黃浩 付虹

1)青海省地震局，西寧 810001 2)云南省地震局，昆明 650224

0 引言

2016年1月21日01時(shí)13分，青海省海北藏族自治州門(mén)源縣發(fā)生6.4級(jí)地震，震中位置(37.7°N，101.6°E)，震源深度10km(以下簡(jiǎn)稱門(mén)源地震)。門(mén)源地震震中位于青藏高原東北緣冷龍嶺斷裂北側(cè)，距離1927年古浪8.0級(jí)地震震中約55km，是繼1986年門(mén)源6.5級(jí)地震之后該區(qū)域發(fā)生的又一次破壞性地震。

門(mén)源地震前跟蹤的短臨前兆異常僅有5項(xiàng)，均為定點(diǎn)形變或地下流體顯著異常變化(馬玉虎等，2017)，而震后的研究則發(fā)現(xiàn)更多短期異常。陳為濤等(2017)基于震前GPS時(shí)間序列研究表明，2010年以來(lái)發(fā)震區(qū)域一直處于應(yīng)變的擠壓縮減狀態(tài)，震前2～3個(gè)月出現(xiàn)可能為臨界破裂狀態(tài)的非線性調(diào)整。馮蔚(2016)通過(guò)對(duì)垂直于門(mén)源地震發(fā)震斷層面的3個(gè)GPS臺(tái)站時(shí)間序列研究發(fā)現(xiàn)，震前55天3個(gè)臺(tái)站東北方向的運(yùn)動(dòng)幅度增強(qiáng)，與門(mén)源地震NW向斷層逆沖破裂的構(gòu)造動(dòng)力作用方向一致，顯示門(mén)源地震前震源區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)存在應(yīng)力增強(qiáng)的現(xiàn)象。左可楨等(2018)研究發(fā)現(xiàn)震源區(qū)的應(yīng)力降在震前半年左右出現(xiàn)2次高值異常，與門(mén)源地震有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。張?jiān)?2017)和鄒銳等(2018)基于祁連山主動(dòng)源觀測(cè)資料的Pg和Sg震相走時(shí)分析，發(fā)現(xiàn)門(mén)源地震前約6個(gè)月震源區(qū)的地殼速度發(fā)生了改變，可能與區(qū)域應(yīng)力積累間存在一定的關(guān)系。

前人研究結(jié)果表明，門(mén)源地震前2～6個(gè)月震源區(qū)存在應(yīng)力增強(qiáng)現(xiàn)象。諸多學(xué)者采用視應(yīng)力研究中強(qiáng)地震前的應(yīng)力增強(qiáng)現(xiàn)象，秦嘉政等(2006)對(duì)云南地區(qū)地震視應(yīng)力的研究發(fā)現(xiàn)，大姚6.2級(jí)地震主震前，視應(yīng)力出現(xiàn)了達(dá)到5倍平均值的高值變化，主震及附近地區(qū)具有相對(duì)較高的視應(yīng)力；鄭建常等(2006)研究了2004年11月ML4.1地震前1.0≤ML≤1.9地震的視應(yīng)力演化過(guò)程，結(jié)果顯示ML4.1地震前應(yīng)力增強(qiáng)變化不明顯；陳學(xué)忠等(2007)研究了2006年7月4日河北文安5.1級(jí)地震前震區(qū)形成的ML1.5地震空區(qū)的視應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)空區(qū)的形成伴隨著應(yīng)力增強(qiáng)的過(guò)程，這一發(fā)現(xiàn)可能具有預(yù)測(cè)意義；劉紅桂等(2007)研究了1999年7月～2005年4月云南地區(qū)1020次中小地震的視應(yīng)力，認(rèn)為云南地區(qū)的地震視應(yīng)力具有較好的預(yù)測(cè)意義，中小地震的視應(yīng)力超過(guò)0.9MPa時(shí)可作為預(yù)測(cè)中強(qiáng)地震的1個(gè)參考指標(biāo)；易桂喜等(2011)對(duì)2008年汶川8.0地震前龍門(mén)山-岷山構(gòu)造帶地震視應(yīng)力和地震活動(dòng)性參數(shù)的研究表明，龍門(mén)山斷裂帶南西段的應(yīng)力積累水平明顯低于中-北段，可能與汶川主震破裂沿?cái)嗔褞е?北段呈NE向單側(cè)擴(kuò)展有關(guān)；李艷娥等(2012)的研究結(jié)果也表明，汶川8.0級(jí)地震前5年，震區(qū)的應(yīng)力顯示了清晰的上升—下降過(guò)程，且在臨震前有一定幅度的上升；陳麗娟等(2017)對(duì)2017年四川九寨溝7.0級(jí)地震前甘南地區(qū)視應(yīng)力研究結(jié)果表明，距離震中較近的舟曲和文縣等地存在視應(yīng)力高值異常，視應(yīng)力隨時(shí)間演化表現(xiàn)為“震前幾年長(zhǎng)時(shí)間升高—臨震前幾個(gè)月下降”；彭關(guān)靈等(2018)研究2018年云南通海5.0級(jí)地震前視應(yīng)力后發(fā)現(xiàn)，震前15.6個(gè)月、距離震中約46km出現(xiàn)視應(yīng)力高值異常區(qū)域。

