華南西部地區(qū)近期中強地震前定點形變異常特征分析

黃惠寧，郭培蘭，閻春恒，蘇 珊，原永東

（廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧 530022）

0 引言

地震的孕育和發(fā)生的過程中最直接的現(xiàn)象是地殼形變，形變觀測資料在了解大范圍區(qū)域地殼運動狀態(tài)、識別地震孕育過程中形變異常時空分布特征，進行地震時空強預報中發(fā)揮著重要的作用?；诙c形變連續(xù)觀測資料獲得的震兆實例研究也取了一些顯著的成果，路珍對地球物理場區(qū)域形變測量和定點形變觀測資料中震前異?，F(xiàn)象時空分布特征進行研究得到地球物理場資料適合中長期地點判定，定點形變觀測資料適合中短期預測的認識[1]。韓桂紅對呼圖壁MS6.2 地震300 km 范圍內(nèi)定點形變測項進行研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)域存在背景性準同步趨勢轉折異常，中期異常以趨勢加速為主并呈現(xiàn)出外圍向近場遷移的特征[2]。諸多研究表明，中強地震之前，定點形變資料反映出一定程度的中期異常，甚至是短臨異常[3-5]，并且有些地區(qū)的震例研究已經(jīng)歸納得到區(qū)域形變預測指標[6-7]，為區(qū)域捕捉地震前兆及開展地震預報研究提供參考。地震孕育過程中會出現(xiàn)各種形式的形變異常現(xiàn)象，這一點毋庸置疑，但由于臺站所處區(qū)域地質條件和環(huán)境存在差異，各個臺站表現(xiàn)出來的異常也存在差異[8]，基于此，本文通過震例進行研究，旨在對形變異常特征進行總結，為華南西部地區(qū)地震預測研究提供借鑒和參考。

形變臺站數(shù)字化以來積累了10 余年的形變觀測資料，期間華南西部地區(qū)沒有發(fā)生顯著地震，直到2016 年發(fā)生蒼梧MS5.4 地震（下稱“蒼梧地震”）打破了廣西地區(qū)長達21 年的無5 級地震的平靜，2018 年 11 月 26 日發(fā)生海峽MS6.2 地震，2019年又相繼發(fā)生北流MS5.2（下稱“北流地震”）和靖西MS5.2 地震（下稱“靖西地震”），震例的豐富給華南西部地區(qū)震前形變資料異常特征研究帶來契機。本文以華南地區(qū)近年來發(fā)生的5級以上地震為基礎，梳理這些顯著地震前定點形變觀測資料出現(xiàn)的異常變化，認識中強地震前異常變化的主要特征，提取可能存在的異常指標，以期能為今后華南地區(qū)中強地震預測提供依據(jù)。

1 形變臺站和觀測數(shù)據(jù)概況

靈山地震臺1975 年建臺，位于廣西靈山縣城六峰山南側山腳下，海拔高度60 m，構造上處于北東向的防城—靈山斷裂帶和北西向的巴馬—博白斷裂帶交匯部位，歷史上發(fā)生的最大地震為1936 年4 月1 日的靈山63/4級地震，是華南地區(qū)陸區(qū)發(fā)生的最大地震[9]?！笆濉鼻罢讛?shù)字化改造后，靈山地震臺擁有地傾斜、連續(xù)重力、流動水準測量等形變觀測手段。傾斜重力山洞位于臺站東約350 m 的六峰山公園內(nèi)，洞室進深30 m，上覆基巖厚約22 m，臺基巖性為泥盆系中統(tǒng)東崗嶺階中厚層灰?guī)r，山洞常年恒溫22.5 ℃，年溫差小于0.5 ℃，較為干燥。靈山地震臺傾斜觀測先后使用過VS 垂直傾斜儀和VP 垂直擺傾斜儀兩種儀器，VP垂直擺傾斜儀于2017年12月開始觀測，固體潮形態(tài)良好，觀測數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定，VP 垂直擺傾斜EW向有微弱年變，NS向無明顯年變形態(tài)。

