2016年門源6.4級地震前視應(yīng)力變化特征

黃浩 付虹

1)青海省地震局，西寧 810001 2)云南省地震局，昆明 650224

0 引言

2016年1月21日01時13分，青海省海北藏族自治州門源縣發(fā)生6.4級地震，震中位置(37.7°N，101.6°E)，震源深度10km(以下簡稱門源地震)。門源地震震中位于青藏高原東北緣冷龍嶺斷裂北側(cè)，距離1927年古浪8.0級地震震中約55km，是繼1986年門源6.5級地震之后該區(qū)域發(fā)生的又一次破壞性地震。

門源地震前跟蹤的短臨前兆異常僅有5項，均為定點形變或地下流體顯著異常變化(馬玉虎等，2017)，而震后的研究則發(fā)現(xiàn)更多短期異常。陳為濤等(2017)基于震前GPS時間序列研究表明，2010年以來發(fā)震區(qū)域一直處于應(yīng)變的擠壓縮減狀態(tài)，震前2～3個月出現(xiàn)可能為臨界破裂狀態(tài)的非線性調(diào)整。馮蔚(2016)通過對垂直于門源地震發(fā)震斷層面的3個GPS臺站時間序列研究發(fā)現(xiàn)，震前55天3個臺站東北方向的運動幅度增強，與門源地震NW向斷層逆沖破裂的構(gòu)造動力作用方向一致，顯示門源地震前震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場存在應(yīng)力增強的現(xiàn)象。左可楨等(2018)研究發(fā)現(xiàn)震源區(qū)的應(yīng)力降在震前半年左右出現(xiàn)2次高值異常，與門源地震有一定對應(yīng)關(guān)系。張元生等(2017)和鄒銳等(2018)基于祁連山主動源觀測資料的Pg和Sg震相走時分析，發(fā)現(xiàn)門源地震前約6個月震源區(qū)的地殼速度發(fā)生了改變，可能與區(qū)域應(yīng)力積累間存在一定的關(guān)系。

前人研究結(jié)果表明，門源地震前2～6個月震源區(qū)存在應(yīng)力增強現(xiàn)象。諸多學(xué)者采用視應(yīng)力研究中強地震前的應(yīng)力增強現(xiàn)象，秦嘉政等(2006)對云南地區(qū)地震視應(yīng)力的研究發(fā)現(xiàn)，大姚6.2級地震主震前，視應(yīng)力出現(xiàn)了達(dá)到5倍平均值的高值變化，主震及附近地區(qū)具有相對較高的視應(yīng)力；鄭建常等(2006)研究了2004年11月ML4.1地震前1.0≤ML≤1.9地震的視應(yīng)力演化過程，結(jié)果顯示ML4.1地震前應(yīng)力增強變化不明顯；陳學(xué)忠等(2007)研究了2006年7月4日河北文安5.1級地震前震區(qū)形成的ML1.5地震空區(qū)的視應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)空區(qū)的形成伴隨著應(yīng)力增強的過程，這一發(fā)現(xiàn)可能具有預(yù)測意義；劉紅桂等(2007)研究了1999年7月～2005年4月云南地區(qū)1020次中小地震的視應(yīng)力，認(rèn)為云南地區(qū)的地震視應(yīng)力具有較好的預(yù)測意義，中小地震的視應(yīng)力超過0.9MPa時可作為預(yù)測中強地震的1個參考指標(biāo)；易桂喜等(2011)對2008年汶川8.0地震前龍門山-岷山構(gòu)造帶地震視應(yīng)力和地震活動性參數(shù)的研究表明，龍門山斷裂帶南西段的應(yīng)力積累水平明顯低于中-北段，可能與汶川主震破裂沿斷裂帶中-北段呈NE向單側(cè)擴展有關(guān)；李艷娥等(2012)的研究結(jié)果也表明，汶川8.0級地震前5年，震區(qū)的應(yīng)力顯示了清晰的上升—下降過程，且在臨震前有一定幅度的上升；陳麗娟等(2017)對2017年四川九寨溝7.0級地震前甘南地區(qū)視應(yīng)力研究結(jié)果表明，距離震中較近的舟曲和文縣等地存在視應(yīng)力高值異常，視應(yīng)力隨時間演化表現(xiàn)為“震前幾年長時間升高—臨震前幾個月下降”；彭關(guān)靈等(2018)研究2018年云南通海5.0級地震前視應(yīng)力后發(fā)現(xiàn)，震前15.6個月、距離震中約46km出現(xiàn)視應(yīng)力高值異常區(qū)域。

