2021年5月22日瑪多Ms7.4地震前區(qū)域應(yīng)力演化特征

蘇維剛，馬震，馮麗麗，孫璽皓

(1.青海格爾木青藏高原內(nèi)部地球動(dòng)力學(xué)野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站，青海 西寧 810001；2.青海省地震局，青海 西寧 810001)

0 引 言

青海地區(qū)屬于青藏高原東北緣的主體區(qū)域，地形變化、地質(zhì)構(gòu)造和地下結(jié)構(gòu)都異常復(fù)雜，區(qū)內(nèi)不少大型深大斷裂帶不僅是重要的大地構(gòu)造區(qū)邊界斷裂帶，也是控制現(xiàn)今強(qiáng)震活動(dòng)的活斷層[1-4]，涉及的次級(jí)塊體主要為祁連、柴達(dá)木和巴顏喀拉等塊體。目前已有很多學(xué)者針對(duì)青藏高原東北緣區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)和地震異常信息進(jìn)行了廣泛而深入的研究[5-8]，而鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)作為地球物理場(chǎng)形變觀(guān)測(cè)的重要手段，特別是四分量鉆孔應(yīng)變儀[9]，作為一種新興的高精度記錄地表地應(yīng)力變化的觀(guān)測(cè)儀器，在“十五”期間架設(shè)運(yùn)行，其積累的長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)資料為我們分析長(zhǎng)期形變演化提供了有利條件。鐘繼茂等用多分量鉆孔應(yīng)變儀資料推算測(cè)區(qū)附加應(yīng)變場(chǎng)的主應(yīng)變大小和主方向[10]。邱澤華等人通過(guò)大范圍的四分量鉆孔應(yīng)變儀觀(guān)測(cè)臺(tái)站分析構(gòu)造應(yīng)變速率變化[11]，而用四分量鉆孔應(yīng)變儀觀(guān)測(cè)的汶川地震、蘆山地震、門(mén)源地震等強(qiáng)震前的異常變化也為地震預(yù)報(bào)研究提供了重要的研判依據(jù)[12-15]。這些研究成果均說(shuō)明鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)是一種物理意義明確，觀(guān)測(cè)精度較高的應(yīng)變觀(guān)測(cè)手段。

2021年5月22日青海果洛州瑪多縣發(fā)生Ms7.4地震，震中34.59°N、98.34°E，地震位于巴顏喀拉地塊上北邊界附近。震源機(jī)制解顯示為高傾角左旋走滑為主的地震，發(fā)震構(gòu)造為昆侖山口—江錯(cuò)斷裂帶[16]。震前地球物理場(chǎng)觀(guān)測(cè)出現(xiàn)多項(xiàng)異常，對(duì)發(fā)震的時(shí)間有一定的指示意義，但在空間上缺乏更進(jìn)一步的判斷指示。因此針對(duì)瑪多Ms7.4地震前青海地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)特征的分析研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)更深入的了解此次地震孕震過(guò)程和跟蹤研判后續(xù)青海地區(qū)地震危險(xiǎn)性提供一定的參考依據(jù)。

本文通過(guò)結(jié)地球物理場(chǎng)定點(diǎn)鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)資料，以不同手段和尺度的資料獲得瑪多Ms7.4地震前區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)的空間變化范圍和特征。最后結(jié)合地下流體水物理和水化學(xué)等前兆異常演化特征，獲取瑪多Ms7.4地震前異常演化的時(shí)空強(qiáng)指示信息。

1 臺(tái)站觀(guān)測(cè)資料

格爾木地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“格爾木臺(tái)”)位于柴達(dá)木盆地南緣；德令哈地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“德令哈臺(tái)”)位于盆地北緣，臺(tái)站周?chē)植级鄺l新生代活動(dòng)斷裂帶；湟源地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“湟源臺(tái)”)地處日月山斷裂帶和拉脊山斷裂帶的交匯復(fù)合處的北緣地段；玉樹(shù)地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“玉樹(shù)臺(tái)”)處于巴顏喀拉與羌塘兩個(gè)次級(jí)塊體邊界附近，臺(tái)站周邊斷裂帶發(fā)育，以北西向斷裂帶為主，并多表現(xiàn)為強(qiáng)烈的左旋走滑性質(zhì)[2](圖1)。四個(gè)臺(tái)站的分量鉆孔應(yīng)變儀均在“十五”期間架設(shè)運(yùn)行，儀器型號(hào)為YRY-4，數(shù)采采樣率為1次/s，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 研究區(qū)域活動(dòng)斷裂帶與地震臺(tái)站分布[17]

