張小濤 宋治平
中國地震臺(tái)網(wǎng)中心,北京 100045
2013年7月22日7時(shí)45分,甘肅岷縣-漳縣發(fā)生MS6.6地震,震中位于柴達(dá)木塊體東側(cè),發(fā)震斷層為臨潭-宕昌斷裂,該斷裂為左旋逆沖性質(zhì)(鄭文俊等,2013)。最大余震為7月22日9時(shí)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(xué)者從不同學(xué)科對(duì)岷縣-漳縣MS6.6地震前的流動(dòng)重力、區(qū)域地震活動(dòng)性、形變、地磁、流體等方面進(jìn)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(jié)果對(duì)震例總結(jié)和方法研究是有意義的,但是,從強(qiáng)震跟蹤預(yù)測角度來看,研究人員最希望知道的是在強(qiáng)震前已觀測到哪些異常?這些異常的演化特征如何?對(duì)于強(qiáng)震預(yù)測的跟蹤工作而言,對(duì)震前觀測到的異常的分析研究對(duì)強(qiáng)震預(yù)測的跟蹤工作具有直接借鑒作用。
根據(jù)中國地震臺(tái)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(jí)地震平靜背景下,存在大范圍5級(jí)地震平靜被打破,5級(jí)地震空區(qū)、4級(jí)地震空區(qū)、3級(jí)地震平靜區(qū)被打破等地震活動(dòng)異常;地球物理場重力異常顯著;2010年跨斷層水準(zhǔn)出現(xiàn)同步趨勢異常,如口子門、毛羽溝、東風(fēng)溝、水泉、白土莊水準(zhǔn)等;2011—2012年定點(diǎn)形變出現(xiàn)準(zhǔn)同步趨勢異常,如乾縣水平擺、涇源洞體應(yīng)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(yīng)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(hào)水氡、平?jīng)?號(hào)水氡、樂都水氡。另外,2013年6月15、16、19日出現(xiàn)地磁低點(diǎn)位移異常。
本文基于中國地震臺(tái)網(wǎng)中心在日常震情跟蹤過程中匯總的地震活動(dòng)異常和地球物理場觀測異常,從強(qiáng)震預(yù)測跟蹤工作的實(shí)用性角度,深入分析震前觀測到的這些地震活動(dòng)和地球物理場觀測異常的演化特點(diǎn),總結(jié)對(duì)地震時(shí)間、空間、強(qiáng)度的預(yù)測進(jìn)行判定的主要依據(jù)及貢獻(xiàn)大小,從而為強(qiáng)震的跟蹤工作提供參考。
圖1 西北地區(qū)5級(jí)地震大范圍平靜區(qū)(a)及平靜區(qū)內(nèi)的地震時(shí)間間隔(b)
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(jí)地震平靜有6次,其中有5次5級(jí)地震平靜被打破后一年內(nèi)發(fā)生了6.0級(jí)以上地震(圖1(b)、表1)。自2010年6月3日青海玉樹5.3級(jí)地震后,5級(jí)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(jí)地震打破,標(biāo)志著該區(qū)域中強(qiáng)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(jí)地震平靜區(qū)內(nèi)(圖1(a))。
表1 西北地區(qū)5級(jí)平靜超過700天及對(duì)應(yīng)6.0級(jí)及以上地震統(tǒng)計(jì)
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(jí)以上地震出現(xiàn)平靜,平靜時(shí)間達(dá)13年,該地區(qū)在6級(jí)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(jí)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(jí)空區(qū)持續(xù)發(fā)展,時(shí)間長達(dá)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(jí)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(dòng)增強(qiáng),先后發(fā)生興海ML4.1和ML4.5、久治ML4.5、達(dá)日ML4.9、瑪沁M(jìn)L4.6、岷縣ML4.9等顯著地震。岷縣-漳縣MS6.6地震發(fā)生在4級(jí)地震空區(qū)內(nèi)(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)
2012年6月6日岷縣ML3.0地震打破甘東南地區(qū)長達(dá)216天的3級(jí)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(nèi)平靜區(qū)附近發(fā)生5.5級(jí)以上地震。震前分析認(rèn)為,該區(qū)域ML3地震平靜被打破后,附近存在發(fā)生5.5級(jí)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(jí)地震平靜打破之后。
圖3 甘東南地區(qū)3級(jí)地震平靜區(qū)(a)及平靜區(qū)內(nèi)時(shí)間間隔(b)(b)中標(biāo)注地震為(a)中虛線方框范圍內(nèi)地震
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(jì)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。基于中國地震分析預(yù)報(bào)網(wǎng)中的異常表,對(duì)南北地震帶中北段(30°~38.5°N,99°~109.5°E)的異常進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由于6~7級(jí)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(duì)震中距400km范圍內(nèi)異常進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
