吳利軍陳正位李函谷徐 磊安巴雅爾徐順強

1）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2）中國地震局地震預測研究所地震預測重點實驗室，北京 100036

3）山東省地震局無棣大山地震臺，濱州無棣 251910

4）山東省威海市地震局，威海 264200

5）中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002

大地震前體應變臨震異?，F(xiàn)象1

吳利軍1)陳正位1,2)李函谷1)徐 磊3)安巴雅爾4)徐順強5)

1）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2）中國地震局地震預測研究所地震預測重點實驗室，北京 100036

3）山東省地震局無棣大山地震臺，濱州無棣 251910

4）山東省威海市地震局，威海 264200

5）中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002

本文對2011年1月至2014年4月間全球發(fā)生的80次MS≥7級地震前，二張營臺和天堂河臺Sacks體應變臨震異?，F(xiàn)象進行了研究，針對復雜震例提出了異常識別的前提條件。統(tǒng)計結(jié)果顯示，體應變觀測對震中距為8000km范圍內(nèi)的MS≥7級地震映震和前兆異常反映較好。同時，對異?，F(xiàn)象進行了分類和描述，劃分了三種異常類型：即固體潮畸變型、突變型和慢地震型，并對各種類型作了統(tǒng)計分析，初步探討了力學性質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，體應變異常信息對未來大地震的發(fā)生具有一定的預示意義。

大地震 體應變 固體潮畸變 突變 慢地震 震例研究

吳利軍，陳正位，李函谷，徐磊，安巴雅爾，徐順強，2015.大地震前體應變臨震異?，F(xiàn)象.震災防御技術，10（1）：151—162. doi：10.11899/zzfy20150116

引言

為加強和完善我國華北地震預報試驗場中短臨預報，1985年通過聯(lián)合國開發(fā)署資助項目，引進并安裝了9臺Sacks-Evertson井下體應變儀（現(xiàn)存6套）。該項目在北京及其東部平原、第四紀覆蓋很厚的地區(qū)，安裝了深井（300—400m）體積應變儀。該儀器可避免地表干擾，應變觀測精度可達到10-9，它填補了當時這個地區(qū)高精度形變前兆監(jiān)測的空白，至今已運行近30年。該儀器的避雷設施、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、采集和處理軟件等部分經(jīng)過國內(nèi)專家多年完善，已經(jīng)逐步適應了地震監(jiān)測的需要。2007年結(jié)合國家“十五”前兆項目，對部分臺站的數(shù)據(jù)采集和通訊系統(tǒng)做了進一步的更新。

國內(nèi)外多位學者利用Sacks體應變及其它類型應變儀的觀測結(jié)果，進行了儀器性能分析（Sacks等，1971；張國紅等，2010；田韜等，2014）、干擾分析（張凌空，2005；張凌空等，2012；陳冬柏等，2012a；2012b）和震例研究（高福旺等，2004；易志剛等，2006；唐磊等，2011a；2011b；2013；吳利軍等，2013），這對于利用Sacks體應變認識地震前兆微動態(tài)信息背景場的探索具有一定意義，也為開展震前短臨異常的識別和地震預報提供了必要基礎。本文用觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和連續(xù)性較好的二張營臺和天堂河臺多年的觀測資料對臨震異?，F(xiàn)象進行探討，得到了一些有意義的地震前兆異常信息。

1 臺站概況

順義二張營臺，井孔位于懷柔-涿縣斷裂端部（圖1），井深370m，第四系厚15.2m，為亞粘土和中細砂巖互層，以下至159m為花崗巖，再往下是寒武紀頁巖、礫巖和灰?guī)r（圖2）。大興天堂河臺，井孔位于南苑-通縣斷裂附近（圖1），井深340m，第四系厚280m，為沙礫和粘土互層，基巖為灰?guī)r（圖2）。

