2023年12月18日甘肃积石山M6.2地震的前兆异常和孕震过程

摘要：为了寻找确切的地震前兆异常，在2023年12月18日甘肃积石山M6.2地震后，对甘肃省临夏地震台观测资料进行分析，发现临夏台所处地块从2023年1月10日起就处在构造应力的作用下，地块内裂隙张开，吸纳空气，导致钻孔与地面气压差ΔP负异常;从2月22日起，自然电位差ΔV和单极电阻率ρK相继出现异常变化;从3月16日起，开始了小幅度的预滑活动Xpo，并于8月11日前后达到峰值Xpm。预滑活动使临夏台所处地块内多个小裂隙快速张开，并吸纳气体，导致钻孔气压在12月6日起出现多个负气压脉冲GP，这些异常现象直到震后才结束。震前十几个小时的临震预滑活动使得积聚在孕震断层上的应力进一步加大，克服了断层面上的摩擦力，导致孕震断层失稳破裂，发生了积石山M6.2地震。鉴于观测到的预滑活动和前兆异常发生的时间、空间都与积石山M6.2地震有较好的相关性，推测临夏台震前观测到的地块预滑活动、气压差变化、气压脉冲、自然电位差和单极电阻率变化可能是M6.2地震的前兆异常。前兆异常时空演化过程表明，积石山M6.2地震的孕震过程分4个阶段。因此，关注震前地块预滑活动和各类前兆异常，对预测未来破坏性地震和研究孕震过程有一定的前兆意义。

关键词：预滑活动; 气压差ΔP; 气压脉冲GP; 地震前兆异常; 孕震过程; 甘肃积石山M6.2地震

中图分类号： P315文献标志码：A文章编号： 1000-0844（2024）04-0857-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240221002

Precursory anomalies and seismogenic process of the

2023 Jishishan， Gansu， M6.2 earthquakeXU Jiansheng LI Li ZHANG Yu YAN Wangsheng YANG Xiaopeng

WU Yin CHEN Shuanggui CHEN Xuemei

（1. Institute of Geophysics， CEA， Beijing 100081， China;

2. Gansu Earthquake Agency， Lanzhou 730000， Gansu， China）Abstract：

We aimed to study the precursor anomalies of the M6.2 earthquake in Jishishan County， Gansu Province， on December 18， 2023. For this purpose， this study analyzed data recorded at the Linxia seismic station in Gansu Province. The outcomes of the analysis revealed that since January 10， 2023， the fissures caused by this earthquake in the block in which the Linxia station is located have already opened up. It was observed that these fissures absorb gases rapidly under the action of tectonic stress， resulting in a negative anomaly of air pressure （ΔP） between the borehole and the ground. Since February 22， there have been several cases of abnormal changes in the natural potential difference ΔV and unipolar resistivity ρK. The small-scale preslip activity Xpo began on March 16， and it attained the peak Xpm around August 11. The preslip activity caused numerous small cracks in the Linxia block to open and absorb gas quickly， resulting in a large number of negative pressure pulses Gp in the borehole from December 6. These anomalies ended after the earthquake. After lasting for more than 10 h， the preslip activity increased the stress accumulated on the seismogenic fault before the earthquake. The fault became unstable and ruptured when the stress exceeded the frictional force on the fault plan， which may have led to the occurrence of the M6.2 earthquake. It is speculated that preslip activity and variations in pressure difference， pressure pulse， natural potential difference， and unipolar resistivity， which were observed at the Linxia station before the Jishishan M6.2 earthquake， may be precursors of these anomalies. This conclusion was drawn in consideration of the fact that there was a good correlation between the anomalies and the earthquake. The temporal and spatial evolution of the precursory anomalies showed that the seismogenic process of the Jishishan M6.2 earthquake can be broadly categorized into four stages. Therefore， it is highly important to pay close attention to preslip activity and various precursory anomalies before an earthquake to predict future destructive earthquakes and study the seismogenic process.

