2013年岷县-漳县MS6.6地震前异常的演化特点及预测意义

张小涛 宋治平

中国地震台网中心,北京 100045

0 引言

2013年7月22日7时45分,甘肃岷县-漳县发生MS6.6地震,震中位于柴达木块体东侧,发震断层为临潭-宕昌断裂,该断裂为左旋逆冲性质(郑文俊等,2013)。最大余震为7月22日9时12分MS5.6地震,余震区展布长度仅约12km(梁姗姗等,2017)。震后,众多学者从不同学科对岷县-漳县MS6.6地震前的流动重力、区域地震活动性、形变、地磁、流体等方面进行了研究(张希等,2014；杨博等,2014；郝洪涛等,2014；祝意青等,2014；姜佳佳等,2015；范莹莹等,2015；陈军营等,2015；冯建刚等,2016；李鸿宇等,2017；王熠熙等,2018),这些研究结果对震例总结和方法研究是有意义的,但是,从强震跟踪预测角度来看,研究人员最希望知道的是在强震前已观测到哪些异常？这些异常的演化特征如何？对于强震预测的跟踪工作而言,对震前观测到的异常的分析研究对强震预测的跟踪工作具有直接借鉴作用。

根据中国地震台网中心的日常震情跟踪汇总,在此次地震发生前,甘青川交界地区在6级地震平静背景下,存在大范围5级地震平静被打破,5级地震空区、4级地震空区、3级地震平静区被打破等地震活动异常；地球物理场重力异常显著；2010年跨断层水准出现同步趋势异常,如口子门、毛羽沟、东风沟、水泉、白土庄水准等；2011—2012年定点形变出现准同步趋势异常,如乾县水平摆、泾源洞体应变、海原小山钻孔倾斜等；2013年年初出现一批同步短期异常,如天水水氡、武山水氡、武都水氡、西安伸缩仪、两水钻孔倾斜、湟源钻孔倾斜、白银伸缩、门源钻孔应变等；同期,临夏电阻率和武都电阻率在趋势变化过程中出现短期变化；2013年3—4月流体出现同步短期异常,如天水气氡、平凉1号水氡、平凉2号水氡、乐都水氡。另外,2013年6月15、16、19日出现地磁低点位移异常。

本文基于中国地震台网中心在日常震情跟踪过程中汇总的地震活动异常和地球物理场观测异常,从强震预测跟踪工作的实用性角度,深入分析震前观测到的这些地震活动和地球物理场观测异常的演化特点,总结对地震时间、空间、强度的预测进行判定的主要依据及贡献大小,从而为强震的跟踪工作提供参考。

图1 西北地区5级地震大范围平静区(a)及平静区内的地震时间间隔(b)

1 震前显著地震活动性异常

1.1 西北地区5级地震大范围平静被打破

西北地区(33°～42°N,89°～108°E)(图1(a),不包括汶川余震区)1917—2010年超过700天的5级地震平静有6次,其中有5次5级地震平静被打破后一年内发生了6.0级以上地震(图1(b)、表1)。自2010年6月3日青海玉树5.3级地震后,5级以上地震持续平静700天,被2012年5月3日甘肃金塔5.4级地震打破,标志着该区域中强地震可能开始活跃。2013年7月22日甘肃岷县-漳县MS6.6地震发生在5级地震平静区内(图1(a))。

表1 西北地区5级平静超过700天及对应6.0级及以上地震统计

1.2 青海东南部-甘青川交界地区存在5级、4级地震空区嵌套

青海东南部-甘青川交界地区自2000年9月12日青海兴海MS6.6地震后,6级以上地震出现平静,平静时间达13年,该地区在6级地震平静背景下发生了2013年7月22日岷县-漳县MS6.6地震。

2001年7月17日青海兴海发生MS5.0地震,随后在青海东南至甘青川交界地区逐渐形成5级地震围空区。2011年4月10日四川炉霍MS5.3地震发生在围空区边缘,5级空区持续发展,时间长达12年(图2(a))。2013年7月22日岷县-漳县MS6.6地震发生在5级地震空区边缘。

