〔作者简介〕 张希, 女, 1967年生, 1994年于西安交通大学获计算数学专业硕士学位, 研究员, 从事地壳形变与地球动力学研究, 电话:13669201202, E-mail: 486408007@qq.com。
2013年岷县漳县 MS6.6地震发生前2~4d, 距震中37~70km的四店、 毛羽沟、 麻界滩跨断层流动短水准场地观测到以正断层型突跳为主的短临异常, 尤其是四店场地, 变幅高达5.5mm, 异常相当显著。 文中对这3处场地所在的西秦岭构造区的跨断层短水准观测资料进行分析, 并结合GPS连续观测数据与小地震活动信息对其异常机理进行探讨。 结果表明: 岷县漳县震前数天, 西秦岭构造区跨断层短水准观测显示的断层活动微动态变化量增大、 特性明显改变及靠近震区的 “局部化增强”等现象, 符合构造力学实验显示的亚失稳状态特征。
2~4 days before the Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake on July 22, 2013, short-term and impending anomalies dominated by normal fault type abrupt change were observed at mobile cross-fault short-leveling sites, Sidian, Maoyugou and Majietan, within 37~70km from the epicenter, especially at the Sidian site, where the amplitude of the anomaly reached up to 5.5mm. In this paper, based on the analysis of cross-fault short-leveling observations in the western Qinling Mountains tectonic area, where the above three sites are located, and the experimental results of structural mechanics for the existence of meta-instable stress state before fault instability, the anomaly mechanism is discussed, combined with the information of GPS continuous observation and small earthquakes activities. The results show that: 1)Several days before the earthquake, obvious “changes” in the micro-dynamic variation magnitude and characteristics of fault activities were observed, which revealed that the regional stress had changed. New synchronous anomalies occurred at Sidian, Maoyugou and Majietan sites, especially at Sidian site where the anomaly was large in amplitude, and the number and magnitude of the anomalies increased obviously; Moreover, the dynamic distribution of anomalies of the observational curves showed an obvious change process of the characteristics of tectonic fault activities. In the western Qinling tectonic area, the change was mainly dominated by reverse faulting, but this reverse fault type change was not dominant several months before the earthquake, and till a few days before the earthquake, the normal fault type variation was absolutely dominant, which is contrary to the long-term background of the reverse fault favorable for stress concentration in this tectonic area; In addition, temporal variation of trend accumulation rate, which reflects the feature and magnitude of stress-strain accumulation, showed the accumulation firstly slowing down in several months and turning obviously in several days before the earthquake. 2)Obvious anomaly variation was observed at the sites near the earthquake region several days before the earthquake, the crustal stress evolved from “regional change” to “localized enhancement”. During the four observational periods before the earthquake, it was observed that the cross-fault anomalies were gradually concentrated to the local tectonic region where the earthquake occurred, also the grey relativity index which reflects the general trend of fault activities displayed a larger turning magnitude in this local tectonic region; Next, the local fault segment mostly near the epicenter not only maintained the reverse fault type change consistent with the earthquake dislocation, significant accelerating anomalies were also observed at Majietan site, which may be the relatively strong stress concentration position. The auxiliary data of continuous GPS observation and small earthquake activities were also of some supporting significance to above phenomena. The comprehensive analysis shows that the temporal and spatial evolution process of fault activities and anomalies obtained from the cross-fault short-leveling observation in the western Qinling tectonic area before the strong earthquake accorded with the characteristics of meta-stable(deviating from linear stage)-meta-instable state revealed by the structural mechanics experiment.