梧州地震臺1977 年建臺，位于梧州市西郊龍新村附近，海拔高度25 m，構造上處于北東向防城—靈山斷裂帶和合浦—北流斷裂帶末端，歷史上發(fā)生的最大地震為2016年7月31日的蒼梧5.4級地震[9]?！笆濉鼻罢讛?shù)字化改造后，梧州地震臺擁有地傾斜、地應變等形變觀測手段。梧州地震臺儀器洞室距辦公室約40 m，洞室進深約38 m，覆蓋厚度約40 m，臺基巖性為燕山期花崗巖，山洞儀器室溫度恒定日變小于0.03 ℃，觀測環(huán)境較好。梧州地震臺DSQ 水管傾斜儀安裝于2007 年1月，自觀測以來數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定，固體潮清晰，無年變形態(tài)。梧州地震臺SS-Y 洞體應變儀與DSQ 水管傾斜儀同時安裝， NS 分量在2008 年至2010 年有微弱年變，2011 年之后年變消失，EW 分量自觀測以來年變清晰。

憑祥地震臺1972 年建臺，位于憑祥市東南面的竹山村那巖屯，海拔227 m，構造上處于桂林南寧斷裂西端，“十五”數(shù)字化改造后擁有地傾斜和連續(xù)重力兩種觀測手段。傾斜山洞進深26.61 m，覆蓋厚度約20 m，東西旁覆蓋10～15 m，臺基巖性為二疊系灰?guī)r，山洞常年恒溫21.3 ℃，年溫差小于0.5 ℃，觀測環(huán)境良好。憑祥臺傾斜觀測也先后使用VS垂直擺傾斜儀和VP垂直擺傾斜儀兩種儀器進行觀測，2016 年由于VS 垂直擺傾斜儀老化故障頻發(fā)，與靈山地震臺同時期更換成VP 垂直擺傾斜儀，VP垂直擺NS向自觀測以來無年變也沒有趨勢特征，EW 向有年變，但年變形態(tài)和年變幅度明顯與VS不同。

靈山地震臺和梧州地震臺在地理位置上位于廣西桂東南地區(qū)，憑祥臺位于桂西南地區(qū)，是廣西唯一的邊境臺（圖1），臺站的測項和本文使用的測項資料情況如表1所示。

圖1 廣西定點形變臺站與顯著地震分布圖Fig.1 Distribution map of fixed-point deformation stations and significant earthquakes in Guangxi

表1 靈山地震臺和梧州地震臺定點形變測項信息表Table 1 Information table of fixed-point deformation measurement items of Lingshan Seismic Station and Wuzhou Seismic Station

2 氣象干擾因素分析

定點形變觀測易受到自然環(huán)境的影響，氣溫、氣壓、降雨等氣候變化都會對定點形變觀測產(chǎn)生一定的影響[6]。氣壓是直接作用于地表的大面積荷載，氣壓急劇變化會導致地表負荷變化從而引起地表變形。降雨引起地表載荷變化，雨水滲透入巖石，使得巖石產(chǎn)生不均勻變形。溫度變化會導致巖石發(fā)生膨脹與收縮，發(fā)生變形。為明確氣象因素對廣西形變測項的影響，選取靈山垂直擺和梧州水管傾斜兩個測項與氣象三要素進行對比分析。如圖2所示，靈山氣壓、降雨和溫度具有明顯的季節(jié)性變化特征，氣壓冬高夏低，溫度夏高冬低，降雨量每年5 月至7 月達到最大，靈山垂直擺NS 分量在儀器故障之前沒有明顯的年變特征和趨勢性特征，更換設備后表現(xiàn)出顯著的趨勢性特征（持續(xù)南傾），受到降雨干擾較為明顯，干擾特征主要為同步的短期波動變化，對整體趨勢影響不大。梧州的氣壓、降雨特征與靈山一致，降雨量每年5月至9月達到最大，梧州水管傾斜NS分量無年變，趨勢變化特征明顯（持續(xù)北傾），受到氣象因素干擾不顯著。

