甘肅及其邊鄰地區(qū)斷層形變特征強度時序變化與強震關(guān)系＊

張 希薛富平賈 鵬

1）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2）中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054

甘肅及其邊鄰地區(qū)斷層形變特征強度時序變化與強震關(guān)系＊

張 希1，2）薛富平2）賈 鵬2）

1）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2）中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054

利用甘肅及其邊鄰地區(qū)20世紀80年代末至2009年11月跨斷層短水準流動觀測資料，提取相關(guān)斷裂帶各段的斷層形變特征強度指標，分析其可能揭示的構(gòu)造變形動態(tài)演化特征及與資料積累以來MS5.8級以上地震孕育—發(fā)生過程的關(guān)系。研究表明：各斷裂段斷層形變特征強度時序曲線對其內(nèi)、邊緣附近MS5.8級以上地震反映較好，震前數(shù)月至1年左右時間內(nèi)多數(shù)對應與構(gòu)造背景一致的逆斷異常；震后異常消失，或者出現(xiàn)短暫的正斷異常，反映調(diào)整狀態(tài)。

斷層形變特征強度；時序變化；震例

引言

中國地震局第二監(jiān)測中心在甘肅及其邊鄰地區(qū)布設有50余處跨斷層短水準流動場地，自20世紀80年代末起測，2003年以前基本于每年的3、7、11月份觀測3期，2004—2008年加密為1、3、5、7、9、11月6期，2009年又恢復為每年3期。控制了祁連山—海原—六盤山斷裂帶及西秦嶺構(gòu)造區(qū)（圖1）。資料積累至今發(fā)生過1990年景泰MS6.2級、1993年托勒MS6.0級、1995年永登MS5.8級、2000年景泰MS5.9級、2002年玉門MS5.9級、2003年民樂MS6.1與MS5.8級地震。跨斷層流動形變觀測值的時序變化，能直接反映觀測場地所控制斷層段的運動變化過程；在空間上由跨斷層場地形成的斷層網(wǎng)絡也具有較廣的覆蓋面和較好的空間場的控制能力，因而具有中短期前兆意義［1－3］。對于該區(qū)跨斷層形變觀測異常與地震活動關(guān)系的研究，以單個場地異常識別（近場區(qū)可能出現(xiàn)“趨勢加速—轉(zhuǎn)折”異常，遠場區(qū)以突跳變化為主）及群體異常（整個測區(qū)或相關(guān)構(gòu)造區(qū)異常的強化或集中、遷移特征，異常頻次時序演化特征）分析為主［15］，陳兵等提出斷層形變趨勢累積率指標，尋求呈長趨勢應變積累背景的構(gòu)造區(qū)域［3，6］，即對某場地計算所有時段（兩期觀測間）變化量之和的絕對值，與所有時段變化量絕對值之和的比，比值越大，反映趨勢性變化越明顯，應變積累強度可能越高）。薄萬舉等對跨斷層形變資料，提出了斜率差法、四點組斜率信息標準化等方法，但筆者所能查到的相關(guān)文獻均用于首都圈、川滇觀測周期較短（月觀測甚至日觀測值）的資料［79］。周碩愚等“斷層形變網(wǎng)絡及群體研究信息提取法”［10－11］采用低通濾波反映整個測區(qū)斷層形變總體強度的時序變化，尋找發(fā)生強震前的場兆信息，筆者也沒有查到應用于本文研究區(qū)的例子。筆者曾從該研究區(qū)跨斷層短水準資料中提取無量綱的形變強度比指標SRT，在統(tǒng)一觀測曲線趨勢向上變化的前提下，定義為某場地某跨斷層測段單期觀測相對上一年同期觀測值變化與正常平均年變幅度的比率［12－15］。這樣計算，既為了定量表征斷層活動實時變化的強弱，又使不同場地、不同測段的值具有可比性，并消除觀測季節(jié)的影響。進而對各場地通過內(nèi)插擬合繪制整個監(jiān)測區(qū)連續(xù)分布的形變強度比等值線圖，尋找可能與強震孕育有關(guān)的SRT高值區(qū)。之后又以研究區(qū)內(nèi)主要斷裂帶（所處構(gòu)造環(huán)境、活動方式不同）及其各段為研究對象和構(gòu)造單元，對其所在場地SRT絕對值取均值，記為SR0T，研究其時序變化及與資料積累以來景泰、托勒、永登、玉門、民樂等MS5.8級以上地震孕育—發(fā)生過程的關(guān)系，突出其分段差異性［16］。盡管如此，針對測段跨度較短（數(shù)百米至1千米左右）、分布零散、活動水平與形態(tài)特征存在差異的50余個場地，已有的計算方法還不能完全反映研究區(qū)主要活動斷裂帶各段與強震孕育—發(fā)生有關(guān)的異常特征：其一，對斷裂段所在場地取SRT絕對值均值，會掩蓋與構(gòu)造背景一致、有利于能量積累的逆斷變化，及與構(gòu)造背景相反、可能反映地震能量釋放—震后調(diào)整的正斷變化特性間的區(qū)別。其二，有些場地可能在連續(xù)兩年的同一時期出現(xiàn)與強震孕育—發(fā)生有關(guān)、不屬于周期變化的異常，比如位于海原斷裂西段的窩子灘場地（205—206）測段觀測曲線在1995年3月和1996年3月均出現(xiàn)顯著的趨勢加速異常，前者與1995年7月22日永登MS5.8級地震有關(guān)［2－3］，后者與1996年6月1日天祝MS5.4級地震有關(guān)（圖2，2000年3月趨勢加速異常與2000年6月6日景泰MS5.9級地震有關(guān)［4］；2003年11月與2006年1月突跳尖點可能與205點冰凍有關(guān)），若按以往SRT提取方法，1995年3月出現(xiàn)異常，1996年3月相對1995年11月變化較大，相對1995年3月變化卻偏小，異常反而未出現(xiàn)，1997年3月卻出現(xiàn)異常（事實上相對于1996年11月變化偏弱），故單期觀測值減去上一年同期觀測值的計算方法其目的是為了消除季節(jié)影響，某些情況下卻可能漏掉與強震孕育—發(fā)生有關(guān)的前兆異常。這也反映出從跨斷層形變資料中識別異常的復雜性。綜合考慮以上因素，本文從突出斷裂帶各段構(gòu)造變形動態(tài)特征的角度，對斷層形變指標的提取方法進行改進（或者說是以往指標的補充，雖然沒有消除季節(jié)影響的優(yōu)勢，但該研究區(qū)周期變化明顯的測段很少，實際計算時可以不選這樣的測段），分析其時序變化特征及與資料積累以來MS5.8級以上地震孕育—發(fā)生過程的關(guān)系。

