强地震前水汽中长期异常变化特征研究

陈梅花 邓志辉* 马晓静 陶京玲 王 煜

1)中国地震局地质研究所，北京 100029

2)中国地震局地震预测研究所，北京 100036

强地震前水汽中长期异常变化特征研究

陈梅花1)邓志辉1)*马晓静1)陶京玲1)王 煜2)

1)中国地震局地质研究所，北京 100029

2)中国地震局地震预测研究所，北京 100036

以川西及其邻近地区为例，研究了在强震孕育中长期阶段水汽含量的时空动态特征。通过对2008年汶川8.0级地震、1976年松潘强震群和2010年玉树7.1级地震的分析，发现在川西及其邻近地区的强地震孕育过程中，水汽含量异常频度会出现先下降，然后快速上升的现象。下降开始时间较早，出现在震前10a以上，持续9a以上，属中长期异常信息;而快速上升则发生在震前4a内，属中短期异常表现。地震前水汽含量异常的原因可能是由于岩层中裂隙、孔隙的开合、地下流体的运动和地热能的变化，影响地面温度和潜热交换的分布所致。

地震异常 水汽含量 汶川地震 松潘震群 玉树地震

0 引言

已有的研究结果表明，一些强地震前，出现了潜热通量异常(Singh et al.，2001;Dey et al.，2003;陈梅花等，2007，严研等，2009)。Dey等(2004)发现2001年印度古特拉地震前大气中水汽含量出现显著异常，他认为这是由于地震前潜热通量异常增加所致。2004年印度尼西亚MW9.0地震的显著潜热通量异常出现在地震前20d内(陈梅花等，2006)。2005年11月26日九江5.7级地震的温度异常与潜热通量异常主要分布在地震前1个月内。2010年2月27日智利8.8级地震及其强余震前的3次明显潜热通量异常也是出现在强震前的1个月内。对四川汶川MS8.0地震前后潜热通量进行遥感反演，发现地震前1周，特别是震前2d，在汶川地震震中地区、龙门山断裂周边地区潜热通量值出现了显著升高的现象(严研等，2009)。潜热通量上升是地表蒸发加强的结果，在大气中的表现为水汽含量增加。

以前的研究结果表明，沿海地区或内陆水体较多或土壤富含水分的地区，潜热通量异常多出现在强地震前的短临阶段，而地震孕育的中长期阶段是否也存在潜热通量异常则未见报道。本研究把遥感反演与地面观测资料相结合，使用研究时段更长的资料，从地震孕育中长期的时间尺度出发，从川西及邻近地区的震例分析入手，试图挖掘强地震前后的水汽含量动态异常信息。自从有观测资料以来，在四川西部地区共发生过2次7级以上地震:2008年汶川MS8.0地震、1976年松潘强震群，另外，在川西邻近地区还发生了2010年玉树7.1级地震。下文将对这3次强地震前中长期阶段的水汽含量动态进行具体分析。

1 区域背景与分析方法

图1是3个震例所在区域的LandSat卫星遥感TM图像及主要活动断裂分布图，覆盖范围北纬29.6°～33.4°，东经96°～105.9°，约40万 km2。包括青藏高原东部、川西高原和四川盆地。发育于该区的活动断裂很多，NW向的断裂有:玉树－鲜水河断裂、玛多－甘德北断裂、达日断裂、主峰断裂、清水河断裂、怒江断裂等;龙门山断裂中央断裂、龙门山断裂后山断裂、龙门山山前断裂等;近SN向的有:岷江断裂、虎牙断裂等。

图1 研究震例所在地区地形地貌遥感图像(活动断裂资料参考邓起东等，2007)Fig.1 Remote sensing image of topography of the area where the earthquake cases locate(The active faults information is referred to DENG Qi-dong et al.，2007).

