甘肃及其边邻地区断层形变特征强度时序变化与强震关系＊

张 希薛富平贾 鹏

1）中国地震局地震预测研究所，北京 100036

2）中国地震局第二监测中心，西安 710054

甘肃及其边邻地区断层形变特征强度时序变化与强震关系＊

张 希1，2）薛富平2）贾 鹏2）

1）中国地震局地震预测研究所，北京 100036

2）中国地震局第二监测中心，西安 710054

利用甘肃及其边邻地区20世纪80年代末至2009年11月跨断层短水准流动观测资料，提取相关断裂带各段的断层形变特征强度指标，分析其可能揭示的构造变形动态演化特征及与资料积累以来MS5.8级以上地震孕育—发生过程的关系。研究表明：各断裂段断层形变特征强度时序曲线对其内、边缘附近MS5.8级以上地震反映较好，震前数月至1年左右时间内多数对应与构造背景一致的逆断异常；震后异常消失，或者出现短暂的正断异常，反映调整状态。

断层形变特征强度；时序变化；震例

引言

中国地震局第二监测中心在甘肃及其边邻地区布设有50余处跨断层短水准流动场地，自20世纪80年代末起测，2003年以前基本于每年的3、7、11月份观测3期，2004—2008年加密为1、3、5、7、9、11月6期，2009年又恢复为每年3期。控制了祁连山—海原—六盘山断裂带及西秦岭构造区（图1）。资料积累至今发生过1990年景泰MS6.2级、1993年托勒MS6.0级、1995年永登MS5.8级、2000年景泰MS5.9级、2002年玉门MS5.9级、2003年民乐MS6.1与MS5.8级地震。跨断层流动形变观测值的时序变化，能直接反映观测场地所控制断层段的运动变化过程；在空间上由跨断层场地形成的断层网络也具有较广的覆盖面和较好的空间场的控制能力，因而具有中短期前兆意义［1－3］。对于该区跨断层形变观测异常与地震活动关系的研究，以单个场地异常识别（近场区可能出现“趋势加速—转折”异常，远场区以突跳变化为主）及群体异常（整个测区或相关构造区异常的强化或集中、迁移特征，异常频次时序演化特征）分析为主［15］，陈兵等提出断层形变趋势累积率指标，寻求呈长趋势应变积累背景的构造区域［3，6］，即对某场地计算所有时段（两期观测间）变化量之和的绝对值，与所有时段变化量绝对值之和的比，比值越大，反映趋势性变化越明显，应变积累强度可能越高）。薄万举等对跨断层形变资料，提出了斜率差法、四点组斜率信息标准化等方法，但笔者所能查到的相关文献均用于首都圈、川滇观测周期较短（月观测甚至日观测值）的资料［79］。周硕愚等“断层形变网络及群体研究信息提取法”［10－11］采用低通滤波反映整个测区断层形变总体强度的时序变化，寻找发生强震前的场兆信息，笔者也没有查到应用于本文研究区的例子。笔者曾从该研究区跨断层短水准资料中提取无量纲的形变强度比指标SRT，在统一观测曲线趋势向上变化的前提下，定义为某场地某跨断层测段单期观测相对上一年同期观测值变化与正常平均年变幅度的比率［12－15］。这样计算，既为了定量表征断层活动实时变化的强弱，又使不同场地、不同测段的值具有可比性，并消除观测季节的影响。进而对各场地通过内插拟合绘制整个监测区连续分布的形变强度比等值线图，寻找可能与强震孕育有关的SRT高值区。之后又以研究区内主要断裂带（所处构造环境、活动方式不同）及其各段为研究对象和构造单元，对其所在场地SRT绝对值取均值，记为SR0T，研究其时序变化及与资料积累以来景泰、托勒、永登、玉门、民乐等MS5.8级以上地震孕育—发生过程的关系，突出其分段差异性［16］。尽管如此，针对测段跨度较短（数百米至1千米左右）、分布零散、活动水平与形态特征存在差异的50余个场地，已有的计算方法还不能完全反映研究区主要活动断裂带各段与强震孕育—发生有关的异常特征：其一，对断裂段所在场地取SRT绝对值均值，会掩盖与构造背景一致、有利于能量积累的逆断变化，及与构造背景相反、可能反映地震能量释放—震后调整的正断变化特性间的区别。其二，有些场地可能在连续两年的同一时期出现与强震孕育—发生有关、不属于周期变化的异常，比如位于海原断裂西段的窝子滩场地（205—206）测段观测曲线在1995年3月和1996年3月均出现显著的趋势加速异常，前者与1995年7月22日永登MS5.8级地震有关［2－3］，后者与1996年6月1日天祝MS5.4级地震有关（图2，2000年3月趋势加速异常与2000年6月6日景泰MS5.9级地震有关［4］；2003年11月与2006年1月突跳尖点可能与205点冰冻有关），若按以往SRT提取方法，1995年3月出现异常，1996年3月相对1995年11月变化较大，相对1995年3月变化却偏小，异常反而未出现，1997年3月却出现异常（事实上相对于1996年11月变化偏弱），故单期观测值减去上一年同期观测值的计算方法其目的是为了消除季节影响，某些情况下却可能漏掉与强震孕育—发生有关的前兆异常。这也反映出从跨断层形变资料中识别异常的复杂性。综合考虑以上因素，本文从突出断裂带各段构造变形动态特征的角度，对断层形变指标的提取方法进行改进（或者说是以往指标的补充，虽然没有消除季节影响的优势，但该研究区周期变化明显的测段很少，实际计算时可以不选这样的测段），分析其时序变化特征及与资料积累以来MS5.8级以上地震孕育—发生过程的关系。