圖1 甘肅及其邊鄰地區(qū)跨斷層短水準流動場地分布

圖2 窩子灘短水準場地（205－206）測段觀測曲線

1 斷層形變特征強度計算方法

首先，斷層形變特征強度指標的提取是建立在統(tǒng)一所有曲線下盤相對上盤變化的前提之下的。設某斷裂段上有m個場地，每個場地統(tǒng)一上、下盤后跨斷層測段觀測值序列為hki，i＝1，…，n；k＝1，…，m，n為總觀測期數(shù)。則對每個場地，定義其單期觀測相對上期觀測變化量與平均變化幅度的比率即（無量剛指標，若此場地有不止1條跨斷裂測段，便可以獲得不止1個結(jié)果，去掉干擾較大或周期性變化顯著的測段，剩下的取均值），計算結(jié)果為負則反映逆斷變化、為正則反映正斷變化。

其次，為反映觀測曲線的趨勢性［6］（與構(gòu)造活動背景一致的趨勢性變化越明顯，可能反映應變積累的時間尺度越長、或強度越高）和穩(wěn)定性［17］，計算各場地趨勢因子σk＝和穩(wěn)定因子（即均方差值，其量值越小，穩(wěn)定性可能越好）。最后，將作為每個場地斷層形變特征強度指標的權(quán)值，計算該斷裂段斷層形變特征強度值。

