2013年岷縣-漳縣MS6.6地震前異常的演化特點及預測意義

張小濤 宋治平

中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045

0 引言

2013年7月22日7時45分,甘肅岷縣-漳縣發(fā)生MS6.6地震,震中位于柴達木塊體東側,發(fā)震斷層為臨潭-宕昌斷裂,該斷裂為左旋逆沖性質(鄭文俊等,2013)。最大余震為7月22日9時12分MS5.6地震,余震區(qū)展布長度僅約12km(梁姍姍等,2017)。震后,眾多學者從不同學科對岷縣-漳縣MS6.6地震前的流動重力、區(qū)域地震活動性、形變、地磁、流體等方面進行了研究(張希等,2014；楊博等,2014；郝洪濤等,2014；祝意青等,2014；姜佳佳等,2015；范瑩瑩等,2015；陳軍營等,2015；馮建剛等,2016；李鴻宇等,2017；王熠熙等,2018),這些研究結果對震例總結和方法研究是有意義的,但是,從強震跟蹤預測角度來看,研究人員最希望知道的是在強震前已觀測到哪些異常？這些異常的演化特征如何？對于強震預測的跟蹤工作而言,對震前觀測到的異常的分析研究對強震預測的跟蹤工作具有直接借鑒作用。

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心的日常震情跟蹤匯總,在此次地震發(fā)生前,甘青川交界地區(qū)在6級地震平靜背景下,存在大范圍5級地震平靜被打破,5級地震空區(qū)、4級地震空區(qū)、3級地震平靜區(qū)被打破等地震活動異常；地球物理場重力異常顯著；2010年跨斷層水準出現(xiàn)同步趨勢異常,如口子門、毛羽溝、東風溝、水泉、白土莊水準等；2011—2012年定點形變出現(xiàn)準同步趨勢異常,如乾縣水平擺、涇源洞體應變、海原小山鉆孔傾斜等；2013年年初出現(xiàn)一批同步短期異常,如天水水氡、武山水氡、武都水氡、西安伸縮儀、兩水鉆孔傾斜、湟源鉆孔傾斜、白銀伸縮、門源鉆孔應變等；同期,臨夏電阻率和武都電阻率在趨勢變化過程中出現(xiàn)短期變化；2013年3—4月流體出現(xiàn)同步短期異常,如天水氣氡、平?jīng)?號水氡、平?jīng)?號水氡、樂都水氡。另外,2013年6月15、16、19日出現(xiàn)地磁低點位移異常。

本文基于中國地震臺網(wǎng)中心在日常震情跟蹤過程中匯總的地震活動異常和地球物理場觀測異常,從強震預測跟蹤工作的實用性角度,深入分析震前觀測到的這些地震活動和地球物理場觀測異常的演化特點,總結對地震時間、空間、強度的預測進行判定的主要依據(jù)及貢獻大小,從而為強震的跟蹤工作提供參考。

圖1 西北地區(qū)5級地震大范圍平靜區(qū)(a)及平靜區(qū)內的地震時間間隔(b)

1 震前顯著地震活動性異常

1.1 西北地區(qū)5級地震大范圍平靜被打破

西北地區(qū)(33°～42°N,89°～108°E)(圖1(a),不包括汶川余震區(qū))1917—2010年超過700天的5級地震平靜有6次,其中有5次5級地震平靜被打破后一年內發(fā)生了6.0級以上地震(圖1(b)、表1)。自2010年6月3日青海玉樹5.3級地震后,5級以上地震持續(xù)平靜700天,被2012年5月3日甘肅金塔5.4級地震打破,標志著該區(qū)域中強地震可能開始活躍。2013年7月22日甘肅岷縣-漳縣MS6.6地震發(fā)生在5級地震平靜區(qū)內(圖1(a))。

表1 西北地區(qū)5級平靜超過700天及對應6.0級及以上地震統(tǒng)計

1.2 青海東南部-甘青川交界地區(qū)存在5級、4級地震空區(qū)嵌套

青海東南部-甘青川交界地區(qū)自2000年9月12日青海興海MS6.6地震后,6級以上地震出現(xiàn)平靜,平靜時間達13年,該地區(qū)在6級地震平靜背景下發(fā)生了2013年7月22日岷縣-漳縣MS6.6地震。

2001年7月17日青海興海發(fā)生MS5.0地震,隨后在青海東南至甘青川交界地區(qū)逐漸形成5級地震圍空區(qū)。2011年4月10日四川爐霍MS5.3地震發(fā)生在圍空區(qū)邊緣,5級空區(qū)持續(xù)發(fā)展,時間長達12年(圖2(a))。2013年7月22日岷縣-漳縣MS6.6地震發(fā)生在5級地震空區(qū)邊緣。

