2021年5月22日玛多Ms7.4地震前区域应力演化特征

苏维刚，马震，冯丽丽，孙玺皓

(1.青海格尔木青藏高原内部地球动力学野外科学观测研究站，青海 西宁 810001；2.青海省地震局，青海 西宁 810001)

0 引 言

青海地区属于青藏高原东北缘的主体区域，地形变化、地质构造和地下结构都异常复杂，区内不少大型深大断裂带不仅是重要的大地构造区边界断裂带，也是控制现今强震活动的活断层[1-4]，涉及的次级块体主要为祁连、柴达木和巴颜喀拉等块体。目前已有很多学者针对青藏高原东北缘区域应力场和地震异常信息进行了广泛而深入的研究[5-8]，而钻孔应变观测作为地球物理场形变观测的重要手段，特别是四分量钻孔应变仪[9]，作为一种新兴的高精度记录地表地应力变化的观测仪器，在“十五”期间架设运行，其积累的长期观测资料为我们分析长期形变演化提供了有利条件。钟继茂等用多分量钻孔应变仪资料推算测区附加应变场的主应变大小和主方向[10]。邱泽华等人通过大范围的四分量钻孔应变仪观测台站分析构造应变速率变化[11]，而用四分量钻孔应变仪观测的汶川地震、芦山地震、门源地震等强震前的异常变化也为地震预报研究提供了重要的研判依据[12-15]。这些研究成果均说明钻孔应变观测是一种物理意义明确，观测精度较高的应变观测手段。

2021年5月22日青海果洛州玛多县发生Ms7.4地震，震中34.59°N、98.34°E，地震位于巴颜喀拉地块上北边界附近。震源机制解显示为高倾角左旋走滑为主的地震，发震构造为昆仑山口—江错断裂带[16]。震前地球物理场观测出现多项异常，对发震的时间有一定的指示意义，但在空间上缺乏更进一步的判断指示。因此针对玛多Ms7.4地震前青海地区应力场特征的分析研究具有非常重要的现实意义，对更深入的了解此次地震孕震过程和跟踪研判后续青海地区地震危险性提供一定的参考依据。

本文通过结地球物理场定点钻孔应变观测资料，以不同手段和尺度的资料获得玛多Ms7.4地震前区域应变场的空间变化范围和特征。最后结合地下流体水物理和水化学等前兆异常演化特征，获取玛多Ms7.4地震前异常演化的时空强指示信息。

1 台站观测资料

格尔木地震台(以下简称“格尔木台”)位于柴达木盆地南缘；德令哈地震台(以下简称“德令哈台”)位于盆地北缘，台站周围分布多条新生代活动断裂带；湟源地震台(以下简称“湟源台”)地处日月山断裂带和拉脊山断裂带的交汇复合处的北缘地段；玉树地震台(以下简称“玉树台”)处于巴颜喀拉与羌塘两个次级块体边界附近，台站周边断裂带发育，以北西向断裂带为主，并多表现为强烈的左旋走滑性质[2](图1)。四个台站的分量钻孔应变仪均在“十五”期间架设运行，仪器型号为YRY-4，数采采样率为1次/s，详细参数见表1。

图1 研究区域活动断裂带与地震台站分布[17]

表1 钻孔应变仪相关参数

2 计算方法

选取青海省内湟源、德令哈、格尔木和玉树四个台站钻孔应变观测数据，首先对四分量钻孔应变观测进行自检[11,18-19]。四分量钻孔应变仪的四个元件的方位是等间隔的，相邻元件的夹角都是4/π，所以，设Si(i=1，2，3，4)是四个元件的观测值(变化量)，即有S1+S3=S2+S4称为四分量钻孔应变观测的自恰方程。根据该关系对四分量钻孔应变观测进行自检。基本自洽的相关性应接近 1。各台站两项面应变数据相关系数均在0.9以上，其中，格尔木和湟源台数据相关系数在0.99以上，说明钻孔应变资料具有较高的可靠性，符合前兆异常提取的要求。

根据四分量钻孔应变仪器的观测方法，钻孔应变观测数据为观测点应变量随时间变化的数值，因此根据弹性力学原理，假设观测点介质为理想介质，将应变观测数据分解为x和y方向的应变值，主应变和主方向可以依据以下公式得出[10]：

式中：θ1为分量钻孔应变第一分量方位角，εx为四个分量x方向的应变平均值，εy为y方向四个分量的应变平均值，γxy为切应变，最大主应变为ε1，最小主应变为ε2，主方向角为θ。