震例所在地区主要由高原、高平原、山地和盆地组成，地形基本上是由西北向东南倾斜，西北高原最高，地面海拔4 000～4 500m，其次是川西山地，四川盆地海拔最低。西部高原由北到南依次是NW向的巴颜喀拉山脉和SN向的横断山脉。巴颜喀拉山脉山坡较平缓，相对高度不大，为黄河和长江河源的分水岭。南部横断山脉主要由一系列SN向平行延伸的高山和深谷组成，以岭谷并列，山高谷深为特色，高山之间夹持着怒江、澜沧江、雅砻江、大渡河等源远流长的大河。区内高于5 000～6 000m以上的山峰多有冰川分布。川西高原分为丘状高原和高平原，丘谷相间，谷宽丘圆，排列稀疏，广布沼泽，其间散布大小海子，分布在若尔盖、红原与阿坝一带的高原沼泽是中国南方地区最大的沼泽带。

震例所在地区气候受地形影响复杂多样，东南盆地为亚热带湿润气候，川西山地高原和青藏东部高原主要表现为垂直气候带，全区降雨量区域差别很大，由东南向西北逐渐减少。

本研究选用1960—2010年期间共51a的数据，综合分析其水汽含量的时空动态。为了提取研究区强地震前后的水汽含量异常信息，首先分析了水汽含量高值背景。由于水汽含量背景受地形、地貌、气象等因素的影响，各地背景值不一样，本研究以各测点1960—2009年共50a的多年平均值加上1.5倍均方差为高值背景。一年中各天平均水汽含量超过高值背景的天数计入累计水汽含量异常次数。本文以2008年汶川8.0级地震和1976年松潘7.2级地震为例，研究了震中附近区域累计水汽含量异常次数的多年变化情况，并分析了地震孕育中长期阶段水汽含量低值异常的时间过程，以及中短期阶段水汽含量高值异常的空间分布特征。此外，对于发生在川西邻近的2010年玉树7.1级地震，本文也研究了震中附近50a来水汽含量随时间的变化过程，发现它们有相似的特性。

图2为震例所在地区水汽含量异常次数多年平均背景，主要反映水汽含量高值异常频度在空间上的差异。从图2中可见，绝大部分地区水汽含量异常次数都在55～60次之间，鲜水河断裂南部和四川盆地东部水汽含量异常次数较低，在55次甚至50次以下，巴颜喀拉地块中部水汽含量异常次数较高，高值带NW向分布，水汽含量异常次数超过了60次，最高的甚至达到70次。东南部盆地水汽含量异常次数较低，这说明该区的水汽含量动态比较稳定，主要受盆地气候控制，而在西北山地高原区的水汽含量动态变化较大，可能同时受到区域气候和区域NW向构造活动的影响。

图2 水汽含量异常次数多年平均背景Fig.2 Annualmean background frequency of atmospheric water vapor anomalies.

西南部水汽含量异常次数多年平均背景非常均一，这可能与该区数据点稀疏有关，没有足够的数据来反映区域内水汽含量异常频度在空间上的差异，所以本文不作详细讨论。

2 震例分析

2.1 2008年5月12日汶川MS 8.0地震

2008年5月12日四川汶川地区发生MS8.0地震，该地震发生于四川西北高原的东侧边缘的龙门山逆冲断裂带上，是青藏高原地壳物质的缓慢东向移动与四川盆地和华南地块坚硬地壳相互作用的结果。此次汶川大地震在地表形成200多km长的地表破裂带;灌县－江油断裂在地震中也发生了破裂，形成的地表破裂带长度超过60km(张培震等，2008)。地表破裂以兼有右旋走滑分量的逆断层型破裂为主。

本研究对震中附近龙门山断裂带上水汽含量异常的多年变化进行了分析，在震中附近取1个控制点，计算出该点每年水汽含量异常累计次数随时间的变化。图3为1960—2010年震中附近龙门山断裂带内水汽含量异常每年累计次数变化曲线。从图3可以发现，龙门山断裂带水汽含量异常累计次数从1990年开始逐渐减少，2005年减到最低，2006年开始回增，2007年快速增加到接近历史高值，由2006年的25次增加到2007年的85次，2008年继续增加达到100次，2009年继续保持高值，2010年开始减少。

图3 汶川8.0级地震震中附近1960—2009年水汽含量异常每年累计次数变化曲线Fig.3 Curve of the frequency per annum of atmospheric water vapor anomalies over epicentral region ofWenchuan earthquake from 1960 to 2009.

