汶川地震前失稳过程的重力场观测证据

郭树松 祝意青 徐云马 刘 芳赵云峰 张国庆 朱 辉

1）中国地震局第二监测中心，西安 710054

2）中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，西安 710054

0 引言

地震是断层应力由集中到释放的结果，是一个“孕育”、发生和发展的深层动力过程。近年来，马瑾等（2007，2014）将断层应力由准静态释放转变为不可逆转的准动态释放的阶段称为亚失稳阶段，该阶段的核心特征是发震断层进入了不可逆变形过程，它标志着地震会不可避免地发生。相关实验显示，在亚失稳状态阶段，平直断层和双剪滑动断层位移演化体现出空间上的非均匀性和临近失稳前在时间上的“趋同化”特征，拐折断层的温度测点表现为由断层各段独立活动向“协同化”活动的转化过程（马瑾等，2012；宋义敏等，2012；卓燕群等，2013；任雅琼等，2016）。这3种不同几何形式断层的各自物理场的变化特点表明，断层失稳前存在可观测的亚失稳阶段及该阶段的断层位移和温度等物理场具有“趋同化”的演化特征。

实验室开展的亚失稳变形实验是地震前兆探索中重要的基础工作，可为我们进行前兆信息研究提供指导。一些学者（宋春燕等，2018；王凯英等，2018）从地震活动资料和应力时空演化作为切入点探索研究亚失稳的鉴别指标，获得了一些重要的研究进展。但不同于以往的地震预测物理方法，亚失稳理论不再把关注的重点放在临界点（峰值强度）上，而是放在动态失稳前的渐进演化过程上。临界点前地质体以弹性变形为主，临界点与临界点之前相比变形场的差异非常小，几乎无法观测到。而断层进入亚失稳态后，形变以非弹性局部滑动为主，变形场出现较大差异且物理场显著变化（马瑾等，2014）。同时，震源一般处于地表几千米以下，因此研究与断层行为相关的物理场的时空演化特征尤其重要，这有助于观测和识别断层失稳的前兆特征（马瑾等，2013，2014；马瑾，2016）。

绝大多数强震或大地震的孕育受区域主要活动断裂带的控制，这些部位及其附近的显著差异构造运动通常伴有相关的重力异常变化。通过震例总结发现（卢造勋等，1978；陈运泰等，1980；李瑞浩等，1997；申重阳等，2009；Zhuetal．，2010；祝意青等，2013，2015，2017，2020；胡敏章等，2019），强震发生之前，重力观测资料能不同程度地反映地震孕育发生过程中的重力异常变化，并具有典型的梯度带分布或四象限展布特征。重力场动态变化特征具有前兆意义，同时重力观测开展的时间长、观测数据较完整，具有实验亚失稳理论向野外应用的可行性基础。本文采用实验亚失稳理论与实际地震相结合的思路，寻找汶川地震前断层进入亚失稳阶段的重力场观测证据，进而通过时变重力场识别断层所处的失稳阶段，判断断层活动的协同化程度。研究结果对实现具有明确物理意义的短临前兆研究具有重要的现实意义。

图1 岩石变形失稳的示意图（据马瑾，2016）Fig．1 Conceptual cartoon to illustrate different deformation stages of rock experiments in laboratory（after MA Jin，2016）．字母表示关键变形时刻：L起始点；M 屈服开始点；N强屈服点；O强度极限点；A准静态阶段向准动态阶段的转折点；B失稳点

1 汶川地震与资料处理

2008年汶川8.0级地震发生在龙门山断裂带上，该断裂带地处青藏高原东部边缘，位于松潘—甘孜地区与四川盆地之间，主要由3条断裂组成，自西向东分别为后山断裂（茂汶－汉川断裂）、中央断裂（北川－映秀断裂）和前山断裂（江油－灌县断裂）。龙门山断裂带地表地形强烈起伏，西北部与龙门山地带的地形高差达3 000m以上，长期以来却相对平静。布格重力异常数值变化急剧，即由负几十mGal突降到负几百mGal，这表明该地带的深部地壳介质与结构存在巨大变异。