為了進(jìn)一步研究門(mén)源地震前震源區(qū)的應(yīng)力增強(qiáng)現(xiàn)象，本文使用中國(guó)地震科學(xué)臺(tái)陣探測(cè)項(xiàng)目的觀測(cè)資料，計(jì)算門(mén)源地震前約2年震源區(qū)的地震視應(yīng)力，分析震源區(qū)地震視應(yīng)力時(shí)空演化特征及門(mén)源6.4級(jí)地震前是否存在視應(yīng)力異常，通過(guò)可信度高的視應(yīng)力異常和前兆異常分析門(mén)源6.4級(jí)地震前應(yīng)力增強(qiáng)現(xiàn)象，探討通過(guò)結(jié)合測(cè)震學(xué)異常和前兆異常的不同優(yōu)勢(shì)來(lái)預(yù)測(cè)地震的可能。

1 資料選取

本文使用中國(guó)地震科學(xué)臺(tái)陣第二期在青海和甘肅布設(shè)的流動(dòng)地震臺(tái)陣所觀測(cè)到的小震波形資料，研究觀測(cè)時(shí)間段為2014年3月～2016年1月，共涉及流動(dòng)臺(tái)站38個(gè)，收集到190次ML≥1.5地震事件(圖1)，其中1.5≤ML≤1.9地震102次、2.0≤ML≤2.9地震81次、3.0≤ML≤3.9地震7次。研究區(qū)數(shù)據(jù)采集使用地震計(jì)型號(hào)為CMG-3T(120s)，數(shù)采型號(hào)為Reftek130-B，采樣率為100Hz。

圖 2為流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測(cè)2015年11月18日甘肅天祝ML1.5地震(發(fā)震時(shí)刻：2015年11月18日06時(shí)33分04秒，震中位置：37.48°N，102.71°E，震源深度7km)的垂直向波形，62024臺(tái)、62025臺(tái)、63012臺(tái)和62030臺(tái)的震中距分別為16km、31km、56km和66km，為了展示波形細(xì)節(jié)特征，選取了各臺(tái)P波初至前1s至后9s的波形，可以看出本次ML1.5地震信噪比高、震相記錄清晰，表明本文使用的地震事件的波形質(zhì)量滿足視應(yīng)力研究的需要。

圖 1 中國(guó)科學(xué)臺(tái)陣的臺(tái)站及其記錄的ML≥1.5地震分布(2014-03～2016-01)彩色實(shí)心圓代表視應(yīng)力計(jì)算結(jié)果符合篩選原則的105次地震；灰色實(shí)心圓代表視應(yīng)力計(jì)算結(jié)果不符合篩選原則的85次地震

圖 2 2015年11月18日甘肅天祝ML1.5地震的垂直向波形

2 方法

在彈性力學(xué)框架下，原則上是不可能由地震資料得到應(yīng)力大小的。然而在一些合理假設(shè)的前提下，可由地震資料得到關(guān)于應(yīng)力大小的某種有物理意義的估計(jì)，如視應(yīng)力(Wyss et al，1968；Wyss，1970)，視應(yīng)力與引起地震滑動(dòng)的平均應(yīng)力水平之間，可通過(guò)地震波輻射效率建立聯(lián)系，這一概念近年來(lái)已得到越來(lái)越多的野外實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)果的證實(shí)(McGarr，1999)。

