臨夏地震臺(tái)觀測(cè)到的臨震預(yù)滑和震顫震相

許健生, 李 麗, 姜振海

(1. 中國(guó)地震局地球物理研究所, 北京 100081; 2. 甘肅省地震局, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

大震前在震中區(qū)及周邊地塊的斷層面上發(fā)生的臨震預(yù)滑和震顫現(xiàn)象是大多數(shù)地震前兆的物理基礎(chǔ),是地震學(xué)界一直關(guān)注的一種地震前兆信號(hào)。據(jù)歷史地震資料記載:1556年1月23日陜西華縣8級(jí)地震前7～8小時(shí),在未來震中區(qū)“覺地旋運(yùn),因而頭暈,……?！惫鼋ㄏ壬J(rèn)為這是發(fā)生了緩慢的地面運(yùn)動(dòng),是孕震斷層上發(fā)生的預(yù)滑現(xiàn)象[1-2]。近代地震觀測(cè)也表明:在大地震前,也常有震顫現(xiàn)象發(fā)生,這種震顫往往還伴有“地聲”現(xiàn)象。如1976年7月28日唐山7.8級(jí)地震前半小時(shí)到幾分鐘內(nèi),在距震中100 km范圍內(nèi),有人聽到了連綿不斷的“隆隆”聲,這種“隆隆”聲可能是一種振動(dòng)頻率在聲頻范圍內(nèi)的高頻顫動(dòng)激發(fā)出的聲波。但由于地下介質(zhì)對(duì)頻率較高的震顫吸收很快,其傳播的距離不是太遠(yuǎn),因而能聽到這種地聲的范圍不大[3]。因此,在過去臺(tái)站密度有限的中國(guó)地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)中,在大地震前記錄到震顫和“地聲”的報(bào)道并不多。

根據(jù)全球數(shù)字地震儀臺(tái)網(wǎng)(GSN)的測(cè)定結(jié)果,2008年5月12日06時(shí)27分59.0秒(GMT),在中國(guó)汶川(31.06°N,103.37°E,h=7.6 km)發(fā)生了MW7.9地震,地震造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。地震發(fā)生前的4月18日和5月6日,在距震中500 km的甘肅省臨夏地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱臨夏臺(tái)),YRY-4分量應(yīng)變儀和水位儀均記錄到了2次較大幅度的“階躍形”震相Xp(圖1),推測(cè)可能是臨震前臨夏臺(tái)所處地塊發(fā)生預(yù)滑時(shí)激發(fā)出的預(yù)滑震相。在發(fā)生預(yù)滑前后,水位儀和地震儀記錄到了N次間歇性的震顫波列 Tp(圖2),推測(cè)可能是臨震前地塊在構(gòu)造應(yīng)力的作用下,地下氣體在巖石裂隙內(nèi)流動(dòng)而激發(fā)出的震顫震相。

圖1 臨夏臺(tái)Xp震相記錄(Δ=500 km)Fig.1 The recordings of Xp phase at Linxia station (Δ=500 km)

1 儀器和數(shù)據(jù)情況

1.1 應(yīng)變儀

臨夏臺(tái)的YRY-4型分量鉆孔應(yīng)變儀傳感器安裝在井下44.7 m,儀器通頻帶寬0～20 Hz,分辨率為10-11,應(yīng)變觀測(cè)量綱為10-10,非線性度≤1%,采樣率為每分鐘1次。

1.2 水位儀

臨夏臺(tái)的鉆孔水位儀的傳感器與YRY-4型分量鉆孔應(yīng)變儀的傳感器安裝在同一鉆孔內(nèi),記錄的是井深45 m的承壓層水位數(shù)據(jù),水位儀的分辨率為0.03 mm,采樣率為每分鐘1次。其水位變化如同YRY-4型分量鉆孔應(yīng)變儀的變化一樣能顯示固體潮變化形態(tài)[4]。