为监测该地区与地震有关的重力变化，四川省地震局自1996年开始每年用2台高精度LCR－G型重力仪在龙门山断裂带上开展重复重力测量，获得了1996—2008年13期的流动重力观测结果。观测资料采用中国地震局实用化攻关推广的应用软件（LGADJ）采用经典平差计算方法进行处理，将成都地震基准台的绝对重力值作为统一起算基准，在此基础上解算出各流动重力点的变化。各期资料的平差精度为9.2～14.8μgal，观测资料可靠（祝意青等，2009）。相关的流动重力观测网线布局如图2所示。

图2 龙门山地区的重力测量路线Fig．2 Gravity surveying route of the Longmenshan fault zone．

2 重力场时变分析

亚失稳阶段断层活动的协同化特征把孤立的点观测联系为时、空、强三维关系，说明要了解地震的发生过程需要了解物理场的时空演化。为分析汶川地区较长趋势的重力变化、了解重力变化的演化特征，本文分别绘制了1996—2001年、2001—2004年、2004—2007年和2006—2007年的重力变化等值线图（图3）。

图3 龙门山地区的重力变化等值线图（单位：μgal）Fig．3 Gravity field dynamic variation images in one year and three year time scale（unit：μgal）．

1996—2001年重力变化的总体趋势为自西向东逐渐减小，龙门山地区的重力差异变化为30μgal，表现为正常态的重力变化，在映秀附近出现70μgal的局部重力异常变化；2001—2004年重力变化十分剧烈，测区自西向东沿龙门山断裂带形成重力梯度带，零等值线沿断裂带走向分布，在映秀和彭州之间存在140μgal以上的重力差异，它突出反映了汶川地震前区域重力场的剧烈变化；2004—2007年重力变化仍很剧烈，重力差异变化达120μgal，但出现较为明显的反向变化。2006—2007年，震前1a的区域重力场变化平缓，尤其是龙门山断裂带附近重力变化在－10～10μgal之间，重力变化在重力观测误差范围内，可称为弱变化时段。

汶川地震发生在重力变化高梯度带零等值线与龙门山断裂交会处的附近地区，地震前区域重力沿龙门山断裂带出现“正常态变化—区域性重力异常—反向变化—弱变化（闭锁）”的现象，它较好地反映了黏滑过程中不同变形阶段（马瑾，2016）“平稳线性—偏离线性—亚失稳I—亚失稳Ⅱ”的过程。“正常态变化”反映了断层运动的平稳线性变形，“区域性重力异常及沿龙门山断裂带形成高重力梯度带”反映了断层运动的偏离线性变形，“沿龙门山断裂带出现的重力反向变化”可能反映了区域应力由积累转向局部释放（亚失稳I阶段），“弱变化”反映了断层活动愈趋近协同化，应变变化愈小（亚失稳Ⅱ阶段）。协同化是指断层应变释放区出现扩展和相互连接的现象，其本质是断层上愈来愈多的部位相继被破坏，应力逐步转移到局部高闭锁部位，进而使其应力达到能导致快速释放的条件，最终变成快速失稳部位，即未来的震源，这为寻找未来失稳部位提供了参考依据（马瑾等，2014）。

龙门山地区的流动重力资料显示，2008年汶川8.0级地震前出现了较好的中期前兆性变化特征。重力变化是深部物质区域应力场增强而导致地壳不同深度的介质以及震源介质密度发生变化的体现。地震前，龙门山断层带和川西高原以挤压应变为主，断层带及其周围岩石的正应力逐渐增加，导致岩石和断层带中的微裂隙和孔隙闭合程度增加，岩石密度随之增加，引起重力正异常，较大范围的持续上升或正重力变化预示地震孕育能量在持续积累；反之，局部应力松弛引起岩石发生微裂隙张开，微裂隙中充满流体，引起岩石密度降低，相同体积的岩石出现重力负异常。正、负异常在时空上具有周期性变化，可能反映了应力加载与应力松弛的变化。物质膨胀和收缩的过渡部位，亦即潜在震源相对薄弱的部位，在周边应力持续失衡作用下，易产生剪应力而首先破裂。重力动态变化反映了震中位置附近的局部重力异常，据此可判断发震位置，即失稳部位。