地震预报要取得防灾减灾实效, 关键在于短临预报。 亚失稳是断层失稳前应力由以积累为主转变为以释放为主的最后阶段(马瑾等, 2012, 2014; 马瑾, 2016), 目前所获得的亚失稳现象多来自构造力学实验室。 马瑾等(2012)以5° 拐折断层一次黏滑事件中温度场的演化为例, 讨论了震前应力积累、 应力-时间过程中偏离线性、 峰值后亚失稳3个阶段的不同特点, 指出失稳错动是由断层各部位独立活动向协同化活动的转化过程, 偏离线性阶段是应力释放、 协同作用的开始, 亚失稳阶段应力释放已占据优势。 任雅琼等(2013, 2016)、 卓燕群等(2013)、 Zhuo等(2015)和Ren等(2018)分析了平直、 雁列断层进入亚失稳阶段的位移协同化与热场演化特征。 此外, 将实验结果应用于野外观测和实际地震研究更具意义。 刘冠中等(2012)发现鲜水河断裂NW段跨断层蠕变场地在1997年玛尼MS7.5地震前出现了断层活动协同化特征; 刘远征等(2014)认为紫坪铺水库的蓄水在2008年汶川MS8.0大地震发生中具有断层协同化强化作用; 张淑亮等(2016)发现山西临汾台的宽频带倾斜仪在2010年河津MS4.8地震前记录到类似亚失稳实验结果的图像。 然而截至目前, 野外实际观测获得的亚失稳证据仍很有限。
20世纪70— 80年代, 中国地震局在青藏高原东北缘地区建有60多处跨断层流动短水准场地, 以监测断层两盘的垂向相对运动, 每年3、 7、 11月实施观测, 测线长度为数百m至约1km。 在测区及其附近发生5.5级以上地震前多观测到异于常态的变化(陈兵等, 2000; 江在森等, 2001; 张希等, 2014a, 2018b), 但短临异常偏少, 也未从亚失稳这一思路上进行研究。 2013年7月22日发生的岷县漳县MS6.6地震(34.5° N, 104.2° E)是青藏高原东北缘西秦岭构造区自1936年的6$\frac{3}{4}$级与6级地震后83a以来发生的惟一一次6级以上强震。 震前2~4d, 在距震中37~70km的四店、 毛羽沟、 麻界滩场地(图 1, 2)观测到以正断层型变化为主的异常, 与长期逆断的总体特征相反, 四店场地的变幅为5.5mm, 异常相当显著, 如何解释此观测事实是学者们极为关注的问题。 本文将对西秦岭构造区的跨断层短水准观测资料进行分析, 并结合GPS连续观测数据与小地震活动信息, 从断层失稳前存在亚失稳应力状态的构造力学实验结果出发, 对其异常机理进行探讨。
西秦岭构造区位于图 1 所示的柴达木-陇西块体的东部, 即陇西块体上, 经东昆仑断裂带东段、 塔藏断裂与巴颜喀拉块体相接, 由北至南分布有西秦岭北缘断裂、 临潭-宕昌断裂、 礼县-罗家堡断裂、 迭部-白龙江断裂、 成县盆地北缘断裂、 文县断裂等多条断裂, 断裂发育与活动的主要外部动力为巴颜喀拉块体的近SE向滑移及其对陇西块体的近NE向推挤, 断裂活动以左旋逆断为主。 2013年岷县漳县MS6.6地震的发震构造为临潭-宕昌断裂中东段距主断裂约9km的次级断层, 震源深度约20km, 为逆冲兼左旋走滑性质(何文贵等, 2013; 郑文俊等, 2013)。 赵静等(2016)对西秦岭北缘断裂两侧GPS资料的负位错反演显示, 断裂中— 西段于1999— 2007年相对闭锁, 2009— 2013年断裂中段的闭锁程度增强; 张希等(2019)联合GPS、 区域水准及跨断裂长水准资料, 借助负位错反演和剖面变形分析, 认为西秦岭北缘断裂中段、 临潭-宕昌断裂中东段于1999— 2011年期间应力积累显著, 其逆断、 左旋特性与地质资料一致, 故此次地震震中两侧的主要断裂段均在震前十几a呈高应力状态, 具备发生强震的条件。
亚失稳标志着区域应力由积累转为释放, 对其状态的识别不应局限于发震断层和单个台站(马瑾, 2016)。 本文以西秦岭构造作为研究区, 回溯跨断层观测反映的断层活动演化特征。
(1)研究区内每处观测场地至少包括2个测点, 分别位于断层两盘。 图 2 所示的观测曲线统一为下盘测点(如图2b的四店411)相对上盘测点(四店414)的水准高差时序变化, 故曲线向下为逆断层型变化, 向上为正断层型变化。 约70%的场地测线两端均为基岩点; 其余约30%的场地受自然条件所限, 一端为基岩点、 另一端为土中点, 但点位稳定、 干扰少。 测线长数百m至约1km, 可反映近场断层活动。 通过测线数据可观测到群体性活动特征, 或有多处场地出现同步协同性 “ 异常” 变化, 故有以此数据为基础开展研究和进行地震预测的意义。