為了進一步研究門源地震前震源區(qū)的應(yīng)力增強現(xiàn)象，本文使用中國地震科學(xué)臺陣探測項目的觀測資料，計算門源地震前約2年震源區(qū)的地震視應(yīng)力，分析震源區(qū)地震視應(yīng)力時空演化特征及門源6.4級地震前是否存在視應(yīng)力異常，通過可信度高的視應(yīng)力異常和前兆異常分析門源6.4級地震前應(yīng)力增強現(xiàn)象，探討通過結(jié)合測震學(xué)異常和前兆異常的不同優(yōu)勢來預(yù)測地震的可能。

1 資料選取

本文使用中國地震科學(xué)臺陣第二期在青海和甘肅布設(shè)的流動地震臺陣所觀測到的小震波形資料，研究觀測時間段為2014年3月～2016年1月，共涉及流動臺站38個，收集到190次ML≥1.5地震事件(圖1)，其中1.5≤ML≤1.9地震102次、2.0≤ML≤2.9地震81次、3.0≤ML≤3.9地震7次。研究區(qū)數(shù)據(jù)采集使用地震計型號為CMG-3T(120s)，數(shù)采型號為Reftek130-B，采樣率為100Hz。

圖 2為流動地震臺陣觀測2015年11月18日甘肅天祝ML1.5地震(發(fā)震時刻：2015年11月18日06時33分04秒，震中位置：37.48°N，102.71°E，震源深度7km)的垂直向波形，62024臺、62025臺、63012臺和62030臺的震中距分別為16km、31km、56km和66km，為了展示波形細(xì)節(jié)特征，選取了各臺P波初至前1s至后9s的波形，可以看出本次ML1.5地震信噪比高、震相記錄清晰，表明本文使用的地震事件的波形質(zhì)量滿足視應(yīng)力研究的需要。

圖 1 中國科學(xué)臺陣的臺站及其記錄的ML≥1.5地震分布(2014-03～2016-01)彩色實心圓代表視應(yīng)力計算結(jié)果符合篩選原則的105次地震；灰色實心圓代表視應(yīng)力計算結(jié)果不符合篩選原則的85次地震

圖 2 2015年11月18日甘肅天祝ML1.5地震的垂直向波形

2 方法

在彈性力學(xué)框架下，原則上是不可能由地震資料得到應(yīng)力大小的。然而在一些合理假設(shè)的前提下，可由地震資料得到關(guān)于應(yīng)力大小的某種有物理意義的估計，如視應(yīng)力(Wyss et al，1968；Wyss，1970)，視應(yīng)力與引起地震滑動的平均應(yīng)力水平之間，可通過地震波輻射效率建立聯(lián)系，這一概念近年來已得到越來越多的野外實驗和觀測結(jié)果的證實(McGarr，1999)。

地震視應(yīng)力σapp(Wyss et al，1968)是表征震源區(qū)應(yīng)力水平的物理量，地震視應(yīng)力可作為區(qū)域絕對應(yīng)力水平的下限估計(吳忠良等，2002)，其定義為

(1)

式中，ES為地震波輻射能量；M0為地震矩；μ為震源區(qū)介質(zhì)剪切模量，通常取3.0×104MPa。

利用波形數(shù)據(jù)計算地震能量和地震矩時，首先將波形數(shù)據(jù)進行去傾處理，然后進行傅立葉變換得到觀測譜。在近震源條件下，震源距較小，可以忽略非彈性衰減的影響，通過儀器響應(yīng)和幾何擴散校正得到震源譜。若忽略非彈性衰減，震源譜可以表示為(Jimenez et al，2005)

(2)

式中，Ω0為震源譜零頻極限值，fc為拐角頻率。由Ω0和fc確定震源譜的具體方法參考相關(guān)文獻(xiàn)(陳學(xué)忠等，2007)。

地震矩M0可以根據(jù)下式求得(Brune，1970)

(3)

式中，ρ為地殼介質(zhì)密度(取2.71g/cm3)；υ為波速(S 波取 3.5km/s)；d為震源距；R為輻射因子，可用均方根代替(S波取為0.63)(Aki et al，1980)。