2008年5月12日汶川MS8.0地震后,甘东南附近区域形成ML4地震围空,围空被2011年2月23日甘肃岷县-迭部ML4.7地震打破,之后在空区及其附近中等地震活动增强,先后发生兴海ML4.1和ML4.5、久治ML4.5、达日ML4.9、玛沁ML4.6、岷县ML4.9等显著地震。岷县-漳县MS6.6地震发生在4级地震空区内(图2(b))。

图2 青藏高原北部地区MS5地震空区(a)及ML4地震空区(b)

1.3 甘东南地区3级地震平静被打破

2012年6月6日岷县ML3.0地震打破甘东南地区长达216天的3级平静(图3(a)),以往震例显示,在3次超过200天的异常中,有2次异常后300天内平静区附近发生5.5级以上地震。震前分析认为,该区域ML3地震平静被打破后,附近存在发生5.5级以上地震的可能(图3(b))。岷县-漳县MS6.6地震就发生在3级地震平静打破之后。

图3 甘东南地区3级地震平静区(a)及平静区内时间间隔(b)(b)中标注地震为(a)中虚线方框范围内地震

2 地球物理场观测异常

2.1 地球物理场观测异常概况

由于岷县-漳县MS6.6地震的余震区展布长度约为12km(梁姗姗等,2017),本文采取以主震震中(104.2°E, 34.5°N)为中心的圆形震中距统计分析岷县-漳县MS6.6地震前的地球物理场观测异常演化特征。基于中国地震分析预报网中的异常表,对南北地震带中北段(30°～38.5°N,99°～109.5°E)的异常进行统计。由于6～7级地震的孕震范围大约为 300～400km(张肇诚等,1990；陈棋福等,2002),为了充分分析本次地震的孕育过程,这里以岷县-漳县MS6.6地震震中为圆心,对震中距400km范围内异常进行统计分析。

图4(a)给出了研究区的背景地球物理场观测测项空间分布,可见背景测项主要分布在震中的西北和东部；在震中的西南(龙门山地震带及以西地区)也有地球物理场观测,但数量较少。图4(b)给出岷县-漳县MS6.6地震前提出的形变、电磁、流体三大学科异常的空间分布。震中距在400km内的地球物理场观测异常共计44项,其中形变异常25项,流体异常13项,电磁异常6项。1年以上的异常35项,3个月至1年的中期异常6项,3个月内的短临异常3项。从异常时间看,在岷县-漳县MS6.6地震震前1年内,异常主要分布于甘东南和青海西北部。从行政区看,地球物理场观测异常主要分布于甘肃、宁夏、陕西境内。从构造块体看,异常主要位于块体的边界(图4(b)),如青藏一级块体的东北缘、华北和华南一级块体的交界部位。

图4 岷县-漳县MS6.6地震前震中距400km范围内的地球物理场观测点分布(a)及异常分布(b)(b)中红色异常为震前1年内出现的异常

2.2 地球物理场观测异常测项比随震中距的变化

由于地球物理场观测异常的空间分布不均匀性受前兆观测点的约束,为了刻画异常随震中距的关系,定义异常测项数与背景测项数之比为异常测项比(张小涛等,2008a、2008b)。表2、表3 给出不同统计方式下的异常测项数、背景测项数及异常测项比。表2 为逐步增加震中距的异常测项数、背景测项数和异常测项比。由表2 可知,震中距在50km范围内未见地球物理场观测异常；震中距在50～400km范围内,随着震中距的增加,异常测项比逐渐变小。这在一定程度上表明,在地震的孕育过程中,异常距孕震体越近,地震对异常的影响越明显,如本次地震震中距在150km范围内的异常测项比最高,约为20%。表3 为每50km震中距间隔的环形范围内的异常测项数、背景测项数和异常测项比。由表3 可知,50～100km和100～150km范围内的异常测项比较高,约为20%,而300～350km范围内的异常测项比较低。可见,异常测项比高值区主要集中在震中距50～150km范围。