2 甘肅及其邊鄰地區(qū)各斷裂段形變特征強度時序變化與強震關(guān)系

圖3—5即為甘肅及其邊鄰地區(qū)各斷裂段SRE時序曲線，資料截止2009年11月。圖中有3條水平虛線，中間的是零值線，上面的是正的SRE值的均值的1.3倍，下面的是負的SRE值的均值的1.3倍，即超過均值的30%視為異常（圖中用紅色標注逆斷異常、用藍色標注正斷異常）。此外，圖3與圖4中將斷裂段及其兩端發(fā)生的MS5.8級以上地震標注在上層，將研究區(qū)周邊不遠處典型大震、震前出現(xiàn)過異常的MS5.0～5.7級地震標注在下層；鑒于資料積累以來，西秦嶺構(gòu)造區(qū)之外MS5.8級以上地震較多、區(qū)內(nèi)卻只有5級左右地震，圖5中將斷裂段及其附近發(fā)生的MS5.0級以上地震標注在上層，將構(gòu)造區(qū)周邊不遠處MS5.8級以上地震及天祝MS5.4級地震標注在下層。分析認為：

（1）由圖3，若以榆木山東緣斷裂（圖1中NNW向的斷裂②）為界劃分祁連山構(gòu)造帶西段和中東段，則各斷裂段對其內(nèi)及距其較近的地震反映程度更好。

西段SRE時序曲線對1993年10月26日托勒MS6.0級地震同震變化反映明顯，1993年11月相對7月呈顯著正斷型突跳變化；在托勒震后近10年呈小幅波動、變化相對穩(wěn)定之后，2002年11月出現(xiàn)顯著正斷型突跳異常，距2002年12月14日發(fā)生玉門MS5.9級地震不到30天，很可能反映震前失穩(wěn)、預滑狀態(tài)。2008年研究區(qū)東南緣附近汶川MS8.0級特大地震發(fā)生前后至今，出現(xiàn)“先正斷、后逆斷、再正斷型異常”。

圖3 祁連山構(gòu)造帶斷層形變特征強度SRE時序曲線。（a）祁連山構(gòu)造帶西段（榆木山東緣斷裂以西）；（b）祁連山構(gòu)造帶中東段（榆木山東緣斷裂以東）

圖4 海原—六盤山斷裂帶斷層形變特征強度SRE時序曲線。（a）海原斷裂帶；（b）六盤山斷裂

圖5 西秦嶺構(gòu)造區(qū)斷層形變特征強度SRE時序曲線。（a）西秦嶺北緣斷層（西秦嶺北緣斷裂）；（b）西秦嶺南緣斷層（岷縣—宕昌斷裂、武都弧斷裂等）

中東段SRE時序曲線對其東端附近的1995年7月22日永登MS5.8級、該斷裂段上2003年10月25日民樂MS6.1、5.8級地震反映較好（震前1年左右時間內(nèi)出現(xiàn)顯著逆斷型異常，與構(gòu)造活動背景一致）。2006年底至2008年3月出現(xiàn)過一定程度的、以逆斷為主的異常，雖不排除與2008年3月30日該斷裂段上肅南MS5.0級地震發(fā)生的關(guān)系（觀測于震前），鑒于以往震例分析［3－5］認為跨斷層形變資料對5級地震反映程度較弱，更可能反映該斷裂段在民樂地震能量釋放、調(diào)整一定時期后構(gòu)造應力場與應變積累恢復且逐漸強化的狀態(tài)特征（雖不排除包含汶川大震前青藏塊體大范圍孕震應力場部分擾動信息的可能性）；汶川震后短期內(nèi)出現(xiàn)正斷型轉(zhuǎn)折（不排除大震影響），目前又恢復逆斷變化特性。

（2）由圖4，海原斷裂帶SRE時序曲線對斷裂帶及其西端附近的1995年7月22日永登MS5.8級、1996年6月1日天祝MS5.4級和2000年6月6日景泰MS5.9級地震反映較好，震前數(shù)月內(nèi)均出現(xiàn)逆斷型異常（可能反映斷層活動加速與應變積累強化特性），永登地震后反向調(diào)整即正斷型異常顯著，可能說明之后發(fā)生的天祝地震是永登震后松弛—調(diào)整作用下以往積累一定能量的潛在危險區(qū)失穩(wěn)的結(jié)果。2001年11月14日昆侖山口西MS8.1級大震后正斷異常明顯（11月中下旬觀測），可能反映大震同震影響。而六盤山斷裂SRE時序曲線在2000年景泰地震前后波動增強，異常雖不明顯，但可能反映相鄰、與其有構(gòu)造聯(lián)系的祁連山－海原斷裂帶孕育強震的擾動影響；也出現(xiàn)與海原斷裂帶同步的、可能反映昆侖山口西大震同震影響的正斷型異常。兩條斷裂在汶川大震前數(shù)月均出現(xiàn)逆斷為主的異常（其中海原斷裂帶2006年已出現(xiàn)異常），近期海原斷裂帶異常消失，而六盤山斷裂維持。結(jié)合圖3，應主要反映整個祁連山—海原—六盤山斷裂帶在玉門、民樂地震能量釋放、調(diào)整一定時期后構(gòu)造應力場的恢復與應變積累逐漸強化的狀態(tài)特征，雖不排除其中包含汶川8級大震前青藏塊體大范圍孕震應力場部分擾動信息的可能性。

