牛安福 張凌空 李 媛 閆 偉 趙 靜 吉 平

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蘆山7.0級地震前的形變空區(qū)特征研究

牛安福 張凌空 李 媛 閆 偉 趙 靜 吉 平

（中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045）

上世紀70年代以來，國內(nèi)外基本形成了以監(jiān)測震中附近斷層預滑動進行地震預測的研究思路，但近些年來，一些大地震前近震源區(qū)域的形變變化卻引起了巨大的爭議。本文應用蘆山地震震中附近跨斷層及連續(xù)形變觀測資料，分析了震前不同階段地形變變化的特點，討論了震中附近區(qū)域異常時空演化過程。分析結果表明，沿鮮水河斷裂帶一些跨斷層基線、安寧河及則木河斷裂帶個別場地的跨斷層水準基線出現(xiàn)的顯著異常變化，這些異常出現(xiàn)在遠離蘆山地震震中的區(qū)域上；在近震源區(qū)域，在龍門山斷裂帶南段的一些斷層水準變化量極小，在鮮水河、龍門山和安寧河3條主要斷裂圍成的三叉口地區(qū)，傾斜、應變、重力及斷層水準和蠕變觀測臨震前未有顯著的異常變化，該區(qū)是形變變化或形變異常分布的“空區(qū)”。本文也與汶川地震前形變異常分布進行了對比，認為震前形變“空區(qū)”現(xiàn)象可能是強震前的一種共性特征。

蘆山地震 近震源區(qū) 連續(xù)形變 跨斷層 形變活動空區(qū) 地震預報

引言

2013年4月20日發(fā)生的蘆山7.0地震位于龍門山斷裂帶南段，破裂特征與汶川8.0地震相似，屬于逆沖型地震。臨近蘆山7.0地震震前的形變前兆分布，為認識逆沖型地震孕育過程及其伴隨的前兆現(xiàn)象等提供了不可多得的信息。該次地震前，在鮮水河斷裂帶、沿安寧河、則木河斷裂帶都觀測到一些較顯著的斷層活動異常，而近震源區(qū)所在的龍門山斷裂上地震前短期形變異常則較為少見。

大地震前，近震源區(qū)域形變前兆變化是進行地震預報的基礎，但震前如何變化則仍是有爭議的。基于擴容擴散和擴容引起的摩擦滑動模型及地震破裂成核過程模型（Nur，1972；Mjachkin等，1975；Rummel等，1978；Das等，1981；Dubrovskiy等，2006），地傾斜應變觀測等被認為是監(jiān)測地殼形變和捕捉地震前兆的重要手段，但實際觀測結果表明，這些模型對于小震可能是有效的，一些學者早期對小地震前地傾斜應變信號及與地震間的相關性進行了一定程度的研究（Johnston等，1974；McHugh等，1978）；但對于強地震，臨震前盡管觀測到一些突出的短期異常，但通常遠離震中區(qū)域（Mogi，1985；牛安福等，2009；2012），因而研究較少，也沒有形成較成熟的分析方法。而越是靠近震源區(qū)域，由于臨震前變形不顯著，同樣引起對以監(jiān)測斷層預滑動預報地震思路的質(zhì)疑（Takemoto，1991；Johnston等，1990；Linde等，1992；Bilham，2005；Amoruso等，2010；牛安福等，2012）。

本文針對臨震前跨斷層、地傾斜、重力等形變變化特征，提出了震前可能出現(xiàn)的形變異?！翱諈^(qū)”現(xiàn)象，并探討了其在大地震短期預報中的意義。

1 蘆山地震前周邊跨斷層形變異常分布

沿龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶、安寧河、則木河斷裂帶，自20世紀70年代末開始，四川省地震局陸續(xù)開展了跨斷層水準基線測量和斷層蠕變測量，斷層水準基線觀測周期為1－3個月。

1.1 鮮水河斷裂帶異常分布

蘆山地震前鮮水河斷裂帶有11個斷層觀測場地，較為顯著的異常變化主要是侏倭、格簍、虛墟、龍燈壩和老乾寧跨斷層基線，這些基線長期變化趨勢給出了巴彥喀拉塊體南邊界以左旋運動為主的結果，而2013年1月、3月份的觀測結果給出了顯著的轉(zhuǎn)折變化，短期的活動以右旋為主（圖1）。

該斷裂帶跨斷層水準變化與斷層基線相比不顯著。沿鮮水河斷裂帶還有蝦拉沱、恰叫、溝普、老乾寧和龍燈壩斷層蠕變測量和蝦拉沱、溝普、老乾寧、龍燈壩等基線測量場地，除溝普外，多以趨勢異常為主。

