2016年門源MS6.4地震前跨斷層短水準(zhǔn)短期異常的機(jī)理探討

張希 白卓立 劉峽

摘要：2016年門源MS6.4地震發(fā)生前6個(gè)月，祁連山斷裂帶上距震中200 km內(nèi)的跨斷層流動(dòng)短水準(zhǔn)場(chǎng)地異常劇增;震前2個(gè)月觀測(cè)到以正斷為主的協(xié)同性群體異常變化。通過分析跨斷層短水準(zhǔn)異常的時(shí)空演變與提煉灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)，結(jié)合定點(diǎn)連續(xù)形變與小震活動(dòng)等輔助信息，探討其異常機(jī)理。結(jié)果顯示：祁連山斷裂帶跨斷層短水準(zhǔn)在門源地震前短期階段至少呈現(xiàn)出偏離線性階段的亞穩(wěn)態(tài)特征，應(yīng)力釋放與斷層協(xié)同活動(dòng)已經(jīng)開始;同時(shí)也存在顯示亞失穩(wěn)狀態(tài)特征的可能。

關(guān)鍵詞：門源地震;跨斷層形變;短期前兆;亞穩(wěn)態(tài)—亞失穩(wěn)態(tài)

中圖分類號(hào)：P315.725文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2020）04-0644-07

0引言

地震預(yù)報(bào)要取得防震減災(zāi)實(shí)效，關(guān)鍵在于短-臨預(yù)報(bào)。亞失穩(wěn)是斷層失穩(wěn)前應(yīng)力由積累為主轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫艦橹鞯淖詈箅A段（馬瑾等，2012，2014;馬瑾，2016），馬瑾等（2012）以5°拐折斷層一次粘滑實(shí)驗(yàn)中不同變形階段溫度場(chǎng)的演化為例，總結(jié)失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)是由斷層各個(gè)部位獨(dú)立活動(dòng)向協(xié)同化活動(dòng)的轉(zhuǎn)化過程，偏離線性即亞穩(wěn)態(tài)階段是應(yīng)力釋放、協(xié)同作用的開始，亞失穩(wěn)階段應(yīng)力釋放已占據(jù)優(yōu)勢(shì);卓燕群等（2013）、任雅瓊等（2013，2016）以平直與雁列斷層的粘滑事件為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分析了斷層進(jìn)入亞失穩(wěn)階段的位移協(xié)同化與熱場(chǎng)演化特征。將亞失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于野外觀測(cè)與實(shí)際震例研究更有意義，劉冠中和馬瑾（2012）發(fā)現(xiàn)鮮水河斷裂北西段跨斷層蠕變場(chǎng)地在1997年瑪尼MS7.5大震前出現(xiàn)斷層活動(dòng)協(xié)同化特征;劉遠(yuǎn)征等（2014）認(rèn)為紫坪鋪水庫(kù)蓄水在汶川MS8.0大震發(fā)生中起到了斷層協(xié)同化強(qiáng)化作用。然而截至目前，野外實(shí)際觀測(cè)獲得的亞失穩(wěn)證據(jù)仍很有限。

