川滇地區強震流體綜合前兆特征初探＊

曹玲玲,劉耀煒

(1.甘肅省地震局,蘭州 730000;2.中國地震局地殼應力研究所,北京 100085)

川滇地區強震流體綜合前兆特征初探＊

曹玲玲1,劉耀煒2

(1.甘肅省地震局,蘭州 730000;2.中國地震局地殼應力研究所,北京 100085)

從《中國震例》中選取 1976～1998年川滇地區發生的 15次MS≥6地震作為震例,依據圖形對比和統計的方法,分析了不同震級的地震前水位(流量)、溫度及水氡異常變化的協調性特征,結果顯示,無論是在時間演化方面還是在空間演化方面,這 3個流體測項之間都具有協調性演化關系,震級不同,異常的表現形式也不同,并且 7級以上地震的異常的協調性特征明顯好于 6.0～6.9級地震。

強震;流體;協調性;川滇地區

0 引言

地震預報研究中,前兆特征一直是我國地震學者研究的重要課題之一。他們在“八五”期間進行了地震短臨預報研究,“九五”期間進行了一年尺度的預報研究,“十五”期間進行了短期預測研究,“十一五”期間進行長趨勢預測研究,并通過這些研究提出了大量的流體異常提取方法和判別指標(劉耀煒等,1999,2002,2004;車用太,劉五洲,1998;陳立德等,2008),在地震預報工作中發揮了一定的作用。

地震孕育是個復雜的過程,在流體前兆表現上,不同的地震具有的相同的異常特征并不多,因而已有震例的研究結果對未來地震預測的指導作用并不大,簡單統計意義上的前兆判別很難滿足地震監測預報的需要。因此,尋找具有物理基礎的地震前兆特征,是提高地震預報水平的必經之路。考慮到可用于地震預報的地震異常是在孕震過程中引起的,它們彼此之間應該有聯系,基于此,本文對強震流體各測項之間的前兆協調性特征進行分析,以便使各測項異常之間相互印證,有效剔除干擾,凸顯異常,這對提高異常的信度具有重要意義。

1 研究區及資料的選取

川滇地區 6級以上地震頻發,1976～1998年共發生 6級以上地震 15次(圖 1),其中 6～6.9地震 10次,7級及以上地震 5次。這些地震具有很好的分布規律:一組呈北東東向分布,一組呈北西西向分布,還有一組分布方向不明顯,但空間相對集中。多年來該地區地下流體觀測臺站一直在變化,但總體測項齊全,臺項數多,分布合理,為本研究提供了很好的資料保證,因此筆者選取川滇地區為研究區,研究水位、水氡和溫度 3個測項在 6級以上地震前的異常協調性變化特征。

圖1 川滇地區 6級以上地震震中分布圖Fig.1 Epicentral distribution ofMS≥6.0 earthquakes in Sichuan-Yunnan area

由于所選地震時間跨度大,早期的前兆資料很難收集齊全,因此筆者不對異常進行重新提取,而是對已出版的《中國震例》(張肇誠等,1990a,b,1999,2000;陳棋福等,2002a,b,c)給出的異常進行統計對比分析。異常的階段性劃分同樣遵從《中國震例》的劃分標準:A為震前 6個月以上出現的異常,即趨勢異常;B為震前 1～6個月出現的異常,為短期異常;C為震前 1個月內出現的異常,為短臨異常(表 1)。

表1 川滇地區 6級以上地震流體異常統計特征表Tab.1 Fluid anomaly characteristics ofMS≥6.0 earthquakes in Sichuan-Yunnan area

2 流體前兆協調性特征

2.1 流體異常時間演化協調性特征

2.1.1 異常月頻次演化與地震的關系

(1)7級以上地震

1976年龍陵 MS7.4地震發生時,水位和水氡測項觀測臺站較多,但溫度測項僅有 1個臺站;而1976年松潘MS7.2地震發生時水位和溫度兩個測項僅各有 1個測點(張肇誠,1990a),因此筆者僅對 1988年瀾滄地震、1995年孟連地震和 1996年麗江地震的地下流體各測項的異常月頻次演化及其與地震的關系進行分析(圖 2)。由圖 2可以看出,這 3次地震前的各流體測項之間異常月頻次變化的一致性很好——前期各測項異常月頻次都為逐漸增加,隨后加速上升,表明異常臺項數在地震孕育的前期是逐漸增加的。異常的最高頻次出現在震前 3個月之內,地震發生在異常月頻次下降的階段。