Keywords：preslip activity; air pressure difference ΔP; air pressure pulse Gp; seismic precursor anomaly; seismogenic process; Jishishan， Gansu M6.2 earthquake

0引言

地震预测的关键在于能否观测到可重复出现、物理意义明确的前兆异常。什么是物理意义明确且能重复出现的地震前兆异常，仍是在探讨中的世界性难题。但自2000年以来，高采样率数字水位、形变、电磁、气象三要素、宽频带地震仪等综合观测手段的不断完善和深井甚宽频带地震台站的逐步建成，为获取地震前兆异常和研究孕震过程提供了可能性。同时获取了一些物理意义明确且能重复出现，疑似与未来主震有关的地震前兆异常信息，如水位、形变、气象三要素和地震仪等观测到的“前驱波”“毛刺”、预滑震相Xp、高频震颤震相Tp、钻孔与地面气压差ΔP和气压脉冲GP等［1-8］。对2008年汶川MW7.9地震前青藏地块、华北和东北亚地块预滑活动的研究表明，震前数月，在震中及周边各地块上普遍存在预滑活动和地震前兆异常［5-8］。在积石山M6.2地震前，甘肃临夏地震台（以下简称临夏台）是否也观测到了类似汶川MW7.9地震前的预滑活动和前兆异常？为了回答这个问题，我们分析了临夏台水位、钻孔应变、自然电位差、单极电阻率、钻孔气压、气象三要素和宽频带地震仪2023年1月1日至12月31日的观测资料，发现了与汶川MW7.9地震前类似的预滑活动和一些地震前兆异常信息。本文在对这些地震前兆异常可靠性讨论的基础上，试图根据这些前兆异常对积石山M6.2地震的孕震过程做初步探讨。

根据中国地震台网中心（CENC）的测定结果，2023年12月18日23时59分30.0秒（BJT），在中国甘肃临夏州积石山县（35.70°N，102.79°E）发生了M6.2地震（图1），震源深度10.0 km。地震造成了大量民居倒塌和沙涌等次生灾害，给人民的生命财产造成了巨大损失。震前，从2023年1月10日起，距震中45.8 km的临夏台的钻孔与地面气压差ΔP出现负异常，ΔP下降过程中，在1月23日，钻孔气压计和钻孔水位仪同时观测到了周期长达2天的低频震颤震相Tp;从2月22日起，自然电位差ΔV和单极电阻率ρK相继出现异常;从3月16日起，静水位4、静水位b 、静水位c、钻孔水位、钻孔应变仪“准同步”地观测到了小幅度的预滑震相Xpo;在8月11日前后观测到了幅度最大的预滑震相Xpm;从12月6日起，钻孔气压计记录到了多次负气压脉冲GP，直到地震发生（图2）。在震前十多个小时，临夏台、甘肃玛曲地震台（以下简称玛曲台，Δ=194.7 km）的宽频带地震仪和湖南常德地震台（以下简称常德台，Δ=1 087.9 km）的深井甚宽频带地震仪 “准同步”地观测到了临震预滑震相Xpe（图3）。临夏台观测仪器在台内的布局如图1所示。

1观测仪器和震中构造背景概况

在讨论观测结果之前，为了叙述方便，有必要对文中使用的专业术语“预滑震相Xp”“震颤震相Tp”“气压差ΔP”“气压脉冲GP”的物理意义作简短定义。

（1） “预滑震相Xp” 是指在震前，地块的预滑活动激发出的“阶跃型”震相。预滑震相Xp在临夏台不是初次被观测到，在2008年5月12日汶川MW7.9地震前，临夏台的钻孔应变、水位和钻孔水位仪都观测到了此震相［5-7］。

（2） “震颤震相Tp”是指地块被挤压或拉伸时，地块裂隙内的气（液）体受到扰动，在裂隙内流动和溢出时激发出的震颤波动，其波动频域很宽，从几Hz到数小时不等。地震仪可以记录到几Hz的高频震颤，形变仪和水位仪等长周期观测仪器可以记录到数分钟到几天的低频震颤。在声频范围内的震颤，地声仪器可以记录到，人也能听到，称为地声。不同仪器记录到的震颤频率不同，除了与仪器的频宽有关，还可能与气（液）体流动的裂隙大小有关，即气（液）体在不同大小的裂隙内流动可能会形成不同频率的震颤。震颤震相Tp在临夏台也不是初次被观测到，在2008年5月12日汶川MW7.9地震前，临夏台的钻孔应变、水位和地震仪也都观测到了此震相［5-7］ 。

（3） “气压差ΔP”是指钻孔内的气压与地面气压间的差值。因为钻孔内的气压计通过气管通向地面，在正常情况下钻孔气压计记录的也应是地面气压值。理论上，钻孔气压与地面气压差应该为0，但如果地块发生预滑活动，地块受到挤压或拉伸，地块中的裂隙就会排出或吸纳气体，在相对封闭的钻孔内形成局部气压升高或降低，导致钻孔内气压高于或低于地面气压，钻孔与地面气压差ΔP出现正异常或负异常。

