4·20芦山7.0级地震预测思路及过程回顾

苏 琴 杨永林 郑 兵 王双洪 李菲菲 刘冠中

1)四川省地震局测绘工程院，雅安 625000

2)中国地震局地壳应力研究所，北京 100085

0 引言

2008年汶川8.0级地震的发生，使川、滇两省进入了强震发生的活跃时段。震后不到5a时间，再次发生了“4·20”芦山7.0级地震。该次地震使龙门山断裂南段各族人民再次经受了严重的地震灾害，致使193人死亡，25人失踪和不可估量的经济损失。

四川境内分布着NW向鲜水河、NE向龙门山、近SN向的安宁河－则木河三大断裂带，控制着川滇块体东边界带的断层活动，其交会部位简称为“三岔口”地区，位于青藏高原与四川盆地的过渡地带，“4·20”芦山7.0级地震即发生在该区域内。

20世纪80—90年代开始，为研究川滇块体断层活动特征，四川省地震局测绘工程院在“三岔口”及附近地区布设了多个跨断层形变测点，经过几代人的艰苦努力，到目前已布设了23处短水准、8处短基线和6处水平蠕变观测场地，大多数场地积累了近30a的观测资料，其场地分布及观测资料情况见图1、表1。

图1 三岔口地区跨断层形变、重力监测网点分布图Fig.1 Distribution of cross-fault deformation and gravity monitoring networks in Sanchakou area.

由图1、表1可看出，这些跨断层测点主要埋设于鲜水河、安宁河、则木河和龙门山断裂带上，鲜水河上的测点大多跨越鲜水河断裂主活动面，安宁河、则木河上的测点大多跨越次级断裂，龙门山断裂带上的测点涵盖了龙门山主中央断裂、后山和前山断裂。测点观测资料精度较好(水准实际观测每千米中误差在±0.22mm，基线观测相对中误差为1/120万)，连续可靠。

2010年来，沿鲜水河—则木河—龙门山南段跨断层形变、川西地区流动重力观测资料先后不同程度地出现明显的异于背景性变化的异常。特别是2013年1月，鲜水河北段、龙门山南段跨断层形变观测资料(图4)显示，三岔口地区断层活动异常活跃，进入强震发生的亚失稳Ⅱ阶段(马瑾等，2012)。所谓亚失稳Ⅱ阶段是指岩石破裂前，应力－应变积累到强度极限点与失稳点之间的阶段，即短临阶段，这里称之为短期阶段。为此，2013年2月22日，四川省地震局测绘工程院利用这些异常资料，综合三岔口地区地震地质、地震活动性等背景性资料作出了较为准确的短期预测①四川省地震局测绘工程院，2013年2月22日，中国地震局、四川省地震局短临预测卡片。，本文旨在对本次短期预测的思路及过程进行回顾、总结，为今后的地震预测预报工作积累一些经验。

1 预测主要思路

总体上实行三要素分别预测的思路，最后参考中国地震局制定的短临预测卡规则进行填报。

1.1 时间的预测

对于时间的预测总体上坚持中国地震局“长－中 －短－临”(张国民等，2001)的渐进式预测思路，也是多年来地震预测预报的短临跟踪过程。

首先利用地震地质、地震活动性、形变等背景性预测结果进行长期背景性预测，再依据半年以上跨断层中短期时间尺度的异常进行中短期预测，最后以短期突变异常进行短期预测。

1.2 地点的预测

综合形变异常特点，利用强震前的“前兆偏离”——地震前出现明显异常的地区与未来震中区偏离的现象称之谓“前兆偏离”(马瑾等，1999)和“源、兆、场”:“源”即震源;“场”即区域应力场(可以是多个);“兆”即为在震源形成及演变过程中，大范围区域应力场在众多敏感点显示的异常现象(张国民等，2001;牛安福，2007;中国地震局监测预报司，2002)理论，结合区域重力、区域构造背景和板块边界动力学特点进行预测。

1.3 震级预测

引入跨断层异常持续时间与震级的关系式进行预测。

图2 水平蠕变显示的长期趋势背景Fig.2 The long-term trend background revealed by Qiajiao and Zimakua creepmeters.