圖2 瀾滄 7.6級、孟連 7.3級和麗江 7.0級地震流體各測項異常月頻次變化圖(異常臺站來自《中國震例》)Fig.2 Monthly frequency of three fluid items before MS7.6 Lancang earthquake,MS7.3 Menglian earthquake,andMS7.0 Lijiang earthquake(the anomalous stations come from Earthquake Cases In China)

(2)6.0～6.9級地震

1976～1998年川滇地區發生 6級以上地震多達 10次,但由于 1985年之前的地震監測臺站太少,有些測項僅 1個臺站出現異常,并且大多地震前溫度或異常臺項很少或沒有異常出現。因此本文僅分析 1985～1998年發生的MS6.0～6.9地震的水位和水氡異常月頻次演化及其與地震的關系。

從圖 3可以看出,川滇地區 MS6.0～6.9地震前水位、水氡異常月頻次的演化過程為增加—平穩—增加—發震—下降或平穩—增加—發震—下降,雖然地震的演化過程存在一定差異,但同一地震不同流體測項的演化過程具有很好的協調性。同時也可以看出,6次地震中有 5次發生在各測項異常月頻次最高的階段,不同的是有些異常月頻次達到最高值即發震,而有些月頻次高值持續一段時間后才發震,持續時間一般在兩個月之內。1998年寧蒗 6.2級地震前流體各測項異常月頻次曲線演化形態與其它幾次地震前的異常月頻次曲線形態沒有太大的區別,但本次地震發生在所有異常結束之后,原因不甚明確,有待進一步研究。

圖3 祿勸 6.3級、巴塘 6.7級、小金 6.6級、普洱 6.3級、武定 6.5級、寧蒗 6.2級地震異常月頻次變化曲線圖(異常臺站來自《中國震例》)Fig.3 Monthly frequency of two fluid items beforeMS6.3 Luquan earthquake,MS6.7 Batang earthquake,MS6.6 Xiaojin earthquake,MS6.3 Pu'er earthquake,MS6.5 Wuding earthquake,MS6.2 Ninglang earthquake(the anomalous stations come fromEarthquake Cases In China)

綜合上述分析,不論是 7級以上地震還是6.0～6.9級地震,流體各測項異常月頻次的變化都具有很好的協調性——早期階段,異常頻次是逐步增加的,但 7級以上地震發生在異常月頻次下降階段,而 6.0～6.9級地震發生在異常月頻次最高階段。

2.1.2 發震時存在的異常臺項與結束的異常臺項的比例關系

前兆異常的階段性演變是預測發震時間的主要依據,但對川滇地區 6級以上地震震例進行分析后發現,在孕震過程中,幾乎沒有一個測點的單個流體測項能夠顯示出完整的異常演化過程,大多往往只有一個階段出現,如只有趨勢異常而沒有短期異常,或者相反,因此可分析地震發生時異常結束臺站數和異常未結束臺站數的比例,為預測發震時間提供判據。

(1)7級以上地震

對研究區 5次 7級以上地震發震時異常未結束的臺項數與異常已結束的臺項數進行統計(表 2),可以看出,不管是 3個流體測項都出現異常的地震還是僅有 2個測項出現異常的地震,都表現為異常已結束的臺項百分比高于異常未結束的臺項百分比,同一地震,水氡異常測項的百分比和水位異常測項的百分比相差很小。由此可以看出,研究區 7級以上地震發震時流體各測項異常臺項百分比的變化具有共同的特征,即大部分異常已經結束。

(2)6.0～6.9級地震

6.0～6.9級地震發生時溫度測項出現異常的臺項很少,因此這里對溫度異常臺項比的變化不做分析。從表 3可以看出,除 1979年普洱地震和1989年小金地震,其余 6次地震發生時已結束和未結束的水氡、水位異常臺項比明顯一致,要么都為高值,要么都為低值,其中 3次地震發生時異常結束的臺項百分比高,2次地震發生時異常未結束的臺項百分比高,1次地震發生時異常已結束和未結束的臺項百分比相同。

因此,研究區 6.0～6.9級大多數地震(占87.5%)發生時水位和水氡異常臺項比的變化具有很好的協調性,但具體表現上存在差異,有些地震發生時多數臺項的異常已結束,而有些地震發生時多數臺項的異常尚未結束,并且這兩種類型地震在數量上沒有明顯的差別。