3 重力点时序变化情况

地震前断层的亚失稳态识别要求在空间上能识别出断层失稳的位置，在时间过程中能判定出亚失稳开始的时间。重力点值时序变化能较好地突出异常测点的动态变化过程，分析区域测点的时序变化特征，有助于从整体上归纳一致性特征。考虑到龙门断裂带东、西两侧不同的构造特点，我们绘制了测网东、西2条测线上的联测点重力值随时间变化的曲线图。

断裂带东侧测线接近四川盆地，可以看出（图4）：1996—2001年，整体变化平缓但杂乱无序，各测点升降不一；2001—2004年以波动式上升变化为主，一致性较好；2004—2007年又恢复了前期平缓但无序的变化特征。

图4 断层东侧的重力点时序变化图Fig．4 Curves of gravity time variation on the east side of Longmenshan fault zone．

断裂带西侧测点沿后山断裂带展布，可以看出（图5）：1996—2002年，测点变化平缓但整体规律性不强，有升有降；2002—2004年，均出现先升后降的同步变化；2004—2007年除611测点外，其余11个测点均一致出现快速上升变化，其中2006—2007年上升变化平缓。即如果以2002年为分界点，则1996—2002年各个测点的重力变化没有明显的规律可循，2002—2007年整体变化趋势一致，具有统一性，较好地反映了断层各部位由独立活动逐渐转变为协同化活动的特征。

图5 断层西侧的重力点时序变化图Fig．5 Curves of gravity time variation on the west side of Longmenshan fault zone．

实验室中根据应力－时间过程很容易划分变形阶段，即应力变化的峰值点为亚失稳开始时间。而对于野外情况，由于地质构造复杂，地表可观测的物理场是深处应力、应变过程引起的结果，其最大值不一定对应应力变化的峰值。汶川8.0级地震发生在龙门山构造带上，大地震发生前地表变形不显著，未见有浅表层异常活动，即浅层过程与地震发生的深层过程并不匹配（滕吉文等，2008），这可能说明不能简单地用观测场的峰值来判定亚失稳开始时间。岩石黏滑失稳实验发现，失稳前断层预滑经历了由各点独立活动转向一致活动的转变，亦是断层进入亚失稳阶段的特征之一（马瑾等，2012）。以此现象分析，测网东侧四川盆地地区和前山断裂的测点时序变化反复杂乱，没有一致性，说明区域重力变化受到多种因素影响，该区域断层在震前没有进入亚失稳态；测网西侧后山断裂带上的测点在2002年开始出现一致性较好的“同升同降”变化特征，说明这期间深部构造运动是区域重力变化的主导因素，时序变化反映了此时断层所处的状态。平行和垂直于龙门山断裂带地震活动的时空展布显示汶川地震的孕育部位主要分布在汶川段北川－映秀断裂和后山断裂之间，长约130km、宽约30km。地震发生后，余震的分布主要向NE扩展350km，局部段落在横向上迅速扩展至80km，这些区域是断层的失稳区（马瑾等，2013）。龙门山断裂带的地震活动资料显示（马瑾等，2013），2000年开始孕震区小地震密集，持续了8a以上，而无明显的错动和变形，意味着汶川断层段可能经历了以碎裂方式为主的强烈挤压应变，在碎裂达到一定程度后失稳。综合这些成果分析认为，后山断裂在2002年开始进入亚失稳态。