表1 鉆孔應(yīng)變儀相關(guān)參數(shù)

2 計(jì)算方法

選取青海省內(nèi)湟源、德令哈、格爾木和玉樹(shù)四個(gè)臺(tái)站鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，首先對(duì)四分量鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)進(jìn)行自檢[11,18-19]。四分量鉆孔應(yīng)變儀的四個(gè)元件的方位是等間隔的，相鄰元件的夾角都是4/π，所以，設(shè)Si(i=1，2，3，4)是四個(gè)元件的觀(guān)測(cè)值(變化量)，即有S1+S3=S2+S4稱(chēng)為四分量鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)的自恰方程。根據(jù)該關(guān)系對(duì)四分量鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)進(jìn)行自檢?；咀郧⒌南嚓P(guān)性應(yīng)接近 1。各臺(tái)站兩項(xiàng)面應(yīng)變數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，其中，格爾木和湟源臺(tái)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)在0.99以上，說(shuō)明鉆孔應(yīng)變資料具有較高的可靠性，符合前兆異常提取的要求。

根據(jù)四分量鉆孔應(yīng)變儀器的觀(guān)測(cè)方法，鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)為觀(guān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變量隨時(shí)間變化的數(shù)值，因此根據(jù)彈性力學(xué)原理，假設(shè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)介質(zhì)為理想介質(zhì)，將應(yīng)變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分解為x和y方向的應(yīng)變值，主應(yīng)變和主方向可以依據(jù)以下公式得出[10]：

式中：θ1為分量鉆孔應(yīng)變第一分量方位角，εx為四個(gè)分量x方向的應(yīng)變平均值，εy為y方向四個(gè)分量的應(yīng)變平均值，γxy為切應(yīng)變，最大主應(yīng)變?yōu)棣?，最小主應(yīng)變?yōu)棣?，主方向角為θ。

3 定點(diǎn)鉆孔應(yīng)變的應(yīng)力變化特征

4個(gè)定點(diǎn)鉆孔應(yīng)變測(cè)點(diǎn)處于祁連、柴達(dá)木和巴顏喀拉三個(gè)次級(jí)塊體上，綜合分析4個(gè)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)變的變化特征(圖2)，結(jié)果顯示，在大尺度長(zhǎng)趨勢(shì)背景下，整個(gè)青藏高原受到來(lái)自印度板塊的俯沖推擠，青藏一級(jí)塊體受到自南向北的擠壓應(yīng)力，且在2008年開(kāi)始鉆孔應(yīng)變主應(yīng)變變化特征指示不同的二級(jí)塊體協(xié)同呈現(xiàn)應(yīng)力增強(qiáng)的調(diào)整(表2)，處于青藏高原東北邊緣，祁連塊體上的湟源鉆孔應(yīng)變由于受到相鄰穩(wěn)定的鄂爾多斯塊體的阻擋，最先2008年1月呈現(xiàn)應(yīng)力增大的特征，處于柴達(dá)木塊體中部和北邊界的格爾木鉆孔應(yīng)變和德令哈鉆孔應(yīng)變自2009年6月出現(xiàn)應(yīng)力增強(qiáng)的響應(yīng)，最后處于青藏高原中部，巴顏喀拉塊體南邊界的玉樹(shù)鉆孔應(yīng)變?cè)?011年1月左右出現(xiàn)應(yīng)力增強(qiáng)的狀態(tài)。

在2014年開(kāi)始，在整體主應(yīng)變?cè)龃蟮谋尘跋?，區(qū)域不同的二級(jí)塊體出現(xiàn)新一輪的應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整，柴達(dá)木塊體的格爾木鉆孔應(yīng)變和祁連塊體的湟源鉆孔應(yīng)變?cè)?015年1月和2018年1月分別呈現(xiàn)應(yīng)力進(jìn)一步增強(qiáng)的的趨勢(shì)，處于巴顏喀拉塊體之上的玉樹(shù)鉆孔應(yīng)變主應(yīng)變?cè)?015年8月出現(xiàn)應(yīng)力增大減緩現(xiàn)象，處于柴達(dá)木與祁連塊體邊界的德令哈鉆孔應(yīng)變?cè)?017年12月呈現(xiàn)應(yīng)力減弱的狀態(tài)。兩個(gè)次級(jí)塊體上鉆孔應(yīng)變主應(yīng)變呈現(xiàn)非協(xié)同的調(diào)整變化。

