2022年1月8日青海门源6.9级地震前地球物理观测异常分析

汪发耀，杨积礼，李滔，苏宁，周海生

(青海省地震局，青海 西宁 810001)

0 引 言

地球物理监测的主要目的是获取为地震预报提供有效地震前兆信息，而地震前的一些异常作为监测的主要对象近年来被很多专家学者所关注。地球物理监测到的地震前兆是由地震孕育到破裂过程中地壳介质产生形变应变等力学特性变化的信息[1]。青海省门源地震台(以下简称“门源台”)的地球物理观测资料近年来多次记录到震前异常变化信息，为地震预报提供了重要依据。据青海省地震台网测定，2022年1月8日01时56分，在青海省门源县(37.77°N，101.26°E)发生6.9级地震，震源深度10 km，距门源台36 km。此次地震的震中位于青海和甘肃两省交界区域，甘肃和青海两省多地有明显震感。通过对观测数据的分析发现，观测资料清晰地反映了青海门源6.9级地震孕育整个过程中前兆异常的阶段性变化特征。

本文着重分析门源台的静水位、石英水平摆倾斜仪和钻孔应变在震前出现的异常形态特征，对其形成的物理机制做了解释，并对青海门源6.9级地震前出现的特征进行分析，对近几年来地震前出现的异常进行了总结。

1 台站及监测概况

1.1 台站地处构造背景与周边历史地震

门源台地处祁连山构造带与达坂山断裂带间，向北距离祁连山构造带南缘约23 km，向南距离达坂山断裂带24 km(图1)。其中达坂山断裂带是展布于祁连块体内第四纪活动过但晚更新世以来活动情况不清的断裂带；祁连山构造带由多条晚更新世—全新世(距今10～12万年)以来的活动断裂组成，为青甘交界地区最主要的地震活动区域之一。门源台距离祁连构造带南侧托莱山断裂带和冷龙岭断裂带约23 km，该组断裂带是青藏高原的重要活动构造边界带。沿祁连构造带历史上发生过多次6～8级强震，例如：1927年5月23日甘肃古浪8级大震，震中距门源地台75 km；1986年8月26日和2016年1月21日先后发生了青海门源6.5级和青海门源6.4级地震，震中距离门源台20～40 km[2]；2022年1月8日发生青海门源Ms6.9地震，震中距门源地震台36 km。该区域也是中等地震频发区域。

注：图中断裂资料来源于五代区划，震源机制解来源于中国地震局地球物理研究所图1 青海门源6.9级地震区域的历史地震及周边构造(1900-01～2022-01)

1.2 台站监测概况

门源台(37.47°N，101.40°E)属地球物理监测项区域综合台，先后开展测震、地下流体和形变等监测。

1.2.1 地下流体监测

现有水温、水位2个观测项目共3套仪器，分别是SZW-1A型水温仪、SZW-II型水温仪和SWY-II型水位仪。SWY-II型水位仪于2017年11月正式观测，观测井孔径110 mm，井深105 m，探头深度15.89 m。观测以来仪器工作正常、资料相对可靠、水位潮汐清晰，从校准结果分析，可靠性较高。

1.2.2 形变监测

测震和摆式形变监测的观测山洞建成于1982年，洞进深24 m，覆盖层及围岩大于20 m，岩性为砂岩，洞室内年温度变化<1 ℃，温度日变化<1 ℃[2]。目前(2022年1月)山洞内架设有测震仪、水平摆倾斜仪、垂直摆倾斜仪各一套，该台还建有钻孔应变监测，2017年底开始施工。

形变摆式倾斜监测：SSQ-2型数字石英水平摆倾斜仪器2011年11月架设。SSQ-2型数字石英水平摆倾斜仪是测量地壳倾斜变化的高灵敏度仪器。在不考虑电路部分的情况下，水平摆的自振周期可以达到50 s左右，实际工作中，可根据需要降低仪器灵敏度，即在安装过程中，把摆的自振周期调到15 s左右，以保证观测数据的稳定性而不影响仪器的其他性能[3]。台站周围观测环境良好，无明显干扰源，记录到的固体潮汐曲线清晰明显，倾斜仪自投入观测以来记录到了多次地震前兆的异常变化信息。