表2 不同震中距范围内的地球物理场观测异常测项数、背景测项数及异常测项比

表3 不同震中距(每50km环形圈内)的异常测项数、背景测项数及异常测项比

2.3 地球物理场观测异常数量和测项比随时间的变化

分别以震中距100km、200km、300km、400km为统计范围,1年为窗长,半年为步长,计算新增地球物理场观测异常数量和新增异常测项比随时间的变化。

图5 不同震中距的新增异常数量(a)和测项比(b)随时间的变化

2.4 地球物理场观测异常的3阶段特征

地震前地球物理场观测异常可分为3个发展阶段:α、β、γ阶段(冯德益,1983)。宋治平等(2009)通过对三维流变介质包体模型的理论研究表明,硬包体作为孕震体,在地表产生的体应变具有3阶段特征,其中,α阶段为向外围扩散特征；β阶段为体应变不变区特征；γ阶段包含2个过程,γ1表示远源区的异常向震中收缩的特征,γ2表示近源区的异常向外围扩散的特征。

图 6给出了岷县-漳县MS6.6地震前异常的震中距与开始时间在常规坐标系下和双对数坐标系下的3阶段关系图,其中,常规坐标系下异常的震中距与开始时间(常规时间)的3阶段关系分析便于震情跟踪工作,而双对数坐标系下震中距与开始时间(距发震时间)关系便于理论分析。从图6(a)中可以看出,地球物理场观测异常的空间变化存在3个阶段过程,在2010年前的α1和α2阶段均表现为异常从震中向外围扩展的过程；在2010年的β阶段表示为异常分布在大范围地区,即在几个月时间内,无论震中距远近均出现异常；2011年之后,γ1阶段表现为异常从震中外围向震中区收缩过程,而γ2阶段表现为异常从震中区向外围地区扩展的过程。双对数坐标系下异常的震中距与开始时间(距发震时间)的关系(图6(b))也显示出异常的3阶段特点,只是α阶段仅显示一个扩展过程,这是由于图6(b)的2个轴在双对数坐标系下受到长时间的压缩而造成α的2个阶段难以分辨。

图6 地球物理场观测异常开始时间随震中距的变化(a)常规坐标系下异常的震中距与开始时间关系；(b)双对数坐标系下异常的震中距与开始时间(距发震日期)关系

1976年唐山地震(冯德益,1983)、1998年张北地震(宋治平等,2009)、2008年汶川地震(张小涛等,2018a)、2017年九寨沟地震(张小涛等,2018b)等地震前的地球物理场观测异常时空演化均具有3阶段特征,且地震孕育过程中异常3阶段特征具有一定力学基础(宋治平等,2009)。从本文分析得到的岷县-漳县MS6.6地震前的异常3阶段特征也符合这一规律,可见地震孕育过程中地球物理场观测异常的3阶段特征是一个普遍现象。

3 地震活动与地球物理场观测异常演化过程及预测意义

3.1 地震活动与地球物理场观测异常演化过程

岷县-漳县MS6.6地震前观测到的主要地震活动和地球物理场观测异常及预测能力见表4 和图7。从异常的空间分布范围看(图7(a)),5级地震平静700天区域为西北地区；青海东南部-甘青川交界地区在6级地震平静背景下存在5级空区、4级空区、3级平静嵌套；前兆异常主要分布于祁连带中东段-甘青川交界地区,或在岷县-漳县MS6.6地震的震中距400km范围内。另外,该地区在震前还存在流动重力异常,因此,主要地震活动异常(如不同震级的地震空区嵌套)和地球物理场观测异常分布区域对发震地点具有一定预测指示作用。

从异常进程看(图7(b)),青海东南部-甘青川交界地区在6级地震平静的背景下最初出现5级地震空区,然后是4级地震形成空区并被打破,期间西北地区出现5级地震平静和甘沟窑、六盘山、毛羽沟等数项跨断层水准准同步趋势异常,这些水准异常点位于5级平静区的东南部。2011年开始,定点形变异常出现准同步趋势异常和前兆群体呈现迁移特点；在2013年上半年出现一批短期异常,6月出现地磁低点位移异常。