3 定点钻孔应变的应力变化特征

4个定点钻孔应变测点处于祁连、柴达木和巴颜喀拉三个次级块体上，综合分析4个测点主应变的变化特征(图2)，结果显示，在大尺度长趋势背景下，整个青藏高原受到来自印度板块的俯冲推挤，青藏一级块体受到自南向北的挤压应力，且在2008年开始钻孔应变主应变变化特征指示不同的二级块体协同呈现应力增强的调整(表2)，处于青藏高原东北边缘，祁连块体上的湟源钻孔应变由于受到相邻稳定的鄂尔多斯块体的阻挡，最先2008年1月呈现应力增大的特征，处于柴达木块体中部和北边界的格尔木钻孔应变和德令哈钻孔应变自2009年6月出现应力增强的响应，最后处于青藏高原中部，巴颜喀拉块体南边界的玉树钻孔应变在2011年1月左右出现应力增强的状态。

在2014年开始，在整体主应变增大的背景下，区域不同的二级块体出现新一轮的应力状态调整，柴达木块体的格尔木钻孔应变和祁连块体的湟源钻孔应变在2015年1月和2018年1月分别呈现应力进一步增强的的趋势，处于巴颜喀拉块体之上的玉树钻孔应变主应变在2015年8月出现应力增大减缓现象，处于柴达木与祁连块体边界的德令哈钻孔应变在2017年12月呈现应力减弱的状态。两个次级块体上钻孔应变主应变呈现非协同的调整变化。

玉树台钻孔应变主应变在2015年8月出现应力增大减缓现象，其最大主应变方向为30～35°，指示北东方向，2021年5月22日青海玛多Ms7.4地震距离玉树台220 km，在其北东方向，地震所在方位符合最大主应变方向指示方向。德令哈钻孔应变最大主应变在2017年12月开始呈现应力减弱的变化调整，其最大主应变方向为10°，接近北北东方向，由此推测，未来需关注德令哈台以北的应力变化。

表2 钻孔应变应力变化特征统计

图2 钻孔应变主应变时序变化特征

4 前兆异常的时空演化特征

4.1 2018年以来区域前兆异常演化特征

前兆场异常的时空演化是受震中孕震体物理、化学性质变化和地壳应力状态变化控制的[20-21]，因此前兆异常的演化特征一定程度上可以表征区域应力状态的变化。梳理2018年以来的地下水物理、水化学等前兆异常，发现2018～2019年的前兆异常主要集中在柴达木块体的三湖地区和祁连块体上的祁连带东段，异常相对集中；2020至2021年新增异常较少，但异常相对分散，从祁连块体到柴达木块体最后扩展到巴颜喀拉块体南边界(图3)。

4.2 近半年的前兆异常演化特征

近半年以来青海及邻区前兆异常总体较少，2021年3月以来佐署、共和和玉树等台站流体测项先后出现异常变化；2021年5月22日青海玛多Ms7.4地震发生在巴颜喀拉块体北边界附近，地震与短期异常测项均位于北东方向上(图3)。结合长期和短期的异常演化来看，时间上前兆异常具有从中期向短期的演化特点，空间上异常扩展具有向震中迁移的特征，说明随着孕震的演化阶段，震中附近的区域应力加载进一步增强[22-23]。

佐署动水位在2021年2月25日出现水位突降；2月28日共和水温两套同步出现下降变化；共和气氡出现大幅上升变化；3月15日玉树水温出现突降变化。以上异常变化表明在震前2～3月沿震中北东方向区域应力显著加载，断裂错动、蠕滑或振动、岩体变形，导致相应的孔隙压力发生变化、微裂隙大量发育、不同的含水层串联贯通流入井孔，引起水温的下降。而氡气在压力梯度等的驱动下沿裂隙大量运移，出现高值变化。之后井—含水层趋于稳定，动水位、水温缓慢上升恢复，氡值下降[24-25]。

图3 研究区块体和2018年以来的前兆异常分布

5 结 论

2021年5月22日青海玛多Ms7.4地震发生后，通过地球物理场定点形变观测资料和分析震前区域应变场的变化特征，并结合省内前兆异常演化特征发现：

(1)巴颜喀拉次级块体上的玉树台钻孔应变最大主应变自2015年8月呈现增大减缓的变化，玛多Ms7.4地震发生在其最大主应变方向所指示的方位。

(2)玛多Ms7.4地震前的前兆异常在时间上具有从中期向短期演化，在空间上具有向震中迁移的特征。

(3)柴达木块体上的德令哈台钻孔应变最大主应变自2017年12由应力增强转折呈应力减弱，最大主应变方向指示北东方向。