2008年5月12日汶川MS8.0地震后,甘東南附近區(qū)域形成ML4地震圍空,圍空被2011年2月23日甘肅岷縣-迭部ML4.7地震打破,之后在空區(qū)及其附近中等地震活動增強,先后發(fā)生興海ML4.1和ML4.5、久治ML4.5、達日ML4.9、瑪沁ML4.6、岷縣ML4.9等顯著地震。岷縣-漳縣MS6.6地震發(fā)生在4級地震空區(qū)內(圖2(b))。

圖2 青藏高原北部地區(qū)MS5地震空區(qū)(a)及ML4地震空區(qū)(b)

1.3 甘東南地區(qū)3級地震平靜被打破

2012年6月6日岷縣ML3.0地震打破甘東南地區(qū)長達216天的3級平靜(圖3(a)),以往震例顯示,在3次超過200天的異常中,有2次異常后300天內平靜區(qū)附近發(fā)生5.5級以上地震。震前分析認為,該區(qū)域ML3地震平靜被打破后,附近存在發(fā)生5.5級以上地震的可能(圖3(b))。岷縣-漳縣MS6.6地震就發(fā)生在3級地震平靜打破之后。

圖3 甘東南地區(qū)3級地震平靜區(qū)(a)及平靜區(qū)內時間間隔(b)(b)中標注地震為(a)中虛線方框范圍內地震

2 地球物理場觀測異常

2.1 地球物理場觀測異常概況

由于岷縣-漳縣MS6.6地震的余震區(qū)展布長度約為12km(梁姍姍等,2017),本文采取以主震震中(104.2°E, 34.5°N)為中心的圓形震中距統(tǒng)計分析岷縣-漳縣MS6.6地震前的地球物理場觀測異常演化特征?；谥袊卣鸱治鲱A報網(wǎng)中的異常表,對南北地震帶中北段(30°～38.5°N,99°～109.5°E)的異常進行統(tǒng)計。由于6～7級地震的孕震范圍大約為 300～400km(張肇誠等,1990；陳棋福等,2002),為了充分分析本次地震的孕育過程,這里以岷縣-漳縣MS6.6地震震中為圓心,對震中距400km范圍內異常進行統(tǒng)計分析。

圖4(a)給出了研究區(qū)的背景地球物理場觀測測項空間分布,可見背景測項主要分布在震中的西北和東部；在震中的西南(龍門山地震帶及以西地區(qū))也有地球物理場觀測,但數(shù)量較少。圖4(b)給出岷縣-漳縣MS6.6地震前提出的形變、電磁、流體三大學科異常的空間分布。震中距在400km內的地球物理場觀測異常共計44項,其中形變異常25項,流體異常13項,電磁異常6項。1年以上的異常35項,3個月至1年的中期異常6項,3個月內的短臨異常3項。從異常時間看,在岷縣-漳縣MS6.6地震震前1年內,異常主要分布于甘東南和青海西北部。從行政區(qū)看,地球物理場觀測異常主要分布于甘肅、寧夏、陜西境內。從構造塊體看,異常主要位于塊體的邊界(圖4(b)),如青藏一級塊體的東北緣、華北和華南一級塊體的交界部位。

圖4 岷縣-漳縣MS6.6地震前震中距400km范圍內的地球物理場觀測點分布(a)及異常分布(b)(b)中紅色異常為震前1年內出現(xiàn)的異常

2.2 地球物理場觀測異常測項比隨震中距的變化

由于地球物理場觀測異常的空間分布不均勻性受前兆觀測點的約束,為了刻畫異常隨震中距的關系,定義異常測項數(shù)與背景測項數(shù)之比為異常測項比(張小濤等,2008a、2008b)。表2、表3 給出不同統(tǒng)計方式下的異常測項數(shù)、背景測項數(shù)及異常測項比。表2 為逐步增加震中距的異常測項數(shù)、背景測項數(shù)和異常測項比。由表2 可知,震中距在50km范圍內未見地球物理場觀測異常；震中距在50～400km范圍內,隨著震中距的增加,異常測項比逐漸變小。這在一定程度上表明,在地震的孕育過程中,異常距孕震體越近,地震對異常的影響越明顯,如本次地震震中距在150km范圍內的異常測項比最高,約為20%。表3 為每50km震中距間隔的環(huán)形范圍內的異常測項數(shù)、背景測項數(shù)和異常測項比。由表3 可知,50～100km和100～150km范圍內的異常測項比較高,約為20%,而300～350km范圍內的異常測項比較低?？梢?異常測項比高值區(qū)主要集中在震中距50～150km范圍。