（1）侏倭基線。該場地距離雅安地震震中280km。該斷層觀測場地自1980年開始觀測，AB邊長168m，AC邊長288m左右。早期每2－3個月測量一期，汶川8.0地震后每月測量一期。1982年以來，該處斷層的水平運動呈左旋張性活動。AB邊平均以0.8mm/a左右速率拉張，臨震前有短時異常擾動；AC邊平均以1.0mm/a速率縮短，汶川8.0地震后，AC邊變化較小，2013年1月前后加速壓縮，震前最大壓縮量達2.8mm，異常持續(xù)時間約3－4個月。

（2）格簍基線。該場地距離雅安地震震中270km。該斷層觀測場地自1982年開始觀測，AB邊長72m，AC邊長96m左右。早期每2－3個月測量一期，2004年起每月測量一期。1982年以來，該處斷層的水平運動呈左旋張性活動，平均活動量在0.1mm/a左右。2001年昆侖山口西8.1地震后，年變幅度增大，但年變速率未有大的改變。2012年5月起基線趨勢出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，2013年1月有明顯加速轉(zhuǎn)向，AB測邊出現(xiàn)大幅度縮短變化3.5mm，異常持續(xù)時間近4個月。

（3）虛墟水準、基線。該斷層觀測場地距離雅安地震震中260km。該場地基線觀測自1980年開始，AB邊和AC邊基線分別長215m和240m左右，每1－3個月觀測一期?；€Lab和Lac受2001年昆侖山口西8.1地震、2004年印尼蘇門答臘9.0地震及2008年汶川8.0地震影響，基線變化趨勢發(fā)生改變。汶川地震后，斷層呈左旋張性活動，2011年底至2012年10月份拉張的趨勢有所減弱，2013年1月AB測邊出現(xiàn)大幅度壓性變化，加速持續(xù)時間近4個月，幅度達2.96mm。

（4）龍燈壩基線。該斷層觀測場地距離雅安地震震中160km。該場地基線觀測自1985年開始，AB邊和AC邊基線分別長48m和72m左右，每1－3個月觀測一期。龍燈壩場地的水平運動歷來較弱，1991－2002年間兩測邊均以0.04mm/a左右速率變化，2003－2006年以0.19mm/a左右速率拉張。2011年11月開始至2013年1月，AB測邊出現(xiàn)持續(xù)時間13個月的下降，最大幅度為2.03mm。

（5）其它場地基線。老乾寧斷層觀測場地距離雅安地震震中140km。該場地基線觀測自1979年開始，每1－3個月觀測一期。2012年以來兩測邊觀測曲線波動變化，臨震前無明顯的加速斷層活動。折多塘斷層基線（距蘆山地震震中110km）呈現(xiàn)較穩(wěn)定的趨勢，無顯著的短期加速異常變化。

從鮮水河斷層基線變化特征可知，顯著的短期異常變化主要分布在溝普以西地段，而鮮水河東南段，龍燈壩基線、老乾寧及折多塘基線則沒有明顯的短期加速異常。

鮮水河有蝦拉托、恰叫、溝普、龍燈壩和老乾寧蠕變觀測場地，震前溝普場地斷層蠕變異常變化較顯著。

1.2 沿龍門山斷裂帶形變異常分布

沿龍門山斷裂帶斷層活動主要表現(xiàn)為汶川8.0地震后的調(diào)整。震中周圍較近的觀測場地包括寶興、灌縣和雙河水準。

（1）寶興水準。該場地水準觀測開始于汶川8.0地震后，距離蘆山地震震中15km。從2010以來的觀測結果來看，水準變化幅度較小，震前3年變化幅度僅0.6mm。震前有小幅擾動，但也在動態(tài)范圍內(nèi)（圖2）。

（2）雙河水準。雙河場地跨越龍門山前山斷裂帶之安縣-灌縣斷層中段的雙河斷層，距離蘆山地震震中90km。1991年以來，雙河短水準的變化主要在2mm范圍內(nèi)波動。汶川8.0特大地震前沒有監(jiān)測到明顯的前兆異常，但同震變化非常顯著，上盤相對下盤下降7.76mm。汶川8.0地震后，斷層一直處于壓性調(diào)整活動階段，年動態(tài)變化在1.5mm范圍內(nèi)（圖2）。