圖2 靈山垂直擺NS分量和梧州水管傾斜NS分量與氣象三要素對比圖Fig.2 Comparison of NS components of Lingshan vertical pendulum and Wuzhou water pipe tilt with three meteorological elements

3 顯著地震震例分析

自定點形變數(shù)字化觀測資料以來，華南西部地區(qū)共發(fā)生了4 次5 級以上地震，2018 年11 月26日海峽6.2 級地震發(fā)生在海域，本文暫不進行討論。文章主要對華南西部地區(qū)3 次5 級地震震中300 km 范圍內(nèi)的形變測項的異常特征進行研究，震例及震中300 km范圍內(nèi)形變測項情況見表2。

表2 地震及震中300 km范圍內(nèi)形變測項情況表Table 2 Table of earthquakes and deformation measurement items within 300 km of the epicenter

3.1 2016 年 7 月 31 日蒼梧 MS5.4 級地震前異常變化分析

蒼梧地震300 km 范圍內(nèi)有3 個形變測項（見表2），出現(xiàn)異常的有靈山VS垂直擺傾斜NS分量和梧州DSQ 水管傾斜NS 分量2 個測項。靈山VS 垂直擺NS 分量自2014 年2 月起北傾轉平，雖然在2014 年3 月至2015 年1 月受到開挖重力山洞年變不明顯的狀態(tài)下依然能看到曲線呈現(xiàn)出較為明顯的北傾趨勢轉平，持續(xù)911 d 發(fā)生蒼梧5.4 級地震，震中距約295 km，但VS 垂直擺在2016 年10 月故障無法跟蹤后續(xù)變化。梧州DSQ 水管傾斜NS 分量在2014年7 月開始北傾轉折，2015 年11 月23 日開始北傾加速，持續(xù)121 d 結束，變化量390 ms，異常結束后130 天發(fā)生蒼梧地震，震中距約75 km，震后24 d恢復北傾變化。

圖3 蒼梧地震前形變異常圖Fig.3 Deformation anomalies map before the Cangwu earthquake

3.2 2019 年 10 月 12 日北流 MS5.2 級地震前異常變化分析

北流地震300 km 范圍內(nèi)有3 個形變測項，出現(xiàn)異常的是靈山VP 垂直擺NS 分量，梧州DSQ 水管傾斜的NS 和EW 分量。靈山VP 垂直擺傾斜NS分量自2018 年觀測以來一直保持南傾，2019 年6月30 日開始南傾轉平，持續(xù)104 d 發(fā)生北流地震，震中距130 km，震后南傾轉平持續(xù)。梧州DSQ 水管傾斜NS 分量2019 年7 月19 日開始北傾加速，異常持續(xù)85 d 發(fā)生北流地震，變化量272 ms，EW 分量2019 年3 月31 日開始東傾加速，加速108 天東傾轉平，變化量216 ms，轉平87 d 后發(fā)生北流地震，震中距163 km，震后NS 分量北傾加速和EW分量東傾轉平趨勢持續(xù)。

3.3 2019 年 11 月 25 日靖西 Ms5.2 級地震前異常變化分析

靖西地震和北流地震發(fā)震的時間間隔只有44 d，在進行異常分析時將兩個地震異常進行合并分析。在靖西地震300 km 范圍內(nèi)有靈山VP 垂直擺傾斜和憑祥VP垂直擺傾斜兩個測項，憑祥VP垂直擺自觀測以來數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，震前未發(fā)現(xiàn)顯著異常變化。靈山VP垂直擺傾斜NS分量在北流地震發(fā)生后南傾轉平趨勢未恢復，靖西地震發(fā)生后31 d恢復南傾，震中距262 km。值得一提的是梧州水管傾斜的NS 分量在北流地震后北傾加速持續(xù)，靖西地震后反向南傾，37 d 后恢復北傾變化，EW 分量東傾轉平在北流地震后持續(xù)，靖西地震發(fā)生后37 天恢復東傾變化，震中距為465 km。