玉樹(shù)臺(tái)鉆孔應(yīng)變主應(yīng)變?cè)?015年8月出現(xiàn)應(yīng)力增大減緩現(xiàn)象，其最大主應(yīng)變方向?yàn)?0～35°，指示北東方向，2021年5月22日青?，敹郙s7.4地震距離玉樹(shù)臺(tái)220 km，在其北東方向，地震所在方位符合最大主應(yīng)變方向指示方向。德令哈鉆孔應(yīng)變最大主應(yīng)變?cè)?017年12月開(kāi)始呈現(xiàn)應(yīng)力減弱的變化調(diào)整，其最大主應(yīng)變方向?yàn)?0°，接近北北東方向，由此推測(cè)，未來(lái)需關(guān)注德令哈臺(tái)以北的應(yīng)力變化。

表2 鉆孔應(yīng)變應(yīng)力變化特征統(tǒng)計(jì)

圖2 鉆孔應(yīng)變主應(yīng)變時(shí)序變化特征

4 前兆異常的時(shí)空演化特征

4.1 2018年以來(lái)區(qū)域前兆異常演化特征

前兆場(chǎng)異常的時(shí)空演化是受震中孕震體物理、化學(xué)性質(zhì)變化和地殼應(yīng)力狀態(tài)變化控制的[20-21]，因此前兆異常的演化特征一定程度上可以表征區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的變化。梳理2018年以來(lái)的地下水物理、水化學(xué)等前兆異常，發(fā)現(xiàn)2018～2019年的前兆異常主要集中在柴達(dá)木塊體的三湖地區(qū)和祁連塊體上的祁連帶東段，異常相對(duì)集中；2020至2021年新增異常較少，但異常相對(duì)分散，從祁連塊體到柴達(dá)木塊體最后擴(kuò)展到巴顏喀拉塊體南邊界(圖3)。

4.2 近半年的前兆異常演化特征

近半年以來(lái)青海及鄰區(qū)前兆異常總體較少，2021年3月以來(lái)佐署、共和和玉樹(shù)等臺(tái)站流體測(cè)項(xiàng)先后出現(xiàn)異常變化；2021年5月22日青?，敹郙s7.4地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體北邊界附近，地震與短期異常測(cè)項(xiàng)均位于北東方向上(圖3)。結(jié)合長(zhǎng)期和短期的異常演化來(lái)看，時(shí)間上前兆異常具有從中期向短期的演化特點(diǎn)，空間上異常擴(kuò)展具有向震中遷移的特征，說(shuō)明隨著孕震的演化階段，震中附近的區(qū)域應(yīng)力加載進(jìn)一步增強(qiáng)[22-23]。

佐署動(dòng)水位在2021年2月25日出現(xiàn)水位突降；2月28日共和水溫兩套同步出現(xiàn)下降變化；共和氣氡出現(xiàn)大幅上升變化；3月15日玉樹(shù)水溫出現(xiàn)突降變化。以上異常變化表明在震前2～3月沿震中北東方向區(qū)域應(yīng)力顯著加載，斷裂錯(cuò)動(dòng)、蠕滑或振動(dòng)、巖體變形，導(dǎo)致相應(yīng)的孔隙壓力發(fā)生變化、微裂隙大量發(fā)育、不同的含水層串聯(lián)貫通流入井孔，引起水溫的下降。而氡氣在壓力梯度等的驅(qū)動(dòng)下沿裂隙大量運(yùn)移，出現(xiàn)高值變化。之后井—含水層趨于穩(wěn)定，動(dòng)水位、水溫緩慢上升恢復(fù)，氡值下降[24-25]。

圖3 研究區(qū)塊體和2018年以來(lái)的前兆異常分布

5 結(jié) 論

2021年5月22日青?，敹郙s7.4地震發(fā)生后，通過(guò)地球物理場(chǎng)定點(diǎn)形變觀(guān)測(cè)資料和分析震前區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)的變化特征，并結(jié)合省內(nèi)前兆異常演化特征發(fā)現(xiàn)：

(1)巴顏喀拉次級(jí)塊體上的玉樹(shù)臺(tái)鉆孔應(yīng)變最大主應(yīng)變自2015年8月呈現(xiàn)增大減緩的變化，瑪多Ms7.4地震發(fā)生在其最大主應(yīng)變方向所指示的方位。

(2)瑪多Ms7.4地震前的前兆異常在時(shí)間上具有從中期向短期演化，在空間上具有向震中遷移的特征。

(3)柴達(dá)木塊體上的德令哈臺(tái)鉆孔應(yīng)變最大主應(yīng)變自2017年12由應(yīng)力增強(qiáng)轉(zhuǎn)折呈應(yīng)力減弱，最大主應(yīng)變方向指示北東方向。