华南西部地区近期中强地震前定点形变异常特征分析

黄惠宁，郭培兰，阎春恒，苏 珊，原永东

（广西壮族自治区地震局，南宁 530022）

0 引言

地震的孕育和发生的过程中最直接的现象是地壳形变，形变观测资料在了解大范围区域地壳运动状态、识别地震孕育过程中形变异常时空分布特征，进行地震时空强预报中发挥着重要的作用。基于定点形变连续观测资料获得的震兆实例研究也取了一些显著的成果，路珍对地球物理场区域形变测量和定点形变观测资料中震前异常现象时空分布特征进行研究得到地球物理场资料适合中长期地点判定，定点形变观测资料适合中短期预测的认识[1]。韩桂红对呼图壁MS6.2 地震300 km 范围内定点形变测项进行研究发现，区域存在背景性准同步趋势转折异常，中期异常以趋势加速为主并呈现出外围向近场迁移的特征[2]。诸多研究表明，中强地震之前，定点形变资料反映出一定程度的中期异常，甚至是短临异常[3-5]，并且有些地区的震例研究已经归纳得到区域形变预测指标[6-7]，为区域捕捉地震前兆及开展地震预报研究提供参考。地震孕育过程中会出现各种形式的形变异常现象，这一点毋庸置疑，但由于台站所处区域地质条件和环境存在差异，各个台站表现出来的异常也存在差异[8]，基于此，本文通过震例进行研究，旨在对形变异常特征进行总结，为华南西部地区地震预测研究提供借鉴和参考。

形变台站数字化以来积累了10 余年的形变观测资料，期间华南西部地区没有发生显著地震，直到2016 年发生苍梧MS5.4 地震（下称“苍梧地震”）打破了广西地区长达21 年的无5 级地震的平静，2018 年 11 月 26 日发生海峡MS6.2 地震，2019年又相继发生北流MS5.2（下称“北流地震”）和靖西MS5.2 地震（下称“靖西地震”），震例的丰富给华南西部地区震前形变资料异常特征研究带来契机。本文以华南地区近年来发生的5级以上地震为基础，梳理这些显著地震前定点形变观测资料出现的异常变化，认识中强地震前异常变化的主要特征，提取可能存在的异常指标，以期能为今后华南地区中强地震预测提供依据。

1 形变台站和观测数据概况

灵山地震台1975 年建台，位于广西灵山县城六峰山南侧山脚下，海拔高度60 m，构造上处于北东向的防城—灵山断裂带和北西向的巴马—博白断裂带交汇部位，历史上发生的最大地震为1936 年4 月1 日的灵山63/4级地震，是华南地区陆区发生的最大地震[9]。“十五”前兆数字化改造后，灵山地震台拥有地倾斜、连续重力、流动水准测量等形变观测手段。倾斜重力山洞位于台站东约350 m 的六峰山公园内，洞室进深30 m，上覆基岩厚约22 m，台基岩性为泥盆系中统东岗岭阶中厚层灰岩，山洞常年恒温22.5 ℃，年温差小于0.5 ℃，较为干燥。灵山地震台倾斜观测先后使用过VS 垂直倾斜仪和VP 垂直摆倾斜仪两种仪器，VP垂直摆倾斜仪于2017年12月开始观测，固体潮形态良好，观测数据连续稳定，VP 垂直摆倾斜EW向有微弱年变，NS向无明显年变形态。

梧州地震台1977 年建台，位于梧州市西郊龙新村附近，海拔高度25 m，构造上处于北东向防城—灵山断裂带和合浦—北流断裂带末端，历史上发生的最大地震为2016年7月31日的苍梧5.4级地震[9]。“十五”前兆数字化改造后，梧州地震台拥有地倾斜、地应变等形变观测手段。梧州地震台仪器洞室距办公室约40 m，洞室进深约38 m，覆盖厚度约40 m，台基岩性为燕山期花岗岩，山洞仪器室温度恒定日变小于0.03 ℃，观测环境较好。梧州地震台DSQ 水管倾斜仪安装于2007 年1月，自观测以来数据连续稳定，固体潮清晰，无年变形态。梧州地震台SS-Y 洞体应变仪与DSQ 水管倾斜仪同时安装， NS 分量在2008 年至2010 年有微弱年变，2011 年之后年变消失，EW 分量自观测以来年变清晰。