(2) “ 异常” 指场地活动异于常态, 观测曲线主要表现为加速或转折、 尖点突跳等形态特征, 量值上借助二倍均方差准则识别: 对第i期高差di, 将其之前的高差值序列作为参考序列, 即 {dk|k=1, 2, …, i-1}, 则1)计算相邻2期差分值的均方差, 看本期相对上一期的差分值绝对值是否达到或超出2倍均方差, 以反映超出正常变幅的异常, 即:
2)通过最小二乘配置获得拟合趋势曲线在每个时间点的值{gk|k=1, 2, …, i-1}, 计算扣除该趋势变化后的均方差, 看本期是否达到或超出2倍均方差, 以凸显观测曲线上升或下降方向的改变或扰动性异常, 即:
满足以上2种情况之一则视为异常(张希等, 2018b)。 考虑到参考序列的可靠性以及青藏高原东北缘地区5.5级以上地震的发震平均间隔约为5a的情况, 参考序列需有至少5a的观测数据, 若从起测至第i-1期不到5a, 则取前5a的高差值序列作为参考序列; 另外, 若第i期观测未达到或超出之前长期参考序列的2倍均方差, 但达到或超出了之前5a的2倍均方差, 也视为异常, 具有前兆意义。
图 3为岷县漳县震前2012年7月、 11月与2013年3月、 7月13— 21日4期观测的正断层型、 逆断层型变化和正断层型、 逆断层型异常分布。 根据相邻2期的水准高差变化可得到4个月观测间隔期内场地的正断层型((di-di-1)> 0)或逆断层型((di-di-1)< 0)活动特性, 用红色或蓝色三角形标出; 通过2.1节所述方法识别出的异常用红、 蓝色方块区别其正断层型((di-di-1)> 0)和逆断层型((di-di-1)< 0)变化特性, 相对于地质上的长期稳定正断、 逆断, 属于微动态短期变化。 另外, 图 3 还给出观测间隔期内ML3.0以上地震的分布。
西秦岭构造区有16处跨断层场地, 2013年7月因场地被破坏减为15处。 图 3 显示, 2012年7月相对3月、 11月相对7月, 逆断层型短期变化场地分别占总场地的9/16、 11/16, 即为多数(逆断层型短期异常场地也是逆断层型短期变化场地); 11月出现的异常较多, 逆断层型也占多数; 2013年3月相对2012年11月逆断层型短期变化、 逆断层型短期异常场地分别减少为8/16和2/4, 开始不占优势; 2013年7月13— 21日相对3月, 正断层型短期变化场地首次占多数, 即9/15, 正断层型短期异常场地也首次占大多数, 达4/5。 另外, 4期异常从1、 3、 4至5处逐增, 且震前数天有向震区附近集中的现象。
从图 2 所示的异常观测曲线(通过2.1节所述方法识别出的异常用红点标出)来看, 距震中70km、 位于临潭-宕昌断裂东端的毛羽沟场地以及距震中50km、 位于西秦岭北缘断裂的四店场地, 分别于震前2d和4d观测到正断层型突跳; 距震中37km、 位于临潭-宕昌断裂的麻界滩场地于地震前3d观测到逆断层型加速突跳; 口子门场地的观测数据显示3月份先逆断突跳、 震前数天回返形成尖点异常(毛集场地亦如此, 图略)。 图 2 中, 1995年7月22日永登MS5.8、 2000年6月6日景泰MS5.9、 2008年5月12日汶川MS8.0、 2013年7月22日岷县漳县MS6.6和2017年8月8日九寨沟MS7.0地震(以上地震震中见图 1)是研究区及相邻地块、 距研究区最近场地300km内全部5.5级以上地震, 若震前2a内识别出异常则标在图上。
为突显震前短临异常, 图 4 绘制了2012年11月— 2013年11月的高差变化(2012年11月统一为0值)。 四店、 毛羽沟、 麻界滩为震前数天观测到的新异常, 其测点均为基岩点, 更为可靠; 口子门、 毛集测段一端为基岩点, 另一端为土中点, 但点位稳定, 2013年3— 7月先逆断、 后正断, 形成尖点突跳异常。 图 3 所标的全部异常都未找到明显的非构造干扰源, 四店的变幅高达5.5mm, 是其中惟一的大幅异常, 其它场地的变幅约为1~2mm, 远大于± (0.2~0.3)mm/km的测量误差。 震后数天(部分场地复测)至2013年11月异常均显示出恢复现象。
