牛安福 張凌空 章靜 閆偉 趙靜 岳沖 苑爭一

中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

地形變前兆觀測的初衷在于發(fā)現(xiàn)地震破裂前幾天可能出現(xiàn)的預(yù)滑動(dòng)，進(jìn)而進(jìn)行地震預(yù)測。而諸多觀測事實(shí)表明，震中區(qū)附近臨震前可能很難記錄到顯著的形變異常變化，一些學(xué)者因此提出了最小前兆距離的概念(Takemoto，1991；牛安福，2017)。震前在哪些區(qū)域可記錄到顯著的異常變化？最遠(yuǎn)距離能有多遠(yuǎn)？如何建立震前遠(yuǎn)場前兆異常與地震之間的聯(lián)系？這些均是認(rèn)識(shí)地震過程及進(jìn)行地震預(yù)測研究過程中面臨的最為重要的問題，這些問題以往多局限于“經(jīng)驗(yàn)”而鮮有人開展相關(guān)研究。

各種震前異常與地震之間總存在一定的時(shí)間差，因而，前兆與地震之間的聯(lián)系總有一定的不確定性。正因如此，自開展前兆觀測以來，國際上關(guān)于前兆問題的爭論一直未曾中斷(Mortensen et al，1976；Takemoto，1991；Linde et al，1992；Bakun et al，2005；Bilham，2005；Amoruso et al，2010；孫文科，2012)。面對(duì)不斷持續(xù)的爭論，牛安福(2005)提出了地震短期、短臨預(yù)測面臨的“最后一分鐘”問題，并希望通過建立震前形變異常特征與地震三要素之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)前兆與地震之間的“無縫連接”。牛安福(2007)借助中國大陸連續(xù)形變觀測結(jié)果，對(duì)典型的突變形變異常進(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)持續(xù)時(shí)間在1～4天的加速異常是一類重要的短臨前兆。在四川省攀枝花基準(zhǔn)臺(tái)觀測到地傾斜、地應(yīng)力發(fā)生1～4天突變異常后，本地區(qū)沒有較強(qiáng)的地震活動(dòng)，而10天內(nèi)在千千米之外的甘肅、青海地區(qū)常發(fā)生6級(jí)左右地震，且對(duì)應(yīng)率達(dá)12/13。這種現(xiàn)象看似很離譜，但其中包含了深刻的科學(xué)意義。首先，地形變短期變化不只是反映了本地變形的狀態(tài)，還可能是一種可以在地殼深部進(jìn)行長距離傳遞的構(gòu)造力，即地應(yīng)力波(牛安福，2017)；其次，盡管攀枝花基準(zhǔn)臺(tái)距離地震震中普遍較遠(yuǎn)，但震中距分布較為規(guī)律，發(fā)震時(shí)間也較為集中，因此，研究這些現(xiàn)象對(duì)于地震短臨預(yù)測可能是很有意義的。

本文結(jié)合汶川地震前記錄到的一些顯著形變異常，借助構(gòu)建形變異常特征與地震發(fā)生時(shí)間、震中距及震級(jí)間的統(tǒng)計(jì)模型，探討震前異常與汶川地震之間的潛在聯(lián)系。

1 地形變前兆分布的廣泛性

Mogi(1993)在對(duì)前兆進(jìn)行分類時(shí)，提出了時(shí)空分布圖的模式，該模式將發(fā)震斷層及周邊介質(zhì)對(duì)地震孕育過程的作用進(jìn)行了刻畫。按區(qū)域?qū)⑶罢追譃?種：①震中區(qū)附近短臨地震前兆，主要反映地震斷層未破裂前，在應(yīng)力作用下的加速過程；②遠(yuǎn)離震源區(qū)的短期前兆，主要由地震斷層的形變引起，反映震源區(qū)與遠(yuǎn)場區(qū)能量交換間的動(dòng)力學(xué)聯(lián)系；③與形變、應(yīng)變積累有關(guān)的長期前兆，如膨脹、非震斷層的延續(xù)性滑動(dòng)、震源區(qū)地震斷層的長期粘滑、應(yīng)力集中區(qū)的局部破裂及斷層滑動(dòng)等，這些異常主要分布在較大的區(qū)域內(nèi)。

通過對(duì)點(diǎn)源或靜力位錯(cuò)源引起的形變場進(jìn)行計(jì)算，得出地傾斜、應(yīng)變等隨震中距的立方成反比衰減，在距震中約10倍震源體半徑的地方，地傾斜、應(yīng)變衰減到10-9以下。依據(jù)地傾斜、應(yīng)變觀測精度及地震破裂尺度，5級(jí)地震前兆的發(fā)生距離認(rèn)定為100km，6級(jí)地震為200km，7級(jí)地震為350km。目前，這種關(guān)聯(lián)方法應(yīng)用較為廣泛，但長期應(yīng)用結(jié)果表現(xiàn)出的前兆與地震關(guān)系的復(fù)雜性也限制了地震預(yù)測能力的提升。這種方法采用的是距離約束、而時(shí)間不受約束的思路，即靜力學(xué)思路。