在分析震中附近累计水汽含量异常次数的时间过程的基础上，本文还以汶川MS8.0地震周围约20万km2的地区为研究区，分析了地震孕育的中短期阶段水汽含量高值异常的空间分布特征。

图4a为2005年研究区水汽含量异常次数分布图。从图4中可以看到，在2005年研究区水汽含量异常次数整体偏低，最大不超过80次，高值区域位于东部盆地，而最低不超过20次，最低值区域分布在龙门山断裂中段，从汶川地震震中到北川地区。北部岷江断裂周围地区和南部龙泉山断裂以西地区水汽含量异常次数也比较低，介于20～40次，少于多年平均次数 (图2b)，其余地区介于40～60次之间。

图4b为2007年研究区水汽含量异常次数分布图，异常次数整体上在2005年的基础上有所增加，大部分地区水汽含量异常次数介于40～60次之间。抚边河断裂及其两侧，研究区东北角武都县周围地区达到60次以上，汶川震中及周围地区最大，超过80次，由2005年的水汽含量异常次数最少区变为最多区。

图4c是2008年研究区水汽含量异常分布图，异常次数空间分布整体格局和2007年相近，但高值异常区更集中，异常次数最高值区仍然位于震中附近龙门山断裂带，水汽含量异常次数在2007年的基础上进一步上升，超过100次，其次是围绕玛多断裂东段两侧，出现了一个NW向的高值条带，超过80次，在龙泉山西坡断裂南侧的局部区域超过60次，其余地区都为60次以下。

上述分析说明，在2008年汶川8.0级地震孕育的中长期阶段，出现了明显的水汽含量异常现象，汶川震中附近地区水汽含量异常频度从震前18a开始下降，持续15a，震前2a开始回升，震前1a震中附近地区由原来的异常频度最低区变为异常频度最高区，地震当年继续上升，并维持1a的异常频度高值状态，然后开始回落。

图4 2008年汶川8.0级地震前水汽含量异常频度分布图Fig.4 Spatial distribution of the frequency of atmospheric water vapor anomalies over epicentral region before the MS 8.0 Wenchuan earthquake.

2.2 1976年松潘震群

发生在1976年的松潘强震群由3次强震组成，位于四川省北部松潘、平武之间SN走向的虎牙断裂上。松潘强震群的3次强震分布在虎牙断层的北、中、南3段上。第1次强震发生在北京时间8月16日，震级为7.2级。第2、3次强震分别发生在第1次强震发生的6d和7d之后，即22日和23日，震级分别为6.7级和7.2级。从区域地质构造背景来看，1976年松潘强震群的发震构造部位也是位于青藏高原的东部边缘。在印度板块与欧亚板块的陆陆碰撞作用下，向NE运动的青藏高原地壳在这里受到了位于东北部的鄂尔多斯地块和位于东部的四川盆地两个刚性地块的阻挡，使这里产生了非常活跃的构造活动，发育了大量的断层构造(岳汉等;2008)。

图5为1960—1995年松潘震中附近控制像点水汽含量异常每年累计次数变化曲线，该点水汽含量异常每年累计次数从1962年开始逐渐减少，1971年减到最小值，1972开始快速回增，1973年增加到接近100次，1974年短暂回落，1975年继续增加，超过100次，1976年达到105次，为多年最大，强震发生。1977年震后开始回落。

图5 松潘地震震中附近1960—1995年水汽含量异常每年累计次数变化曲线Fig.5 Curve of the frequency per annum of atmospheric water vapor anomalies over epicentral region of Songpan-Pingwu earthquake from 1960 to 1995.