圖4(a)給出了研究區(qū)的背景地球物理場觀測測項(xiàng)空間分布,可見背景測項(xiàng)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(xué)科異常的空間分布。震中距在400km內(nèi)的地球物理場觀測異常共計(jì)44項(xiàng),其中形變異常25項(xiàng),流體異常13項(xiàng),電磁異常6項(xiàng)。1年以上的異常35項(xiàng),3個(gè)月至1年的中期異常6項(xiàng),3個(gè)月內(nèi)的短臨異常3項(xiàng)。從異常時(shí)間看,在岷縣-漳縣MS6.6地震震前1年內(nèi),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(nèi)。從構(gòu)造塊體看,異常主要位于塊體的邊界(圖4(b)),如青藏一級(jí)塊體的東北緣、華北和華南一級(jí)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(nèi)的地球物理場觀測點(diǎn)分布(a)及異常分布(b)(b)中紅色異常為震前1年內(nèi)出現(xiàn)的異常
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(diǎn)的約束,為了刻畫異常隨震中距的關(guān)系,定義異常測項(xiàng)數(shù)與背景測項(xiàng)數(shù)之比為異常測項(xiàng)比(張小濤等,2008a、2008b)。表2、表3 給出不同統(tǒng)計(jì)方式下的異常測項(xiàng)數(shù)、背景測項(xiàng)數(shù)及異常測項(xiàng)比。表2 為逐步增加震中距的異常測項(xiàng)數(shù)、背景測項(xiàng)數(shù)和異常測項(xiàng)比。由表2 可知,震中距在50km范圍內(nèi)未見地球物理場觀測異常;震中距在50~400km范圍內(nèi),隨著震中距的增加,異常測項(xiàng)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(duì)異常的影響越明顯,如本次地震震中距在150km范圍內(nèi)的異常測項(xiàng)比最高,約為20%。表3 為每50km震中距間隔的環(huán)形范圍內(nèi)的異常測項(xiàng)數(shù)、背景測項(xiàng)數(shù)和異常測項(xiàng)比。由表3 可知,50~100km和100~150km范圍內(nèi)的異常測項(xiàng)比較高,約為20%,而300~350km范圍內(nèi)的異常測項(xiàng)比較低。可見,異常測項(xiàng)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(nèi)的地球物理場觀測異常測項(xiàng)數(shù)、背景測項(xiàng)數(shù)及異常測項(xiàng)比
表3 不同震中距(每50km環(huán)形圈內(nèi))的異常測項(xiàng)數(shù)、背景測項(xiàng)數(shù)及異常測項(xiàng)比
分別以震中距100km、200km、300km、400km為統(tǒng)計(jì)范圍,1年為窗長,半年為步長,計(jì)算新增地球物理場觀測異常數(shù)量和新增異常測項(xiàng)比隨時(shí)間的變化。
圖5 不同震中距的新增異常數(shù)量(a)和測項(xiàng)比(b)隨時(shí)間的變化
地震前地球物理場觀測異??煞譃?個(gè)發(fā)展階段:α、β、γ階段(馮德益,1983)。宋治平等(2009)通過對(duì)三維流變介質(zhì)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(yīng)變具有3階段特征,其中,α階段為向外圍擴(kuò)散特征;β階段為體應(yīng)變不變區(qū)特征;γ階段包含2個(gè)過程,γ1表示遠(yuǎn)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(kuò)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(shí)間在常規(guī)坐標(biāo)系下和雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的3階段關(guān)系圖,其中,常規(guī)坐標(biāo)系下異常的震中距與開始時(shí)間(常規(guī)時(shí)間)的3階段關(guān)系分析便于震情跟蹤工作,而雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下震中距與開始時(shí)間(距發(fā)震時(shí)間)關(guān)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(gè)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(kuò)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(gè)月時(shí)間內(nèi),無論震中距遠(yuǎn)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(kuò)展的過程。雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下異常的震中距與開始時(shí)間(距發(fā)震時(shí)間)的關(guān)系(圖6(b))也顯示出異常的3階段特點(diǎn),只是α階段僅顯示一個(gè)擴(kuò)展過程,這是由于圖6(b)的2個(gè)軸在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下受到長時(shí)間的壓縮而造成α的2個(gè)階段難以分辨。
圖6 地球物理場觀測異常開始時(shí)間隨震中距的變化(a)常規(guī)坐標(biāo)系下異常的震中距與開始時(shí)間關(guān)系;(b)雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下異常的震中距與開始時(shí)間(距發(fā)震日期)關(guān)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(shí)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(xué)基礎(chǔ)(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(gè)普遍現(xiàn)象。