表2 7級以上地震發生時水位、水溫、水氡異常結束的臺項與異常未結束臺項的百分比統計Tab.2 Percentage of terminative and ongoing anomalies of three fluid items ofMS≥7.0 earthquakes

表3 6.0～6.9級地震前水氡、水位異常結束和未結束的異常臺項百分比Tab.3 Percentage of ter minative and ongoing anomalies of two fluid items ofMS6.0-6.9 earthquakes

綜合上述分析,川滇地區 6級以上地震發生時異常臺項百分比的變化具有很好的協調性特征,具體表現為:7級以上地震發震時各測項異常結束的臺項為 50%以上;6.0～6.9級地震則有兩種類型,部分地震為 50%以上異常臺項結束,部分地震為異常結束的臺項不到 50%,并且在數量上沒有明顯的區別,但同一地震測項間的變化協調一致。由此可見,震級越高異常臺項比變化規律越明顯。

2.2 流體異常空間演化協調性特征

2.2.1 趨勢異常與短期短臨異常空間分布范圍

(1)7級以上地震

表 4為 7級以上地震各階段異常分布范圍的統計。可以看出,水溫測項的趨勢性異常并不明顯。但水氡和水位的趨勢性異常很明顯。異常分布范圍比較狹小,通常在距震中 200 km內的環形范圍內,異常距震中較遠,一般在震中 150 km以外的區域。對于同一次地震,距離震中最近的水位臺站和水氡臺站的震中距相差很小。與趨勢性異常相比,短期短臨異常的分布范圍比較大,并且在震中附近廣泛存在。由此可以看出,各測項異常最早出現的地區并不是未來地震的震中區域。

表4 7級以上地震水氡、水位異常各階段異常空間分布范圍統計表Tab.4 Spatial distribution ofwater level and water radon anomalies ofMS≥7.0 earthquakes

(2)6.0～6.9級地震

從表 5可以看出,3次 6.0～6.9級地震,只有 1個臺站的水氡出現趨勢異常且 1次地震水氡未出現趨勢異常。所有地震中,均沒有兩個以上的臺站出現水位趨勢異常,由此可以看出,該區 6.0～6.9級地震 6個月以上的趨勢異常并不廣泛發育。

從異常的分布范圍看,水位、水氡的趨勢性異常一般都分布在震中距大于 100 km的區域,短期、短臨異常分布則很廣泛,不僅存在于震中區域,還涵蓋了趨勢異常的分布范圍,并且在震中距差別不大的情況下,這些臺站的水位、水氡異常在各階段的分布范圍很接近。

綜合上述分析可以看出,不管是 7級以上地震還是 6.0～6.9級地震,各階段水氡與水位異常在空間上的分布具有相似的特征,即趨勢性異常分布在距震中較遠的區域,并且分布范圍不是很廣;短期、短臨異常震分布范圍廣,涵蓋了趨勢性異常的分布范圍,因此 6級以上地震異常最早出現的地區并不是未來地震的震中區。

表5 6.0～6.9級以上地震水氡、水位異常各階段異常空間分布范圍統計表Tab.5 Spatial distribution ofwater level and water radon anomalies ofMS6.0-6.9 earthquakes

2.2.2 空間范圍異常集中度分析

異常集中度指一定震中距范圍內測項出現異常的臺站數目占該區域相應測項的臺站總數的百分比。

(1)7級以上地震

根據《中國震例》(張肇誠,1990a,b,1999,2000;陳棋福,2002a,b,c)將 7級地震的最大異常范圍定為 500 km,以 100 km為半徑區間進行統計(表 6),除麗江地震之外,其它 4次地震異常集中度最高值在 0～100 km范圍內,并且高達100%,在 200～300 km和 300～400 km區間內異常集中度相近,在 100～200 km和 400～500 km區間內,不同地震的異常集中度差別較大。

表6 7級以上地震異常臺數與相應測項總臺站數比例統計表Tab.6 Ratio of anomalous items to relevant total items ofMS≥7.0 earthquakes

(2)6.0～6.9級地震

對于 6.0～6.9級地震劃分區間以 100 km為半徑進行統計,結果見表 7?？梢钥闯鲈?200～300 km震中距范圍內,水位、水氡的異常集中度差別不大,而在其它范圍內兩者差別很大,并且異常集中度沒有在任何區間占明顯的優勢,因此無法用異常集中度來確定未來 6.0～6.9級地震的震中。