跨斷層形變測(cè)量是一種監(jiān)視斷層運(yùn)動(dòng)直接而有效的方法，具有短測(cè)線跨活動(dòng)斷層、復(fù)測(cè)周期短、精度高的特點(diǎn)。在我國(guó)西部多數(shù)6級(jí)以上強(qiáng)震前的中短期或短期階段，觀測(cè)到跨斷層形變出現(xiàn)“加速” “轉(zhuǎn)折” “先加速后轉(zhuǎn)折”等異常變化（江在森等，2001），震前短-臨階段表現(xiàn)為“轉(zhuǎn)折”異常形態(tài)的情況占一定比例?！凹铀佟笨赡芙沂緮鄬踊顒?dòng)加速甚至臨震預(yù)滑;而若出現(xiàn)與構(gòu)造活動(dòng)總體特征相反的“轉(zhuǎn)折”變化，如何解釋卻見仁見智。2016年1月21日青海門源發(fā)生了以逆沖為主、兼微弱左旋走滑的MS6.4地震，發(fā)震構(gòu)造為冷龍嶺斷裂北側(cè)的次級(jí)斷層（鄭博文等，2018），該地震是繼2003年10月25日民樂—山丹MS6.1地震后16年來，在祁連山斷裂帶上發(fā)生的唯一一次6級(jí)以上強(qiáng)震，震前2個(gè)月該斷裂帶中東段以逆斷變化為主的跨斷層流動(dòng)短水準(zhǔn)場(chǎng)地出現(xiàn)以正斷為主的異常變化，距震中87～177 km。已有研究（李媛等，2016;張希等，2016）僅描述了異常特征，并沒有從機(jī)理上深入探討。本文對(duì)祁連山斷裂帶跨斷層資料進(jìn)行分析和指標(biāo)提煉，結(jié)合定點(diǎn)連續(xù)形變與小震活動(dòng)等輔助信息，對(duì)照亞失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出上述“轉(zhuǎn)折”性異常的一種機(jī)理解釋。

1資料介紹與高應(yīng)力背景

2016年門源MS6.4地震發(fā)生于青藏高原北緣祁連山斷裂帶的中東段，中國(guó)地震局在該斷裂帶布設(shè)有24處跨斷層流動(dòng)短水準(zhǔn)場(chǎng)地（圖1），每年3，7，11月實(shí)施3期觀測(cè)，測(cè)線長(zhǎng)度一般為數(shù)百米，測(cè)量精度為±（0.2～0.3）mm/km。本文將祁連山斷裂帶作為研究區(qū)，嘉峪關(guān)場(chǎng)地的點(diǎn)位破壞已無(wú)跨斷層測(cè)段，在2017年實(shí)地調(diào)查后發(fā)現(xiàn)大口子場(chǎng)地未跨斷層，冰溝、童子壩、大梁1和大梁2場(chǎng)地因氣候寒冷每年僅7月觀測(cè)，數(shù)據(jù)連續(xù)性較差，舍去這些場(chǎng)地，最后共選用18處場(chǎng)地（圖1）。由于印度板塊對(duì)歐亞板塊的近N-NE向碰撞推擠外部動(dòng)力作用，祁連山斷裂帶構(gòu)造活動(dòng)以逆斷、左旋為主（鄧起東等，2003），大多數(shù)跨斷層場(chǎng)地以垂向逆斷為主（逆斷占優(yōu)勢(shì)、或逆斷變化的時(shí)間相對(duì)更久）的變化趨勢(shì)與其一致。

地震研究43卷第4期張希等：2016年門源MS6.4地震前跨斷層短水準(zhǔn)短期異常的機(jī)理探討GPS剖面變化分析與負(fù)位錯(cuò)反演表明（張希等，2019），祁連山斷裂帶中東段與門源地震相關(guān)的冷龍嶺斷裂及與其相連的陶萊山斷裂中東段在震前十幾年長(zhǎng)期處于閉鎖狀態(tài)，且于門源地震前6年多閉鎖程度還明顯增大;流動(dòng)重力觀測(cè)顯示震前一兩年，震區(qū)及其附近有顯著的重力場(chǎng)異常變化（郭樹松等，2016）;跨斷層資料的趨勢(shì)累積率計(jì)算結(jié)果也顯示祁連山斷裂帶中東段長(zhǎng)期的應(yīng)變積累背景（李媛等，2016），故其具有發(fā)生強(qiáng)震的高應(yīng)力條件。