事實(shí)上，由于儀器觀測頻響等特征及地殼變形的動(dòng)力學(xué)特性，依據(jù)距離約束、而時(shí)間不受約束的思路來認(rèn)識(shí)與地震相關(guān)的變形過程是受局限的。地形變短期變化不同于構(gòu)造變形，它是一種波動(dòng)，可以是斷層速度依賴摩擦滑動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)或無震滑動(dòng)(繆阿麗等，2012)，也可以是成核過程中斷層滑動(dòng)導(dǎo)致的非穩(wěn)態(tài)脆性破裂(Das et al，1981；朱守彪等，2009)，即地震。兩種情況均離不開地殼深部物質(zhì)流動(dòng)引起的應(yīng)力場擾動(dòng)，該擾動(dòng)包括了斷層預(yù)滑動(dòng)的信息，且為驅(qū)動(dòng)斷層預(yù)滑動(dòng)的動(dòng)力。

現(xiàn)代地形變觀測實(shí)際上是各種周期波通過傾斜儀、應(yīng)變儀、重力儀和斷層儀等增益后的累積，在采樣率及精度較高的情況下可記錄到地球潮汐、同震地震波及地殼深部應(yīng)力擾動(dòng)?？蓪⑵湫畔⒎纸鉃?個(gè)部分：①與構(gòu)造活動(dòng)變形可能有關(guān)的信息或一些長期變化，用Ss表示；②與地震孕育成核過程可能相關(guān)的短臨前兆信息，用Sn表示，最小地震前兆距離范圍內(nèi)可能觀測不到該信息；③地殼內(nèi)存在的應(yīng)力波，用Sw表示；④觀測儀器、場地環(huán)境及氣象環(huán)境等變化引起的干擾，用Sd表示。故S可表示為

S=Ss+Sn+Sw+Sd

(1)

式中，Ss+Sn表示觀測場地附近發(fā)生的長期和短期變化的信息，由于儀器頻響限制，該部分可能較弱；Sd表示形變觀測場地、觀測儀器響應(yīng)、觀測環(huán)境及氣象環(huán)境變化等因素的影響；Sw則表示地殼內(nèi)部存在的多種周期地應(yīng)力波的作用。

基于地殼內(nèi)軟流層物質(zhì)流動(dòng)引起的應(yīng)力應(yīng)變變化，20世紀(jì)70年代國際上出現(xiàn)了長周期地形變波或地應(yīng)力波的概念，并引起了廣泛的關(guān)注。許多學(xué)者就地形變波的存在、檢測及發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了研究(Bott et al，1973；Anderson，1975；Scholz，1977；笠原太一，1984；Meyer et al，1988；馮德益等，1993；牛安福等，1995；牛安福，2017；王繩祖等，2000；Takahashi et al，2005)。自Molnar等(1975、1978)和Tapponnier等(1976)提出板塊內(nèi)部滑移線和巖石圈下層流動(dòng)傳力的概念后，關(guān)于地殼和殼內(nèi)軟流層的流動(dòng)性已被學(xué)者接受，并用于構(gòu)建大陸地殼運(yùn)動(dòng)的塑性流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)給出了地殼內(nèi)部應(yīng)力波傳遞的路徑，其直接影響著中國大陸的地殼變形與地震活動(dòng)(羅灼禮等，1995；王繩祖等，2000)。

因此，地形變觀測到的各種異常在排除干擾后，均可以歸結(jié)為地應(yīng)力波。地應(yīng)力波存在的意義在于時(shí)效性，即某個(gè)觀測點(diǎn)記錄到地應(yīng)力波后，通常會(huì)在一定時(shí)間段內(nèi)觸發(fā)相應(yīng)震級(jí)的地震，地震發(fā)生后，地應(yīng)力波的作用即消除。在此基礎(chǔ)上建立起來前兆異常與地震間的關(guān)系，即滿足時(shí)間約束，而距離不受條件約束。盡管距離可能較遠(yuǎn)，但仍可能找到距離及震級(jí)分布的規(guī)律，從而有利于地震三要素的預(yù)測。

2 汶川地震前顯著形變異常與地震的相關(guān)性討論

為研究形變前兆異常與地震之間的相關(guān)性，依據(jù)時(shí)間約束、距離不受約束的思路，提出地震發(fā)生的最小等待時(shí)間準(zhǔn)則。異常A結(jié)束后，某一時(shí)間段T0內(nèi)、震級(jí)大于某一水平M0的首發(fā)地震作為一組相關(guān)地震，可描述為