图6 a为1971年研究区水汽含量异常分布图，水汽含量异常次数整体偏小，大部分地区不超过60次，龙泉山西坡断裂西侧及龙门山断裂带北段局部区域介于60～80次之间，抚边河断裂北侧局部区域介于80～100次之间，虎牙断裂带及其南北两侧水汽含量异常次数最低，不超过40次。龙门山断裂带中段东侧也有一小范围水汽含量异常次数较小。

1975年研究区水汽含量异常次数比1971年有一个整体增加的趋势，区域南北部地区大都在60～80次之间。震中附近水汽含量异常次数明显增加，在空间分布上，虎牙断裂及外围地区最高，超过80次，个别点超过100次，区域中部，横跨龙门山形成一条EW向条带，水汽含量异常次数介于40到60次之间(图6b)，处于多年平均水平。

图6c是研究区1976年水汽含量异常分布图，最大值出现在松潘强震群震中及其西侧，超过100次，另外在马多断裂，阿坝县周围出现一块次高区，异常次数超过80次。其余地区基本上介于60～80次之间，龙泉山西坡断裂两侧异常次数低于60次。

上述分析表明，1976年松潘震群孕育的中长期阶段也出现了明显的水汽含量异常现象，松潘地震震中附近地区水汽含量异常频度出现了一个先降后升的过程，震前14a开始，该区的水汽含量异常频度开始下降，下降过程持续9a，震前4a开始增加，震中及其附近地区已经由水汽含量异常频度低值区转变为高值区，地震当年水汽含量异常频度达到最大，震后开始回落。此外，在1971年龙门山断裂带中段东侧也有一水汽含量异常次数较低的区域，但在震前中短期阶段没有出现相应的高次数异常，即无中短期异常配套，可以作为当时排除地震危险性的指标之一。

图6 1976年松潘地震前水汽含量异常频度分布图Fig.6 Spatial distribution of the frequency of atmospheric water vapor anomalies over epicentral region before Songpan-Pingwu earthquake.

2.3 2010年4月14日玉树7.1级地震

2010年4月14日青海省玉树发生了7.1级地震，震中位置为33.2°N，96.6°E，震源深度14km(据中国地震台网中心CENC)，发震断裂是甘孜－玉树断裂。甘孜－玉树断裂是广义的鲜水河断裂向西北延伸的部分，也是青藏高原川滇菱形块体向东挤出的北部边界。地震产生的地表破裂长度为23km，走向NW—NWW，总体表现为左旋走滑，兼有挤压逆冲活动(张永双等，2010)。

图7为1960—2010年玉树地震震中附近地区水汽含量高值异常每年累计次数变化曲线，该图显示，水汽含量高值异常每年累计次数从1997年开始逐渐下降，2008年降到最低值，为18次，2009年开始快速回升，2010年地震发生。

类似于汶川地震和松潘震群，2010年玉树7.1级地震孕育的中长期阶段也出现了水汽含量异常频度持续10a以上的下降，而在震前2a的中短期阶段又快速上升的现象。

图7 1960—2010年玉树地震震中附近水汽含量异常每年累计次数变化曲线Fig.7 Curve of the frequency per annum of atmospheric water vapor anomalies over epicentral region of Yushu MS 7.1 earthquake from 1960 to 2010.

3 结论与讨论

上述3个震例分析结果表明，在川西及邻近地区的强地震孕育过程中，震中附近地区水汽含量异常频度会发生先下降，然后快速上升的过程。下降开始时间较早，出现在震前10a以上，持续9a以上，属中长期异常信息;而快速上升则发生在震前2～4a内，属中短期异常表现。

地震前水汽含量异常的原因可能是由于岩层裂隙的开合、地下流体的运动和地热能的变化，影响地面温度和潜热交换的速度所致。在地震孕育的中长期阶段，地壳岩石压缩变形，孔隙、裂隙不断闭合或减少(郭德勇等，1998;郝锦绮等，2002;杨竹转，2004)，由地下释放的热水、热气减少，潜热交换速度也随之降低，水汽含量频度表现为逐步下降的趋势。在地震孕育的中短期阶段，地壳岩石变形进一步加剧，微破裂不断扩展，由地下释放的热水、热气增加，潜热交换速度也随之迅速增加，水汽含量异常频度表现出突发的快速上升。通过对2008年汶川8.0级地震、1976年松潘强震群和2010年玉树7.1级地震的分析，初步验证了这一认识的合理性。

美国国家气象数据中心和美国国家大气研究中心提供了数据，在此表示感谢。

陈梅花，邓志辉，杨竹转，等.2006.2004年印度尼西亚9级大地震前的潜热通量异常［J］.科学通报，51(1):118—120.