兩臺站均使用美國華盛頓卡內(nèi)基研究所生產(chǎn)的Sacks體應變探頭，探頭被膨脹水泥固結(jié)在井底基巖中，儀器靈敏度設置為10-9/mV，觀測精度分別為2.75%和0.94%，表明兩臺體應變觀測的可靠性較高。規(guī)定體應變觀側(cè)曲線上升表示探頭受壓，下降則為受張。2007年6月進行“十五”項目改造后，數(shù)采部分更換為地殼應力研究所生產(chǎn)的TJ-Ⅱ型體應變儀，采用無線傳輸方式接入地震預測研究所前兆臺網(wǎng)管理系統(tǒng)。

圖1 臺站地理位置與地質(zhì)斷層分布Fig. 1 Distribution of faults and location of stations

2 臨震異?，F(xiàn)象及類型

筆者在日常觀測時多次發(fā)現(xiàn)，當體應變?nèi)兆冃螒B(tài)出現(xiàn)畸變、突變1—2天后，全球某地就會發(fā)生7級以上地震。在汶川、玉樹、于田等幾次國內(nèi)大震前幾個小時，也都存在這種異常，表明這并非偶然現(xiàn)象，它是否對地震預報具有一定的指示意義呢？這足以引起重視，為此，筆者統(tǒng)計了二張營臺和天堂河臺2011年1月1日至2014年4月30日期間，全球發(fā)生的80次MS≥7.0級地震前體應變臨震異常與大地震的對應關系。地震預報探索的歷史和地震震例的積累研究是緊密聯(lián)系的（鄭大林等，2000），通過震前異常識別對于利用體應變觀測探索地震預報實踐具有積極意義。

圖2 井孔柱狀圖Fig. 2 Diagram of borehole column

2.1 判定異常標準的前提條件

為保證異常標準判定的客觀性和一致性，首先需要確定異常識別的前提條件：①根據(jù)臨震預報標準，僅分析震前10天的觀測數(shù)據(jù)；②無映震反應不做前兆異常分析；③儀器故障和數(shù)據(jù)缺測期間發(fā)生的MS≥7級地震不在統(tǒng)計范圍內(nèi)，儀器運行正常期間發(fā)生的地震為有效地震；④全球6級地震、全國5級地震、首都圈地區(qū)3級以上地震發(fā)生的時間與確定的異常時段不存在對應關系；⑤多次MS≥7級地震前10天內(nèi)發(fā)生了1次甚至多次7級以上地震，則以前1次地震結(jié)束至第2次地震開始前的時段，作為后1次地震臨震異常的識別依據(jù)。如：2013年9月26日秘魯海岸遠海7.4級地震和2013年9月28日巴基斯坦7.3級地震，則將9月27日5時31分至28日13時55分之間的固體潮畸變，視為巴基斯坦7.3級地震發(fā)生的前兆異常；⑥同一地區(qū)附近的雙震或多震前出現(xiàn)的異常，視為雙震或多震的共有異常。如：2014年4月13日所羅門群島附近海域4時14分和20時36分分別發(fā)生的7.8級和7.7級地震，地震前的4月12日出現(xiàn)不同程度的畸變和突變，則視為2次地震前均有異常。

2.2 統(tǒng)計分析

表1為地震信息及臨震異常的統(tǒng)計結(jié)果，限于篇幅僅列舉了部分具有代表性的震例。二張營臺有效地震總數(shù)為78次，有映震反應的為63次占總地震數(shù)的80.8%，存在臨震異常的為51次占有效地震總數(shù)的65.4%；天堂河臺有效地震總數(shù)為76次，有映震反應的為63次占總地震數(shù)的82.9%，存在臨震異常的為48次占有效地震總數(shù)的63.2%。從統(tǒng)計結(jié)果來看，二張營臺和天堂河臺對全球大多數(shù)MS≥7級地震均有較好的映震反應，多半地震前均有明顯的前兆異常反映。

表1 地震信息及臨震異常部分統(tǒng)計結(jié)果Table1 Earthquakes and related impending earthquake anomalies