从总体情况看,在不同地震空区嵌套背景下,出现准同步趋势异常和大范围5级地震平静现象,这属于中期异常；短期阶段主要有3级地震平静被打破和一批短期异常的出现。

图7 震前地震活动和地球物理场观测异常空间演化(a)及时间演化(b)示意图

表4 岷县-漳县MS6.6地震前观测到的主要异常及预测能力汇总

从具有明确预测时间的异常看(表4),只有地磁低点位移有明确预测时间,而其他异常对时间预测不明确,因此,基于震前观测到的这些异常,很难对地震的发震时间进行预测。

从预测强度看(表4),6级地震平静、5级地震平静和5级地震空区,这3项异常的预测强度可达6级以上,4级地震空区、3级地震平静仅预测强度5级以上地震,其他前兆异常对强度预测不明确。

3.2 预测意义

根据岷县-漳县MS6.6地震前观测到的主要地震活动和地球物理场观测异常的分析,以及日常工作经验,对地震跟踪工作可以给出一些启示。

(1)在地震危险地点跟踪方面,首先关注地震活动中不同震级的地震空区嵌套或重叠地区、条带分布或交汇地区,然后关注地球物理场异常区、地震活动参数(如波速比、加卸载响应比、调制比等)异常区、异常的密集分布及收缩地区、异常形态的四象限中心地区等。

(2)针对危险地区的强度预测方面,重点跟踪地球物理场异常幅度、地震活动空区或条带的规模。

(3)对于危险地区的发震紧迫性即发震时间预测方面,首先在5级空区的发展过程中,关注地球物理场观测趋势异常是否出现群体准同步转折异常或前兆的时空迁移特点,然后重点关注3、4级地震空区的打破或3、4级地震条带的解体、群体短期异常的出现、地磁低点位移异常的出现等。

4 结论

通过对岷县-漳县MS6.6地震前观测到的地震活动异常和地球物理场观测异常演化特点及其预测意义的深入分析,得到如下结论：

(1)显著地震活动异常为青海东南部-甘青川交界地区在6级地震平静的背景下存在5级地震空区、4级地震空区嵌套；震前1年左右,西北地区5级地震的700天平静被打破和甘东南地区的3级地震平静被打破。

(2)地球物理场观测异常主要包括形变、电磁、流体异常,以形变异常为主。异常主要分布在震中距50～400km范围内,其中50～150km范围内异常测项比较高。从异常演化的时间过程看,在震前2年左右(即2011年左右)新增前兆异常数量达到最大值,随后新增异常数量维持在较高水平。另外,异常测项比随着震中距的增大逐渐变小。这一定程度上反映了孕震体对地球物理场观测的影响范围随着震中距的增大逐渐减弱。

(3)地球物理场观测出现的异常,α阶段表现为向外扩的特征；β阶段主要为2010年出现的异常,出现时间较集中；γ阶段主要为2011—2013年出现的异常,分为2个阶段,γ1阶段表现为异常从震中外围向震中区收缩过程,而γ2阶段表现为异常从震中区向外围地区扩展的过程。

(4)从震前观测到的地震活动和地球物理场观测异常的演化过程看,地震活动(如不同震级的地震空区嵌套)和前兆异常分布区域对发震地点具有一定预测指示作用；中小地震活动的异常图像(如4级空区,3级平静)和显著短期异常(如前兆趋势异常的群体准同步的转折异常、前兆的时空迁移性、短期群体异常等)对发震紧迫性具有一定指示意义。

另外,虽然本文提出的地震活动和地球物理场观测异常均与岷县-漳县MS6.6地震有关这一结论还存在一定的争议,但由于这些异常均是在震前提出的,对其演化特点的分析可为今后该区域地震跟踪工作发挥指导作用。