CHEN Mei-hua，DENG Zhi-hui，YANG Zhu-zhuan，et al.2006.Surface latent heat flux anomalies prior to the Indonesia MW9.0 earthquake of 2004 ［J］.Chinese Science Bulletin，51(8):1010—1013.

陈梅花，邓志辉，王煜，等.2007.2005年九江5.7级地震前后地表热动态初步研究［J］.地震地质，29(3):617—626.

CHEN Mei-hua，DENG Zhi-hui，WANGYu，etal.2008.Preliminary study on the dynamic variations of the surface thermal flux before and after the MS5.7 earthquake of 2005 in Jiujiang city，Jiangxi Province ［J］.Earthquake Research in China，(22)2:175—184.

邓起东，冉勇康，杨晓平，等.2007.中国活动构造图(1:400万)［Z］.北京:地震出版社.

DENG Qi-dong，RAN Yong-kang，YANG Xiao-ping，et al.2007.Map of Active Tectonic in China ［Z］.Seismological Press，Beijing(in Chinese).

郭德勇，韩德馨，冯志亮.1998.围压下构造煤的孔隙度和渗透率特征实验研究［J］.煤田地质与勘探，26(4):31—34.

GUO De-yong，HAN De-xin，FENG Zhi-liang.1998.Experimental study on the porosity and permeability of disturbed coal under confined pressure［J］.Coal Geology ＆ Exploration，26(4):31—34(in Chinese).

郝锦绮，冯锐，周建国，等.2002.岩石破裂过程中电阻率变化机理的探讨［J］.地球物理学报，45(3):426—434.

HAO Jin-qi，FENG Rui，ZHOU Jian-guo，et al.2002.Study on themechanism of resistivity changes during rock cracking［J］.Chinese Journal of Geophysics，45(3):426—434(in Chinese).

杨竹转.2004.地震引起的地下水位变化及其机理初步研究［D］:［学位论文］.北京:中国地震局地质研究所.

YANG Zhu-zhuan.2004.Water-level changes induced by earthquakes and preliminary study of theirmechanism ［D］.Ph M thesis.Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing(in Chinese).

岳汉，张竹琪，陈永顺.2008.相邻左旋走滑和逆冲断层之间的相互作用:1976年松潘震群［J］.科学通报，53(13):1582—1588.

YUEHan.ZHANG Zhu-qi，CHEN Yong-shun.2008.Interaction between adjacent left-lateral strike-slip faults and thrust faults:The 1976 Songpan earthquake sequence［J］.Chinese Science Bulletin，53(16):2520—2526.

严研，邓志辉，陈梅花.2008.基于双温度差分双源模型的遥感方法反演四川汶川地区潜热通量［J］.地震地质，30(4):1085—1094.

YAN Yan，DENG Zhi-hui，CHEN Mei-hua.2008.Retrieving the latent heat flux ofWenchuan area of Sichuan Province using a dual temperature-differencemethod［J］.Seismology and Geology，30(4):1085—1094(in Chinese).

张培震，徐锡伟，闻学泽，等.2008.2008年汶川8.0级地震发震断裂的滑动速率、复发周期和构造成因［J］.地球物理学报，51(4):1066—1073.

ZHANG Pei-zhen，XU Xi-wei，WEN Xue-ze，etal.2008.Slip rates and recurrence intervals of the Longmen Shan active fault zone and tectonic implications for themechanism of the May 12Wenchuan earthquake，2008，Sichuan，China［J］.Chinese Journal of Geophysics，51(4):1066—1073(in Chinese).

张永双，马寅生，胡道功，等.2010.玉树地震地表破裂调查与灾后重建避让选址研究［J］.地质学报，84(5):593—605.

ZHANGYong-shuang，MA Yin-sheng，HU Dao-gong，et al.2010.Investigation and research on the surface rupture of the Yushu earthquake and reconstruction site selection［J］.Acta Geologica Sinica，84(5):593—605(in Chinese).

Dey S，Singh R P.2003.Surface latentheat flux as an earthquake precursor［J］.Natural Hazards and Earth System Sciences，(3):749—755.