图1 甘肃及其边邻地区跨断层短水准流动场地分布

图2 窝子滩短水准场地（205－206）测段观测曲线

1 断层形变特征强度计算方法

首先，断层形变特征强度指标的提取是建立在统一所有曲线下盘相对上盘变化的前提之下的。设某断裂段上有m个场地，每个场地统一上、下盘后跨断层测段观测值序列为hki，i＝1，…，n；k＝1，…，m，n为总观测期数。则对每个场地，定义其单期观测相对上期观测变化量与平均变化幅度的比率即（无量刚指标，若此场地有不止1条跨断裂测段，便可以获得不止1个结果，去掉干扰较大或周期性变化显著的测段，剩下的取均值），计算结果为负则反映逆断变化、为正则反映正断变化。

其次，为反映观测曲线的趋势性［6］（与构造活动背景一致的趋势性变化越明显，可能反映应变积累的时间尺度越长、或强度越高）和稳定性［17］，计算各场地趋势因子σk＝和稳定因子（即均方差值，其量值越小，稳定性可能越好）。最后，将作为每个场地断层形变特征强度指标的权值，计算该断裂段断层形变特征强度值。

2 甘肃及其边邻地区各断裂段形变特征强度时序变化与强震关系

图3—5即为甘肃及其边邻地区各断裂段SRE时序曲线，资料截止2009年11月。图中有3条水平虚线，中间的是零值线，上面的是正的SRE值的均值的1.3倍，下面的是负的SRE值的均值的1.3倍，即超过均值的30%视为异常（图中用红色标注逆断异常、用蓝色标注正断异常）。此外，图3与图4中将断裂段及其两端发生的MS5.8级以上地震标注在上层，将研究区周边不远处典型大震、震前出现过异常的MS5.0～5.7级地震标注在下层；鉴于资料积累以来，西秦岭构造区之外MS5.8级以上地震较多、区内却只有5级左右地震，图5中将断裂段及其附近发生的MS5.0级以上地震标注在上层，将构造区周边不远处MS5.8级以上地震及天祝MS5.4级地震标注在下层。分析认为：

（1）由图3，若以榆木山东缘断裂（图1中NNW向的断裂②）为界划分祁连山构造带西段和中东段，则各断裂段对其内及距其较近的地震反映程度更好。

西段SRE时序曲线对1993年10月26日托勒MS6.0级地震同震变化反映明显，1993年11月相对7月呈显著正断型突跳变化；在托勒震后近10年呈小幅波动、变化相对稳定之后，2002年11月出现显著正断型突跳异常，距2002年12月14日发生玉门MS5.9级地震不到30天，很可能反映震前失稳、预滑状态。2008年研究区东南缘附近汶川MS8.0级特大地震发生前后至今，出现“先正断、后逆断、再正断型异常”。

图3 祁连山构造带断层形变特征强度SRE时序曲线。（a）祁连山构造带西段（榆木山东缘断裂以西）；（b）祁连山构造带中东段（榆木山东缘断裂以东）

图4 海原—六盘山断裂带断层形变特征强度SRE时序曲线。（a）海原断裂带；（b）六盘山断裂

图5 西秦岭构造区断层形变特征强度SRE时序曲线。（a）西秦岭北缘断层（西秦岭北缘断裂）；（b）西秦岭南缘断层（岷县—宕昌断裂、武都弧断裂等）

中东段SRE时序曲线对其东端附近的1995年7月22日永登MS5.8级、该断裂段上2003年10月25日民乐MS6.1、5.8级地震反映较好（震前1年左右时间内出现显著逆断型异常，与构造活动背景一致）。2006年底至2008年3月出现过一定程度的、以逆断为主的异常，虽不排除与2008年3月30日该断裂段上肃南MS5.0级地震发生的关系（观测于震前），鉴于以往震例分析［3－5］认为跨断层形变资料对5级地震反映程度较弱，更可能反映该断裂段在民乐地震能量释放、调整一定时期后构造应力场与应变积累恢复且逐渐强化的状态特征（虽不排除包含汶川大震前青藏块体大范围孕震应力场部分扰动信息的可能性）；汶川震后短期内出现正断型转折（不排除大震影响），目前又恢复逆断变化特性。