（4） “气压脉冲GP”是指钻孔气压计记录到的脉冲状信号。因为在同台、同时和同类型的地面气压计上没有记录到这种信号，我们推测它是地块预滑时，地块裂隙被快速挤压或拉张，裂隙内的压力快速升高或降低，裂隙快速排出或吸纳气体，在钻孔内形成了或正或负的气压脉冲GP。

1.1观测仪器和数据概况

仪器、数据概况如表1所列。

1.2震中构造背景概况

积石山M6.2地震震中位于临夏台正西略偏北45.8 km处，在青藏活动地块的东北缘，在祁连二级地块东南角的次级地块上，是拉脊山北缘断裂和拉脊山南缘断裂的交汇点，在临夏台西南约40 km处有倒淌河—临夏断裂通过（图1）。

2观测结果讨论

2.1Xp的观测结果讨论

如图2所示，从3月16日起，在静水位4、静水位b、静水位c、钻孔水位、单极电阻率和钻孔应变仪上 “准同步”地记录到了小幅度的预滑震相Xpo;8月11日前后，静水位4、静水位b、静水位c、钻孔水位、单极电阻率和钻孔应变仪上“准同步”地记录到了幅度最大的预滑震相Xpm。Xpm震相在临夏台不同学科观测仪器上的记录波形基本相同，都是“阶跃型”波形。在水位仪上观测到的Xpm震相到时相同;在单极电阻率和钻孔应变仪上观测到的Xpm震相到时相同，要比水位仪的到时早约2天;在临震前十几个小时，临夏台、玛曲台的宽频带地震仪和常德台的深井甚宽频带地震仪 “准同步”记录到了临震预滑震相Xpe（图3）。

2.2ΔP和GP的观测结果讨论

如图2、4所示，1月10日起，钻孔与地面气压差ΔP出现负异常，7月10日起略有回升，但在10月26日又有小幅度下降，一直持续到地震发生。值得注意的是，在气压差ΔP持续负异常的背景下，从12月6日至地震发生，钻孔气压计间歇性地记录到了一串幅度大到超出仪器量程的负气压脉冲GP，但地面气压计未记录到类似的负气压脉冲。据此推测，GP是地块预滑时，地块裂隙快速张开，裂隙内的压力快速降低，快速吸纳气体，在钻孔内形成的负气压脉冲。12月6—18日，地面气压计和钻孔气压计同步记录到了气压下降过程，表明地块内裂隙的吸气过程不仅使得钻孔内气压下降，还使得地面气压也同步下降，是“地气耦合”的又一观测证据［9］。

2.3TP的观测结果讨论

如图4所示，在钻孔和地面气压差下降的过程中，1月23日，钻孔气压计和钻孔水位仪同步记录到了一次低频颤动TP。波形起始缓慢，幅度逐渐变大，只有1个波动周期，周期可达2天左右。据此推测，在气压降低过程中，地块内较宽裂隙有一次缓慢的吸气过程，导致钻孔内气压缓慢下降，吸气过程使得钻孔内水位先下降后上升，形成了一次低频颤动TP。

2.4ΔV和ρK值的观测结果讨论

如图2所示，从2月22日起，自然电位差ΔV开始出现异常；从3月20日起，单极电阻率ρK出现和钻孔应变Xpo和Xpm 同步的阶跃式异常;10月27日，自然电位差NS分量的ΔV出现显著的阶跃式异常，一直持续到地震发生。鉴于这些异常变化与其他前兆异常变化和地块预滑活动同步出现，推测这些异常可能是构造应力作用和地块预滑活动的共同结果。

3观测结果的可靠性讨论

在依据观测结果给出结论之前，首先需要回答3个问题以确定上述观测结果的可靠性：（1）仪器工作状态是否正常？（2）这些前兆异常是否是气象变化的结果？（3）12月6日起出现的负气压脉冲GP是否是外界环境干扰？

（1） 仪器工作状态是否正常？不同台站在相近时间段，通过不同学科观测手段，都观测到了Xp和其他前兆异常的情况，我们认为在相近时间段，不同井孔、不同观测手段的多个仪器同时出现故障的可能性较小。

（2） 预滑震相Xp和这些前兆异常是否是气象变化的结果？首先，是不是气温变化的结果？如图2所示，2023年全年临夏台气温变化基本符合年变规律，没有太大变化，只在年初的1月13日和年尾的12月13日变化比较大，如12月13日全国普遍降温达10 ℃左右，但在该时间点并没有记录到Xp和其他前兆异常变化。因此，Xp和这些前兆异常与气温变化不相关。其次，是不是气压变化的结果？由图2给出的钻孔和地面气压记录可见，在 8月11日记录到Xpm震相时，钻孔气压和地面气压变化都没有超出日常变化范围。而当气压变化较大时，也都没有观测到Xp震相和前兆异常的情况。因此，Xp和这些前兆异常也不是气压变化的结果。最后，是不是降水的结果？观测到Xp和前兆异常的时间与降水时间相关性也不大，如9月27日临夏台遭遇全年最大的一次降水，近11.7 mm，但所有仪器都没有记录到可识别的Xp和其他前兆异常变化。因此，判定预滑震相Xp和这些前兆异常与降水无关。