Ec={E1:E，T≤T0&M≥M0|A}

(2)

式中，A表示形變異常事件。對(duì)于短期應(yīng)力波震前變化，取T0=90天，M0=6.0。

對(duì)于形變異常與相關(guān)地震，可建立異常統(tǒng)計(jì)特征與地震震級(jí)、震中距之間的關(guān)系(牛安福，2003)。利用給出的關(guān)系，可進(jìn)一步修正相應(yīng)的模型，其中一個(gè)關(guān)系模型即為

M=1.36lgT+0.543lg(D/D0)+4.161+ε1

(3)

式中，誤差項(xiàng)ε1服從正態(tài)分布，其均方差σ(ε1)=0.28；D0表示地殼內(nèi)部地應(yīng)力波傳播中的半波長，約為290km。

Niu等(2020)應(yīng)用式(3)作為判別形變異常與地震關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)則。對(duì)于每一項(xiàng)異常，在獲取異常持續(xù)時(shí)間信息后，應(yīng)用異常點(diǎn)與目標(biāo)地震間的距離，即可給出相應(yīng)的震級(jí)估值，若震級(jí)估值與目標(biāo)地震的震級(jí)差小于2倍震級(jí)擬合均方差，即認(rèn)為異常與地震95%信度相關(guān)。

汶川地震前，在遠(yuǎn)離震中近千千米的紅柳峽斷層水準(zhǔn)場地觀測到顯著異常(圖1)，該場地位于祁連山地震帶上，與汶川地震無直接關(guān)聯(lián)。在異常發(fā)生后一段時(shí)間內(nèi)，斷層場地周邊并沒有相應(yīng)震級(jí)的地震活動(dòng)，因此，關(guān)于紅柳峽斷層場地水準(zhǔn)異常變化的意義一直沒有得到很好的解釋。

圖1 汶川地震、九寨溝地震震前紅柳峽水準(zhǔn)異常虛框表示異常時(shí)段；箭頭表示地震發(fā)生時(shí)刻

紅柳峽場地水準(zhǔn)觀測始于1979年，觀測周期不固定，最初10年為1次/年，1989—2003年為3次/年，2004—2008年為6次/年，2009年以后改為3次/年。該觀測場地有4個(gè)測量端點(diǎn)，其中E端點(diǎn)和S端點(diǎn)近于垂直斷層。與其他測段水準(zhǔn)變化相比，該測段異常特征較為顯著，易于識(shí)別。汶川地震前，在相對(duì)較平穩(wěn)的背景上，2007年5月—2008年1月間該測段異常持續(xù)9個(gè)月，幅度達(dá)2.2mm。類似的異常在2017年九寨溝7.0級(jí)地震前也出現(xiàn)過，在2016年7月—2016年11月間，觀測值突破原來逐漸下降的趨勢，快速轉(zhuǎn)向上升，持續(xù)時(shí)間4個(gè)月，幅度達(dá)到3.2mm。在2016年11月發(fā)現(xiàn)顯著的異常變化時(shí)進(jìn)行了復(fù)測，變化量值仍然在3.2mm左右，之后每2個(gè)月加測一次，直到2017年8月8日九寨溝7.0級(jí)地震前。

該斷層場地距離汶川地震與九寨溝地震分別為1150km和950km，作為前兆已超出了傳統(tǒng)意義上的理解。這樣的變化意味著什么？很少有學(xué)者去探討分析其發(fā)生的機(jī)理與汶川地震、九寨溝地震之間的聯(lián)系。

依據(jù)紅柳峽水準(zhǔn)異常特征及震中距，應(yīng)用式(2)分別給出了汶川地震震級(jí)估值為7.79、九寨溝地震震級(jí)估值為7.27，與實(shí)際地震震級(jí)誤差均在2倍擬合均方差內(nèi)。由此可判斷，紅柳峽水準(zhǔn)2次顯著異常與汶川地震和九寨溝地震具有一定相關(guān)性。

3 遠(yuǎn)場形變前兆變化的動(dòng)力學(xué)意義

板塊構(gòu)造說認(rèn)為地幔對(duì)流是板塊運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制。地幔由高溫的熱物質(zhì)組成，由于地幔內(nèi)部存在密度和溫度的差異，導(dǎo)致固態(tài)物質(zhì)也可以發(fā)生流動(dòng)。地幔對(duì)流是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它既是一種熱傳導(dǎo)方式，又是一種物質(zhì)流的運(yùn)動(dòng)。地幔對(duì)流可以從核幔邊界上升至巖石圈底部，形成全地幔對(duì)流環(huán)；也可以分層對(duì)流，即上、下地幔分別形成對(duì)流環(huán)。