地震視應(yīng)力σapp(Wyss et al，1968)是表征震源區(qū)應(yīng)力水平的物理量，地震視應(yīng)力可作為區(qū)域絕對(duì)應(yīng)力水平的下限估計(jì)(吳忠良等，2002)，其定義為

(1)

式中，ES為地震波輻射能量；M0為地震矩；μ為震源區(qū)介質(zhì)剪切模量，通常取3.0×104MPa。

利用波形數(shù)據(jù)計(jì)算地震能量和地震矩時(shí)，首先將波形數(shù)據(jù)進(jìn)行去傾處理，然后進(jìn)行傅立葉變換得到觀測(cè)譜。在近震源條件下，震源距較小，可以忽略非彈性衰減的影響，通過(guò)儀器響應(yīng)和幾何擴(kuò)散校正得到震源譜。若忽略非彈性衰減，震源譜可以表示為(Jimenez et al，2005)

(2)

式中，Ω0為震源譜零頻極限值，fc為拐角頻率。由Ω0和fc確定震源譜的具體方法參考相關(guān)文獻(xiàn)(陳學(xué)忠等，2007)。

地震矩M0可以根據(jù)下式求得(Brune，1970)

(3)

式中，ρ為地殼介質(zhì)密度(取2.71g/cm3)；υ為波速(S 波取 3.5km/s)；d為震源距；R為輻射因子，可用均方根代替(S波取為0.63)(Aki et al，1980)。

地震輻射能量可由對(duì)速度譜的平方積分求得(Andrews，1986)

(4)

式中，V(f)為速度譜。根據(jù)上述方法，得到每個(gè)臺(tái)站的地震矩M0、地震波輻射能量ES，即可根據(jù)式(1)對(duì)各臺(tái)站視應(yīng)力求平均，并消除個(gè)別臺(tái)站的異常高值對(duì)平均值的影響(Archuleta et al，1982)，最終得到地震視應(yīng)力。

3 計(jì)算結(jié)果及時(shí)空特征

在研究區(qū)域記錄到了大量高質(zhì)量的觀測(cè)資料，為了保證計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，計(jì)算時(shí)按照以下原則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選：臺(tái)站震中距小于80km、波形信噪比高、震相清晰、震源譜頻譜特征符合Brune模型的臺(tái)站數(shù)據(jù)。按照上述原則計(jì)算了190次地震視應(yīng)力，選擇至少4個(gè)臺(tái)站參與計(jì)算的事件，最終獲得了105次中小地震的視應(yīng)力。

3.1 視應(yīng)力時(shí)間特征

視應(yīng)力在不同時(shí)段存在明顯差別，即2014年3月23日～2015年1月12日的視應(yīng)力顯著低于2015年1月13日～2016年1月20日(圖3、4)。視應(yīng)力與震級(jí)存在一定的相關(guān)性，為了分辨不同震級(jí)對(duì)視應(yīng)力差異的影響，將視應(yīng)力劃分為2個(gè)時(shí)段為震級(jí)與視應(yīng)力進(jìn)行擬合。

圖 3 選取資料M-T(a)和視應(yīng)力時(shí)序圖(b)黑色箭頭為門(mén)源地震前的5項(xiàng)前兆異常

圖 4 不同時(shí)段視應(yīng)力與震級(jí)的關(guān)系

采用指數(shù)逼近來(lái)擬合震級(jí)與視應(yīng)力之間的關(guān)系，2014年3月23日～2015年1月12日的震級(jí)-視應(yīng)力擬合關(guān)系為

σapp=0.05209·e(0.892·ML)

R-square=0.39，RMSE=0.21

(5)

2015年1月13日～2016年1月20日的震級(jí)-視應(yīng)力擬合關(guān)系為

σapp=0.01553·e(1.659·ML)

R-square=0.74，RMSE=0.40

(6)