（3）灌縣水準。灌縣水準場地距離蘆山地震震中100km。2000年以來，具有較穩(wěn)定的年周期。受汶川8.0地震的影響，產(chǎn)生顯著的同震變形。之后至蘆山地震前，呈現(xiàn)持續(xù)下降，幅度達3mm，是龍門山斷裂帶上水準變化速率相對較大的場地之一（圖2）。

1.3 沿安寧河、則木河斷裂帶形變異常

震前沿安寧河、則木河斷裂帶突出的形變異常主要有西昌、爾烏水準和湯家坪水準基線。寧南、冕寧、安順場等場地水準存在一定的變化，但不顯著；紫馬跨斷層蠕變在8.0川地震后出現(xiàn)年變化幅度增大現(xiàn)象，震前年變化較為穩(wěn)定。

（1）西昌水準。西昌短水準測量場地位于西昌市李金堡鎮(zhèn)，距蘆山地震震中270km。場地布設了A－B－C－A短水準監(jiān)測環(huán)線，其中A－B、B－C為跨斷層斜交邊。資料顯示，1988－2000年間，年平均速率在0.27mm/a左右，斷層略顯張性活動。2004年開始對該場地進行每年6期的加密觀測，2004－2009年連續(xù)6年的觀測顯示該處斷層無明顯變化，年變化比較清晰。2010年4月至2010年6月的觀測顯示，該場地兩測線同時出顯明顯的變化，BA測線下降3.89mm，AC測線上升了4.46mm。2010年7月－2011年3月有所轉(zhuǎn)折。2011年5月至2012年5月，兩測線又同時出現(xiàn)明顯的變化，BA測線下降了10.6mm，AC測線上升了10.5mm。2012年7－9月的觀測資料顯示曲線有所轉(zhuǎn)折，在川滇交界先后發(fā)生了2012年6月24日的鹽源5.7級地震和2012年9月7日的彝良5.6級地震，震中距分別為150km、180km，2次地震發(fā)生在該水準轉(zhuǎn)折變化過程中（圖3），2013年1月觀測結果顯示再次發(fā)生轉(zhuǎn)折，持續(xù)時間4個月左右。

（2）爾烏水準。爾烏短水準在2008年之前的變化顯示此處斷層垂直活動較弱。汶川8.0大震后打破了年變改變往年同期的上升變化，出現(xiàn)近3mm幅度的異常擾動。2010年玉樹地震后，趨勢再次發(fā)生轉(zhuǎn)折，上升幅度達2.34mm后恢復。2012年開始異常再次出現(xiàn)，上升幅度為2.23mm，臨震前出現(xiàn)轉(zhuǎn)折（圖3）。

（3）湯家坪水準、基線。該觀測場地位于則木河斷裂帶緊靠南東的尾端地段，距離蘆山地震震中360km。湯家坪場地建成于1980年。該場地水準在2003－2007年間波動幅度較大，2008年汶川8.0地震后，AB邊和AC邊出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)折，在2011年出現(xiàn)近20mm的變化，2012年下半年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折前后發(fā)生了鹽源和彝良兩次中等地震（圖3）。

該場地基線長期變化具有10年左右周期。2003－2007年出現(xiàn)較大幅度的異常擾動，2008年汶川8.0地震后，趨勢出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。2011年開始加速伸長，意味著發(fā)生了較大幅度的左旋運動，年最大幅度達20mm，鹽源和彝良兩次中等地震均發(fā)生在基線達到最大值前后，臨近蘆山地震前，基線轉(zhuǎn)折（圖3）。

2 蘆山地震前近場形變變化特征

蘆山地震近震源區(qū)域的形變觀測點包括寶興跨斷層場地，雅安和姑咱等連續(xù)形變觀測臺站。

蘆山地震震中最近的跨斷層觀測場地是寶興場地，距離15km。該場地跨斷層水準結果表明，其變化幅度在研究區(qū)域內(nèi)是最小的，震前3年其變化幅度也只有0.6mm，且震前擾動變化未超出2倍動態(tài)范圍（圖4）。

（1）雅安臺地傾斜變化。雅安地震臺處于龍門山斷裂帶西南段，位于蘆山地震及震中區(qū)域。雅安地震臺地形變觀測儀器為JB型金屬水平擺傾斜儀，2003年完成數(shù)字化改造，儀器工作周期14.2±0.1s。儀器洞室東西走向，條石拱砌，進深7m，頂層及兩側覆蓋厚度＞20m，儀器墩高60cm，巖性為砂泥巖。儀器洞室年溫度變幅≤1.6℃，日溫度變幅≤0.2℃，相對濕度＞95％。日照和洞內(nèi)潮濕對觀測會有些干擾，但年周期變化較為穩(wěn)定。