Dey S，Sarkar S，Singh R P.2004.Anomalous changes in column water vapor after Gujaratearthquake［J］.Advances in Space Research，33:274—278.

Kistler R，Kalnay E.2000.The NCEP/NCAR 50 －year reanalysis［J］.Bull Am Met Soc，82:247—267.

Singh R，Simon B，Joshi PC.2001.Estimation of surface latentheat fluxes from IRSP4/MSMR satellite data［J］.Proc Indian Acad Sci(Earth Planet Science)，110(3):231—238.

LONG-AND M ID-TERM ANOMALOUS VARIATIONS OF ATMOSPHERIC WATER VAPOR BEFORE STRONG EARTHQUAKE

CHEN Mei-hua1)DENG Zhi-hui1)MA Xiao-jing1)TAO Jing-ling1)WANG Yu2)

1)Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing，100036，China

The spatial-temporal variations of atmospheric water vapor in western Sichuan Province and its vicinity during themid-and long-term earthquake preparation process are studied.The MS8.0 Wenchuan earthquake in 2008，the Songpan-Pingwu earthquake sequence in 1976 and the Yushu MS7.1 earthquake in 2010 are selected as cases of the study regions.The result shows the frequency of atmospheric water vapor anomalies will decrease at first，then increase quickly during the mid-and longterm process of strong earthquake.The decreasing of the frequency of atmospheric water vapor anomalies begins relatively early，mostly over 10 years before earthquake and will lastmore than 9 years，which is considered asmid-and long-term precursor.The rapid increase appears4 years before earthquake，as a kind ofmid-and short-term precursor.

The frequency of atmospheric water vapor anomalies over epicentral region of Wenchuan earthquake began to decline slowly 18 years before the earthquake and continued for 15 years，then increased rapidly 2 years before the earthquake.The atmospheric water vapor anomalies in the epicenter area changed from lowest frequency to high frequency 1 year before the earthquake，then the event occurred.It continued to increase until 2009 then resumed to normal state.

14 years before Songpan-Pingwu earthquake，the frequency of atmospheric water vapor anomalies over the epicenter region began declining and it continued for 9 years，and then increased 4 years before the event.The anomalies in the epicenter region changed from lowest frequency in 1971 to high frequency in 1973，and reached the highest in 1976，and then the main shock happened.After the earthquake，it resumed to normal state.

Similarly to the above two cases，there had been atmospheric water vapor anomalies before the MS7.1 Yushu earthquake in 2010，the frequency of anomalies declined from 1997 to 2008 when the lowest value was reached.It increased quickly in 2009 till the event occurred in 2010.

The atmospheric water vapor anomalies over epicentral region may be due to the opening-closing movement of pores and fractures in the rock layer before the earthquake，resulting in themigration of underground fluid and underground heat energy，and then causing the change of the surface temperature and surface latent heat flux.

During themid-and long-term process of earthquake preparation，the rate of latentheat exchange decreases due to the reduction of the hotwater vapor from underground caused by the closing of pore and fracture when the crustal rocks undergo compression deformation，so the frequency of atmospheric water vapor anomalies begins to decline.While during the mid-and short-term process of earthquake preparation，the accelerating of the crustal rocks deformation and the expanding ofmicro fractureswill lead to increasing the hot water vapor from underground，accelerating the latent heat exchange，and quickly increasing the frequency of atmospheric water vapor anomalies.Analyses of the above three cases prove preliminarily that this assumption is reasonable.

earthquake anomaly，atmospheric water vapor，Wenchuan earthquake，Songpan-Pingwu earthquake sequence，Yushu earthquake

P315.72

A

0253－4967(2011)03－0549－11

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2011.03.005

2011－05－31收稿，2011－07－27改回。

中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA2060302)和国家自然科学基金(40841016、40372131、40702056)共同资助。

邓志辉，研究员，E－mail:deng6789@163.com。

陈梅花，女，1976年生，2005年在中国地震局地质研究所获构造地质学博士学位，副研究员，现主要从事卫星遥感技术应用于地震预测的研究，电话:010－62009082，E－mail:moonchun@126.com。