臨夏臺(tái)的靜水位觀測(cè)井孔深度為200 m,觀測(cè)儀器是LN-3A型數(shù)字水位儀,傳感器放置在井下8.5 m處,采樣率為每分鐘1次,水位量程為0～10 m;分辨率為1 mm;測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.2% F.S;測(cè)量重復(fù)性為±0.1% F.S;測(cè)量穩(wěn)定性為±0.2% F.S/年;動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度為>1 m/s;使用溫度為0～40 ℃。靜水位儀和鉆孔水位儀不在同一井孔內(nèi),相距約10 m。

1.3 地震儀

臨夏臺(tái)的地震儀是寬頻帶、高靈敏度和大動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字化地震儀,地震計(jì)型號(hào)是BBVS-60,數(shù)采型號(hào)是EDAS-24IP,采樣率為100次/s。

本研究所用的數(shù)字地震儀波形是沒作濾波和仿真處理的原始記錄波形。

2 Xp和Tp震相的記錄特征

2.1 Xp震相記錄特征

在YRY-4型分量鉆孔應(yīng)變儀和鉆孔水位儀的數(shù)字波形記錄上,Xp震相有以下特征:

(1) 由圖1可見,Xp震相是震前出現(xiàn)的長(zhǎng)周期震相,波形近似“階躍形”。

(2) 鉆孔應(yīng)變儀記錄的Xp震相和鉆孔水位儀記錄的Xp震相對(duì)比可見,鉆孔水位儀記錄的Xp震相要比應(yīng)變儀記錄的Xp震相遲到約2～5個(gè)小時(shí)。

(3) 同臺(tái)的鉆孔水位儀和靜水位記錄的Xp震相到時(shí)也不相同,靜水位記錄的Xp震相到時(shí)要比鉆孔水位儀記錄的震相遲到約8個(gè)多小時(shí)。

2.2 Tp震相的記錄特征

在鉆孔應(yīng)水位儀和地震儀的數(shù)字波形記錄上,Tp震相有以下特征:

(1) 由圖2可見,Tp震相是間歇性地“成叢”出現(xiàn),多數(shù)Tp震相往往首尾相連,不易分辨初動(dòng)。在個(gè)別Tp震相波列中有時(shí)可以細(xì)分出若干單一的Tp波列。每一個(gè)Tp波列由多個(gè)振動(dòng)周期構(gòu)成。在水位儀記錄上,Tp震相最大振幅周期約為4分鐘,單一振動(dòng)波列的持續(xù)時(shí)間約10多分鐘。在地震儀的LH通道記錄上,Tp震相最大振幅周期范圍為0.3～8 s,單一振動(dòng)波列的持續(xù)時(shí)間約0.5～10 min不等。

(2) 由圖2和圖3可見,Tp震相表現(xiàn)為一種弱起始,逐漸變強(qiáng)的波動(dòng),達(dá)到峰值后又逐漸衰減,整個(gè)波列呈“紡錘形”。在地震儀三分向記錄上分辨不出是縱波性質(zhì)的振動(dòng)還是橫波性質(zhì)的振動(dòng),波形不同于巖石彈性破裂后的振動(dòng)波形,沒有典型的縱波和橫波震相,整個(gè)波列形態(tài)類似于地震波中的導(dǎo)波震相Lg。

圖3 震顫震相形成機(jī)制示意圖Fig.3 Schematic diagram of the formation mechanism of tremor phase

3 Xp和Tp震相的物理機(jī)制

已有理論與實(shí)驗(yàn)[2,5-8]表明,大地震前在孕震地塊間的斷層面上常有一種緩慢運(yùn)動(dòng),激發(fā)出長(zhǎng)周期波動(dòng)。這種長(zhǎng)周期波動(dòng)可能是巖石破裂前的緩慢蠕裂、斷層預(yù)滑或斷裂預(yù)擴(kuò)展激發(fā)出的,其周期一般為幾十秒至幾小時(shí)[2,5-6]。

SONG[9]用不同性質(zhì)的巖石做脆性破裂實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明:巖石塊體受壓后在主破裂前會(huì)有多次小破裂伴隨著“階躍”式應(yīng)力降發(fā)生。