4 形變異常特征與其他觀測資料的相關性分析

4.1 異常特征與地震關系分析

對華南西部地區(qū)發(fā)生的3次顯著地震震前形變資料的異常變化進行統(tǒng)計（表3），可以發(fā)現(xiàn)異常主要呈現(xiàn)以下特征：時間尺度上異常主要以中長期趨勢異常為主，除靈山VS垂直擺NS分量外，其他測項異常均在1 年內(nèi)出現(xiàn)，并且異常持續(xù)3 個月至6 個月，短臨異常不突出；空間分布上異常集中在震中300 km 范圍內(nèi)出現(xiàn)，雖然梧州DSQ 水管傾斜儀距離靖西地震震中距為465 km，但在北流地震后NS 分量北傾加速并未恢復，一直持續(xù)到靖西地震后才反向恢復南傾，約37 d 后才恢復北傾變化；曲線的異常特征主要表現(xiàn)為趨勢轉折和趨勢加速；震后約1個月左右異常逐漸恢復。

表3 顯著地震異常特征統(tǒng)計Table 3 Statistics of significant seismic anomalies characteristics

從同一測項對不同震級的地震的響應情況看，呈現(xiàn)震級越大異常持續(xù)時間越長，異常變化量越大的特點。以梧州DSQ 水管傾斜NS 分量為例，該分量在2015 年11 月23 日開始北傾加速，121 d 后反向南傾，南傾變化130 d 發(fā)震，異常持續(xù)251 d，異常變化量390 ms。北流地震前85 d 北傾加速，加速過程中發(fā)震，異常變化量272 ms，震后異常持續(xù)直到靖西地震后開始南傾恢復，異?？偣渤掷m(xù)129 d，異常變化量為288 ms。

從同一地震不同測項的響應情況看，呈現(xiàn)出東西分量先出現(xiàn)異常，北南分量后出現(xiàn)異常，并且不同臺項同分量異常具有同步性的特點。以北流地震為例，梧州DSQ 水管傾斜EW 分量2019年3月31 日開始東傾加速，2019 年7 月19 日轉平，轉平 87 d 后發(fā)生北流地震，NS 分量 2019 年 7 月 17 日開始出現(xiàn)北傾加速，而靈山VP 垂直擺NS 分量在2019 年6 月30 日開始出現(xiàn)南傾轉折，與梧州DSQ水管傾斜NS 分量出現(xiàn)異常的時間接近。并且，北流地震發(fā)生之后，靈山VP 垂直擺NS 分量、梧州DSQ 水管傾斜NS 分量和EW 分量異常均未結束，直到靖西地震發(fā)生37 d之后，三個異常同步恢復。

4.2 其他觀測資料的相關性分析

華南塊體主要受西部川滇菱形塊體旋鈕作用和東部菲律賓海板塊西向俯沖擠壓作用[11]。GPS 觀測資料顯示，華南塊體西部近NS 向的四川筠連—云南文山基線呈較穩(wěn)定的張性趨勢，NW 向的四川鹽源—廣西河池基線、四川松潘—貴州鳳岡基線和云南文山—海南三亞基線均為壓性，且云南文山—海南三亞基線2019年5月至2020年2月呈壓性趨勢加速，2020 年 3 月至 2021 年 4 月轉折拉張，2021 年 5月之后再次轉為壓性（圖4）。綜合分析認為，東南沿海地震帶西段受壓扭作用增強，利于NW 向走滑斷裂和NE 向逆沖斷裂的活動。華南塊體東部近EW 向的臺灣—廣州GPS 基線2002—2014 年為張性變化，2014—2016 年轉折壓性變化，2016—2018年壓性趨勢減弱（圖5），2020 年5 月至今壓性趨勢增強并持續(xù)。