表2 不同震中距范圍內的地球物理場觀測異常測項數(shù)、背景測項數(shù)及異常測項比

表3 不同震中距(每50km環(huán)形圈內)的異常測項數(shù)、背景測項數(shù)及異常測項比

2.3 地球物理場觀測異常數(shù)量和測項比隨時間的變化

分別以震中距100km、200km、300km、400km為統(tǒng)計范圍,1年為窗長,半年為步長,計算新增地球物理場觀測異常數(shù)量和新增異常測項比隨時間的變化。

圖5 不同震中距的新增異常數(shù)量(a)和測項比(b)隨時間的變化

2.4 地球物理場觀測異常的3階段特征

地震前地球物理場觀測異?？煞譃?個發(fā)展階段:α、β、γ階段(馮德益,1983)。宋治平等(2009)通過對三維流變介質包體模型的理論研究表明,硬包體作為孕震體,在地表產(chǎn)生的體應變具有3階段特征,其中,α階段為向外圍擴散特征；β階段為體應變不變區(qū)特征；γ階段包含2個過程,γ1表示遠源區(qū)的異常向震中收縮的特征,γ2表示近源區(qū)的異常向外圍擴散的特征。

圖 6給出了岷縣-漳縣MS6.6地震前異常的震中距與開始時間在常規(guī)坐標系下和雙對數(shù)坐標系下的3階段關系圖,其中,常規(guī)坐標系下異常的震中距與開始時間(常規(guī)時間)的3階段關系分析便于震情跟蹤工作,而雙對數(shù)坐標系下震中距與開始時間(距發(fā)震時間)關系便于理論分析。從圖6(a)中可以看出,地球物理場觀測異常的空間變化存在3個階段過程,在2010年前的α1和α2階段均表現(xiàn)為異常從震中向外圍擴展的過程；在2010年的β階段表示為異常分布在大范圍地區(qū),即在幾個月時間內,無論震中距遠近均出現(xiàn)異常；2011年之后,γ1階段表現(xiàn)為異常從震中外圍向震中區(qū)收縮過程,而γ2階段表現(xiàn)為異常從震中區(qū)向外圍地區(qū)擴展的過程。雙對數(shù)坐標系下異常的震中距與開始時間(距發(fā)震時間)的關系(圖6(b))也顯示出異常的3階段特點,只是α階段僅顯示一個擴展過程,這是由于圖6(b)的2個軸在雙對數(shù)坐標系下受到長時間的壓縮而造成α的2個階段難以分辨。

圖6 地球物理場觀測異常開始時間隨震中距的變化(a)常規(guī)坐標系下異常的震中距與開始時間關系；(b)雙對數(shù)坐標系下異常的震中距與開始時間(距發(fā)震日期)關系

1976年唐山地震(馮德益,1983)、1998年張北地震(宋治平等,2009)、2008年汶川地震(張小濤等,2018a)、2017年九寨溝地震(張小濤等,2018b)等地震前的地球物理場觀測異常時空演化均具有3階段特征,且地震孕育過程中異常3階段特征具有一定力學基礎(宋治平等,2009)。從本文分析得到的岷縣-漳縣MS6.6地震前的異常3階段特征也符合這一規(guī)律,可見地震孕育過程中地球物理場觀測異常的3階段特征是一個普遍現(xiàn)象。

3 地震活動與地球物理場觀測異常演化過程及預測意義

3.1 地震活動與地球物理場觀測異常演化過程

岷縣-漳縣MS6.6地震前觀測到的主要地震活動和地球物理場觀測異常及預測能力見表4 和圖7。從異常的空間分布范圍看(圖7(a)),5級地震平靜700天區(qū)域為西北地區(qū)；青海東南部-甘青川交界地區(qū)在6級地震平靜背景下存在5級空區(qū)、4級空區(qū)、3級平靜嵌套；前兆異常主要分布于祁連帶中東段-甘青川交界地區(qū),或在岷縣-漳縣MS6.6地震的震中距400km范圍內。另外,該地區(qū)在震前還存在流動重力異常,因此,主要地震活動異常(如不同震級的地震空區(qū)嵌套)和地球物理場觀測異常分布區(qū)域對發(fā)震地點具有一定預測指示作用。

從異常進程看(圖7(b)),青海東南部-甘青川交界地區(qū)在6級地震平靜的背景下最初出現(xiàn)5級地震空區(qū),然后是4級地震形成空區(qū)并被打破,期間西北地區(qū)出現(xiàn)5級地震平靜和甘溝窯、六盤山、毛羽溝等數(shù)項跨斷層水準準同步趨勢異常,這些水準異常點位于5級平靜區(qū)的東南部。2011年開始,定點形變異常出現(xiàn)準同步趨勢異常和前兆群體呈現(xiàn)遷移特點；在2013年上半年出現(xiàn)一批短期異常,6月出現(xiàn)地磁低點位移異常。