續(xù)表

圖3和圖4分別為二張營臺震例分析得出的地震震中分布、震級與震中距關系的統(tǒng)計結(jié)果。從圖中可以看出，震中距為8000km范圍內(nèi)的映震和異常反映都很好，震級越大、震中距越近的映震和異常反應越明顯，反之，映震和異常相對較差。

圖3 2011年1月—2014年4月全球MS≥7級地震震中分布圖Fig. 3 Distribution of global MS≥7 earthquakes epicenters from January 2011 to April 2014

圖4 震級與震中距的統(tǒng)計關系Fig. 4 Statistical relationship between magnitude and epicentral distance

2.3 異常現(xiàn)象分類及描述

根據(jù)80次地震前異常統(tǒng)計結(jié)果（表2），臨震異?，F(xiàn)象可分為三種類型：固體潮畸變型（圖5）、突變型（包括突升突降、突降突升和階變，圖6）和慢地震型（圖7）。三種類型的異常會在地震前分別出現(xiàn)、交替出現(xiàn)、甚至同時出現(xiàn)，其中，多種類型同時出現(xiàn)多見于固體潮畸變過程中，出現(xiàn)張性、壓性突變或慢地震形態(tài)（圖6a和圖7b）。二張營臺三種異常類型分別占有效地震總數(shù)的57.7%、35.9%和6.4%，占異?？倲?shù)的88.2%、54.9%和9.8%；天堂河臺三種異常類型分別占有效地震總數(shù)的55.3%、25%和5.3%，占異?？倲?shù)的87.5%、39.6%和8.3%。

表2 地震異常信息統(tǒng)計Table 2 Statistical information of seismic anomaly

圖5 固體潮畸變型Fig. 5 The solid tide aberrance type

吳子泉等（1994）根據(jù)巖石力學及固體潮理論，建立了孕震期彈性物體應變固體潮的物理模式，從物理本質(zhì)上討論了不同應力階段應變固體潮曲線的形態(tài)特征，同時還討論了震前不同異常時期，應變固體潮畸變的不同特點。還有學者也對震前固體潮畸變現(xiàn)象進行了詳細描述。王在華等（2011）對庫爾勒臺識別出的48次固體潮畸變現(xiàn)象進行了統(tǒng)計，分析認為觀測中記錄到的固體潮畸變現(xiàn)象是震前異常信號，但無法區(qū)分這是近震前的信號，還是強遠震前的信號。盧雙苓等（2008）對泰安地震臺應變資料震前固體潮畸變震例進行了分析，并對現(xiàn)象機理進行了初步探討。

筆者總結(jié)了二張營臺和天堂河臺固體潮畸變的幾種形態(tài)，如圖5所示。其中，圖5（a）是2013年7月15日南桑德韋奇群島地區(qū)發(fā)生7.2級地震前，2013年7月15日二張營臺出現(xiàn)的巨大壓性畸變，幅度達2895×10-9；圖5（b）是2014年2月12日新疆于田發(fā)生7.3級地震前6小時，二張營臺出現(xiàn)的壓性固體潮畸變，異常幅度為204×10-9，震前出現(xiàn)如此清晰的畸變異?？赡芘c發(fā)震構(gòu)造及動力學背景有關（任俊杰等，2014）；圖5（c）是2013年4月16日伊朗南部發(fā)生7.7級地震前2天，天堂河臺出現(xiàn)的固體潮日變畸變現(xiàn)象。

臨震前出現(xiàn)壓性或張性突變型異?，F(xiàn)象是普遍存在的（李志民等，1992；陳啟林等，2002；尹亮等，2002；王一寬，2003；王在華等，2011）。圖6（a）是二張營臺記錄到的2011年6月24日安德烈亞諾夫群島發(fā)生7.3級地震前，固體潮畸變過程中出現(xiàn)的張性突變，異常幅度達198×10-9；圖6（b）是二張營臺記錄到的2012年3月14日本州東海岸遠海發(fā)生7.2級地震前，出現(xiàn)的2次張性突變，異常幅度分別為42×10-9和53×10-9；圖6（c）是二張營臺記錄到的2012年4月11日北蘇門答臘西海岸遠海發(fā)生8.6和8.2級雙震前出現(xiàn)的張性突變，異常幅度為58×10-9。突變型異常又以張性突變?yōu)橹鳎诙垹I臺和天堂河臺它們分別占78.6%和60.5%。少數(shù)地震前，張性、壓性突變會交替出現(xiàn)。