综上分析, 震前4个月的观测资料显示逆断层型变化开始不占优势; 震前数天观测到异常增多且向震区附近集中, 正断层型变化占绝对优势, 揭示断层的活动量提升和局部化增强, 特性更有了较大改变; 加上出现同步正断层型短临突跳的四店、 毛羽沟场地正位于前述GPS、 区域水准等联立反演所得的中长期断裂闭锁段上, 距震区也较近, 反映出较好的协同化及加速特征。
灰色关联度指标可反映断裂活动的总体趋势及其动态演变(张希等, 2014a, b)。
设计算区有m处短水准场地, 首先提取各场地的垂向时序累积变化(每期观测高差减去首期观测高差, 突出时间点之间的相对变化, 若跨断层测段超过1条需求均值), 设为
进而通过多场地加权平均获取综合指标, 即增加与其它场地相似度较高的场地权重、 减轻相似度偏低的场地权重, 突出与构造活动相关的共性特征。 场地j的灰色关联度权值
时刻t的灰色关联度指标值则为
图 5 为西秦岭构造区截至2017年的灰色关联度指标的时序变化(2018年以后因场地改造、 点位被破坏等原因, 有连续观测数据的场地仅剩不到60%), 曲线向下表示逆断层型变化、 向上表示正断层型变化; 黑色实线、 红色实线分别为西秦岭构造全区、 与岷县漳县地震构造关联更强的小块体, 即图3d所示的西秦岭北缘断裂、 临潭-宕昌断裂、 礼县-罗家堡断裂所围区域的相应指标值。
图 5 显示岷县漳县震前数天观测到了超出正常波动范围的正断层型转折。 分析认为: 1)跨断层观测的数十a仅为地质年代中很小的一段时间, 观测到的正断层型短期变化可能反映了逆断减缓, 且不排除测量误差、 气候、 冻土等因素的影响, 故曲线呈波动形态, 总体上以逆断下降为主要变化趋势, 与地质资料一致(已扣除个别非构造干扰; 因周期规律性不强, 也无法通过数学计算削弱其波动性)。 2)1995年永登MS5.8地震前、 2000年景泰MS5.9地震前后、 2017年九寨沟MS7.0地震前出现先逆断加速、 后正断回返的现象, 3次地震均位于研究区外的相邻地块, 属于青藏高原东北缘统一的左旋逆断构造应力场, 可能反映了孕震应力场的扰动影响, 逆断加速幅度大而正断转折幅度减小, 转折后基本恢复至正常波动范围内。 3)2010年前后出现先逆断加速、 后正断转折的变化, 整个研究区的转折幅度比岷县漳县震区所在局部区域更强。 鉴于包含研究区的青藏高原东缘有较多跨断层场地于2010年前后出现以加速为主的异常变化, 张希等(2017)认为其反映了青藏高原东缘整体性E移的加速特性, 不排除受到汶川地震影响的可能。 4)岷县漳县地震是研究区起测以来惟一的6级以上强震, 震前数天(即2013年7月)不但变幅显著增大, 还出现与以往数年波动性逆断层型下降不同的正断层型转折, 超出正常波动范围(如图 5 中蓝色虚线框内所示); 震区所在区域的转折幅度明显大于西秦岭构造全区, 即 “ 近强远弱” , 揭示了区域应力的变化及局部化增强特性, 与前述几次异常形态不同。
陈兵等(2000)提出了趋势累积率指标, 用式(6)计算某跨断层短水准测线长时间尺度的趋势累积率, 反映了一种广义的应力应变累积强度:
dk, tk, k=1, 2, …, n分别为下盘相对上盘的高差观测值和时间序列, σ 为负值和为正值时分别反映了逆断层型和正断层型的变化特性。 若该特性与地质背景一致且绝对值较大, 应力积累程度则较高(李媛等, 2016; 张希等, 2018a)。 本文针对图 5 中的红线即震区所在构造区域的灰色关联度指标时序变化值, 通过窗长为5a的滑动来获取趋势累积率动态变化, 即对每个观测时刻, 计算该期及之前5a内变化值序列的趋势累积率(图 6)。 图 6 中, 曲线基本在零值线以下, 即负值为主, 显示了逆断积累特性, 部分时段出现过积累加速(曲线快速下降或在波动中快速下降), 或累积减缓甚至释放(曲线明显回升或在波动中回升)。 永登地震前积累加速, 震后2a松弛调整; 景泰地震后3a经调整后再恢复; 汶川地震前1a加速, 2010年前后先加速后调整恢复; 九寨沟地震前的2015年曾积累加速。 而岷县漳县地震前的2011— 2012年没有出现显著的逆断积累加速, 图 6 中的红色虚线框内显示2013年3月累积还明显减缓, 震前数天更是出现了与以往数年 “ 波动性下降” 相反的显著转折性上升, 地震后又逐渐恢复逆断累积特性。