2跨斷層短水準(zhǔn)觀測(cè)揭示的斷層活動(dòng)協(xié)同化特征

亞失穩(wěn)意味著區(qū)域應(yīng)力由積累轉(zhuǎn)為釋放，其狀態(tài)識(shí)別不應(yīng)局限于發(fā)震斷層和單個(gè)臺(tái)站（馬瑾，2016）。本文針對(duì)2016年門源MS6.4地震，回溯祁連山斷裂帶跨斷層觀測(cè)反映的斷層活動(dòng)演化特征，圖2為震前4期跨斷層形變觀測(cè)的正斷、逆斷變化和正斷性、逆斷性異常分布。根據(jù)某期相對(duì)上一期水準(zhǔn)高差變化，得到4個(gè)月間場(chǎng)地的正/逆斷變化特性;異常指場(chǎng)地活動(dòng)異于“常態(tài)”，通過定性定量綜合判定（張希等，2018）。定性判定看觀測(cè)曲線的加速、轉(zhuǎn)折、尖點(diǎn)突跳等形態(tài)特征，定量判定需滿足以下情況之一：對(duì)第i期高差值gi，將其之前的高差值序列{gk | k=1，2，…，i-1}作為參考序列，一是計(jì)算相鄰兩期差分值的均方差，即1i-2∑i-1k=2gk-gk-1-1i-2∑i-1k=2（gk-gk-1）2，看本期相對(duì)上一期差分值絕對(duì)值是否超出2倍左右均方差，反映超出正常變幅的異常;二是借助最小二乘配置獲得擬合趨勢(shì)曲線在觀測(cè)時(shí)間的值{fk|k=1，2，…，i-1}，計(jì)算扣除本底趨勢(shì)后的均方差，即1i-1∑i-1k=1gk-fk-1i-1∑i-1k=1（gk-fk）2，看本期扣除本底趨勢(shì)后的絕對(duì)值是否超出2倍左右均方差，凸顯趨勢(shì)改變和擾動(dòng)性異常;三是若觀測(cè)曲線在一定范圍內(nèi)平穩(wěn)振蕩，計(jì)算高差值序列的均方差，即1i-1∑i-1k=1gk-1i-1∑i-1k=1gk2，看本期高差的絕對(duì)值是否超出2倍左右均方差，顯示超出正常范圍的異常，并用方塊區(qū)別本期相對(duì)上一期4個(gè)月間的正/逆斷變化特性，主要的異常觀測(cè)曲線見張希等（2016）。

由圖2可知：①2014年11月逆斷變化場(chǎng)地（逆斷性異常場(chǎng)地也算逆斷變化場(chǎng)地）占10/18（石灰窯口、扁都口2場(chǎng)地距離很近、特性一致），只有1處逆斷性異常，逆斷特性明顯占優(yōu)勢(shì);2015年3月和7月逆斷場(chǎng)地雖減少到8/18和7/18，但異常場(chǎng)地變幅更大，其中“逆斷”仍占多數(shù)，在異常場(chǎng)地中分別占2/3和4/6;2015年11月逆斷場(chǎng)地進(jìn)一步減少（6/18），逆斷異常場(chǎng)地首次減少到2/6，即少數(shù)。②震前半年，正/逆斷變化異常明顯增多，2015年7月和11月從前兩期的1處、3處劇增為6處，達(dá)2倍以上;且相對(duì)集中分布于100°E以東，即祁連山斷裂帶的中東段（有鶯樂峽至松山12處場(chǎng)地、距門源地震震中36～177 km），占異?？倲?shù)的5/6，也較前兩期的0～2處明顯增多，達(dá)2.5倍以上。

綜上所述，在門源地震前半年祁連山斷裂帶的異常開始增多且集中;于震前2個(gè)月正斷性異常增多，由之前顯示的有利于應(yīng)力積累的逆斷“繼承性”為主轉(zhuǎn)為正斷“逆繼承性”為主，且主要體現(xiàn)在震區(qū)周邊半徑200 km范圍內(nèi)，顯示出震區(qū)附近的斷層活動(dòng)“變化”及協(xié)同化特征。