（2）由图4，海原断裂带SRE时序曲线对断裂带及其西端附近的1995年7月22日永登MS5.8级、1996年6月1日天祝MS5.4级和2000年6月6日景泰MS5.9级地震反映较好，震前数月内均出现逆断型异常（可能反映断层活动加速与应变积累强化特性），永登地震后反向调整即正断型异常显著，可能说明之后发生的天祝地震是永登震后松弛—调整作用下以往积累一定能量的潜在危险区失稳的结果。2001年11月14日昆仑山口西MS8.1级大震后正断异常明显（11月中下旬观测），可能反映大震同震影响。而六盘山断裂SRE时序曲线在2000年景泰地震前后波动增强，异常虽不明显，但可能反映相邻、与其有构造联系的祁连山－海原断裂带孕育强震的扰动影响；也出现与海原断裂带同步的、可能反映昆仑山口西大震同震影响的正断型异常。两条断裂在汶川大震前数月均出现逆断为主的异常（其中海原断裂带2006年已出现异常），近期海原断裂带异常消失，而六盘山断裂维持。结合图3，应主要反映整个祁连山—海原—六盘山断裂带在玉门、民乐地震能量释放、调整一定时期后构造应力场的恢复与应变积累逐渐强化的状态特征，虽不排除其中包含汶川8级大震前青藏块体大范围孕震应力场部分扰动信息的可能性。

（3）由图5，西秦岭构造区SRE时序曲线在永登地震前后、景泰震前出现的异常，不排除与这两次地震孕震应力场的扰动影响有关；昆仑山口西大震后西秦岭北缘断裂出现先正断后逆断异常，断层活动加剧，反映昆仑山口西大震对其影响相对西秦岭南缘断层明显，随后的2003年岷县发生MS5.2级地震，震级虽弱，却打破西秦岭构造区1988—2002年长达15年的5级以上地震平静，之后的2004、2006年连发岷县MS5.0与文县MS5.0级地震，昆仑山口西大震动力作用可能对这3次中强地震的发生起到了一定程度的促进影响。2008年5—11月距汶川震区最近的西秦岭南缘断层显著逆断型异常是起测以来最显著的，相对甘肃及其边邻地区其它5条断裂段也明显得多，应反映汶川大震影响。

3 结论

（1）各断裂段断层形变特征强度时序曲线对其内及边缘附近发生的多数MS5.8级以上地震（除了资料积累时间尚短的1990年景泰MS6.2级地震、发震断层上无测点的1993年托勒MS6.0级地震），在震前有前兆反映，发震前数月至1年左右时间内出现异常、以与构造背景一致的逆断特性为主，反映临震前一段时间的应变积累加速或失稳预滑；震后异常消失，或者出现短暂的正断异常，反映调整状态。

（2）2006—2008年整个祁连山—海原—六盘山断裂带不同程度地出现断层活动加速特征，以与构造背景一致的逆断为主，主要反映这一存在构造关联的大型断裂带在昆仑山口西、玉门、民乐等地震能量释放、调整一定时期后构造应力场与应变积累恢复、且逐渐强化的状态特征，虽不排除其中包含汶川8级大震前青藏块体大范围孕震应力场部分扰动信息的可能性。

（3）汶川大震对西秦岭南缘断层的影响相对明显；而汶川震后至今仍维持或出现与构造背景一致的逆断异常的断裂段还有祁连山构造带、六盘山断裂带。

（作者电子信箱，张 希：zhgx＿ivy＠21cn.com）

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Time evolution of fault deformation feature intensity and its relationship with strong earthquakes in Gansu and its neighborhood

Zhang Xi1，2），Xue Fuping2），Jia Peng2）
1）Institute of Earthquake Prediction，CEA，Beijing 100036
2）The Second Monitoring and Application Center，CEA，Xi’an 710054

Using cross－fault mobile short－leveling observational data from late 1980sto November 2009in Gansu and its neighborhood，the deformation feature intensity of related fault segments are computed，the dynamic evolution features and their relationship with the generation of earthquakes over MS5.8are studied.It is concluded that the time－curves of deformation feature intensity of all segments reflected the earthquakes over MS5.8on the faults or nearby，displaying thrust abnormity in accordance with their tectonic background from several months to about one year before the earthquakes.After these earthquakes，the abnormity disappeared，or appeared just as transitory normal abnormity（adjustment state）.

fault deformation feature intensity；time－variation；earthquake examples

P315.2；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2010.10.008

2009－12－10；

2009－12－22。

中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项“青藏块体东北部强震孕育—发生动态过程研究”。