GPS连续站(图 1)的观测资料显示(马海萍等, 2018; Ma et al., 2018), 岷县漳县地震前约6个月内, 岷县— 陇西、 岷县— 清水基线挤压速度减缓, 岷县— 陇西— 武都面应变显示了一定程度挤压减缓, 这与跨断层短水准观测所示震前5~8个月逆断层型变化开始不占优势的特性相符, 且在时间上准同步(跨断层观测间隔4个月, 无法给出准确时间); 玛曲— 岷县(玛曲站位于东昆仑断裂带东段)基线却挤压略增, 可能反映了在巴颜喀拉块体东部对研究区近NE向推挤的外部动力持续作用下, 地震成核过程中断裂闭锁段的总体弱化或 “ 松动” 现象。
震前9~16个月内小地震活动偏远、 较为分散(图3a, b); 距MS6.6地震不到7个月, 发震断层的主断裂发生ML3.1地震(图3c), 与岷县漳县地震构造关联且空间位置接近(距离仅21.7km), 应是6.6级地震发生前临潭-宕昌断裂闭锁段的部分能量预释放; 震前1d~4个月内(图3d), 小地震增多且向震区靠近, 显示与跨断层观测结果一致的局部化增强特性。
上述跨断层水准观测、 GPS资料和小地震活动显示出时间和特征上的协同性, 综合多种资料分析认为, 自震前约5、 6个月开始, 震区所在构造块体可能处于应力-时间曲线的 “ 偏离线性阶段” , 应力释放与协同作用开始。 另外, 图3d显示临潭-宕昌断裂岷县— 麻界滩附近3处场地不仅维持了逆断层型的活动特性, 麻界滩场地还在震前3d观测到显著的逆断层型加速异常(图2c)。 该场地跨临潭-宕昌断裂的次级断层, 距岷县漳县地震震中仅37km, 异常特征与该次地震垂向方向逆断错动的特性一致, 符合马瑾等(2014)、 任雅琼等(2016)总结的亚失稳过程中不同部位应力变化分异, 某些部位(多在断层拐折处或震源区附近)可能出现应力集中加剧或预滑、 慢地震事件等的认识, 岷县— 麻界滩附近最靠近震区, 有可能是应力集中相对较强的部位。
马瑾(2016)认为地震存在先兆, 关键在于能否观测到和识别这种先兆。 2013年岷县漳县MS6.6地震发生前震区所在的西秦岭构造区的跨断层短水准观测结果反映了2个特征:
(1)震前数天观测到断层活动微动态变化量和特性的明显 “ 改变” , 揭示了区域应力存在变化。 首先, 异常数量和量值明显增大。 震前数月异常增多, 震前数天更甚, 新增四店、 毛羽沟、 麻界滩场地同步异常, 其中距震中仅50km的四店场地变化剧烈, 是岷县漳县震前1a内出现的惟一大幅异常现象, 反映断裂活动总体变化趋势的灰色关联度指标曲线也显示震前数天变幅明显增大。 其次, 从观测曲线异常动态分布来看, 整个研究区出现了从以逆断层型变化为主, 到震前数月逆断层型变化不占优势, 直至震前数天以正断层型变化占绝对优势的 “ 转变” , 与该构造区有利于应力集中的以逆断为主的长期背景相反, 变幅最大的四店场地即表现为正断层型变化特征, 灰色关联度指标显示了超出正常波动范围的正断层型转折, 反映应力应变积累特性、 程度的趋势累积率时序变化显示震前几个月先积累减缓、 震前数天明显转折。
(2)距震区较近的场地在震前数天出现明显变化, 地壳应力从 “ 区域变化” 向 “ 局部化增强” 演化。 震前4期观测所得的跨断层异常向震区所在的局部构造区域逐渐集中, 出现大幅异常的四店场地距震中较近; 灰色关联度指标曲线显示, 震区所在的局部构造区域在震前数天出现的转折幅度更大; 另外, 最靠近震中的局部断裂段在维持与地震错动特征一致的逆断层型变化的基础上, 还出现如麻界滩场地的显著逆断层型加速变化, 可能是由于该区为应力集中相对较强的部位。
结合震前十几a的高应力状态背景, 以及GPS连续观测数据和小地震活动信息的佐证, 本文认为岷县漳县MS6.6地震前西秦岭构造区跨断层短水准观测所得的断层活动与异常时空演化过程比较符合构造力学实验显示的亚稳态(偏离线性阶段, 震前大约5、 6个月可能开始)— 亚失稳状态特征(震前数天内观测到)。
对于其它地震, 如永登、 景泰和九寨沟地震, 其相关水准观测于震前出现过正断层型转折变化, 却没有岷县漳县地震前显著, 是这几次地震均非研究区本地地震, 还是不够接近发震时间(跨断层观测完成于景泰震前3个月、 九寨沟震前十几d)所致?要回答好这个问题, 还有待对青藏高原东北缘全区跨断层资料和所有强震震例(测区内还有距本文研究区较远的玉门MS5.9、 民乐-山丹MS6.1、 门源MS6.4地震)的全面、 系统的研究。
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