2 预测过程及依据

2.1 时间的预测过程及依据

2.1.1 长期背景性预测

2008年汶川8.0级地震后，龙门山断裂南段、鲜水河断裂南段、安宁河断裂北段等三岔口所属区域没有因这次特大地震的发生而“解锁”，仍然处于高应力闭锁状态(闻学泽等，2011)，库仑应力(王连捷等，2008)进一步加强且长期处于低b值(易桂喜等，2008)阶段，由此认为三岔口地区强震发生的背景在逐步增强。

图3 四川跨断层水准、基线显示的中短期异常Fig.3 The mid-term anomalies of cross-short baselines and short leveling in Sichuan Province.

分析图2发现，2002年前后，鲜水河中南段恰叫、安宁河北段紫马垮水平蠕变显示，断层活动改变了多年的压性活动趋势进入张性活动状态，2008年汶川8.0级特大地震后，鲜水河中段断层活动有所加速，于2010年4月发生了玉树地震。震后，鲜水河中南段继续高速滑动，而安宁河北段，龙门山南段则进入“闭锁”状态(图2，3)，显现出中长期背景性形变异常(江在森等，2001)。

2.1.2 中短期预测

2010年3月至2012年9月，鲜水河断裂带中南段老乾宁基线、沟普水平蠕变、紫马垮水平蠕变、龙门山南段宝兴水准等观测资料反映，该时段在这些场地没有监测到断层活动，表明断层进入“闭锁”状态。

同时段内则木河断裂带断层活动则进入了活跃时段，出现了以西昌、尔乌、汤家坪水准等为代表的一批跨断层中短期形变异常且断层以张性活动为主(图3)，表明该时段内，则木河断层左旋活动加速，在加速后转折的过程中发生了2012年6月24日的云南宁蒗—四川盐源间5.7级地震和2012年9月7日云南彝良—贵州威宁间5.7级地震，震后则木河断层呈持续的压性活动状态，有恢复年变的迹象，而该时段内汶川8.0级地震主活动面的龙门山中北段仍处于震后的高速张性调整过程中(图4)。

这些区域断层的活动表明，汶川8.0级地震后龙门山断裂中北段的“解锁”和巴颜喀拉块体向SE移动的带动作用使三岔口地区断层出现新活动迹象，进入强震的中短期孕育阶段。而同时则木河、龙门山断裂北段的加速运动会受到断层“闭锁”区的阻挡作用，断层的脆性部位在拉、伸、挤、压等多种外力“失衡”的状态下势必会发生挤出活动，特别是2012年断层短期的加速活动现象使我们认识到未来1年内三岔口地区将有6.5级左右地震发生的危险(苏琴等①四川省地震局测绘工程院，2012年10月，川西地区地壳形变监测及2013年度地震趋势会商报告。，2012年10月)。

2.1.3 短期预测

2013年1月，鲜水河断裂北段的侏倭、格篓、虚墟短基线、宝兴水准观测结果显示:鲜水河北段、龙门山南段异于平常的快速活动，其形变速率最小达到了平均速率的20倍左右(图4)，且异常呈群体性特征分布。到此，四川境内长、中、短期各类形变异常项次达到了自有观测资料以来的最高值(25项，图5所示仅为异常测点，计算测项时按观测手段、测线等分别计算，例:汤家坪异常，在图中仅列出汤家坪测点，而计算异常项时，则有水准、基线异常共4项之多)。表明鲜水河北段、龙门山南段受到了外力的推动作用进入了“失稳”(张国民等，2001;牛安福，2007)阶段。鲜水河北段断层水平活动显示出断层的正常左旋走滑活动被打破，显现出显著的右旋活动特征，对邻近断层将会产生推动作用，在边界带及各地块的推、挤、拉、张活动过程中，具中短期孕震背景的脆性部位将有强震发生的可能。据以往总结的经验(苏琴等，2012a，b)和目前的形变特征认为:未来3个月是强震发生的优势时段，由此准备填报中国地震局短期预测卡。

2013年2月18—20日，四川周边小震频发，围绕研究区形成了较大的地震活动空区，使强震发生的紧迫性进一步加强(图6)。

综合以上对发震时间进程的分析，利用我院和前人总结的经验(程式等，1989;吕弋培，1994;吕弋培等，1999;中国地震局监测预报司，2002;苏琴等，2012a，b)，依据当时跨断层监测的实际情况向中国地震局、四川省地震局提交了短临预测卡片。预测强震发生的时段为:2013年2月25日至2013年5月10日。

2.2 危险区的预测过程及依据

对危险区的预测主要包含4个方面的因素:

图4 7.0级地震前四川跨断层形变显现出的短期前兆异常Fig.4 The short-term precursory anomalies revealed by cross-fault deformation observation before Lushan M7.0 earthquake in Sichuan Province.