凭祥地震台1972 年建台，位于凭祥市东南面的竹山村那岩屯，海拔227 m，构造上处于桂林南宁断裂西端，“十五”数字化改造后拥有地倾斜和连续重力两种观测手段。倾斜山洞进深26.61 m，覆盖厚度约20 m，东西旁覆盖10～15 m，台基岩性为二叠系灰岩，山洞常年恒温21.3 ℃，年温差小于0.5 ℃，观测环境良好。凭祥台倾斜观测也先后使用VS垂直摆倾斜仪和VP垂直摆倾斜仪两种仪器进行观测，2016 年由于VS 垂直摆倾斜仪老化故障频发，与灵山地震台同时期更换成VP 垂直摆倾斜仪，VP垂直摆NS向自观测以来无年变也没有趋势特征，EW 向有年变，但年变形态和年变幅度明显与VS不同。

灵山地震台和梧州地震台在地理位置上位于广西桂东南地区，凭祥台位于桂西南地区，是广西唯一的边境台（图1），台站的测项和本文使用的测项资料情况如表1所示。

图1 广西定点形变台站与显著地震分布图Fig.1 Distribution map of fixed-point deformation stations and significant earthquakes in Guangxi

表1 灵山地震台和梧州地震台定点形变测项信息表Table 1 Information table of fixed-point deformation measurement items of Lingshan Seismic Station and Wuzhou Seismic Station

2 气象干扰因素分析

定点形变观测易受到自然环境的影响，气温、气压、降雨等气候变化都会对定点形变观测产生一定的影响[6]。气压是直接作用于地表的大面积荷载，气压急剧变化会导致地表负荷变化从而引起地表变形。降雨引起地表载荷变化，雨水渗透入岩石，使得岩石产生不均匀变形。温度变化会导致岩石发生膨胀与收缩，发生变形。为明确气象因素对广西形变测项的影响，选取灵山垂直摆和梧州水管倾斜两个测项与气象三要素进行对比分析。如图2所示，灵山气压、降雨和温度具有明显的季节性变化特征，气压冬高夏低，温度夏高冬低，降雨量每年5 月至7 月达到最大，灵山垂直摆NS 分量在仪器故障之前没有明显的年变特征和趋势性特征，更换设备后表现出显著的趋势性特征（持续南倾），受到降雨干扰较为明显，干扰特征主要为同步的短期波动变化，对整体趋势影响不大。梧州的气压、降雨特征与灵山一致，降雨量每年5月至9月达到最大，梧州水管倾斜NS分量无年变，趋势变化特征明显（持续北倾），受到气象因素干扰不显著。

图2 灵山垂直摆NS分量和梧州水管倾斜NS分量与气象三要素对比图Fig.2 Comparison of NS components of Lingshan vertical pendulum and Wuzhou water pipe tilt with three meteorological elements

3 显著地震震例分析

自定点形变数字化观测资料以来，华南西部地区共发生了4 次5 级以上地震，2018 年11 月26日海峡6.2 级地震发生在海域，本文暂不进行讨论。文章主要对华南西部地区3 次5 级地震震中300 km 范围内的形变测项的异常特征进行研究，震例及震中300 km范围内形变测项情况见表2。

表2 地震及震中300 km范围内形变测项情况表Table 2 Table of earthquakes and deformation measurement items within 300 km of the epicenter

3.1 2016 年 7 月 31 日苍梧 MS5.4 级地震前异常变化分析

苍梧地震300 km 范围内有3 个形变测项（见表2），出现异常的有灵山VS垂直摆倾斜NS分量和梧州DSQ 水管倾斜NS 分量2 个测项。灵山VS 垂直摆NS 分量自2014 年2 月起北倾转平，虽然在2014 年3 月至2015 年1 月受到开挖重力山洞年变不明显的状态下依然能看到曲线呈现出较为明显的北倾趋势转平，持续911 d 发生苍梧5.4 级地震，震中距约295 km，但VS 垂直摆在2016 年10 月故障无法跟踪后续变化。梧州DSQ 水管倾斜NS 分量在2014年7 月开始北倾转折，2015 年11 月23 日开始北倾加速，持续121 d 结束，变化量390 ms，异常结束后130 天发生苍梧地震，震中距约75 km，震后24 d恢复北倾变化。