圖6 突變型Fig. 6 The mutation type

許昭永等（2003）通過巖石高溫高壓破裂實驗的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除長趨勢變化外，臨近主破裂（大地震）前多點應變出現(xiàn)突變（突升或突降）。但在1998年張北6.2級地震發(fā)生前，多個Sacks體應變臺站的觀測結(jié)果并未顯示出這種變化。這里也起到了相互驗證的作用。

在發(fā)生大地震前，對慢地震現(xiàn)象已有記載和研究（Costello等，1999；Katsumata等，2003；Kawasaki，2004；Shelly等，2006）。同時，國內(nèi)多位學者利用應變觀測資料對慢地震現(xiàn)象也進行了分析和討論。劉鴻斌等（2012）在對高臺臺站分量式應變觀測資料進行分析時發(fā)現(xiàn)，在部分大震發(fā)生前有形態(tài)各異的前驅(qū)波存在，并結(jié)合部分震例對其成因進行了初步討論。張淑亮等（2009）利用山西多個臺站的洞體應變觀測資料，對汶川MS8.0級地震發(fā)生前慢地震現(xiàn)象進行了譜分析，結(jié)果顯示波動周期在46—65分鐘之間。

圖7（a）是二張營臺在2011年3月24日緬甸發(fā)生7.6級地震前，記錄到的2次慢地震；圖7（b）是二張營臺在2013年11月25日南大西洋7.2級地震發(fā)生前1小時，記錄到的慢地震。慢地震是地震斷裂過程的一個組成部分，在地震成核作用中可能起著重要的作用，慢地震還有可能揭示更多板塊邊界的運動形式（閆偉等，2011）。

筆者的統(tǒng)計結(jié)果顯示，在大震發(fā)生前二張營臺和天堂河臺出現(xiàn)慢地震分別為5次和4次，占地震總數(shù)的6.4%和5.3%，占異?？倲?shù)的9.8%和8.3%。可見大震發(fā)生前，慢地震現(xiàn)象的出現(xiàn)只占很小的一部分，這與周龍壽等（2009）得出的大震發(fā)生前15天之內(nèi)，不能普遍檢測到“前驅(qū)波”結(jié)論吻合。

圖7 慢地震型Fig. 7 The slow earthquake type

2.4 兩臺站對同一地震的異常響應特征

根據(jù)筆者的統(tǒng)計結(jié)果，對于同一次地震發(fā)生前，并非2個臺站均有異常，即使都有異常，異常的起止時間、類型和幅度也存在明顯差異。在時間上，異常出現(xiàn)的時間有先有后，即使是同一天出現(xiàn)異常的時刻也基本不一致，持續(xù)時間更是不盡相同；在類型上，種類有多有少，類型也多有不同，如一個臺站出現(xiàn)突變型，而另一個臺站則表現(xiàn)為慢地震型，但多以固體潮畸變型為主；在幅度上，有大有小，甚至最大相差兩個數(shù)量級。

圖8為2014年4月2日智利北部沿岸近海發(fā)生8.1級地震前，二張營臺和天堂河臺的記錄結(jié)果。圖8（a）為二張營臺4月1日14h23min開始出現(xiàn)的固體潮畸變，幅度為62×10-9，4月2日6h02min又出現(xiàn)了張性突變；圖8（b）為天堂河臺4月1日19h16min開始出現(xiàn)的固體潮畸變，幅度為29×10-9。特別是2011年12月27日中俄7.1級地震發(fā)生前，2個臺站在同一時刻出現(xiàn)了突變，但二張營臺表現(xiàn)為壓性，而天堂河臺則表現(xiàn)為張性。再結(jié)合表1和圖8就更能驗證上述的結(jié)論。由此可見，不同臺站對同一地震的異常響應特征是紛繁復雜的，李本友等（2012）和牛安福等（2013）在對形變觀測進行研究時，均發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象的存在，這里僅從現(xiàn)象進行探討，對于機理的認識還有待進一步深入研究。