3斷裂活動(dòng)趨勢(shì)及其動(dòng)態(tài)演變特征

灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)反映斷裂活動(dòng)總體趨勢(shì)及其動(dòng)態(tài)演變（張希等，2014a，b）。設(shè)計(jì)算區(qū)有m處場(chǎng)地，首先提取各場(chǎng)地垂向時(shí)序高差變化（每期高差減去首期高差值，突出時(shí)間點(diǎn)之間的相對(duì)變化;若某場(chǎng)地跨斷層測(cè)段超過1條需求各測(cè)段的高差均值），設(shè)為htj（t=1，2，…，n;j=1，2，…，m），其中，t，j分別為時(shí)間與場(chǎng)地序號(hào)。鑒于各場(chǎng)地獨(dú)立觀測(cè)、條件各異，為使場(chǎng)地間有可比性，需扣除其本底活動(dòng)水平，定義為上述時(shí)序高差變化的絕對(duì)值均值與相鄰兩期變化的均方差（以兼顧觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性）之和，所得t時(shí)刻j場(chǎng)地除以該本底活動(dòng)水平后無(wú)量綱的變化量為：utj=htj1n∑nk=1hkj +1n-1∑n-1k=1（hk+1j-hkj）-1n-1∑n-1k=1（hk+1j-hkj）2（1）進(jìn)而通過灰色關(guān)聯(lián)度加權(quán)平均獲得。要計(jì)算第j個(gè)場(chǎng)地相對(duì)其它m-1個(gè)場(chǎng)地的灰色關(guān)聯(lián)度γ0j（j=1，2，…，m），{utj | t=1，2，…，n}為參考序列，{utl | t=1，2，…，n}（l=1，…，j-1，j+1，…，m）為比較序列，則：γ0j=1m-1∑ml=1，l≠j1n∑nt=1minlmintutj-utl+0.5maxlmaxtutj-utlutj-utl+0.5maxlmaxtutj-utl（2）那么時(shí)刻t的灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)值為：αt=∑mj=1γ0jutj∑mj=1γ0j（3）本文繪制了祁連山斷裂帶18處場(chǎng)地及其中東段（12處場(chǎng)地）的灰色關(guān)聯(lián)度垂向指標(biāo)曲線，并截取2003年民樂—山丹6.1級(jí)地震后至今16年的時(shí)序變化（這16年間研究區(qū)及其附近地區(qū)除門源地震外，無(wú)MS≥5.5地震發(fā)生），如圖3所示，圖中曲線向下、向上分別表示逆斷、正斷變化。門源地震前2個(gè)月出現(xiàn)明顯的、偏離正常波動(dòng)范圍的正斷轉(zhuǎn)折，于震后10個(gè)月恢復(fù)，具體分析如下：

（1）祁連山斷裂帶及其中東段主要變化趨勢(shì)為逆斷下降，與地質(zhì)資料一致，這有利于應(yīng)力積累與強(qiáng)震孕育。

（2）2015年11月即門源地震前2個(gè)月，出現(xiàn)與長(zhǎng)期逆斷下降總趨勢(shì)相反的明顯正斷轉(zhuǎn)折（圖3虛線框內(nèi)），其變化幅度不僅較之前4期明顯增大，且震區(qū)周邊半徑200 km內(nèi)要比整個(gè)斷裂帶幅度稍大。震后至2016年11月整條斷裂帶顯示恢復(fù)，而震區(qū)附近未完全恢復(fù)至震前水平，門源地震后調(diào)整或影響過程可能稍長(zhǎng);近兩年整個(gè)斷裂帶逆斷變化略微減緩，而斷裂帶中東段逆斷變化卻持續(xù)加速。

（3）對(duì)2004—2014年的灰色關(guān)聯(lián)度時(shí)序曲線求線性擬合趨勢(shì)線a+bt，其中t為時(shí)間，其余為擬合參數(shù)（圖4中間的虛線），并延伸至2019年底;再計(jì)算這11年（共33期觀測(cè)）中灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)相對(duì)該趨勢(shì)線的均方差133∑t（αt-a-bt）2，再用正、負(fù)2倍均方差作出上、下2條閾值線，同樣延伸至2019年底，這樣就形成了一個(gè)逆斷下降變化的相對(duì)“正?！狈秶?，即將2003年民樂—山丹MS6.1地震后至2016年門源MS6.4地震前一年的11年作為基準(zhǔn)，考察2015年3期觀測(cè)的異常情況。

