系，定義前兆的異常測項(xiàng)數(shù)與背景測項(xiàng)數(shù)之比為異常測項(xiàng)比。表1、2給出不同統(tǒng)計(jì)方式下前兆的異常測項(xiàng)數(shù)、背景測項(xiàng)數(shù)及異常測項(xiàng)比。表1為逐步增加震中距的異常測項(xiàng)數(shù)、背景測項(xiàng)數(shù)和異常測項(xiàng)比。由表1可見，100km震中距范圍內(nèi)沒有前兆異常，250～300km震中距范圍內(nèi)異常測項(xiàng)比較高，為8.6%～9.8%。震中距大于350km的區(qū)域比例趨于穩(wěn)定，維持在7.5%左右。表2為每50km震中距范圍內(nèi)的異常測項(xiàng)數(shù)、背景測項(xiàng)數(shù)和異常測項(xiàng)比。由表2可見，不同震中距區(qū)域內(nèi)異常測項(xiàng)比波動(dòng)較大，200～250km震中距范圍內(nèi)異常測項(xiàng)比最高，達(dá)17.6%；250～500km范圍內(nèi)比例降低，為5.0%～8.2%。

表1 不同震中距范圍內(nèi)的前兆異常測項(xiàng)數(shù)、背景測項(xiàng)數(shù)及異常測項(xiàng)比

表2 不同震中距（每50km環(huán)形圈內(nèi)）的前兆異常測項(xiàng)數(shù)、背景測項(xiàng)數(shù)及異常測項(xiàng)比

3 新增異常的數(shù)量、測項(xiàng)比隨時(shí)間的變化

圖4 不同震中距的新增異常數(shù)量隨時(shí)間的變化

圖5 不同震中距新增異常測項(xiàng)比隨時(shí)間的變化

以震中距100、200、300、400、500km為統(tǒng)計(jì)范圍，1年為窗長，半年為步長，分別計(jì)算新增前兆異常的數(shù)量、測項(xiàng)比隨時(shí)間的變化（圖4、5）。由圖4可見，新增異常數(shù)量隨震中距的增大而逐漸增加；從2015年開始新增前兆異常數(shù)量逐漸增加，到2016年年中達(dá)到最大，2016年7月后新增異常數(shù)量波動(dòng)變化，九寨溝MS7.0地震震前半年新增異常數(shù)量下降。由圖5可見，約從2014年年中開始200～500km不同震中距范圍內(nèi)新增異常測項(xiàng)比逐漸增加，2016年上半年比例達(dá)到最大，2016年下半年開始比例降低。另外，震中距300km范圍內(nèi)的新增異常測項(xiàng)比大于其它震中距的比例。

4 異常時(shí)空演化過程

圖6為九寨溝MS7.0地震前異常開始時(shí)間t隨震中距d的變化圖。由圖6可見，前兆異常的時(shí)空演化過程存在3個(gè)階段，即α、β、γ階段，α階段為前兆異常從震中向外圍擴(kuò)展的過程，異常出現(xiàn)時(shí)間主要集中在震前1000天以上，α階段又可分為α1、α2兩個(gè)階段，α1階段的異常比α2階段的異常距震中更近一些；β階段為前兆異常分布在大范圍地區(qū)，異常主要出現(xiàn)在震前500～1000天，無論震中距大小均出現(xiàn)異常；γ階段的異常主要出現(xiàn)在震前500天內(nèi)，又可分為γ1、γ2兩個(gè)階段，γ1階段為前兆異常從震中外圍向震中區(qū)收縮過程，而 γ2階段為前兆異常從震中區(qū)向外圍地區(qū)擴(kuò)展的過程，即遠(yuǎn)源區(qū)異常向震中收縮過程為γ1階段，近源區(qū)異常向外擴(kuò)展過程為γ2階段。

圖6 九寨溝MS 7.0地震前異常開始時(shí)間隨震中距變化的3個(gè)階段

從前兆異常3個(gè)階段的空間分布來看（圖7），α階段異常出現(xiàn)在距震中較遠(yuǎn)的區(qū)域（距震中300km以外），主要分布在震中的東北方向和西南方向；β階段的異常，距震中100～500km范圍內(nèi)均有分布；γ1階段的異常主要集中在震中距300～500km范圍內(nèi)，γ2階段的異常均為形變異常，震中距在300km以內(nèi)，γ1、γ2階段的異常主要分布在震中的東北方向。以上異常主要分布在震中的東北方向和西南方向，這與前兆觀測點(diǎn)分布不均勻也有一定關(guān)系。由圖1可見，雖然在震中的4個(gè)方向前兆觀測點(diǎn)分布不均，但都有觀測點(diǎn)。因此，圖7所示的前兆異?？臻g分布特征應(yīng)該是真實(shí)的。