大量觀測(cè)結(jié)果也表明在大震發(fā)生前,震源區(qū)及其附近確實(shí)存在“緩慢移動(dòng)”。如1976年唐山7.8級(jí)大地震前和2001年昆侖山口西8.1級(jí)等大地震前,在其發(fā)震斷層上都觀測(cè)到了斷層位移、井口變形等現(xiàn)象[10]。這種“緩慢移動(dòng)”可以產(chǎn)生頻帶很寬的振動(dòng),并以波的形式向外發(fā)射,有高頻波(聲頻)以地聲的形式發(fā)射[2],也有低頻波,如帕薩迪那地震臺(tái)應(yīng)變儀記錄到的周期為300～600 s的長(zhǎng)周期波[11]。

由臨夏臺(tái)的記錄可見;Xp震相波形的“階躍形”特征明顯,與SONG[9]做的巖石脆性破裂實(shí)驗(yàn)中小破裂發(fā)生時(shí)所伴隨的“階躍形”應(yīng)力降形態(tài)特征一致。由此推測(cè);Xp震相可能是臨震前地塊巖石主破裂前裂隙蠕裂、斷裂預(yù)滑或斷裂預(yù)擴(kuò)展等行為激發(fā)出的預(yù)滑震相。

關(guān)于震顫的物理機(jī)制在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中都鮮有報(bào)道,僅有的一些觀測(cè)結(jié)果表明,在一些板塊構(gòu)造的邊緣,如北美的卡斯卡迪亞島的俯沖構(gòu)造帶上,在觀測(cè)到慢滑動(dòng)事件時(shí),觀測(cè)到的顫動(dòng)(Tremor)次數(shù)會(huì)明顯增多。并據(jù)此推測(cè),可能是板塊間的慢滑動(dòng)摩擦激發(fā)出了震顫[12]。

本文根據(jù)臨夏臺(tái)2種不同學(xué)科的觀測(cè)儀器記錄到的Tp震相波形與地震波中的導(dǎo)波Lg波形相似和在地震儀記錄的三個(gè)分向都分辨不出是縱波性質(zhì)的振動(dòng)還是橫波性質(zhì)的振動(dòng)的記錄特征推測(cè),Tp震相的生成機(jī)理可能與Lg波的生成機(jī)理類似,是一種波動(dòng)能量被“拘留”在某個(gè)波導(dǎo)“通道”內(nèi)的導(dǎo)波[13]。生成Tp 波的“通道”可能是因臨震前構(gòu)造應(yīng)力相對(duì)集中導(dǎo)致地塊內(nèi)新舊裂隙貫通而形成的。設(shè)想當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力相對(duì)集中地?cái)D壓某個(gè)地塊,致使地塊內(nèi)新舊裂隙貫通而形成“通道”的同時(shí),也會(huì)使地塊內(nèi)流體受壓后析出氣體,氣體在不同寬度的裂隙“通道”內(nèi)流動(dòng)或溢出時(shí),勢(shì)必會(huì)激發(fā)出不同頻率的震顫。這種震顫的頻率可能與氣體流動(dòng)的裂隙寬度有關(guān),即氣體或液體在不同寬度的裂隙內(nèi)流動(dòng)可能會(huì)形成不同頻率的震顫 (圖3)。較高頻的震顫有可能被寬頻帶地震儀記錄到,較低頻的震顫有可能被水位儀記錄到。這種震顫傳播到地表面,在聲頻范圍內(nèi)的震顫可以被人聽到,稱之為“地聲”。從目前為數(shù)不多的地聲波形記錄可見[3,14],其記錄波形與本文給出的Tp震相波形相似,也與導(dǎo)波Lg波形非常相似。

4 觀測(cè)結(jié)果和可靠性討論

在對(duì)臨夏臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果討論之前,首先對(duì)上述的“預(yù)滑”和“震顫”信號(hào)的可靠性進(jìn)行討論,即上述的“預(yù)滑”和“震顫”信號(hào)是否是儀器自身問題或外界氣象因素造成的干擾？