式中，R-square(確定系數(shù))通過(guò)數(shù)據(jù)的變化來(lái)表征擬合的好壞，正常取值范圍為[0，1]，R-square越接近1，表明模型對(duì)數(shù)據(jù)擬合越好；RMSE為均方根誤差。

2014年3月23日～2015年1月12日視應(yīng)力的R-square不夠理想，原因?yàn)槎啻?.0≤ML≤2.4地震視應(yīng)力明顯高于擬合關(guān)系，經(jīng)數(shù)據(jù)檢查和多次重復(fù)計(jì)算，確認(rèn)這些地震的視應(yīng)力可靠；2015年1月13日～2016年1月20日的視應(yīng)力擬合曲線顯著高于2014年3月23日～2015年1月12日(圖4)，表明門(mén)源6.4級(jí)地震前1年研究區(qū)域的視應(yīng)力顯著高于震前1年9個(gè)月至震前1年。2個(gè)時(shí)段的均方根誤差分別為0.21和0.40，顯示2個(gè)時(shí)段視應(yīng)力的離散值較小，具有較好的誤差水平。

此外，門(mén)源傾斜、平安水溫、湟源傾斜、嘉峪關(guān)與貴德加卸載響應(yīng)比和樂(lè)都?xì)怆钡?項(xiàng)短臨前兆異常出現(xiàn)在門(mén)源地震前7個(gè)月至震前1個(gè)月的時(shí)段內(nèi)，可以看出視應(yīng)力整體相對(duì)增強(qiáng)的時(shí)間早于6項(xiàng)前兆異常出現(xiàn)的時(shí)間(圖3(b))，震前1個(gè)月內(nèi)視應(yīng)力的相對(duì)增強(qiáng)和湟源傾斜、嘉峪關(guān)與貴德加卸載響應(yīng)比和樂(lè)都?xì)怆钡?項(xiàng)，前兆異常顯示較同步變化，表明門(mén)源6.4級(jí)地震前測(cè)震學(xué)異常和前兆異常的時(shí)間演化特征呈同步性。

3.2 視應(yīng)力空間特征

為了在一定程度上減小震級(jí)對(duì)視應(yīng)力的影響，動(dòng)態(tài)地討論視應(yīng)力空間異常分布特征，將2014年3月23日～2015年1月12日的震級(jí)-視應(yīng)力擬合關(guān)系做為背景值(σapp=0.05209·e(0.892·ML))，將2014年3月23日～2015年1月12日和2015年1月13日～2016年1月20日的視應(yīng)力減去背景值，得到基于相同背景值的2個(gè)時(shí)段的規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力。規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力的空間分布顯示(圖5)，2014年3月23日～2015年1月12日空間上的異常不明顯；2015年1月13日～2016年1月20日視應(yīng)力存在2個(gè)明顯的高值異常區(qū)，分別位于甘肅肅南皇城-雙塔斷裂附近和青海門(mén)源蘇吉灘鄉(xiāng)達(dá)坂山斷裂-托萊山斷裂之間。

圖 5 2016年門(mén)源6.4級(jí)地震前規(guī)準(zhǔn)化視應(yīng)力空間分布(a)2014年3月23日～2015年1月12日;(b)2015年1月13日～2016年1月20日

4 前兆異常分析

震例研究表明，門(mén)源水平和垂直擺傾斜、湟源鉆孔傾斜、德令哈水溫、平安靜水位、樂(lè)都逸出氣氡和嘉峪關(guān)及貴德地磁加卸載響應(yīng)比在2016年門(mén)源6.4級(jí)地震前存在短臨變化(馬玉虎等，2017)。前兆異?？臻g分布范圍相對(duì)本文研究區(qū)域較大，僅門(mén)源傾斜位于本文研究區(qū)域內(nèi)(圖6)。為了更全面地分析2016年門(mén)源6.4級(jí)地震的前兆異常，簡(jiǎn)要介紹上述前兆異常變化情況。

圖 6 本文研究區(qū)域與2016年門(mén)源6.4級(jí)地震前兆異常分布

4.1 門(mén)源傾斜

門(mén)源鉆孔應(yīng)變觀測(cè)和門(mén)源水平擺傾斜和垂直擺傾斜距離2016年門(mén)源6.4級(jí)地震最近，僅31km，門(mén)源鉆孔應(yīng)變觀測(cè)自2012年7月10日開(kāi)始快速壓性變化，2012年10月轉(zhuǎn)折壓性速率明顯減緩，2015年8月20日再次出現(xiàn)加速壓性變化，呈現(xiàn)長(zhǎng)期呈壓性變化趨勢(shì)。