(1)有可能发生强震的地震地质背景:该项资料利用高应力闭锁区(闻学泽等，2011)、库仑应力积累区(王连捷等，2008)、低b值危险区(易桂喜等，2008)和跨断层形变监测显现的断层活动“闭锁”区(苏琴等，2012)进行预测。

图5 四川跨断层异常项次随时间进程图Fig.5 The change of cross-fault deformation anomalies with time process in Sichuan.

图6 四川及邻区≥3.0级地震分布图(2013－01－01—2013－02－20，据邱桂兰)Fig.6 Spatial pattern for M S≥3.0 earthquakes in Sichuan Province and neighboring area from Jan.1 through Feb.20，2013(after QIU Gui-lan).

图7 跨断层形变异常圈定的危险区图Fig.7 The hazardous area delineated by cross-fault deformation anomalies.

(2)分析四川境内各断裂带活动特征如下:1)2010—2012年上半年间，则木河断层在多年活动微弱的背景下，显现出左旋加速活动特征。西昌、汤家坪场地水准、基线观测资料显示活动量级达13～20mm(图3)，而安宁河断裂北段、龙门山断裂南段则逐渐进入不活动的“闭锁”阶段。说明该时间段内，川滇地块SE向活动增强，而安宁河北段、龙门山南段断层活动停滞，在此过程中积累能量，进入强震的中短期孕育阶段;2)2012年下半年，则木河断裂带、龙门山断裂南段改变了近两年的拉张和停滞活动全部转变为压性活动，显示三岔口交会部位在鲜水河南段、安宁河北段、大凉山等多条断裂汇聚的闭锁部位势必会因川滇块体内部多断裂的挤压碰撞活动而伴生挤出活动，脆性部位将有强震发生的危险。在川内、川滇交界等区域已经多次发生中强地震的背景下，三岔口闭锁区的强震危险性得到进一步强化。由此认为:未来三岔口地区将有强震发生的危险。

(3)跨断层短期异常出现后，以各断裂带上最后出现异常的测点为圆心，与其最早出现异常的点的距离为半径作圆所圈定的区域(吕弋培，1994;吕弋培等，1999)即为未来强震可能发生的危险区。该方法用于强震发生地点的预测，有成功也有失败，总结后发现，当震级≥5.3级后，强震大多发生在危险区外围，这是基于少数断裂带出现前兆异常而言，而本次不同的是川内鲜水河、龙门山南段、则木河断裂带均不同程度地出现了跨断层形变异常，故本次预测时，结合以往的经验，将各断裂带异常划定的危险区交会部位确定为未来强震发生的危险区，其结果仍包含了三岔口大部分区域(图7)。

(4)流动重力观测覆盖区域较广，对强震发生的地点有着重要的预测意义，其正负差异及高梯度带显示出强震发生前区域地壳密度介质的变化。分析1年时间尺度川滇地区流动重力场演化结果，可以看出，2011年重力等值线雅安、石棉、康定等区域正值变化，形成高梯度带，2012年该区域则负值变化，在三岔口地区形成明显的差异性变化异常区(图8)。

图8 川滇地区流动重力变化图像 (2010—2012年，单位:10－8 ms－2)Fig.8 The contour diagram of variation in mobile gravity observations in Sichuan and Yunnan Province from 2010 through 2012(unit:10 －8 ms－2).

(5)参考中国地震局第二监测中心重力室所作2年(2010—2012年，图9)时间尺度川西重力高梯度变化，认为宝兴、天全、康定、泸定、石棉一带重力差异运动较大，达100μgal以上，并沿断裂形成重力变化高梯度带，该区域有强震发生的危险。

图9 川西重力等值线变化图(2010－10—2012－10;单位:μgal;祝意青等，2013)Fig.9 The contour diagram of variation in mobile gravity observations in Western Sichuan from Oct.，2010 through Oct.，2012(unit:μgal;after ZHU Yi-qing et al.，2013).