對(duì)此問題,我們根據(jù)同一臺(tái)站,在相近時(shí)間段,3種不同觀測(cè)手段,在不同井孔都觀測(cè)到了這種“預(yù)滑”和“震顫”信號(hào)的情況認(rèn)為:這種同一臺(tái)站,在相近時(shí)間段,在不同井孔,3種不同學(xué)科的觀測(cè)儀器,同時(shí)出現(xiàn)儀器問題的可能性應(yīng)該較小。另外,是否是外界氣象因素干擾？對(duì)此問題我們認(rèn)為:如果是外界氣象因素干擾,如氣壓和降水的干擾,應(yīng)該在3種不同學(xué)科的觀測(cè)儀器上“同時(shí)”記錄到。而臨夏臺(tái)觀測(cè)到的“預(yù)滑”和“震顫”信號(hào)是在相近時(shí)間段內(nèi),但并不是“同時(shí)”記錄到,因此,不應(yīng)是外界氣象因素所致。另由圖1給出的相同時(shí)間段內(nèi)的鉆孔氣壓、地面氣壓和降水量記錄可見,在出現(xiàn)“預(yù)滑”和“震顫”信號(hào)的時(shí)段,鉆孔氣壓、地面氣壓和降水量變化都比較小。當(dāng)氣壓和降水變化比較大時(shí)并沒有記錄到相應(yīng)的Xp震相和Tp震相,它們之間沒有相關(guān)性。那“震顫”是否是由2008年5月8日到5月14日發(fā)生在西太平洋上的 “威馬遜”臺(tái)風(fēng)激發(fā)的呢？顯然不是,因?yàn)檫@些“預(yù)滑”和“震顫”現(xiàn)象發(fā)生在“威馬遜”臺(tái)風(fēng)生成之前。因此,上述的“預(yù)滑”和“震顫”信號(hào)是儀器自身問題或其他外界氣象因素干擾的可能性都較小,而由震前預(yù)滑和震顫形成的可能性較大。

對(duì)于在同一臺(tái)站,不同學(xué)科的觀測(cè)儀器記錄到的Xp震相、Tp震相的到時(shí)不同,我們認(rèn)為:用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)小尺度花崗巖樣品做的黏滑實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7,15]可以解釋這個(gè)問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:①同一樣品,同一觀測(cè)手段,加壓后,在樣本的不同部位對(duì)應(yīng)變變化的響應(yīng)時(shí)間會(huì)不同;②同一樣品,不同觀測(cè)手段,即使采樣率一致,對(duì)應(yīng)變變化的響應(yīng)時(shí)間也不同。

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們認(rèn)為:臨夏臺(tái)不同學(xué)科的觀測(cè)儀器記錄到的Xp震相和Tp震相的時(shí)間不同與不同觀測(cè)手段響應(yīng)的物理過程不同有關(guān);與不同的物理過程發(fā)生在臺(tái)站下方的不同深度或不同部位有關(guān)。如YRY-4分量應(yīng)變儀觀測(cè)的是應(yīng)變傳感器周邊的應(yīng)變波動(dòng)過程,水位儀觀測(cè)的是承壓層水位的壓力傳遞過程,地震儀觀測(cè)的是地表以下不同深度裂隙“通道”內(nèi)的氣體流動(dòng)或溢出時(shí)激發(fā)的“震顫”過程。 因此,在同一構(gòu)造力場(chǎng)的作用下,這2個(gè)物理過程雖發(fā)生在同一臺(tái)站下方和附近,但可能發(fā)生在不同深度和不同部位,這樣在同一臺(tái)站,不同學(xué)科的觀測(cè)儀器,對(duì)不同的物理過程的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該是不同的。這與地震發(fā)生后,在不同的觀測(cè)手段上能同時(shí)觀測(cè)到地震波到時(shí)不同。地震發(fā)生后,同一臺(tái)站不同儀器觀測(cè)到的是發(fā)生在相同深度、相同距離的同一物理過程,是一種“同場(chǎng)同源”的物理過程。而臨夏臺(tái)不同學(xué)科的觀測(cè)儀器記錄到的預(yù)滑和震顫時(shí)間不同是因不同學(xué)科的觀測(cè)儀器記錄到的信號(hào)是“同場(chǎng)”,但不“同源”。是同一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下,在同一臺(tái)站下方或附近不同深度、不同部位和不同物理過程作用的結(jié)果。