（3）由圖5，西秦嶺構(gòu)造區(qū)SRE時序曲線在永登地震前后、景泰震前出現(xiàn)的異常，不排除與這兩次地震孕震應力場的擾動影響有關(guān)；昆侖山口西大震后西秦嶺北緣斷裂出現(xiàn)先正斷后逆斷異常，斷層活動加劇，反映昆侖山口西大震對其影響相對西秦嶺南緣斷層明顯，隨后的2003年岷縣發(fā)生MS5.2級地震，震級雖弱，卻打破西秦嶺構(gòu)造區(qū)1988—2002年長達15年的5級以上地震平靜，之后的2004、2006年連發(fā)岷縣MS5.0與文縣MS5.0級地震，昆侖山口西大震動力作用可能對這3次中強地震的發(fā)生起到了一定程度的促進影響。2008年5—11月距汶川震區(qū)最近的西秦嶺南緣斷層顯著逆斷型異常是起測以來最顯著的，相對甘肅及其邊鄰地區(qū)其它5條斷裂段也明顯得多，應反映汶川大震影響。

3 結(jié)論

（1）各斷裂段斷層形變特征強度時序曲線對其內(nèi)及邊緣附近發(fā)生的多數(shù)MS5.8級以上地震（除了資料積累時間尚短的1990年景泰MS6.2級地震、發(fā)震斷層上無測點的1993年托勒MS6.0級地震），在震前有前兆反映，發(fā)震前數(shù)月至1年左右時間內(nèi)出現(xiàn)異常、以與構(gòu)造背景一致的逆斷特性為主，反映臨震前一段時間的應變積累加速或失穩(wěn)預滑；震后異常消失，或者出現(xiàn)短暫的正斷異常，反映調(diào)整狀態(tài)。

（2）2006—2008年整個祁連山—海原—六盤山斷裂帶不同程度地出現(xiàn)斷層活動加速特征，以與構(gòu)造背景一致的逆斷為主，主要反映這一存在構(gòu)造關(guān)聯(lián)的大型斷裂帶在昆侖山口西、玉門、民樂等地震能量釋放、調(diào)整一定時期后構(gòu)造應力場與應變積累恢復、且逐漸強化的狀態(tài)特征，雖不排除其中包含汶川8級大震前青藏塊體大范圍孕震應力場部分擾動信息的可能性。

（3）汶川大震對西秦嶺南緣斷層的影響相對明顯；而汶川震后至今仍維持或出現(xiàn)與構(gòu)造背景一致的逆斷異常的斷裂段還有祁連山構(gòu)造帶、六盤山斷裂帶。

（作者電子信箱，張 希：zhgx＿ivy＠21cn.com）

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Time evolution of fault deformation feature intensity and its relationship with strong earthquakes in Gansu and its neighborhood

Zhang Xi1，2），Xue Fuping2），Jia Peng2）
1）Institute of Earthquake Prediction，CEA，Beijing 100036
2）The Second Monitoring and Application Center，CEA，Xi’an 710054

Using cross－fault mobile short－leveling observational data from late 1980sto November 2009in Gansu and its neighborhood，the deformation feature intensity of related fault segments are computed，the dynamic evolution features and their relationship with the generation of earthquakes over MS5.8are studied.It is concluded that the time－curves of deformation feature intensity of all segments reflected the earthquakes over MS5.8on the faults or nearby，displaying thrust abnormity in accordance with their tectonic background from several months to about one year before the earthquakes.After these earthquakes，the abnormity disappeared，or appeared just as transitory normal abnormity（adjustment state）.

fault deformation feature intensity；time－variation；earthquake examples

P315.2；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2010.10.008

2009－12－10；

2009－12－22。

中國地震局地震預測研究所基本科研業(yè)務專項“青藏塊體東北部強震孕育—發(fā)生動態(tài)過程研究”。