圖4 北流地震和靖西地震前形變異常圖Fig.4 Deformation anomalies map before Beiliu earthquake and Jingxi earthquake

圖5 華南塊體西部邊界基線圖Fig.5 Baseline map of the western boundary of South China block

采用CAP 方法反演了蒼梧地震、北流地震和靖西地震的震源機制解（圖6，表4），結果顯示：蒼梧地震主破裂面走向NNW，呈左旋走滑運動性質，主壓應力方向為NW 向；北流地震主破裂面走向NWW，以走滑性質為主，兼有正斷成分，主壓應力P 軸方位為NW 向，與廣西現(xiàn)今構造應力場主壓應力方向一致；靖西地震震源機制均為逆斷性質，主壓應力P 軸方位為NW-SE 向，傾角近水平，與廣西現(xiàn)今構造應力場主壓應力方向一致。

表4 顯著地震震源機制解結果Table 4 Focal mechanism solution results of significant earthquakes

圖6 華南塊體東部邊界基線圖Fig.6 Baseline map of the eastern boundary of South China block

基線及震源機制解結果表明，2014 年以來華南塊體東部處于強擠壓狀態(tài)，區(qū)域應力明顯增強，受到NW 向推擠作用，梧州水管傾斜、靈山VP 垂直擺傾斜出現(xiàn)顯著并持續(xù)的趨勢轉折、轉折加速等異?，F(xiàn)象，期間廣西東部相繼發(fā)生了蒼梧地震和北流地震。華南塊體西部2019 年至2020 年期間順時針壓扭作用加速增強，在北西向區(qū)域構造應力場作用下，利于NW 向走滑斷裂和NE 向逆沖斷裂的活動，期間廣西西部發(fā)生了極淺源的靖西地震。

圖7 顯著地震震源機制解圖Fig.7 Focal mechanism solution of significant earthquakes

5 結論與討論

本文通過對形變觀測數(shù)字化以來發(fā)生的3 次中強地震震前定點形變資料異常變化進行梳理總結，分析了形變異常特征與中強地震的關系，研究結果表明：

（1）震例研究結果表明，中強地震前震中距300 km 范圍內(nèi)的定點形變測項可以觀測到不同程度的異常變化。異常特征以趨勢背景上的趨勢轉折和趨勢加速為主，異常變化通常出現(xiàn)在震前1年內(nèi)，異常持續(xù)時間超過3 個月以上，并在震后1 個月左右結束，呈現(xiàn)出震級越大異常幅度越大，異常持續(xù)時間越長的特征。因此，出現(xiàn)超過3個月以上的趨勢異常變化可能是與地震有關的前兆異常，應予以關注。

（2）其他觀測資料的相關性分析表明，靈山VS垂直擺NS分量與梧州DSQ水管傾斜NS分量在蒼梧地震前后和北流地震前后出現(xiàn)同步的趨勢異常變化現(xiàn)象，與GPS基線變化結果一致，該現(xiàn)象表明在區(qū)域應力場一致作用力影響下，基巖發(fā)生持續(xù)加速傾斜時，各種儀器記錄到的結果則是有序的，與其他學者的研究結果一致[10]。

（3）本文嘗試利用數(shù)字化定點形變觀測資料開展形變異常特征與地震關系探索性研究，試圖積累經(jīng)驗，為華南西部地區(qū)地震趨勢研究和定點形變預測指標體系建設提供借鑒和參考。華南西部地區(qū)定點形變臺站數(shù)量較少且測項單一，觀測數(shù)據(jù)受到各種因素的干擾較多，震例相對較少，難以進行預測效能檢驗，存在一定的局限性。利用定點形變觀測資料預測地震的機理是一個復雜的科學問題，需要長期不懈地開展震例回溯性研究，不斷地總結震例前兆異常，識別地震前兆異常特征，不斷提高利用形變前兆異常進行地震預測的水平。