圖8 智利8.1級地震發(fā)生前2個臺站記錄的特征Fig. 8 Records from two stations before Chile MS8.1 earthquake

3 結(jié)論與討論

二張營臺和天堂河臺對全球MS≥7級地震有映震反應，占地震總數(shù)的80%以上，而且觀測儀器的精度較高，固體潮日變清晰，觀測質(zhì)量和連續(xù)率較好，前兆異常信息可信度高。從統(tǒng)計結(jié)果來看，震前異常信息量與地震大小和震中距呈正相關，震前異?，F(xiàn)象以固體潮畸變型異常為主，突變型異常次之，慢地震型異常很少甚至不到異?？倲?shù)的10%。固體潮畸變型異常多出現(xiàn)在震前10天內(nèi)，甚至更長時間；突變型、慢地震型異常一般在震前3天內(nèi)出現(xiàn)。

震前出現(xiàn)的固體潮畸變現(xiàn)象是震源區(qū)區(qū)域應力場失衡的直接表現(xiàn)。張性或壓性突變是震源區(qū)區(qū)域應力場失衡過程中，巖石由蠕變到塑變階段表現(xiàn)在遠場體應變觀測值上的顯著異常反映。慢地震是一種無震斷層活動與脆性破裂之間的地震現(xiàn)象，運動的時間尺度比“正?！钡卣鹨L，可以輻射長周期彈性波或長周期成分異常大的地震，這與許多觀測結(jié)果相一致（Linde等，2002）。二張營臺和天堂河臺相距僅71km，對于同一地震異常響應的起止時間、類型和幅度差異較大，這可能與臺站井孔條件、地質(zhì)條件與某一地震的觸發(fā)機制有關。

筆者建議以全球7級以上地震震例研究為出發(fā)點，對我國歷史中強地震使用更長時間尺度、更多樣本進行統(tǒng)計分析，并對異常持續(xù)時間、幅度和震源機制等特征信息進行深入研究，這樣才能充分發(fā)揮體應變觀測在地震短臨預報中的實踐和應用。

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4) Seismological Bureau of Weihai City, Weihai 264200, China
5) Geophysical Exploration Center of CEA, Zhengzhou 450002, China

In this paper we analyzed 80 impending earthquake anomalies of the Sacks volume strain from Erzhangying station and Tiantanghe station where abnormal phenomena took place from January 2011 to April 2014 all over the world, and their magnitudes are all no less than 7. Then, preconditions for anomaly identification are put forward in allusion to complex earthquake cases. Statistical results show that volume strain observation has a better earthquake reflecting ability for earthquakes of that magnitudes are no less than 7 and epicentral distances within 8000 km. Our results suggest that the volume strain observation can reflect precursory anomalies of such earthquakes in a better way. Based on categorization and description of those anomalies, we divided abnormal phenomena into three types, i.e., distortion of earth tide, abrupt change type and slow earthquake. According to our results, volume strain anomaly can play a role in indicating future strong earthquake of the whole world.

Large earthquakes；Body strain；The solid tide distortion；Mutation；Slow earthquakes；The earthquake case study

中國地震局監(jiān)測、預測、科研三結(jié)合課題“Sacks體應變臨震異常的震例統(tǒng)計研究（154201）”和地震預測研究所基本科研業(yè)務專項（2012IES010202）資助

2014-06-27

吳利軍，男，生于1984年。大學本科，工程師。主要研究方向：地震監(jiān)測與前兆研究。E-mail：wulj@cea-ies.ac.cn