受地幔對(duì)流影響，地殼在長期應(yīng)力作用下可以發(fā)生塑性流動(dòng)，由于造山運(yùn)動(dòng)與火山活動(dòng)而增高，在重力作用下發(fā)生側(cè)向滑動(dòng)，并向海洋侵入。Tapponnier等(1976、1977)采用滑移線場模擬了亞洲大陸構(gòu)造，以印度作為沖壓地塊，許多巨大的走向滑移斷層均可由滑移線擬合。結(jié)合6級(jí)以上地震震中分布、強(qiáng)震地表破裂帶和震源機(jī)制解以及活動(dòng)構(gòu)造資料等，羅灼禮等(1995)勾畫了中國大陸及鄰區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造滑移線，其作為最大剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變集中釋放的區(qū)帶，控制了地震活動(dòng)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的空間分布格架。王繩祖等(2000)同樣也給出了中國大陸塑性流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，塊體邊界基本上均為重要的滑移線，滑移線場分布展示了地殼深部物質(zhì)流動(dòng)或應(yīng)力波傳播的主要通道。

騰吉文等(2008)針對(duì)汶川地震發(fā)生前未見可能的確切征兆或淺表層異?；顒?dòng)，即淺層過程與地震發(fā)生的深層過程并不匹配現(xiàn)象，對(duì)這次強(qiáng)烈地震孕育、發(fā)生和發(fā)展的深層過程進(jìn)行了分析和探討，初步研究表明在印度洋板塊與歐亞板塊陸陸碰撞、擠壓作用下，喜馬拉雅造山帶東構(gòu)造結(jié)向NNE方向頂擠、楔入青藏高原東北緣，迫使高原深部物質(zhì)向東流展，同時(shí)由于中、下地殼和地幔蓋層物質(zhì)以地殼低速層、低阻層(深20～25km)為第一滑移面，以上地幔軟流層頂面為第二滑移面，在四川盆地深部“剛性”物質(zhì)阻隔下，地殼深部物質(zhì)以高角度在龍門山斷裂相遇，觸發(fā)地震。

物質(zhì)流動(dòng)對(duì)汶川地震的影響可借助流體的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行模擬，在底部邊界上翹或通道變窄的情況下，或產(chǎn)生較顯著的變形，或觸發(fā)強(qiáng)震的發(fā)生(Niu et al，2020)。這與巖石破裂實(shí)驗(yàn)及理論結(jié)果一致(Das et al，1981；朱守彪等，2009；繆阿麗等，2012)。

從構(gòu)造上看，汶川地震、九寨溝地震與紅柳峽水準(zhǔn)觀測點(diǎn)不在同一個(gè)塊體上，但從重力分布(申重陽等，2009)及滑移線分布(王繩祖等，2000)來看，其均位于地殼深部物質(zhì)易于流動(dòng)的通道上，這個(gè)通道應(yīng)是應(yīng)力傳遞最重要、最快捷的途徑。

4 結(jié)論與討論

前兆與地震的相關(guān)性判別問題是地震研究的基礎(chǔ)問題，長期以來對(duì)該問題的處理主要依賴專家經(jīng)驗(yàn)。在對(duì)形變觀測原理、觀測影響因素及震例進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)自然環(huán)境下的變形特點(diǎn)不同于有限尺度巖體的變形，前兆也不是我們想象中的前兆。

傳統(tǒng)意義上對(duì)地形變觀測前兆的理解通常將其與斷層的穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)、非穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)及破裂成核過程聯(lián)系起來(Dieterich，1979；Das et al，1981；朱守彪等，2009；繆阿麗等，2012)。而日積月累的觀測事實(shí)表明，斷層穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)或無震滑動(dòng)不是過程的結(jié)束，而是地應(yīng)力波傳遞路徑中的一個(gè)信息窗口。在斷層出現(xiàn)無震滑動(dòng)時(shí)，盡管所在斷層通常不會(huì)發(fā)生預(yù)期地震，但很有可能短時(shí)間內(nèi)在另一相關(guān)斷層上發(fā)生大地震，一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)(馬瑾等，2002)。

由于地殼應(yīng)力場變化的波動(dòng)性，一些顯著的應(yīng)力應(yīng)變異常點(diǎn)通常遠(yuǎn)離震中。對(duì)于近距離(如200km尺度)異常與地震間的相關(guān)性通常容易被接受，但距離地震較遠(yuǎn)的異常，其與地震之間的相關(guān)性則必須依據(jù)一定的相關(guān)性判別準(zhǔn)則進(jìn)行判斷。本文對(duì)紅柳峽斷層水準(zhǔn)異常與汶川地震、九寨溝地震的相關(guān)性進(jìn)行了探討，盡管其中還有不少問題需要論證，但至少給出了前兆問題研究的一個(gè)拓展方向。

致謝：感謝一審稿人查閱了作者幾乎所有相關(guān)文章，并提出了一些建設(shè)性的修改意見。