那這些預(yù)滑和震顫現(xiàn)象與5月12日汶川MW7.9地震有什么關(guān)系呢？圖4盡可能長(zhǎng)的給出了震前一段時(shí)間內(nèi)的觀測(cè)記錄,發(fā)現(xiàn)在2008年3月份以前,3種觀測(cè)記錄曲線都比較平直。3月份以后,鉆孔水位儀和靜水位儀開始陸續(xù)記錄到一些幅度較小的預(yù)滑錯(cuò)動(dòng)。4月18日和5月6日,3種觀測(cè)儀器同時(shí)記錄到了2次幅度較大,發(fā)生時(shí)間也較集中的預(yù)滑錯(cuò)動(dòng)和N次震顫。這種發(fā)生在震中周邊地塊上幅度較大,時(shí)間較集中的預(yù)滑錯(cuò)動(dòng)除了會(huì)使地塊內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)生“階躍形”變化外,還會(huì)在地塊間某些滑動(dòng)受阻的斷層面上集聚構(gòu)造力。當(dāng)集聚的構(gòu)造力大到可以克服受阻斷層面上的摩擦力或巖石的破壞強(qiáng)度時(shí),則會(huì)導(dǎo)致斷層錯(cuò)動(dòng)和巖石破裂,形成構(gòu)造地震。據(jù)此推測(cè):4月18日和5月6日的2次幅度較大,發(fā)生時(shí)間較集中的預(yù)滑錯(cuò)動(dòng)可能導(dǎo)致區(qū)域構(gòu)造力在龍門山斷裂帶被積累。當(dāng)區(qū)域構(gòu)造力積累到可以克服龍門山斷層帶上的摩擦力或巖石破裂強(qiáng)度時(shí),斷層巖石發(fā)生突然破裂和失穩(wěn)滑動(dòng),引發(fā)了汶川MW7.9大地震。

圖4 Xp震相記錄(Δ=500 km)Fig.4 The recordings of Xp phase (Δ=500 km)

5 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

根據(jù)上述理論研究、實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)果,有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

(1) 臨夏臺(tái)記錄到的Xp震相可能是臺(tái)站所處地塊在震前發(fā)生預(yù)滑錯(cuò)動(dòng)后激發(fā)出的預(yù)滑震相。

(2) 臨夏臺(tái)記錄到的Tp震相可能是臺(tái)站所處地塊在構(gòu)造應(yīng)力作用下,巖體內(nèi)的新舊裂隙貫通,形成了地下氣體流動(dòng)的“通道”,當(dāng)氣體在裂隙“通道”內(nèi)流動(dòng)時(shí),激發(fā)出的震顫震相。

(3) Xp震相的觀測(cè)結(jié)果表明:臨震前24多天,2次幅度較大,發(fā)生時(shí)間較集中的預(yù)滑錯(cuò)動(dòng),可能引發(fā)了汶川MW7.9地震。

(4) Tp震相的觀測(cè)結(jié)果表明:在發(fā)生預(yù)滑錯(cuò)動(dòng)時(shí)常伴有震顫現(xiàn)象發(fā)生。

(5) Xp和Tp震相是臨震前構(gòu)造力在震中周邊地塊斷層上集聚過程的直接觀測(cè)證據(jù),是值得關(guān)注的前兆信息。研究Xp和Tp震相有助于認(rèn)識(shí)臨震前震中周邊地塊的預(yù)滑活動(dòng)和構(gòu)造力集聚過程。

本文用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和震相標(biāo)注均由黑龍江省地震局和躍時(shí)高級(jí)工程師提供的《CDSN地震臺(tái)站分析軟件》完成,在此深表謝意。