在門(mén)源鉆孔應(yīng)變呈現(xiàn)擠壓變化的長(zhǎng)期背景下，同臺(tái)觀測(cè)的門(mén)源水平擺傾斜和垂直擺傾斜于2015年8月18日出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化，其中，水平擺傾斜NS向呈北傾、EW向呈東傾，垂直擺傾斜NS向呈南傾、EW向呈東傾，8月27日后均回返，2016年1月21日發(fā)生門(mén)源6.4級(jí)地震，同步轉(zhuǎn)折變化出現(xiàn)在震前5個(gè)月左右(圖7、8)。

圖 7 門(mén)源水平擺傾斜整點(diǎn)值曲線

圖 8 門(mén)源水垂直擺傾斜整點(diǎn)值曲線

4.2 湟源鉆孔傾斜

湟源鉆孔傾斜觀測(cè)距震中130km，2015年11月NS向呈較為顯著的轉(zhuǎn)折變化，12月中旬出現(xiàn)顯著的南傾尖點(diǎn)變化，之后呈現(xiàn)大幅度的北傾變化(圖9)，直至2016年1月21日門(mén)源6.4級(jí)地震發(fā)生，該異常具有短臨性質(zhì)。

圖 9 湟源鉆孔傾斜整點(diǎn)值曲線

4.3 平安靜水位

平安靜水位距震中128km，2014年平安靜水位呈較為完整的年變形態(tài)，2015年9月23日靜水位打破原來(lái)下降趨勢(shì)，出現(xiàn)破年變異常，2016年1月21日發(fā)生門(mén)源6.4級(jí)地震。震后測(cè)值出現(xiàn)轉(zhuǎn)折下降，與往年同期趨勢(shì)相同(圖10)。

圖 10 平安靜水位整點(diǎn)值曲線

4.4 樂(lè)都逸出氣氡

樂(lè)都逸出氣氡距震中140km，2015年12月16日氣氡濃度打破正常年變形態(tài)迅速上升，持續(xù)至2016年12月21日；此后約20天內(nèi)氣氡濃度觀測(cè)值呈下降—轉(zhuǎn)折—上升變化，并于1月9日達(dá)到最高值漲幅約150Bq/L；觀測(cè)峰值出現(xiàn)約11天后發(fā)生了門(mén)源6.4級(jí)地震；震后第二天觀測(cè)值開(kāi)始下降(圖11)。

圖 11 樂(lè)都逸出氣氡整點(diǎn)值曲線

圖 12 加卸載響應(yīng)比異常圖(據(jù)李霞等(2016))閾值3.1紅色實(shí)心圓代表加卸載響應(yīng)比值超過(guò)閾值線3.1的高值超限異常

4.5 地磁加卸載響應(yīng)比

門(mén)源6.4級(jí)地震前地磁加卸載響應(yīng)比成組出現(xiàn)超限的高值(圖12)，且異常高值的空間分布相對(duì)集中于震中區(qū)域附近，震中位于異常高、低值轉(zhuǎn)換帶或過(guò)渡帶附近，表現(xiàn)出一定的時(shí)空同步性，特別是2015 年12月23日嘉峪關(guān)和貴德的加卸載響應(yīng)比值分別為6.5、3.7，出現(xiàn)最大異常的嘉峪關(guān)距離震中370km，異常出現(xiàn)29天后發(fā)生了門(mén)源6.4級(jí)地震(李霞等，2016)。岷縣-漳縣6.6級(jí)地震發(fā)生前21天，蘭州、山丹和湟源加卸載響應(yīng)比曾出現(xiàn)過(guò)高值超限異常。

5 結(jié)論與討論

基于科學(xué)臺(tái)陣項(xiàng)目高密度的觀測(cè)資料，計(jì)算了2016年門(mén)源6.4地震前約2年距震中80km范圍內(nèi)105次1.5≤ML≤3.3地震的視應(yīng)力。對(duì)比分析研究區(qū)域視應(yīng)力不同時(shí)段的時(shí)空特征，獲得以下結(jié)論：