地震輻射能量可由對速度譜的平方積分求得(Andrews，1986)

(4)

式中，V(f)為速度譜。根據(jù)上述方法，得到每個臺站的地震矩M0、地震波輻射能量ES，即可根據(jù)式(1)對各臺站視應(yīng)力求平均，并消除個別臺站的異常高值對平均值的影響(Archuleta et al，1982)，最終得到地震視應(yīng)力。

3 計算結(jié)果及時空特征

在研究區(qū)域記錄到了大量高質(zhì)量的觀測資料，為了保證計算結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，計算時按照以下原則對數(shù)據(jù)進行了嚴(yán)格的篩選：臺站震中距小于80km、波形信噪比高、震相清晰、震源譜頻譜特征符合Brune模型的臺站數(shù)據(jù)。按照上述原則計算了190次地震視應(yīng)力，選擇至少4個臺站參與計算的事件，最終獲得了105次中小地震的視應(yīng)力。

3.1 視應(yīng)力時間特征

視應(yīng)力在不同時段存在明顯差別，即2014年3月23日～2015年1月12日的視應(yīng)力顯著低于2015年1月13日～2016年1月20日(圖3、4)。視應(yīng)力與震級存在一定的相關(guān)性，為了分辨不同震級對視應(yīng)力差異的影響，將視應(yīng)力劃分為2個時段為震級與視應(yīng)力進行擬合。

圖 3 選取資料M-T(a)和視應(yīng)力時序圖(b)黑色箭頭為門源地震前的5項前兆異常

圖 4 不同時段視應(yīng)力與震級的關(guān)系

采用指數(shù)逼近來擬合震級與視應(yīng)力之間的關(guān)系，2014年3月23日～2015年1月12日的震級-視應(yīng)力擬合關(guān)系為

σapp=0.05209·e(0.892·ML)

R-square=0.39，RMSE=0.21

(5)

2015年1月13日～2016年1月20日的震級-視應(yīng)力擬合關(guān)系為

σapp=0.01553·e(1.659·ML)

R-square=0.74，RMSE=0.40

(6)

式中，R-square(確定系數(shù))通過數(shù)據(jù)的變化來表征擬合的好壞，正常取值范圍為[0，1]，R-square越接近1，表明模型對數(shù)據(jù)擬合越好；RMSE為均方根誤差。

2014年3月23日～2015年1月12日視應(yīng)力的R-square不夠理想，原因為多次2.0≤ML≤2.4地震視應(yīng)力明顯高于擬合關(guān)系，經(jīng)數(shù)據(jù)檢查和多次重復(fù)計算，確認(rèn)這些地震的視應(yīng)力可靠；2015年1月13日～2016年1月20日的視應(yīng)力擬合曲線顯著高于2014年3月23日～2015年1月12日(圖4)，表明門源6.4級地震前1年研究區(qū)域的視應(yīng)力顯著高于震前1年9個月至震前1年。2個時段的均方根誤差分別為0.21和0.40，顯示2個時段視應(yīng)力的離散值較小，具有較好的誤差水平。

此外，門源傾斜、平安水溫、湟源傾斜、嘉峪關(guān)與貴德加卸載響應(yīng)比和樂都?xì)怆钡?項短臨前兆異常出現(xiàn)在門源地震前7個月至震前1個月的時段內(nèi)，可以看出視應(yīng)力整體相對增強的時間早于6項前兆異常出現(xiàn)的時間(圖3(b))，震前1個月內(nèi)視應(yīng)力的相對增強和湟源傾斜、嘉峪關(guān)與貴德加卸載響應(yīng)比和樂都?xì)怆钡?項，前兆異常顯示較同步變化，表明門源6.4級地震前測震學(xué)異常和前兆異常的時間演化特征呈同步性。

3.2 視應(yīng)力空間特征

為了在一定程度上減小震級對視應(yīng)力的影響，動態(tài)地討論視應(yīng)力空間異常分布特征，將2014年3月23日～2015年1月12日的震級-視應(yīng)力擬合關(guān)系做為背景值(σapp=0.05209·e(0.892·ML))，將2014年3月23日～2015年1月12日和2015年1月13日～2016年1月20日的視應(yīng)力減去背景值，得到基于相同背景值的2個時段的規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力。規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力的空間分布顯示(圖5)，2014年3月23日～2015年1月12日空間上的異常不明顯；2015年1月13日～2016年1月20日視應(yīng)力存在2個明顯的高值異常區(qū)，分別位于甘肅肅南皇城-雙塔斷裂附近和青海門源蘇吉灘鄉(xiāng)達(dá)坂山斷裂-托萊山斷裂之間。