該臺傾斜潮汐記錄數(shù)據(jù)分析結果表明，除個別計算粗差外，M2波潮汐因子及相位較為穩(wěn)定。應用傅里葉周期分析方法，可提取相應的年周期成份。盡管該臺地傾斜矢量模在震前沒有出現(xiàn)顯著的異常變化，但年周期成分自2008年開始則出現(xiàn)逐年下降特征（圖4）。

（2）姑咱臺地形變變化。姑咱臺處于北西向的鮮水河斷裂帶、北東向的龍門山斷裂帶和南北向的安寧河斷裂帶復合部位靠北的地段，距離蘆山地震震中90km。洞室的巖性為前震旦紀似斑狀黑云母花崗閃長巖，形變洞進深90m，覆蓋厚度大于70m，洞溫18.5℃左右，日溫變幅小于0.03℃，年溫變幅小于0.5℃，相對濕度大于95％；內(nèi)有DZW型重力儀、SQ型水平擺、DSQ型水管傾斜儀、SS-Y型伸縮儀和YRY分量鉆孔應變儀等。

由該臺多套傾斜儀、應變儀記錄到的數(shù)據(jù)計算得到的M2波潮汐因子及相位無顯著的短期異常變化。該臺定點重力結果中的年周期成分在2004－2005年、2010－2011年擾動幅度較大，然后逐年變小，之后分別發(fā)生了汶川8.0地震和蘆山7.0地震（圖5）。

3 蘆山MS7.0地震前形變異常空區(qū)現(xiàn)象及與汶川地震震前變形的比較

震前出現(xiàn)的一些突出的形變異常是否與蘆山7.0地震相關，是地震前兆研究面臨的最基本的問題之一。以往通常按照地域范圍來建立異常與地震間的相關性，但結果表明，這難以解釋強地震前發(fā)生的一些形變前兆現(xiàn)象。

對于大地震而言，與其相關的前兆變化可能出現(xiàn)在很遠的區(qū)域。例如1944年日本Tonankai 8級地震前觀測到顯著的傾斜異常，Kagegawa測點距離地震震中約300km（Mogi，1985）。為解決遠場形變異常與地震間的相關性，作者提出了相應的時間依賴判別準則，即異常越是接近地震發(fā)生時刻，其與地震的相關性越高。該準則適用于開放系統(tǒng)或無限、半無限空間內(nèi)事件間相關性的研究。

考慮到蘆山地震前鮮水河斷裂帶出現(xiàn)的斷層基線短期加速變化及觀測周期，估計其異常持續(xù)時間在=90－120天范圍內(nèi)；安寧河、則木河斷層水準在巨幅異常結束至蘆山地震前，持續(xù)時間在=180—240天范圍內(nèi)。依據(jù)形變短期加速異常持續(xù)時間與地震震級間的聯(lián)系（牛安福，2003），估計其相應對應的震級范圍分別為6.4－6.6±0.4和6.8－7.0±0.4，因此可認為蘆山地震震前發(fā)生的這些異常變化與蘆山地震具有一定的相關性。

綜合分析蘆山地震前各種形變異常特征不難發(fā)現(xiàn)，震前形變異常形成的“空區(qū)”是較明顯的，該“空區(qū)”屬于變形幅度小或異常變化不顯著的區(qū)域（圖6）。需要說明的是，受臺站布局及觀測手段多樣性的影響，這里展示的只是一個大致的分布。

形變異?！翱諈^(qū)”是臨近強地震前出現(xiàn)的一種重要的前兆分布現(xiàn)象。周碩愚等（1997）利用精密水準復測結果和跨斷層資料，研究了唐山地震前震源區(qū)域形變場的演化，并驗證了形變空區(qū)與地震活動區(qū)及斷層閉鎖區(qū)域間的聯(lián)系。牛安福等（1999）利用F檢驗方法研究了1996年2月3日麗江7.0地震前后異常強度的分布，提出了異常強度空區(qū)，并研究了形變“空區(qū)”內(nèi)外地震活動性的差異。

