群体性前兆异常的时空演化特征及成因分析

苏维刚，孙玺皓，赵玉红，马震

(青海省地震局，青海 西宁 810001)

0 前 言

中国地震学者在20世纪80年代，通过对大量震例中的地震前兆或异常进行分析、梳理与总结，将前兆归纳为11类观测手段、75个项目，充分显示了地震前兆的丰富性和多样性[1-2]，前兆观测异常与区域构造活动和动力过程密切相关，前兆异常的数量、幅度等可以作为指示区域应力水平高低的参量[3]。

青海省属于强震多发省份,省内地震活动分布广、强度大、频度高，历史上曾发生过多次7级以上乃至8级的大地震[4]。自2017年11月以来，流体、形变和电磁学科均有多个测项出现不同程度的异常变化，呈群体性异常特征。此外，2016年1月21日门源6.4级地震前出现异常的台点，有部分在这一期间也出现异常，例如平安静水位以及门源倾斜等，但出现的的异常其形态和幅度与门源6.4级地震前有所差异。在异常跟踪过程中大部分异常因超过预报有效期被取消，但两个时期集中出现的异常仍然没有具体合理的解释。鉴于震情趋势的复杂性和异常数量的显著性，本文对这些群体性异常进行综合分析，从而对这些集中出现的异常进行较好的成因分析，以期对未来震情趋势的判定起到一定的指示作用。

1 青海省前兆观测及异常分布情况

目前青海定点前兆站网有地下流体观测点17个、地壳形变观测点8个、电磁观测点11个。从分布区域来看(见图1)，观测项目主要集中在青海东部，其余零散分布于柴达木盆地及大武、玉树等地区。2018年1月和7月前后多学科多手段呈现群体性前兆异常变化，具有多手段观测的11个前兆台站有6个出现多测项异常变化，异常占比55%。

2 群体性前兆异常特征分析

2.1 趋势性异常特征分析

格尔木钻孔应变分量1-3的差应变从2018年初开始呈趋势性转折异常(图2b)。格尔木水平摆倾斜东西分量2018年自趋势性东倾转折呈转平异常(图2a)。都兰地电场2017年各测道年变幅出现异常变化，第一装置东西向2017年年变幅度为2016的20%(图2c)。青藏高原受印度板块持续北向推挤使在整个青藏高原地区形成多处应变集中区，其中格尔木台站所处的西昆仑断裂带地区为应变率高值区，且方向以近东西向为主[5-7]。格尔木钻孔应变和水平摆倾斜是对区域应力应变变化的直接响应，都兰地电场的变化是地下电性结构变化的响应，这3个观测项在2018前后均出现趋势性异常变化，表明柴达木块体及其周边存在区域应力调整。

图1 青海省定点前兆台点分布

图2 趋势性异常变化特征

2.2 中短期异常特征分析

门源水平摆和垂直摆倾斜自2017年11月10日前后转折呈“V”字型变化(图3)，乐都台水平摆和垂直摆倾斜的东西分量均在2018年1月初前后均出现加速倾斜变化(图4)，平安浅层水温于2018年1月9日出现趋势性上升变化，平安水位自2018年2月21日自趋势性上升出现转平变化(图5)。分析可能是由于上地幔热物质侵入地壳导致坚固体内微破裂发展或引起已有断层的滑动，区域地壳受挤压变形，出现倾斜的突变变化或加速倾斜变化，底部热物质上涌到浅层地表，孔隙压增大，水位和水温均表现为上升变化[8-10]。2018年6月初平安水温出现显著下降变化(图5)，2018年8月1日和9日格尔木动水位和德令哈动水位先后出现显著上升变化(图6)。

图3 门源倾斜异常变化特征

图4 乐都倾斜东西分量异常变化特征

图5 平安水位和水温异常变化特征

图6 格尔木和德令哈动水位异常变化特征

3 前兆异常的时空演化特征及机理探讨

3.1 前兆异常的时空演化特征

经过梳理，2017年11月至2018年12月有效异常共12项，其中中长期异常3项，中短期异常9项(如图7)。综合异常的性质和异常的出现及结束时间，本文将9项中短期异常的演化主要划分为2个阶段：第一阶段为2017年11月至2018年2月，第二阶段为2018年6月至2018年8月。从前兆异常的时空演化来看，区域应力显著变化主要在2018年1月前后和7月前后，且两阶段的异常变化主要分布在祁连地震带西段和三湖区域。

图7 前兆异常时空演化进程

3.2 前兆异常的机理探讨

2018年前后格尔木水平摆倾斜和钻孔应变以及都兰地电场出现趋势性异常，表明整体区域应力发生调整，1～2月乐都水平摆和垂直摆东西分量倾斜加速，表明该方向挤压应力水平增强，同时平安静水位打破原有的降低趋势，保持在较高水位，随后平安水温出现升高，说明祁连地震带西段出现应力挤压增强。7～8月乐都形变和平安流体类异常均趋向结束，表明所在区域应力水平趋于正常，德令哈动水位和格尔木动水位出现大幅升高，表明三湖地区出现新一轮挤压应力的增强变化。

冯德益等人根据诸多震例资料的分析研究，明确地提出了地震前兆过程的3个发展阶段[11]，即α、β和γ阶段。α阶段前兆异常从震源区向外围扩展；β阶段前兆异常快速发展，大范围出现；γ阶段地震前兆异常从外围向震源区收缩，之后进入地震即将发生的临震阶段。这三个阶段可以与地震孕育的3个阶段相联系，通过对2016年门源6.4级、2010年玉树7.1级地震等震例分析发现震前均具有三阶段演化特征，且γ阶段以短期异常为主，并具有近源场异常向外扩散的特征[12]。宋治平等基于包体流变模型计算的研究显示球形硬包体的地面体应变随时间的变化也表现出3个阶段特征，且γ阶段前兆从近源区为向外扩展[13]。综合分析认为2018年前后出现的趋势性异常演化处于地震前兆过程的α阶段，而两个时段出现的中短期异常均对应于地震前兆的γ阶段，但孕震体未达到破裂发震的阶段，因此两阶段的异常演化均为无震异常。

4 结论与思考

通过对2017年11月以来出现的群体性异常进行梳理分析，发现异常主要分为趋势性异常和中短期异常。认为2018年前后出现的趋势性异常演化处于地震前兆过程的α阶段，而两个时段出现的中短期异常均对应于地震前兆的γ阶段。2018年1月前后和7月前后两个阶段的中短期异常分别指示了祁连地震带西段和三湖地区区域应力挤压增强的状态，但孕震体未达到破裂发震的阶段，因此两阶段的异常演化均为无震异常。

值得思考的是，此次群体性异常第一阶段门源测点最先出现异常，第二阶段格尔木测点最先出现异常，虽然这两个阶段异常演化均为无震异常，但后续在2019年3月28日发生的茫崖5.0级地震距格尔木测点最近，2019年9月16日甘州5.0级地震距门源测点最近，所以在后续震情跟踪过程中，对群体性前兆异常演化阶段中最先出现异常变化的周边区域持续跟踪关注可能对发震信息的捕获有一定帮助。