图3 苍梧地震前形变异常图Fig.3 Deformation anomalies map before the Cangwu earthquake

3.2 2019 年 10 月 12 日北流 MS5.2 级地震前异常变化分析

北流地震300 km 范围内有3 个形变测项，出现异常的是灵山VP 垂直摆NS 分量，梧州DSQ 水管倾斜的NS 和EW 分量。灵山VP 垂直摆倾斜NS分量自2018 年观测以来一直保持南倾，2019 年6月30 日开始南倾转平，持续104 d 发生北流地震，震中距130 km，震后南倾转平持续。梧州DSQ 水管倾斜NS 分量2019 年7 月19 日开始北倾加速，异常持续85 d 发生北流地震，变化量272 ms，EW 分量2019 年3 月31 日开始东倾加速，加速108 天东倾转平，变化量216 ms，转平87 d 后发生北流地震，震中距163 km，震后NS 分量北倾加速和EW分量东倾转平趋势持续。

3.3 2019 年 11 月 25 日靖西 Ms5.2 级地震前异常变化分析

靖西地震和北流地震发震的时间间隔只有44 d，在进行异常分析时将两个地震异常进行合并分析。在靖西地震300 km 范围内有灵山VP 垂直摆倾斜和凭祥VP垂直摆倾斜两个测项，凭祥VP垂直摆自观测以来数据不稳定，震前未发现显著异常变化。灵山VP垂直摆倾斜NS分量在北流地震发生后南倾转平趋势未恢复，靖西地震发生后31 d恢复南倾，震中距262 km。值得一提的是梧州水管倾斜的NS 分量在北流地震后北倾加速持续，靖西地震后反向南倾，37 d 后恢复北倾变化，EW 分量东倾转平在北流地震后持续，靖西地震发生后37 天恢复东倾变化，震中距为465 km。

4 形变异常特征与其他观测资料的相关性分析

4.1 异常特征与地震关系分析

对华南西部地区发生的3次显著地震震前形变资料的异常变化进行统计（表3），可以发现异常主要呈现以下特征：时间尺度上异常主要以中长期趋势异常为主，除灵山VS垂直摆NS分量外，其他测项异常均在1 年内出现，并且异常持续3 个月至6 个月，短临异常不突出；空间分布上异常集中在震中300 km 范围内出现，虽然梧州DSQ 水管倾斜仪距离靖西地震震中距为465 km，但在北流地震后NS 分量北倾加速并未恢复，一直持续到靖西地震后才反向恢复南倾，约37 d 后才恢复北倾变化；曲线的异常特征主要表现为趋势转折和趋势加速；震后约1个月左右异常逐渐恢复。

表3 显著地震异常特征统计Table 3 Statistics of significant seismic anomalies characteristics

从同一测项对不同震级的地震的响应情况看，呈现震级越大异常持续时间越长，异常变化量越大的特点。以梧州DSQ 水管倾斜NS 分量为例，该分量在2015 年11 月23 日开始北倾加速，121 d 后反向南倾，南倾变化130 d 发震，异常持续251 d，异常变化量390 ms。北流地震前85 d 北倾加速，加速过程中发震，异常变化量272 ms，震后异常持续直到靖西地震后开始南倾恢复，异常总共持续129 d，异常变化量为288 ms。

从同一地震不同测项的响应情况看，呈现出东西分量先出现异常，北南分量后出现异常，并且不同台项同分量异常具有同步性的特点。以北流地震为例，梧州DSQ 水管倾斜EW 分量2019年3月31 日开始东倾加速，2019 年7 月19 日转平，转平 87 d 后发生北流地震，NS 分量 2019 年 7 月 17 日开始出现北倾加速，而灵山VP 垂直摆NS 分量在2019 年6 月30 日开始出现南倾转折，与梧州DSQ水管倾斜NS 分量出现异常的时间接近。并且，北流地震发生之后，灵山VP 垂直摆NS 分量、梧州DSQ 水管倾斜NS 分量和EW 分量异常均未结束，直到靖西地震发生37 d之后，三个异常同步恢复。