最后将跨断层形变、重力所划定的危险区绘制在同一张图上，认为它们的交会部位即为未来强震发生的危险区，于是得到预测地点为:木里、稻城、九龙、雅江、道孚、康定、丹巴、雅安、石棉、越西、冕宁和木里等县所围成的区域有强震发生的危险。所涉危险区为椭圆形(图10)，其长轴约340km，短轴约240km。其椭圆拐点经纬度分别是:A(103.03E，30.62N);B(100.90E，30.03N);C(102.54E，28.76N);D(100.25E，27.94N)。

2.3 震级的预测过程及依据

对于震级的预测，本次主要采用了跨断层形变异常持续时间与震级的经验关系式(吕弋培等，1999;中国地震局监测预报司，2002;阮祥等，2010)，综合各异常场地持续时间计算结果，再参考预报卡规则进行填报。其关系式如下(由于篇幅所限，计算过程略):

上式中M为地震震级，T为形变异常持续时间，其计算方法是异常开始(即观测曲线出现异于平常的变化，包括趋势变化、突跳、停滞、蠕动、反向等)至结束时间，包含了中短期异常。

预测震级为:6.0～6.9级。

到此，完成了一次短期预测(图11)，于2013年4月20日在预测区内发生了芦山7.0级地震。

3 小结及问题讨论

3.1 小结

由前面1、2节对“4·20”芦山7.0级地震预测过程的回顾及预测依据的展示，现小结如下:

图10 预测危险区示意图Fig.10 The ultimate strong earthquake hazardous area delineated jointly by cross-fault deformation and mobile gravity observations.

图11 四川省地震局测绘工程院2013年2月短期预测卡片Fig.11 The earthquake short-term prediction card which is written in February，2013 by the Academy of Surveying and Mapping Engineering，Sichuan Seismological Bureau.

(1)“4.20”芦山地震的尝试性预测是对川西地区近40a积累的连续可靠的跨断层、重力和中小震观测资料的一次综合性应用，是长期不懈的研究和跟踪分析判定的结果，充分发挥了中国地震局制定的“长、中、短”渐进式预测思路和多学科研究成果在强震预测中的作用。

(2)实行“三要素”分别预测的方法进行预测，即:1)依据长期背景性异常和重力、跨断层中短期异常作出有可能发生强震地点的预测(寻找震源);2)跟踪跨断层长、中、短期异常作出强震发生时间的预测(场兆的应用);3)计算跨断层异常持续时间作强震震级的大致预测;4)最后依据中国地震局制定的短临预测卡规则进行填报。其预测依据及填报流程见图12。

图12 预报卡填报流程及依据汇总Fig.12 Procedure and gist for filling in the earthquake prediction card.

3.2 问题及讨论

(1)本次预测有可能发生强震的面积约6.6×104km2。发震地点在预测区域内，距最近的边界线约20km(图10红色五角星为震中位置)，但地域跨度明显偏大，特别是长轴方向大于实际发震波及区近一倍。

在前面对地点预测的分析中，似乎危险区应该更小更准确些，但我们在填报短临预测卡之前，结合“前兆偏离”和“源、场、兆”的关系理论认为:地震一般不会发生在短期异常十分突出的区域(苏琴等，2012a，b)即鲜水河北段，而应该发生在应力积累区及重力异常区附近。而到要将危险区划定在预测卡上时，又发现多年来，应力积累区、重力异常和跨断层前兆异常确定的危险区交集面积很大，最后只能在该区域按预测卡规则允许的最大范围划定了危险区，实际地震虽然在预测范围内，但准确度稍差，结果不是太理想，在今后的工作中还需要加强这方面的认识和思考。

(2)预测可能发生强震的时间为2013年2月25日至5月10日，时间跨度为75d，实际发震为2013年4月20日，发震时间在预测时段内。不足之处在于时间跨度略大。时间跨度75d，预测时间距发震持续了55d，这个时间尺度离实现短临预报的要求相差较大，这可能与跨断层形变测量周期有关，缩短观测周期能否缩短预测时间是我们今后讨论和努力的方向。