如果把黏滑周期定为100%，则平稳变形、偏离线性、亚失稳、失稳和失稳后阶段分别占有不同的百分比（表1）。

表1 黏滑过程中不同变形阶段的时间分配表（据马瑾等，2012）Table 1 Time allocation of different deformation stages in the process of stick slip（after MA Jin et al．，2012）

如果地震的复发间隔约为300a，亚失稳可提前0.99a开始，则可提前认识应力积累和释放的相持阶段和释放阶段，为识别应变加速释放做好准备（马瑾等，2012）。汶川大地震的强震复发周期为2 000～6 000a（张培震等，2008），亚失稳至少可提前6.6a开始。这与我们认为的后山断裂在2002年开始进入亚失稳态的时间基本一致。

4 沿断裂带的重力剖面时空变化分析

断层上应变释放区的扩展和连接体现了断层活动的协同化程度，指示了失稳的必然性和时间上的临近（马瑾等，2014）。把主要活动断层上各部位的重力测点集合在一起的重力剖面，能较好地反映断层活动的协同化过程。

图6显示了龙门山断层带西侧上的重力剖面点的时空变化。从图中可以看出，后山断裂中北部（612～616）的负值变化最早（1997年）开始于615、616点，依次向左扩展到612点，随着负值变化幅值减小，负值变化范围也逐渐减小至没有（2002年）。与此同时，断裂中南部以607、612点为中心的重力上升变化开始出现。随着重力上升变化的增大，重力上升变化的范围先扩大、后缩小，上升中心也逐渐向左迁移；其后（2006年），区域整体呈上升变化，上升中心为606、607及612点，606、607点在映秀镇附近，距汶川地震震中最近，最终失稳。说明临近地震前，特别是在龙门山断裂西侧于2008年汶川8.0级地震发生前观测到1次断层活动协同化过程。

5 结论

本文研究了亚失稳理论和汶川地震前龙门山断裂带地区重力场的变化特征，寻求断层进入亚失稳态的重力场证据，获得了如下的结论：

（1）亚失稳阶段龙门山断裂带的重力场出现“正常态变化—区域性重力异常—反向变化—弱变化（闭锁）”现象，它较好地反映了黏滑过程不同变形阶段“平稳线性—偏离线性—亚失稳Ⅰ—亚失稳Ⅱ”的过程。根据重力动态变化反映的震中位置附近的局部重力异常可判断其发震位置，即失稳部位。

（2）汶川地震前龙门山断裂带东侧测点的时序变化反复杂乱，说明该区域的断层未进入亚失稳态，西侧后山断裂带上的测点自2002年开始出现一致性较好的“同升同降”变化特征，反映了断层演化过程中一致性特征及失稳前的有序化信息，这是判定断层进入亚失稳态的证据，由此可判定该区域断层从2002年开始进入亚失稳态。

（3）沿断裂带的重力剖面时空变化显示，龙门山断裂西侧测点于2008年汶川8.0级地震发生前观测到1次断层活动协同化过程，说明断层亚失稳态下重力变化同样具有“趋同化”的演化特征。

（4）断层重力场的协同化演化特征目前仅是从一个震例得出的结论。地震是地壳运动的结果，并非所有的构造变形最终都会导致地震发生，时变重力场的梯度带分布或四象限展布特征是断层由于应力集中反馈在地面的一种表现形式，由于观测区域深浅部的断层结构尚不清楚，且各观测点对震源的响应程度存在非惟一性，了解最终是否会进入亚失稳态或判定断层处于亚失稳态还需其更多震例分析总结。因此，未来需开展震源区构造活动的跟踪监测研究，如加强亚失稳点地区的定点台站重力观测分析，尤其是利用连续绝对重力或无零漂的超导重力仪进行观测，以寻找亚失稳的时间点；开展亚失稳地区跨断裂的密集型绝对重力测量，提供月度—季度的重力动态变化；进一步开展强震前、后震中附近测点的重力时序变化研究等。