（3） 12月6日起出现的负气压脉冲GP是否是外界环境干扰？在12月6日观测到负气压脉冲GP时，台站附近正在开挖天然气管道沟，直到12月12日结束。一直到地震发生时仍有这些负气压脉冲，震后这些负气压脉冲再未出现。因12月6日和震后均未动过仪器，推断可能是地震前兆异常。因此，负气压脉冲GP也不是外界环境干扰所致。另外，在12月6日钻孔气压出现负气压脉冲时，地面和钻孔气压同步下降，下降过程持续到震后才恢复（图2）。即使开挖天然气管道沟工程导致钻孔气压出现下降和负气压脉冲，也绝不可能导致地面气压从12月6日到18日的持续低压，况且到12月12日，工程已结束，但钻孔与地面气压同步下降的现象却一直持续到震后才结束。

4形成气压差和气压脉冲的物理机制

根据板块构造理论，地壳和上地幔并不是完整的“一块石板”，而是由不同尺度地块和断层构成的离散体系。这些尺度不同的地块在地幔软流层上，在地幔内热物质对流力的驱动下会发生间歇性黏滑运动［10］。本文把发生在地震之前的黏滑运动称作“预滑”。对2008年汶川MW7.9地震前，青藏地块、华北和东北亚地块预滑活动的研究表明：震前数月，震中及周边各地块普遍存在预滑活动，如地下气体排出和地下水位上升或下降等地震前兆异常现象［7-8］。在预滑过程中，地下气（液）体排出或吸纳除了和构造应力的拉张和挤压有关外，还与裂隙走向、作用力方向有关。若构造应力挤压地块，会使地块内平行于作用力的裂隙张开，垂直于作用力的裂隙闭合，张开的裂隙会吸纳气（液）体，闭合的裂隙会排出气（液）体。裂隙张开时，吸纳外界气体，在相对封闭的钻孔内形成局部气压下降，导致钻孔内气压低于地面气压，形成钻孔与地面气压的负压差，反之亦然。钻孔内气压脉冲的形成可能与构造应力作用的急缓有关。在预滑过程中，当构造应力快速挤压地块时，在地块内与作用力平行的裂隙会快速张开，并快速吸纳气体，导致钻孔内气压快速降低，形成负的气压脉冲，反之亦然。这就是钻孔与地面气压差ΔP和气压脉冲GP 形成的物理机制。同理，预滑活动也会导致形变、应变、电位和电阻率变化等地震前兆异常现象，其物理机制在此不一一赘述。据此，郭增建等［11］认为，地震前的预滑活动可能是大多数地震前兆的物理基础。

5积石山M6.2地震前兆异常的物理机制

依据预滑活动观测结果和前兆异常的物理机制，可以确定临夏台各观测手段在积石山M6.2地震前兆异常的物理机制。积石山M6.2地震发生在青藏活动地块的东北缘，具备大尺度构造动力背景，印度板块与欧亚板块的挤压导致青藏活动地块的东北缘向东运动，但在运动过程中受到了华北活动地块的阻挡，导致临夏台所处地块处在自西向东挤压应力的作用下。从2023年1月10日起，地块内与应力方向平行的裂隙逐渐张开，开始吸纳外界气体，导致钻孔内气压逐渐低于地面气压，形成钻孔与地面气压差ΔP负异常，一直持续到地震发生;从2月22日起，自然电位差开始出现异常也是构造应力作用的结果;在构造应力的作用下，从3月16日起发生了小幅度的预滑活动Xpo，预滑活动张开了地块内与应力方向平行的裂隙，导致静水位、钻孔水位出现同步下降;钻孔应变和单极电阻率从3月20日起出现同步阶跃形变化。预滑活动幅度在8月11日前后达到峰值，各类前兆异常也“准同步”地达到峰值。从10月20日起，预滑活动幅度降低，各类地震前兆异常也随之减少；直到12月6日，随着构造应力在发震断层面上进一步积聚，临夏台所处地块内的裂隙快速张开，吸纳气体，导致钻孔气压出现一串负脉冲；直到地震发生，构造应力解除，钻孔内的负气压脉冲才消失。地块内裂隙的吸气过程还导致12月6—18日地面和钻孔气压同步下降，直到震后才恢复。