岷縣-漳縣MS6.6地震前觀測到的主要地震活動(dòng)和地球物理場觀測異常及預(yù)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(jí)地震平靜700天區(qū)域?yàn)槲鞅钡貐^(qū);青海東南部-甘青川交界地區(qū)在6級(jí)地震平靜背景下存在5級(jí)空區(qū)、4級(jí)空區(qū)、3級(jí)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(nèi)。另外,該地區(qū)在震前還存在流動(dòng)重力異常,因此,主要地震活動(dòng)異常(如不同震級(jí)的地震空區(qū)嵌套)和地球物理場觀測異常分布區(qū)域?qū)Πl(fā)震地點(diǎn)具有一定預(yù)測指示作用。
從異常進(jìn)程看(圖7(b)),青海東南部-甘青川交界地區(qū)在6級(jí)地震平靜的背景下最初出現(xiàn)5級(jí)地震空區(qū),然后是4級(jí)地震形成空區(qū)并被打破,期間西北地區(qū)出現(xiàn)5級(jí)地震平靜和甘溝窯、六盤山、毛羽溝等數(shù)項(xiàng)跨斷層水準(zhǔn)準(zhǔn)同步趨勢異常,這些水準(zhǔn)異常點(diǎn)位于5級(jí)平靜區(qū)的東南部。2011年開始,定點(diǎn)形變異常出現(xiàn)準(zhǔn)同步趨勢異常和前兆群體呈現(xiàn)遷移特點(diǎn);在2013年上半年出現(xiàn)一批短期異常,6月出現(xiàn)地磁低點(diǎn)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(zhǔn)同步趨勢異常和大范圍5級(jí)地震平靜現(xiàn)象,這屬于中期異常;短期階段主要有3級(jí)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(dòng)和地球物理場觀測異常空間演化(a)及時(shí)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(yù)測能力匯總
從具有明確預(yù)測時(shí)間的異???表4),只有地磁低點(diǎn)位移有明確預(yù)測時(shí)間,而其他異常對(duì)時(shí)間預(yù)測不明確,因此,基于震前觀測到的這些異常,很難對(duì)地震的發(fā)震時(shí)間進(jìn)行預(yù)測。
從預(yù)測強(qiáng)度看(表4),6級(jí)地震平靜、5級(jí)地震平靜和5級(jí)地震空區(qū),這3項(xiàng)異常的預(yù)測強(qiáng)度可達(dá)6級(jí)以上,4級(jí)地震空區(qū)、3級(jí)地震平靜僅預(yù)測強(qiáng)度5級(jí)以上地震,其他前兆異常對(duì)強(qiáng)度預(yù)測不明確。
根據(jù)岷縣-漳縣MS6.6地震前觀測到的主要地震活動(dòng)和地球物理場觀測異常的分析,以及日常工作經(jīng)驗(yàn),對(duì)地震跟蹤工作可以給出一些啟示。
(1)在地震危險(xiǎn)地點(diǎn)跟蹤方面,首先關(guān)注地震活動(dòng)中不同震級(jí)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(guān)注地球物理場異常區(qū)、地震活動(dòng)參數(shù)(如波速比、加卸載響應(yīng)比、調(diào)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(duì)危險(xiǎn)地區(qū)的強(qiáng)度預(yù)測方面,重點(diǎn)跟蹤地球物理場異常幅度、地震活動(dòng)空區(qū)或條帶的規(guī)模。
(3)對(duì)于危險(xiǎn)地區(qū)的發(fā)震緊迫性即發(fā)震時(shí)間預(yù)測方面,首先在5級(jí)空區(qū)的發(fā)展過程中,關(guān)注地球物理場觀測趨勢異常是否出現(xiàn)群體準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)折異?;蚯罢椎臅r(shí)空遷移特點(diǎn),然后重點(diǎn)關(guān)注3、4級(jí)地震空區(qū)的打破或3、4級(jí)地震條帶的解體、群體短期異常的出現(xiàn)、地磁低點(diǎn)位移異常的出現(xiàn)等。
通過對(duì)岷縣-漳縣MS6.6地震前觀測到的地震活動(dòng)異常和地球物理場觀測異常演化特點(diǎn)及其預(yù)測意義的深入分析,得到如下結(jié)論:
(1)顯著地震活動(dòng)異常為青海東南部-甘青川交界地區(qū)在6級(jí)地震平靜的背景下存在5級(jí)地震空區(qū)、4級(jí)地震空區(qū)嵌套;震前1年左右,西北地區(qū)5級(jí)地震的700天平靜被打破和甘東南地區(qū)的3級(jí)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(nèi),其中50~150km范圍內(nèi)異常測項(xiàng)比較高。從異常演化的時(shí)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(dá)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(xiàng)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(duì)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(kuò)的特征;β階段主要為2010年出現(xiàn)的異常,出現(xiàn)時(shí)間較集中;γ階段主要為2011—2013年出現(xiàn)的異常,分為2個(gè)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(kuò)展的過程。
(4)從震前觀測到的地震活動(dòng)和地球物理場觀測異常的演化過程看,地震活動(dòng)(如不同震級(jí)的地震空區(qū)嵌套)和前兆異常分布區(qū)域?qū)Πl(fā)震地點(diǎn)具有一定預(yù)測指示作用;中小地震活動(dòng)的異常圖像(如4級(jí)空區(qū),3級(jí)平靜)和顯著短期異常(如前兆趨勢異常的群體準(zhǔn)同步的轉(zhuǎn)折異常、前兆的時(shí)空遷移性、短期群體異常等)對(duì)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(dòng)和地球物理場觀測異常均與岷縣-漳縣MS6.6地震有關(guān)這一結(jié)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(duì)其演化特點(diǎn)的分析可為今后該區(qū)域地震跟蹤工作發(fā)揮指導(dǎo)作用。