蘆山地震前形變異常變化與汶川地震前相比有差別，也有共性。汶川地震前，地震震中附近或周圍并沒有檢測到較為顯著的短期異常變化（牛安福等，2009），而汶川地震震中區(qū)域形變變化幅度是其中最小的。汶川地震震中及周圍汶川臺、茂縣臺、峨眉臺、西昌臺、康定臺、姑咱臺、松潘臺等多套金屬擺或石英擺地傾斜儀震前記錄到了地傾斜變化。從汶川臺兩套地傾斜儀觀測結果可知，受金屬絲與石英絲熱漲系數(shù)差異，金屬擺傾斜較石英擺傾斜年變幅度要大20%左右，因此，該研究區(qū)域上金屬擺傾斜與石英擺傾斜矢量可進行一定程度的對比。圖7給出了汶川地震前1年其附近傾斜矢量的分布。從圖7可知，汶川地震震中處兩套傾斜儀記錄到的傾斜矢量在震前是變化最小的，而在其外圍傾斜矢量變化幅度則較大。

汶川地震前地傾斜變化特征與重力變化特征也較為接近。從映秀606場地和北川620場地重力1998年以來的變化來看，重力在震前2—3年變化幅度有所減?。ㄗＲ馇?，2009）。

實、空矩形：跨斷層異常、正常場地；實、空三角：定點形變異常、正常臺站。虛線橢圓表示形變異?？諈^(qū)?；疑珗A和紅色圓分別表示2008年汶川地震后及2012年以來研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生的5.5級以上地震。紅線、綠色線分別表示斷層及河流分布

黑色矩形表示傾斜臺站，鄰近虛框內(nèi)表示相應臺站的傾斜矢量，黑色圓表示重力測點，紅色圓表示汶川地震及其余震，箭頭表示傾斜矢量隨時間進程方向

4 討論與結論

對蘆山地震前多種形變觀測數(shù)據(jù)的分析表明，強地震前近場與遠場形變變化特征具有顯著的差別。突出的斷層活動異常主要分布在蘆山地震的外圍區(qū)域，在靠近震中附近地區(qū)，連續(xù)形變（傾斜、應變、重力）及斷層水準和蠕變觀測臨震前未有顯著的異常變化，是形變變化或形變異常分布的“空區(qū)”。震前震中區(qū)域的傾斜、重力年變化幅度在震前2－3年不是增大，而是減小。

與位于同一斷裂帶汶川地震前的形變異常分布相比，蘆山地震前觀測到的形變“空區(qū)”與汶川地震前觀測到的近震源區(qū)形變特征是一致的。

蘆山地震及汶川地震前短期內(nèi)形變變化特征，為地震預報提供了新的思路。突出的形變異常變化是重要的指標，但往往不是未來強地震活動的區(qū)域；在突出形變異常所圍成的區(qū)域內(nèi)，如沒有顯著的形變異常變化，則可能是未來強地震發(fā)生的區(qū)域。

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On the Weak Deformation Area Prior to the Lushan7.0 Earthquake

Niu Anfu, Zhang Lingkong, Yan Wei, Zhao Jing and Ji Ping

(ChinaEarthquake Networks Center, Beijing100045, China)

Since 1970’s earthquake prediction based on the monitoring pre-slip of faults near the epicenter has been carried at home and abroad. In recent years, there still exists a huge controversy regarding pre-seismic deformation changes nearby some great earthquake epicenters. In this paper, cross-fault and continuous deformation data around Lushan earthquake area were analyzed, and temporal evolution of anomalies were discussed. Our results show that (1) Some significant anomalies, observed at Xianshuihe, Anninghe and Zemuhe faul, distributed in an area away from the epicenter of the Lushan earthquake; (2) In the near source region, the fault leveling at southern section of the Longmenshan fault had changed at minimal level, in the intersection of Xianshuihe, Longmen and Anninghe-Zemuhe faults, no significant abnormal changes were observed by tilt, strain, gravity, fault leveling and fault creep, which is defined as a weak deformation area in this study. The spatial-temporal evolution of deformation anomalies prior to Lushan earthquake provides a new thinking for earthquake prediction.

Lushan earthquake；Near source region；Continuous deformation；Cross-fault；Weak deformation area；Earthquake prediction

1基金項目國家科技支撐項目專題（2012BAK19B02，2012BAK19B03），地震行業(yè)項目（201108009）聯(lián)合資助

2013-06-15

牛安福，男，生于1964年。博士，研究員。主要研究方向：地形變化機理。E-mail：niuanfu0l@sina.com

牛安福，張凌空，李媛，閆偉，趙靜，吉平，2013. 蘆山M7.0級地震前的形變空區(qū)特征研究. 震災防御技術，8（4）：311—320.