6积石山M6.2地震的孕震过程和发震机理

依据临夏台所处地块的预滑活动和各类前兆异常的观测结果，可将积石山M6.2地震的孕震过程分为4个阶段（图2）：（1）构造应力作用阶段。从2023年1月10起，钻孔与地面气压差出现负异常，是临夏台所处地块在构造应力作用下孕震过程开始的标志。（2）预滑阶段。3月16日起各类仪器观测到预滑震相Xpo，表明临夏台所处地块进入预滑阶段，也是构造应力在孕震断层积聚的标志，预滑活动在8月11日前后达到峰值。（3）闭锁阶段。10月20日起预滑活动幅度明显变小，表明预滑地块在孕震断层上受阻，进入闭锁状态。没有明显的预滑活动，也没有明显的地震前兆异常，前兆异常进入了静默状态。（4）临震阶段。预滑地块在孕震断层上受阻后，自西向东挤压的构造应力继续在闭锁段上积聚。在震前十几个小时，临夏台、玛曲台和常德台所处地块发生了一次“准同步”的临震预滑活动。在构造应力和临震预滑活动的共同作用下，地块克服了孕震断层面上的摩擦和闭锁，失稳破裂，形成了积石山M6.2地震。

鉴于临夏台、玛曲台和常德台“准同步”观测到了临震预滑震相Xpe，说明孕震空间可达千公里尺度。为了证实该结论的合理性，我们分析了中国数字地震仪台网（CDSN）的西安、恩施、昆明和拉萨地震台甚宽带地震仪（VHZ）的资料。结果表明：震中距870.0 km前，可清楚地观测到始于11月6日的预滑震相Xp;震中距1 175.5 km时，仍可识别出小幅度的预滑震相Xp;但震中距1276.4km时，就观测不到预滑震相Xp了（图5），说明孕震空间可达千公里尺度的结论是有根据的。鉴于临夏台、玛曲台和常德台观测到的积石山M6.2地震的初动方向均向下（图3），临夏台、玛曲台和常德台应处在发震断层下盘（图6）。由此得到积石山M6.2地震的发震机理，即在自西向东挤压应力和临震预滑活动的共同作用下，地块克服了孕震断层面上的摩擦和闭锁，断层上盘向东南方向上冲破裂，断层下盘向西北方向下滑破裂，形成了积石山M6.2地震的逆冲断错结果。该结果不仅与震后烈度分布的椭圆形长轴指向西北和震中西北（即青海省民和县地质灾害最严重）的实际情况相吻合，也与震源机制解相吻合。

7结论和建议

（1） 积石山M6.2地震前，临夏台、玛曲台和常德台观测到了物理意义明确，且能重复出现的预滑活动和地震前兆异常信息。

（2） 临夏台从2023年1月10日起就观测到钻孔与地面气压差负异常，表明地下气体对构造应力和应变变化响应较灵敏，“地动气先知”，而这也是积石山M6.2地震进入孕震阶段的标志，孕震时间尺度不小于11个月。临夏、玛曲、西安、恩施、常德和昆明地震台观测到预滑震相Xp，表明孕震空间有可能达千公里尺度。

（3） 从10月20日起，临夏台所处地块进入闭锁阶段，没有地震前兆产生的物理基础，处在静默状态，没有地震前兆异常，给短期预测造成了困难。

（4） 从12月6日起，积石山M6.2地震的孕震过程进入临震阶段，在此阶段出现的钻孔气压脉冲GP和震前十多个小时的临震预滑活动，为具有“临门一脚”作用的临震预测提供了希望，值得关注。

鉴于临夏台完整地观测到了积石山M6.2地震的前兆异常信息、孕震过程和发震机理，临夏台、玛曲台和常德台在震前十多个小时观测到了临震预滑活动，我们认为震前的预滑活动是值得关注的地震前兆信息。建议在地震危险区组建以深井宽频带地震仪、钻孔应变仪、水位仪、钻孔气压计和地面气象三要素等为骨干仪器的高采样率综合观测台网，监测破坏性地震前地块的预滑活动，以及由此引起的形变、应变、水位变化、气压脉冲和气压差变化等异常信号。这不仅有助于预测未来的破坏性地震，对做好孕震过程追踪和研判震后地质灾害也有一定作用。

致谢：黑龙江省地震局的和跃时高级工程师为文中的数据转换和震相标注提供了CDSN地震台站分析软件，在此深表谢意。

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（本文编辑：贾源源）