(3)预测的科学性。2001年开始至2009年间，鲜水河断裂带的一些跨断层水平形变测点资料先后出现趋势性变化(图3，4)，显示鲜水河水平拉张活动有所增强，但强度不大，当时认为有可能是鲜水河断裂受同属于巴颜喀拉块体的昆仑山口西8.1级地震影响所致(苏琴等，2009)，汶川8.0级地震后也没有监测到明显的断层活动轨迹;2009—2012年间鲜水河南段的恰叫、沟普、老乾宁、龙灯坝，则木河断裂的西昌、汤家坪等测点跨断层形变观测资料显示:断层的拉张活动明显增强出现异常，且异常在两断裂带上来回跳转(从时间的先后顺序来看)，而安宁河断裂北段紫马垮，龙门山断裂南段宝兴场地显示出断层处于不活动(或弱活动)状态。观测到的这些断层活动信息说明，该时段内龙门山、鲜水河、则木河断裂受巴颜喀拉块体向SE的带动作用有了新活动迹象。即:龙门山北段(图略)、鲜水河中北段、则木河断裂拉张而龙门山南段和安宁河北段“闭锁”。同时重力资料显示的异常区(祝意青等，2013)恰巧也是龙门山南段和安宁河断裂的“闭锁”区，也是地震地质等其他背景性资料显示的高应力积累区，这时汶川地震已经过去了3a时间，认为这些形变现象不大可能还是汶川地震的影响，一定是所属断裂受到了外力作用产生了新一轮块体边界活动，活动过程中产生的推、拉、挤、压活动将会伴生强震的发生以释放能量，存在发生强震的危险;2013年1月鲜水河北段3个跨断层水平形变观测资料同步地显示出断层明显变化:断层变形量达平均活动量的14～20倍左右，改变了鲜水河北段多年的张性活动状态，显现出明显的压性活动，达到了我们总结的“强震中短期预测指标”要求，认为短期内四川断裂的脆性部位有强震发生的可能。2013年2月18—20日四川及邻区多次中小震的发生，使我们坚定了之前的认识，故决定填报预测卡。这是预测时的一些初浅推测，缺乏严谨的科学性，有很多问题还解释不清楚，认识比较模糊，也难以量化，至于预测的重复性还需要作进一步的研究和讨论。

(4)对于很多专家学者提出:芦山地震前，鲜水河断裂北段跨断层异常十分突出，为什么不预测鲜水河北段有强震发生，反而填报“三岔口”地区呢?对于这个问题我们也进行过多次的思考和认真的研究，当时的主要原因是:1)三岔口地区没有因汶川地震的发生而解锁，存在强震发生的背景;2)前人总结的“前兆偏离”原理告诉我们:强震往往不发生在有明显异常的地方;3)对于“源、场、兆”理论的理解，认为强震会发生在高应力积累的形变闭锁区:即雅安、石棉、康定、雅江一带;4)跨断层短期突发性群体异常主要集中在鲜水河北段，这种异常的出现离发震的距离应该不＞300km(苏琴等，2012a)。综合前人总结的理论和笔者对跨断层资料多年的跟踪分析经验后圈定了危险区，这也是理论与实际相结合的结果。

(5)究其芦山地震发震的物理机理我们推测认为:应该是巴颜喀拉块体东部在2013年1—3月前后的运动速率大于川滇块体，导致龙门山南段，鲜水河北段、则木河断裂挤压推拉活动加剧，龙门山南段、安宁河北段“闭锁”，各个断层活动方式产生明显差异，但又相互牵制、相互调整，并在运动形式上相互转换(2010—2012年间鲜水河、则木河上异常的跳转)，从而使在由高原向盆地过渡地带的有显著性高程差异变化的脆性岩层产生破裂，发生芦山7.0级强震，这仅是笔者对这次预测的一些粗浅认识，还望专家学者们给予指正。

(6)汶川8.0级地震、芦山7.0级地震均发生在龙门山断裂带上且同属于巴颜喀拉块体东部，为什么后者震前有明显的前兆而前者却无?难道是汶川地震打破了这一地区的“沉寂”使该区域断层开始活动后芦山地震才有了前兆?还是由于跨断层测量监测能力的缘故?还有许多让我们深感困惑的问题期待有关专家学者们给予指导讨论。

4 结论

由以上对芦山“4.20”7.0级地震的预测思路及过程的回顾，得出如下结论:

(1)跨断层短水准、短基线的突变加速异常对强震发生的时间有着较好的短期预测意义。

(2)综合利用跨断层前兆异常出现的时序特征、流动重力高梯度带及差异性变化进行分析，提取其异常交会部位，对强震的发生地点有着较好的预测效果。

(3)跨断层形变异常持续时间的统计对于强震发生的震级有明确的指示意义。

(4)仔细分析研究形变观测结果笔者认为:当一定区域内，地壳形变观测结果大范围内出现大量的前兆异常后，根据这些异常特征，结合块体边界构造、地质背景、地震活动性等观测研究资料，将有可能对强震的发生作出相对较好的短期预测，从而为减少震区人民的生命财产安全作出一定的贡献，预测的科学性和物理机理的解释等问题还需要作深入的研究讨论。