表7 6級以上地震異常臺數與相應測項總臺站數比例統計表Tab.7 Ratio of anomalous items to relevant total items ofMS6.0-6.9 earthquakes

綜合上述分析,各震中距區段內水位、水氡異常集中度具有一定的協調性特征,但 7級以上地震的異常的協調性更好一些,同時也可以看出,7級以上地震震中距 100 km范圍內的水氡、水位異常集中度高,但 6.0～6.9級地震這種規律不明顯?？傊?異常集中度指標適合預測 7級以上地震,但不適合預測 6.0～6.9級地震震中。

2.2.3 水氡、水位各階段異?？臻g分布及其形態與地質構造的關系

(1)7級以上地震

該地區 5次 7級以上地震前水氡、水位的趨勢性異常在空間上是隨機分布的,異常形態的變化與地質構造沒有明顯的依賴關系,而短期短臨異常的分布則向地質構造帶(特別是發震構造)集中,并且不同的異常形態與震源機制解的兩個節面息息相關。筆者以 1988年11月 6日瀾滄—耿馬7.6、7.2級地震為例進行分析。

圖4為瀾滄—耿馬地震前水氡階段性異?？臻g演化圖?？梢钥闯?水氡的趨勢異常在形態上主要呈現上升變化,在空間上隨機分布,看不出異常臺點空間分布與發震構造的關系。當異常演化到短期短臨階段,其受構造控制的特點就顯現出來——異常主要沿兩組斷層分布,與震源機制解的兩個節面走向(節面 1走向為 324.5°,節面 2走向 54.5°)密切相關(姜葵,1993;王博等,2003),在異常曲線變化形態上也出現了分異現象,沿著發震節面異常曲線都表現為下降,沿另一個節面異常曲線表現為上升。

圖4 瀾滄—耿馬地震水氡異常時空演化圖(實心圓為趨勢異常點,三角形為短期短異常點)Fig.4 Anomalous distribution ofwater radon ofMS7.6,7.2 Lancang-Gengma earthquake(round points stand for trending anomaly,triangles stand for short-and impending-anomaly)

圖5為瀾滄—耿馬地震前水位的階段性異?？臻g演化圖。同樣,水位的趨勢異常點分布較為分散,受構造控制不明顯。短期、短臨異常臺站明顯受構造控制。水位的原始曲線異常變化也出現了分異現象,沿發震構造節面分布的臺站原始曲線形態主要表現為下降變化,沿另一構造節面分布的臺站的異常曲線表現為上升。

圖5 瀾滄—耿馬地震水位異常時空演化圖(實心圓為趨勢異常,三角形為短期短臨異常)Fig.5 Anomalous distribution ofwater level ofMS7.6,7.2 Lancang-Gengma earthquake(round points stand for trending anomaly,triangles stand for short-and impending-anomaly)

綜合上述分析,水氡、水位異常的階段性演化具有明顯的協調性特征,并且原始曲線的異常變化在主破裂面附近表現為趨勢下降,在輔助破裂面附近表現為上升。利用這種空間演化特征以及異常形態的變化可以預測未來地震的震中位置。

(2)6.0～6.9級地震

由于臺站分布的限制,6.0～6.9級地震異常的階段性發展并不是很完整,各個階段都有異常,但總有一個階段僅有 1個臺站出現異常,無法分析其階段性變化在空間上的演化過程。因此筆者以1993年普洱 6.3級地震為例,僅分析短期、短臨階段異常的空間分布。

從圖 6可以看出,水氡出現短期、短臨異常的4個臺站中,位于主破裂節面附近(走向為 329°)的兩個臺站的異常曲線表現為下降變化,其余兩個為上升變化。雖然水位僅有兩個臺站(普洱和玉溪)出現短期、短臨異常,但在空間上仍然與水氡短期、短臨異常的分布一致。由此可以看出,盡管 6.0～6.9級地震前水氡、水位的階段性異常臺站數量較少,其空間演化過程很難分析,但短期、短臨階段水氡、水位異常臺站同樣明顯受構造控制而在附近分布,并且臺站的異常變化形態也與構造有明顯的關系。

圖6 1993年普洱 6.3級地震水位、水氡短期短臨異常分布圖(實心圓為趨勢異常,三角形為短期短臨異常)Fig.6 Short-and impending-anomalies ofwater level and water radon of Pu'erMS6.3 earthquake in 1993