形变钻孔应变监测：RZB分量钻孔应变仪器2018年7月架设，钻孔开口孔径150 m，终孔孔径13 mm，孔深85 m，实际测量孔深85 m，孔底无沉砂。钻孔为花岗岩并在不同层段为砂岩且破碎，测量段岩心较完整。自架设后仪器不稳定，观测资料较差，经过多次维修后，基本恢复正常。

2 震前异常分析

2.1 静水位观测异常分析

门源台静水位观测系统自运行以来观测资料相对可靠，水位潮汐清晰，在此次青海门源6.9级地震前出现了较为明显的观测水位短临异常变化。图2为SWY-Ⅱ水位仪2019年9月～2021年1月门源6.9级地震期间的观测曲线。2019年9月15日起，水位测值出现明显上升，上升速率约为0.007 m/d；9日27日水位加速上升，上升速率约为0.150 m/d[4]；10月8日出现大幅度上升，在上升过程中10月19日出现小幅度起伏，累计上升约3.985 m，10月28日发生了甘肃夏河5.7级地震，震中距288 km，之后继续上升；11月5日再次到出现小幅度起伏，累计上升约5.870 m，6日继续上升，直至12月4日累计上升约6.868 m后，开始转为快速下降并逐渐减缓；2020年11月12日起下降结束出现缓慢起伏，1月24日开始逐渐减缓转平，累计下降幅度约4.746 m；2021年5月19日再次出现缓慢起伏，5月30日后开始减缓转平，上升幅度为0.305 m，起伏期间发生了2021年5月22日青海玛多7.4级地震，震中距422 km；直到2022年1月8日青海门源6.9级地震前，水位小幅度波动变化仍在持续，累计下降幅度约为2.413 m，震中距36 km。

图2 门源台静水位观测值曲线(2018-01-01～2022-01-12)

水位异常变化出现后，经检查仪器观测系统工作正常、供电正常，未发现观测环境及人为干扰。且经过现场测量，井水位的变化数据真实。在青海省地震局专家的指导下，对周围10 km范围内水库、民用水井、河水流量等进行了调查情况，未发现有突出环境和人为干扰。初步认为此次门源台的静水位异常变化为与区域地震孕育发生有关的可能性较大。在持续跟踪该异常变化的过程中发生了此次青海门源6.9级地震。

图3 门源台石英水平摆倾斜仪观测值曲线(2019-01-01～2022-01-12)

2019年9月24日以来，门源台的静水位突升异常变化期间，观测井点周围自然环境、观测仪器及状态、数据可靠性、辅助观测手段、同井观测其它测项进行了对比分析，且经过震例对比分析、水化学测试分析等工作，初步认为此次变化情况属实，加之异常变化幅度大、上升速度快[4]。据以往认识，一般距震中较近，趋势异常起始时间较早，异常持续时间较长；距震中越远，趋势异常出现较晚，持续时间较短[5]，认为是地震前兆异常的可能性较大。

2.2 形变观测异常分析

2.2.1 石英水平摆倾斜监测震前异常分析

门源台的SSQ-2型数字石英水平摆倾斜仪2011年11月架设，近几年运行稳定，观测资料可靠，多次在祁连山地震带发生地震时有震前长趋势的异常变化现象。观测洞室内湿度很大，湿度情况与往年一致。

2021年7月27日左右水平倾斜仪北南、东西分量同步开始向北、向东加速变化，总体呈趋势向北东倾。2021年11月15日北南分量调零造成观测曲线转折，11月26日继续持续北倾变化，2022年1月8日青海门源发生6.9级地震，认为门源地震台的水平摆倾斜仪北南、东西分量同步向北、向东加速变化为此次门源6.9级地震的前兆异常。

2.2.2 钻孔应变震前异常分析

RZB钻孔应变自2019年运行以来仪器不稳定，通过多次维修，目前观测数据固体潮形态清晰，但精度还是较低。与停测的YRY钻孔应对比，观测数据较为可靠，在记录到同井水位异常时，出现的趋势性受压的异常变化。

图4 门源台钻孔应变仪观测值曲线(2020-01-01～2022-01-12)

RZB钻孔应变北南、东西、北东和北西四个分量2021年12月11日均出现受压加剧变化，在受压的过程中发生2022年1月8日青海门源6.9级地震，认为门源地震台钻孔应变急剧受压变化为此次地震的短临前兆异常。