4.2 其他观测资料的相关性分析

华南块体主要受西部川滇菱形块体旋钮作用和东部菲律宾海板块西向俯冲挤压作用[11]。GPS 观测资料显示，华南块体西部近NS 向的四川筠连—云南文山基线呈较稳定的张性趋势，NW 向的四川盐源—广西河池基线、四川松潘—贵州凤冈基线和云南文山—海南三亚基线均为压性，且云南文山—海南三亚基线2019年5月至2020年2月呈压性趋势加速，2020 年 3 月至 2021 年 4 月转折拉张，2021 年 5月之后再次转为压性（图4）。综合分析认为，东南沿海地震带西段受压扭作用增强，利于NW 向走滑断裂和NE 向逆冲断裂的活动。华南块体东部近EW 向的台湾—广州GPS 基线2002—2014 年为张性变化，2014—2016 年转折压性变化，2016—2018年压性趋势减弱（图5），2020 年5 月至今压性趋势增强并持续。

图4 北流地震和靖西地震前形变异常图Fig.4 Deformation anomalies map before Beiliu earthquake and Jingxi earthquake

图5 华南块体西部边界基线图Fig.5 Baseline map of the western boundary of South China block

采用CAP 方法反演了苍梧地震、北流地震和靖西地震的震源机制解（图6，表4），结果显示：苍梧地震主破裂面走向NNW，呈左旋走滑运动性质，主压应力方向为NW 向；北流地震主破裂面走向NWW，以走滑性质为主，兼有正断成分，主压应力P 轴方位为NW 向，与广西现今构造应力场主压应力方向一致；靖西地震震源机制均为逆断性质，主压应力P 轴方位为NW-SE 向，倾角近水平，与广西现今构造应力场主压应力方向一致。

表4 显著地震震源机制解结果Table 4 Focal mechanism solution results of significant earthquakes

图6 华南块体东部边界基线图Fig.6 Baseline map of the eastern boundary of South China block

基线及震源机制解结果表明，2014 年以来华南块体东部处于强挤压状态，区域应力明显增强，受到NW 向推挤作用，梧州水管倾斜、灵山VP 垂直摆倾斜出现显著并持续的趋势转折、转折加速等异常现象，期间广西东部相继发生了苍梧地震和北流地震。华南块体西部2019 年至2020 年期间顺时针压扭作用加速增强，在北西向区域构造应力场作用下，利于NW 向走滑断裂和NE 向逆冲断裂的活动，期间广西西部发生了极浅源的靖西地震。

图7 显著地震震源机制解图Fig.7 Focal mechanism solution of significant earthquakes

5 结论与讨论

本文通过对形变观测数字化以来发生的3 次中强地震震前定点形变资料异常变化进行梳理总结，分析了形变异常特征与中强地震的关系，研究结果表明：

（1）震例研究结果表明，中强地震前震中距300 km 范围内的定点形变测项可以观测到不同程度的异常变化。异常特征以趋势背景上的趋势转折和趋势加速为主，异常变化通常出现在震前1年内，异常持续时间超过3 个月以上，并在震后1 个月左右结束，呈现出震级越大异常幅度越大，异常持续时间越长的特征。因此，出现超过3个月以上的趋势异常变化可能是与地震有关的前兆异常，应予以关注。

（2）其他观测资料的相关性分析表明，灵山VS垂直摆NS分量与梧州DSQ水管倾斜NS分量在苍梧地震前后和北流地震前后出现同步的趋势异常变化现象，与GPS基线变化结果一致，该现象表明在区域应力场一致作用力影响下，基岩发生持续加速倾斜时，各种仪器记录到的结果则是有序的，与其他学者的研究结果一致[10]。

（3）本文尝试利用数字化定点形变观测资料开展形变异常特征与地震关系探索性研究，试图积累经验，为华南西部地区地震趋势研究和定点形变预测指标体系建设提供借鉴和参考。华南西部地区定点形变台站数量较少且测项单一，观测数据受到各种因素的干扰较多，震例相对较少，难以进行预测效能检验，存在一定的局限性。利用定点形变观测资料预测地震的机理是一个复杂的科学问题，需要长期不懈地开展震例回溯性研究，不断地总结震例前兆异常，识别地震前兆异常特征，不断提高利用形变前兆异常进行地震预测的水平。