綜合上述分析,無論是 7級以上大震還是6.0～6.9級強震,震前水氡和水位異常在短期、短臨階段都向發震構造或相關的構造帶遷移,并且 7級以上地震各測項表現出在同一構造帶附近異常的變化形態相同,即共同(或絕大部分)表現為上升或下降變化的協調性特征,而對于 6.0～6.9級地震,由于短期、短臨階段出現的異常太少,這種協調性規律沒有顯現出來。

3 結論

(1)異常的時間演化協調性特征上,7級以上地震發生在流體各測項異常月頻次下降的階段,而 6.0～6.9級地震發生在流體各測項異常月頻次最高的時段。7級以上地震發生時,流體各測項50%以上的異常已經結束,而對于 6.0～6.9級地震,有些地震發生時各測項 50%以上的異常結束,有些地震發生時尚有 50%以上的異常項未結束,并且這兩種類型的地震數量上相差不大。

(2)異?？臻g分布范圍上,7級以上地震流體各測項趨勢異常分布范圍比較小,并且距離震中較遠,通常在震中距 150 km以外的區域,而6.0～6.9級地震的趨勢異常通常分布在距離震中100 km以外的區域。短期、短臨異常分布范圍都很廣泛,并且涵蓋了趨勢異常的分布范圍。

(3)異常與構造的關系上,6級以上地震的趨勢異常分布比較分散,且受構造控制不明顯。7級以上地震的流體短期和短臨異常間協調性特征非常明顯。異常沿構造帶分布,并且異常形態出現明顯的分異現象,而對于 6.0～6.9級地震,由于異常測項較少,這種特征并不明顯。

車用太,劉五洲 .1998.地殼流體與地震活動關系及其在強震預測中的意義[J].地震地質,20(4):431-437.

陳立德,付虹,鄔成棟 .2008.強震短臨異常共性特征的物理基礎[J].地震研究,31(2),99-103.

陳棋福 .2002a.中國震例 (1992—1994)[M].北京:地震出版社 .

陳棋福 .2002b.中國震例 (1995—1996)[M].北京:地震出版社 .

陳棋福 .2002c.中國震例 (1997—1999)[M].北京:地震出版社 .

姜葵 .1993.1988年云南瀾滄—耿馬地震[M].昆明:云南大學出版社.

劉耀煒,曹玲玲,平建軍 .2004.地下流體短期前兆典型特征分析[J].中國地震,20(4):372-379.

劉耀煒,范世宏,曹玲玲 .1999.地下流體中短期異常與地震活動性指標[J].地震,19(1):19-25.

劉耀煒,施錦,潘樹新,等 .2002.水化學中短期參量異常識別方法及效能評價[J].地震,20(增刊):97-106.

王博,劉耀煒,孫小龍 .2008.地下流體與斷裂活動關系的研究綜述[J].地震研究,31(3):296-302.

張肇誠 .1990a.中國震例 (1976—1980)[M].北京:地震出版社 .

張肇誠 .1990b.中國震例 (1981—1985)[M].北京:地震出版社 .

張肇誠 .1999.中國震例 (1986—1988)[M].北京:地震出版社 .

張肇誠 .2000.中國震例 (1989—1991)[M].北京:地震出版社 .

Prel im inary Study on the Characteristics of Integrated Precursors of Fluid before Strong Earthquakes in Sichuan-Yunnan Region

CAO L ing-ling1,L IU Yao-w ei2
(1.Earthquake Adm inistration of Gansu Province,Lanzhou730000,Gansu,China)
(2.Institute of CrustalD ynam ics,China Earthquake Adm inistration,Beijing100085,China)

Selecting15MS≥6.0earthquakes occurred in Sichuan-Yunnan area from1976to1998from Earthquake Cases In China,w e study the harm onious characteristics of variation of w ater table(or flow rate),w ater temperature,and w ater radon before the occurrence of the earthquakes.W e find that these three anom alies of the fluid item s are harm onious w ith each other in the course of the temporal and spatial evolvem ent.For different earthquakes,the anom alies behave differently.The anom alies of the MS≥7.0earthquakes are m ore harm onious than those of the MS6.0-6.9earthquakes

strong earthquake;fluid;harm ony;Sichuan-Yunnan area

P315.72+3

A

1000-0666(2010)03-0239-08

2009-08-18.

“十一五”國家科技支撐課題(2006BAC01B 02-03-01)、地震聯合基金(A08104)和震情跟蹤合同課題(2009020602)聯合資助 .