3 典型震例总结

门源台的静水位和水平摆倾斜仪在地震前出现典型异常事件较多，而门源地震台钻孔应变观测时间较短，在门源6.9级地震前基本无典型震例，故只针对近年来静水位典型震列和水平摆倾斜仪在祁连山区域地震发生前明显特征的震例进行总结。

3.1 静水位出现大幅度水位上升异常变化

门源台的静水位观测：2019年9月15日静水位值出现明显上升，10月8日出现大幅度上升，在上升过程中10月19日出现小幅度起伏，累计上升约3.985 m，在10月28日发生了甘肃夏河5.7级地震，震中距288 km。2021年5月19日再次出现缓慢起伏，5月30日后开始减缓转平，上升幅度为0.305 m，起伏期间发生了2021年5月22日青海玛多7.4级地震，震中距422 km。两年期间对应了甘肃夏河5.7级和青海玛多7.4级地震。

3.2 石英摆倾斜仪加速倾向异常变化

(1) 北南分量2014年7月31日开始逐步呈北倾趋势，10月19日急速向北趋势变化，11月22日达到到最高点；东西分量2014年10月23日开始急速西倾，11月15日达到最低点，2014年11月15日甘肃景泰发生4.7级地震，震中位于门源台北东方向，距离207 km。认为此次变化对应了2014年11月15日甘肃景泰4.7级地震。

(2) 北南和东西分量2015年5月22日开始逐步呈向北和向东趋势变化，9月11左右开始加速向北东倾斜。2015年11月23日青海祁连发生5.2级地震，震中位于门源台北西方向，距离106 km。2016年1月21日青海门源6.4级地震，震中位于门源台北东方向，距离30 km。认为此次变化对应了青海门源6.4级地震。

(3) 北南分量2019年4月17日开始呈向南倾趋势变化，4月20日变化到最低点，4月24日开始呈转折趋势向北倾，2019年4月28日甘肃肃南发生4.8级地震，震中位于门源台北西方向，距离394 km。认为此次变化对应了甘肃肃南4.8级地震。

(4)东西分量2019年7月11日出现的倾向转折异常，异常期间未发生地震。7月20日左右呈西倾趋势变化，在此期间发生8月9日青海门源4.9级地震，震中距29 km。8月25日回返东倾过程中发生9月16日甘肃张掖5.0级地震，震中距156 km。认为此次变化对应了青海门源4.9级地震和甘肃张掖5.0级地震。

4 认识与思考

通过对2022年1月8日青海门源6.9级地震前，门源台的静水位、水平摆倾斜和钻孔应变资料异常分析和震例总结，得到以下几点认识：

(1)门源台的静水位加速上升异常。自2019年9月15日出现异常后，在持续28个月中记录到甘肃夏河5.7级(震中距288 km)、青海玛多7.4级(震中距422 km)和青海门源6.9级地震(震中距36 km)，这些地震发生前，静水位异常趋势变化持续，青海门源6.9级地震后还未恢复到原有水位。从地震发生震中距判定，门源台500 km内还存在中强震发生的可能，还需密切关注静水位的变化趋势。

(2)门源台石英水平倾斜分量观测到的北倾的加速或转折异常变化。通过青海门源6.9级震前异常和典型震例分析，可以看出门源台石英水平倾斜仪观测资料在震前的异常波动是客观存在的。根据其出现的时间以及动态分布特征，可以作为识别地震短临前兆及短临预测的一个重要参考指标。门源台石英水平倾斜仪对区域应力变化具有较好的响应，且异常主要表现为北倾异常变化趋势，在异常跟踪过程中应予以重点关注。

(3)门源台的钻孔应变观测到强烈的挤压异常变化。门源台的钻孔应变在2012年7月、2019年9月和2020年11月三次都出现过趋势一致异常变化，异常时间与同井内的水位观测变化趋势一致，可以说明井内水位的变化，受到强烈的挤压作用，使钻孔应变四分量变化呈现压应变趋势一致，三次异常结束后先后发生了2016年门源6.4级、2019年夏河5.7级和2022年门源6.9级地震。此次青海门源6.9地震在前1个月再次出现压应变异常变化，和前三次相似，可以得出，钻孔应变四分量同时监测到挤压增强变化，可能是岩石破裂进入震前突变阶段的反映，应变速率突然大幅增强，应变固体潮波形畸变。