從圖4可以看出：①2004—2014年，整條祁連山斷裂帶在2007年3月和2009年3月、祁連山斷裂帶中東段在2009年3月和2013年11月灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)略微超出閾值，可能與2008年5月12日距本研究區(qū)最近場(chǎng)地688 km的汶川MS8.0大震孕震應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)影響和震后影響、2013年7月22日距本研究區(qū)最近場(chǎng)地302 km的岷縣漳縣MS6.6強(qiáng)震的震后影響有關(guān)，但影響時(shí)間短、異常程度都偏弱，斷裂帶及其中東段顯示基本穩(wěn)定的、與構(gòu)造活動(dòng)背景一致的逆斷下降“線性變化”特征，揭示區(qū)域應(yīng)力逐漸積累。②2015年3月和7月未超出閾值，2015年11月整條祁連山斷裂帶和門源震區(qū)周邊半徑200 km內(nèi)均出現(xiàn)自2004年以來最大的、超出閾值較多即明顯的偏離“線性變化”的正斷異常，2個(gè)月后發(fā)生6級(jí)多強(qiáng)震，震后的2016年7月仍超出閾值，反映震后調(diào)整或影響;11月回返。盡管門源震區(qū)附近未恢復(fù)至震前水平，直到2018年11月才開始出現(xiàn)持續(xù)、顯著的逆斷加速變化，與整條斷裂帶表現(xiàn)不同（說明震區(qū)附近跨斷層場(chǎng)地對(duì)震后調(diào)整及其影響過程的反映更為明顯），但無(wú)論是整條斷裂帶還是震區(qū)附近于2016年11月至2019年底均恢復(fù)至閾值線內(nèi)正常狀態(tài)。

這里還需說明的是，祁連山斷裂帶及其中東段灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)相對(duì)趨勢(shì)線的均方差分別為0.08和0.10，震區(qū)附近更大，顯示繼2003年民樂—山丹6.1級(jí)地震后至2016年門源MS6.4地震前的11年里，祁連山斷裂帶中東段仍是斷層活動(dòng)水平偏高的區(qū)域，能量繼續(xù)積累;而圖4所示2015年11月整條斷裂帶超出閾值的程度比震區(qū)周邊半徑200 km范圍內(nèi)還略高，原因在于整條斷裂帶以往活動(dòng)水平偏低，是2015年11月西岔河場(chǎng)地正斷突跳、紅柳峽場(chǎng)地正斷趨勢(shì)變幅略增（場(chǎng)地位置見圖2，觀測(cè)曲線圖略）的綜合作用結(jié)果。

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Discussion on the Mechanism of Short-term Anomalies for Cross-fault

Short-leveling before the 2016 Menyuan MS6.4 Earthquake

ZHANG Xi1，BAI Zhuoli1，LIU Xia2

（1.The Second Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Xian 710054，Shaanxi，China）

（2.The First Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Tianjin 300180，China）

Abstract

In six months before the 2016 Menyuan MS6.4 earthquake，there were quite more anomalies of mobile cross-fault short-leveling sites within 200 km from the epicenter of the Qilianshan Mountain fracture zone，and collaborative group anomalies dominated by normal features were observed in two months before the earthquake.In this paper，based on the analysis of temporal and spatial evolution of cross-fault deformation and the extraction of the grey relativity index，combined with the auxiliary information of fixed-point continuous deformation and small earthquake activities，we discussed the anomaly mechanism.The results show that the short-leveling observation of cross-fault of Qilianshan Mountain fracture zone at least displayed a meta-stable feature in the short-term stage before Menyuan strong earthquake，deviating from the linear stage，which already had reflected the beginning of stress release and fault synergy，and did exist the possibility of reflecting the characteristics of meta-instable state.

Keywords：the Menyuan earthquake;cross-fault deformation;short-term precursors;meta stable-meta instable state