從總體情況看,在不同地震空區(qū)嵌套背景下,出現(xiàn)準同步趨勢異常和大范圍5級地震平靜現(xiàn)象,這屬于中期異常；短期階段主要有3級地震平靜被打破和一批短期異常的出現(xiàn)。

圖7 震前地震活動和地球物理場觀測異?？臻g演化(a)及時間演化(b)示意圖

表4 岷縣-漳縣MS6.6地震前觀測到的主要異常及預測能力匯總

從具有明確預測時間的異常看(表4),只有地磁低點位移有明確預測時間,而其他異常對時間預測不明確,因此,基于震前觀測到的這些異常,很難對地震的發(fā)震時間進行預測。

從預測強度看(表4),6級地震平靜、5級地震平靜和5級地震空區(qū),這3項異常的預測強度可達6級以上,4級地震空區(qū)、3級地震平靜僅預測強度5級以上地震,其他前兆異常對強度預測不明確。

3.2 預測意義

根據(jù)岷縣-漳縣MS6.6地震前觀測到的主要地震活動和地球物理場觀測異常的分析,以及日常工作經(jīng)驗,對地震跟蹤工作可以給出一些啟示。

(1)在地震危險地點跟蹤方面,首先關注地震活動中不同震級的地震空區(qū)嵌套或重疊地區(qū)、條帶分布或交匯地區(qū),然后關注地球物理場異常區(qū)、地震活動參數(shù)(如波速比、加卸載響應比、調制比等)異常區(qū)、異常的密集分布及收縮地區(qū)、異常形態(tài)的四象限中心地區(qū)等。

(2)針對危險地區(qū)的強度預測方面,重點跟蹤地球物理場異常幅度、地震活動空區(qū)或條帶的規(guī)模。

(3)對于危險地區(qū)的發(fā)震緊迫性即發(fā)震時間預測方面,首先在5級空區(qū)的發(fā)展過程中,關注地球物理場觀測趨勢異常是否出現(xiàn)群體準同步轉折異?；蚯罢椎臅r空遷移特點,然后重點關注3、4級地震空區(qū)的打破或3、4級地震條帶的解體、群體短期異常的出現(xiàn)、地磁低點位移異常的出現(xiàn)等。

4 結論

通過對岷縣-漳縣MS6.6地震前觀測到的地震活動異常和地球物理場觀測異常演化特點及其預測意義的深入分析,得到如下結論：

(1)顯著地震活動異常為青海東南部-甘青川交界地區(qū)在6級地震平靜的背景下存在5級地震空區(qū)、4級地震空區(qū)嵌套；震前1年左右,西北地區(qū)5級地震的700天平靜被打破和甘東南地區(qū)的3級地震平靜被打破。

(2)地球物理場觀測異常主要包括形變、電磁、流體異常,以形變異常為主。異常主要分布在震中距50～400km范圍內,其中50～150km范圍內異常測項比較高。從異常演化的時間過程看,在震前2年左右(即2011年左右)新增前兆異常數(shù)量達到最大值,隨后新增異常數(shù)量維持在較高水平。另外,異常測項比隨著震中距的增大逐漸變小。這一定程度上反映了孕震體對地球物理場觀測的影響范圍隨著震中距的增大逐漸減弱。

(3)地球物理場觀測出現(xiàn)的異常,α階段表現(xiàn)為向外擴的特征；β階段主要為2010年出現(xiàn)的異常,出現(xiàn)時間較集中；γ階段主要為2011—2013年出現(xiàn)的異常,分為2個階段,γ1階段表現(xiàn)為異常從震中外圍向震中區(qū)收縮過程,而γ2階段表現(xiàn)為異常從震中區(qū)向外圍地區(qū)擴展的過程。

(4)從震前觀測到的地震活動和地球物理場觀測異常的演化過程看,地震活動(如不同震級的地震空區(qū)嵌套)和前兆異常分布區(qū)域對發(fā)震地點具有一定預測指示作用；中小地震活動的異常圖像(如4級空區(qū),3級平靜)和顯著短期異常(如前兆趨勢異常的群體準同步的轉折異常、前兆的時空遷移性、短期群體異常等)對發(fā)震緊迫性具有一定指示意義。

另外,雖然本文提出的地震活動和地球物理場觀測異常均與岷縣-漳縣MS6.6地震有關這一結論還存在一定的爭議,但由于這些異常均是在震前提出的,對其演化特點的分析可為今后該區(qū)域地震跟蹤工作發(fā)揮指導作用。