(1)從視應(yīng)力時(shí)間演化來(lái)看，研究區(qū)域地震視應(yīng)力在門(mén)源6.4級(jí)地震前1年9個(gè)月至震前1年無(wú)明顯異常，在門(mén)源6.4級(jí)地震前1年顯著升高。視應(yīng)力顯著升高大致從2015年1月13日開(kāi)始，不同時(shí)段擬合的震級(jí)-視應(yīng)力關(guān)系清晰地顯示了視應(yīng)力升高的顯著性；地震視應(yīng)力隨時(shí)間變化特征表現(xiàn)為，震前1年視應(yīng)力明顯升高—明顯降低—臨震前2個(gè)月小幅升高。視應(yīng)力在門(mén)源6.4級(jí)地震前明顯升高的特征與視應(yīng)力在四川九寨溝7.0地震前長(zhǎng)時(shí)間升高特征相同(陳麗娟等，2017)，但在門(mén)源6.4級(jí)地震臨震階段表現(xiàn)為小幅升高，而在四川九寨溝7.0地震臨震階段表現(xiàn)為下降，不同地震前視應(yīng)力隨時(shí)間演化特征存在差異，但都存在震前長(zhǎng)時(shí)間明顯升高的特征。

(2)從視應(yīng)力空間分布特征來(lái)看，甘肅肅南皇城-雙塔斷裂附近存在顯著高值異常區(qū)。2016年門(mén)源6.4級(jí)地震是青藏高原向NE方向推擠生長(zhǎng)的表現(xiàn)，是該區(qū)域應(yīng)力積累的一次局部調(diào)整。門(mén)源6.4級(jí)地震發(fā)震斷層走向134°～143°、傾向SW、運(yùn)動(dòng)性質(zhì)以逆沖為主(雷東寧等，2018)，在NE向主壓應(yīng)力推擠中發(fā)震斷層下盤(pán)一側(cè)因呈銳角更容易積累應(yīng)力，因此甘肅肅南皇城-雙塔斷裂附近視應(yīng)力高值異常區(qū)可能與門(mén)源地震的動(dòng)力學(xué)環(huán)境和發(fā)震構(gòu)造模式有關(guān)。

(3)2016年門(mén)源6.4級(jí)地震前存在門(mén)源傾斜、湟源鉆孔傾斜、德令哈水溫、平安水位、樂(lè)都?xì)怆焙图斡P(guān)及貴德地磁加卸載響應(yīng)比等短臨異常，特別是平安水位和樂(lè)都?xì)怆逼颇曜儺惓?duì)時(shí)間預(yù)測(cè)有一定判斷，但異常集中分布在青海東部前兆觀測(cè)密集地區(qū)，對(duì)地點(diǎn)預(yù)測(cè)較難判斷。視應(yīng)力在門(mén)源6.4級(jí)地震前約1年出現(xiàn)明顯異常，異常區(qū)域空間位置可預(yù)測(cè)地點(diǎn)。

(4)視應(yīng)力的時(shí)間和空間演化特征表明，研究區(qū)域的應(yīng)力水平在震前1年得到顯著增強(qiáng)，震前1～3個(gè)月平安水位和樂(lè)都?xì)怆逼颇曜儺惓Ｒ脖砻餮芯繀^(qū)域附近應(yīng)力水平較高，這與2016年門(mén)源6.4級(jí)地震前震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是一次測(cè)震和前兆異常顯著的震例。視應(yīng)力異常可在較長(zhǎng)時(shí)間顯示高應(yīng)力水平狀態(tài)及異常區(qū)域，前兆破年變異常可以從時(shí)間緊迫時(shí)給出判斷，因此結(jié)合可信度較高的測(cè)震和前兆異常可以做出一定程度的地震預(yù)測(cè)。

致謝：中國(guó)地震局地球物理研究所李艷娥提供了視應(yīng)力程序，遼寧省地震局張博和甘肅省地震局張博完善了人機(jī)交互界面并提供了指導(dǎo)，在此一并表示感謝。