圖 5 2016年門源6.4級地震前規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力空間分布(a)2014年3月23日～2015年1月12日;(b)2015年1月13日～2016年1月20日

4 前兆異常分析

震例研究表明，門源水平和垂直擺傾斜、湟源鉆孔傾斜、德令哈水溫、平安靜水位、樂都逸出氣氡和嘉峪關(guān)及貴德地磁加卸載響應(yīng)比在2016年門源6.4級地震前存在短臨變化(馬玉虎等，2017)。前兆異?？臻g分布范圍相對本文研究區(qū)域較大，僅門源傾斜位于本文研究區(qū)域內(nèi)(圖6)。為了更全面地分析2016年門源6.4級地震的前兆異常，簡要介紹上述前兆異常變化情況。

圖 6 本文研究區(qū)域與2016年門源6.4級地震前兆異常分布

4.1 門源傾斜

門源鉆孔應(yīng)變觀測和門源水平擺傾斜和垂直擺傾斜距離2016年門源6.4級地震最近，僅31km，門源鉆孔應(yīng)變觀測自2012年7月10日開始快速壓性變化，2012年10月轉(zhuǎn)折壓性速率明顯減緩，2015年8月20日再次出現(xiàn)加速壓性變化，呈現(xiàn)長期呈壓性變化趨勢。

在門源鉆孔應(yīng)變呈現(xiàn)擠壓變化的長期背景下，同臺觀測的門源水平擺傾斜和垂直擺傾斜于2015年8月18日出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化，其中，水平擺傾斜NS向呈北傾、EW向呈東傾，垂直擺傾斜NS向呈南傾、EW向呈東傾，8月27日后均回返，2016年1月21日發(fā)生門源6.4級地震，同步轉(zhuǎn)折變化出現(xiàn)在震前5個月左右(圖7、8)。

圖 7 門源水平擺傾斜整點值曲線

圖 8 門源水垂直擺傾斜整點值曲線

4.2 湟源鉆孔傾斜

湟源鉆孔傾斜觀測距震中130km，2015年11月NS向呈較為顯著的轉(zhuǎn)折變化，12月中旬出現(xiàn)顯著的南傾尖點變化，之后呈現(xiàn)大幅度的北傾變化(圖9)，直至2016年1月21日門源6.4級地震發(fā)生，該異常具有短臨性質(zhì)。

圖 9 湟源鉆孔傾斜整點值曲線

4.3 平安靜水位

平安靜水位距震中128km，2014年平安靜水位呈較為完整的年變形態(tài)，2015年9月23日靜水位打破原來下降趨勢，出現(xiàn)破年變異常，2016年1月21日發(fā)生門源6.4級地震。震后測值出現(xiàn)轉(zhuǎn)折下降，與往年同期趨勢相同(圖10)。

圖 10 平安靜水位整點值曲線

4.4 樂都逸出氣氡

樂都逸出氣氡距震中140km，2015年12月16日氣氡濃度打破正常年變形態(tài)迅速上升，持續(xù)至2016年12月21日；此后約20天內(nèi)氣氡濃度觀測值呈下降—轉(zhuǎn)折—上升變化，并于1月9日達(dá)到最高值漲幅約150Bq/L；觀測峰值出現(xiàn)約11天后發(fā)生了門源6.4級地震；震后第二天觀測值開始下降(圖11)。

圖 11 樂都逸出氣氡整點值曲線

圖 12 加卸載響應(yīng)比異常圖(據(jù)李霞等(2016))閾值3.1紅色實心圓代表加卸載響應(yīng)比值超過閾值線3.1的高值超限異常

4.5 地磁加卸載響應(yīng)比

門源6.4級地震前地磁加卸載響應(yīng)比成組出現(xiàn)超限的高值(圖12)，且異常高值的空間分布相對集中于震中區(qū)域附近，震中位于異常高、低值轉(zhuǎn)換帶或過渡帶附近，表現(xiàn)出一定的時空同步性，特別是2015 年12月23日嘉峪關(guān)和貴德的加卸載響應(yīng)比值分別為6.5、3.7，出現(xiàn)最大異常的嘉峪關(guān)距離震中370km，異常出現(xiàn)29天后發(fā)生了門源6.4級地震(李霞等，2016)。岷縣-漳縣6.6級地震發(fā)生前21天，蘭州、山丹和湟源加卸載響應(yīng)比曾出現(xiàn)過高值超限異常。