圖7 九寨溝MS 7.0地震前3個(gè)階段前兆異?？臻g分布

5 前兆異常時(shí)空演化過程的力學(xué)解釋

為了解釋地震前兆異常3個(gè)階段的物理實(shí)質(zhì)，馮德益（1983）提出可將前兆異常發(fā)生的3個(gè)階段與地震孕育的3個(gè)階段相聯(lián)系。α階段反映微破裂的發(fā)生、發(fā)展和串通。β階段的前兆成因除了斷層預(yù)滑外，還有其他因素，如大氣壓的突然變化，溫度突變也可在較大范圍內(nèi)的許多觀測點(diǎn)引起突變異常。王新華等（1984）認(rèn)為前兆異常由震中向外圍擴(kuò)展是由裂紋的亞臨界擴(kuò)展所致。宋治平等（2000）通過對(duì)三維流變介質(zhì)包體模型的理論研究表明，在地表產(chǎn)生的體應(yīng)變具有3個(gè)階段的特征，其中，α階段為向外圍擴(kuò)散特征；β階段為體應(yīng)變極值區(qū)，即大范圍出現(xiàn)前兆異常；γ階段包含2個(gè)過程，即γ1階段顯示遠(yuǎn)源區(qū)的前兆異常向震中區(qū)收縮的特征，γ2階段顯示近源區(qū)的前兆異常向外圍擴(kuò)散的特征。許昭永等（1997）研究了在常應(yīng)力加載的情況下，三維介質(zhì)中嵌入硬包體的巖石破裂實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變場演變過程認(rèn)為，地震孕育過程中存在3個(gè)階段的變化過程。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果的條件并不完全相同，但兩者確實(shí)存在一定的相似性。當(dāng)區(qū)域介質(zhì)受到加載后，區(qū)域應(yīng)變場存在演變過程，這種演變過程是因有孕震體的存在而出現(xiàn)，但出現(xiàn)的前提是區(qū)域受到應(yīng)力加載。

前人的研究發(fā)現(xiàn)，一些顯著地震前存在前兆異常的3個(gè)階段特征。如 1976年唐山7.8級(jí)地震前（馮德益，1983）、1998年張北6.2級(jí)地震前（宋治平等，2009）、2008年汶川8.0級(jí)地震前（張小濤等，2018）均表現(xiàn)出明顯的前兆 α、β、γ三階段特征。本文分析得到的九寨溝MS7.0地震前的前兆特征也符合這一規(guī)律。由此可見，地震孕育過程中前兆異常的3個(gè)階段特征可能是普遍現(xiàn)象。

6 結(jié)論與討論

通過對(duì)九寨溝MS7.0地震前前兆異常時(shí)空演化過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其具有如下特點(diǎn)：

（1）九寨溝MS7.0地震前震中距100km范圍內(nèi)無前兆異常出現(xiàn)，但在100～500km震中距范圍內(nèi)存在一定數(shù)量的形變、電磁、流體異常，且以形變異常為主，異常主要分布在震中的東北、西南方向。

（2）在九寨溝MS7.0地震前2年左右（即2015年）新增前兆異常逐漸增多，2016年上半年新增異常數(shù)量達(dá)到最大。另外，震中距300km范圍內(nèi)的新增異常測項(xiàng)比明顯高于其它震中距的比例。

（3）九寨溝MS7.0地震前前兆異常時(shí)空演化存在3個(gè)階段的不同變化過程，分析認(rèn)為，α階段（震前1000天以上）的異常主要分布在震中東北方向和西南方向；β階段（震前500～1000天）的異常表現(xiàn)為較大范圍出現(xiàn)異常；γ階段（包括 γ1和 γ2，震前500天內(nèi)）的異常分布在震中的東北方向，表現(xiàn)為遠(yuǎn)源區(qū)的異常向震中收縮過程（γ1）和近源區(qū)的異常向外擴(kuò)展的過程（γ2）。通過與其他震例對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，前兆異常的3個(gè)階段特征可能是大震前的共性特征。

（4）前兆異常的3個(gè)階段特征對(duì)地震預(yù)測研究具有一定指導(dǎo)作用，震前不同震中距前兆異常數(shù)量的顯著增加對(duì)區(qū)域是否發(fā)生大震和大震發(fā)生時(shí)間的判斷有較好的指示意義。

此外，本文所用到的前兆異常是否都與九寨溝地震有關(guān)，還存在一定的爭議。本文試圖從震前大范圍客觀存在的前兆觀測異常事實(shí)來提取有意義的現(xiàn)象，以期對(duì)今后的地震預(yù)測研究有一定的借鑒作用。

致謝：筆者在此對(duì)審稿人提出的修改建議表示衷心的感謝。