5 結(jié)論與討論

基于科學(xué)臺陣項目高密度的觀測資料，計算了2016年門源6.4地震前約2年距震中80km范圍內(nèi)105次1.5≤ML≤3.3地震的視應(yīng)力。對比分析研究區(qū)域視應(yīng)力不同時段的時空特征，獲得以下結(jié)論：

(1)從視應(yīng)力時間演化來看，研究區(qū)域地震視應(yīng)力在門源6.4級地震前1年9個月至震前1年無明顯異常，在門源6.4級地震前1年顯著升高。視應(yīng)力顯著升高大致從2015年1月13日開始，不同時段擬合的震級-視應(yīng)力關(guān)系清晰地顯示了視應(yīng)力升高的顯著性；地震視應(yīng)力隨時間變化特征表現(xiàn)為，震前1年視應(yīng)力明顯升高—明顯降低—臨震前2個月小幅升高。視應(yīng)力在門源6.4級地震前明顯升高的特征與視應(yīng)力在四川九寨溝7.0地震前長時間升高特征相同(陳麗娟等，2017)，但在門源6.4級地震臨震階段表現(xiàn)為小幅升高，而在四川九寨溝7.0地震臨震階段表現(xiàn)為下降，不同地震前視應(yīng)力隨時間演化特征存在差異，但都存在震前長時間明顯升高的特征。

(2)從視應(yīng)力空間分布特征來看，甘肅肅南皇城-雙塔斷裂附近存在顯著高值異常區(qū)。2016年門源6.4級地震是青藏高原向NE方向推擠生長的表現(xiàn)，是該區(qū)域應(yīng)力積累的一次局部調(diào)整。門源6.4級地震發(fā)震斷層走向134°～143°、傾向SW、運動性質(zhì)以逆沖為主(雷東寧等，2018)，在NE向主壓應(yīng)力推擠中發(fā)震斷層下盤一側(cè)因呈銳角更容易積累應(yīng)力，因此甘肅肅南皇城-雙塔斷裂附近視應(yīng)力高值異常區(qū)可能與門源地震的動力學(xué)環(huán)境和發(fā)震構(gòu)造模式有關(guān)。

(3)2016年門源6.4級地震前存在門源傾斜、湟源鉆孔傾斜、德令哈水溫、平安水位、樂都?xì)怆焙图斡P(guān)及貴德地磁加卸載響應(yīng)比等短臨異常，特別是平安水位和樂都?xì)怆逼颇曜儺惓r間預(yù)測有一定判斷，但異常集中分布在青海東部前兆觀測密集地區(qū)，對地點預(yù)測較難判斷。視應(yīng)力在門源6.4級地震前約1年出現(xiàn)明顯異常，異常區(qū)域空間位置可預(yù)測地點。

(4)視應(yīng)力的時間和空間演化特征表明，研究區(qū)域的應(yīng)力水平在震前1年得到顯著增強，震前1～3個月平安水位和樂都?xì)怆逼颇曜儺惓Ｒ脖砻餮芯繀^(qū)域附近應(yīng)力水平較高，這與2016年門源6.4級地震前震源區(qū)應(yīng)力場增強存在較好的對應(yīng)關(guān)系，是一次測震和前兆異常顯著的震例。視應(yīng)力異常可在較長時間顯示高應(yīng)力水平狀態(tài)及異常區(qū)域，前兆破年變異?？梢詮臅r間緊迫時給出判斷，因此結(jié)合可信度較高的測震和前兆異?？梢宰龀鲆欢ǔ潭鹊牡卣痤A(yù)測。

致謝：中國地震局地球物理研究所李艷娥提供了視應(yīng)力程序，遼寧省地震局張博和甘肅省地震局張博完善了人機交互界面并提供了指導(dǎo)，在此一并表示感謝。