九寨溝MS7.0地震的前兆異常時空演化特征及其分析

張小濤 宋治平 李綱

中國地震臺網中心，北京市西城區三里河南橫街5號 100045

0 引言

2017年8月8日21時19分（北京時間）四川省阿壩州九寨溝縣發生MS7.0地震。房立華等（2018）利用四川地震臺網和流動地震臺站的觀測數據，對九寨溝地震的主震、余震序列進行了重新定位，確定九寨溝 MS7.0地震主震震中為 33.201°N、103.806°E，震源深度為20.4km。余震呈NWW-SEE向條帶狀分布，走向約150°，長度約42km。此次地震發生在青藏高原東緣巴顏喀拉塊體的北邊界東昆侖斷裂帶東端與東邊界岷山構造帶交匯區域（易桂喜等，2017）。震后，一些學者從不同學科的角度對九寨溝地震進行了研究（何暢等，2017；高曙德等，2017；楊博等，2017；徐東卓等，2017；姚鑫等，2017；劉芳等，2017）。何暢等（2017）利用成都臺 GM4磁通門磁力儀秒采樣資料，分析了九寨溝MS7.0地震前該臺地磁諧波振幅比異常變化特征。高曙德等（2017）對九寨溝MS7.0地震前平涼地電阻率的異常變化進行了研究。楊博等（2017）利用 1999～2015年流動 GNSS觀測資料及處理結果，分析了九寨溝MS7.0地震前區域水平形變場及其變化。雖然前人對此次地震進行了不同程度的研究，但絕大多數是從單一手段對此次地震進行分析的。

本文嘗試綜合考慮震中附近較大范圍內的形變、電磁、流體3大學科的前兆異常，分析其時空演化特征，進一步了解地震的孕育過程，以期有助于加深對九寨溝地震前異常時空演化特征及力學機理的認識。由于九寨溝MS7.0地震的余震展布長度僅約42km（房立華等，2018），破裂尺度較短，因此本文采取以主震震中（33.201°N，103.806°E）為中心的圓形震中距來研究九寨溝地震前的前兆異常演化特征。由《中國震例》（張肇誠等，1990；陳棋福等，2002）可知，7級地震的孕震范圍約在距震中500km以內，因此，本文以九寨溝地震震中為圓心，對震中距小于500km的前兆異常進行統計分析。

1 前兆異常概況

本文用到的前兆異常來自中國地震局下屬各省、市、自治區地震局報送的《宏微觀異常零報告表》。圖1給出了震中距500km范圍內的背景前兆測項空間分布。由圖1可見，背景前兆測項主要分布在震中的東北方向和西南方向；在震中的西北、東南方向也有前兆觀測，但數量較少。圖2給出九寨溝MS7.0地震前形變、電磁、流體3大學科存在異常的前兆空間分布。從行政區看，前兆異常主要分布于四川、甘肅、寧夏、陜西和重慶境內。從構造塊體看，前兆異常主要位于塊體的邊界，如青藏一級塊體的東北緣、華北和華南一級塊體的交界部位及川滇菱形二級塊體的東北邊界，另外，在華南塊體的內部也存在一些異常。從異常出現時間來看，為九寨溝地震前1年內，異常主要分布于甘東南地區。圖3給出了震中距小于500km的70項前兆異常的時間進程，其中，形變異常38項，流體異常20項，電磁異常12項；震前1年以上出現的異常53項，3個月～1年的中期異常9項，3個月內的短臨異常8項。

圖1 距九寨溝MS 7.0地震震中500km范圍內的背景前兆測項

圖2 距九寨溝MS 7.0地震震中500km范圍內的前兆異常空間分布

圖3 距九寨溝MS 7.0地震震中500km范圍內前兆異常的時間進程

2 異常測項比隨震中距的變化

由于前兆異常的空間分布不均勻性受前兆觀測點的約束，為了刻畫前兆異常隨震中距變化的關系，定義前兆的異常測項數與背景測項數之比為異常測項比。表1、2給出不同統計方式下前兆的異常測項數、背景測項數及異常測項比。表1為逐步增加震中距的異常測項數、背景測項數和異常測項比。由表1可見，100km震中距范圍內沒有前兆異常，250～300km震中距范圍內異常測項比較高，為8.6%～9.8%。震中距大于350km的區域比例趨于穩定，維持在7.5%左右。表2為每50km震中距范圍內的異常測項數、背景測項數和異常測項比。由表2可見，不同震中距區域內異常測項比波動較大，200～250km震中距范圍內異常測項比最高，達17.6%；250～500km范圍內比例降低，為5.0%～8.2%。

表1 不同震中距范圍內的前兆異常測項數、背景測項數及異常測項比

表2 不同震中距（每50km環形圈內）的前兆異常測項數、背景測項數及異常測項比

3 新增異常的數量、測項比隨時間的變化

圖4 不同震中距的新增異常數量隨時間的變化

圖5 不同震中距新增異常測項比隨時間的變化

以震中距100、200、300、400、500km為統計范圍，1年為窗長，半年為步長，分別計算新增前兆異常的數量、測項比隨時間的變化（圖4、5）。由圖4可見，新增異常數量隨震中距的增大而逐漸增加；從2015年開始新增前兆異常數量逐漸增加，到2016年年中達到最大，2016年7月后新增異常數量波動變化，九寨溝MS7.0地震震前半年新增異常數量下降。由圖5可見，約從2014年年中開始200～500km不同震中距范圍內新增異常測項比逐漸增加，2016年上半年比例達到最大，2016年下半年開始比例降低。另外，震中距300km范圍內的新增異常測項比大于其它震中距的比例。

4 異常時空演化過程

圖6為九寨溝MS7.0地震前異常開始時間t隨震中距d的變化圖。由圖6可見，前兆異常的時空演化過程存在3個階段，即α、β、γ階段，α階段為前兆異常從震中向外圍擴展的過程，異常出現時間主要集中在震前1000天以上，α階段又可分為α1、α2兩個階段，α1階段的異常比α2階段的異常距震中更近一些；β階段為前兆異常分布在大范圍地區，異常主要出現在震前500～1000天，無論震中距大小均出現異常；γ階段的異常主要出現在震前500天內，又可分為γ1、γ2兩個階段，γ1階段為前兆異常從震中外圍向震中區收縮過程，而 γ2階段為前兆異常從震中區向外圍地區擴展的過程，即遠源區異常向震中收縮過程為γ1階段，近源區異常向外擴展過程為γ2階段。

圖6 九寨溝MS 7.0地震前異常開始時間隨震中距變化的3個階段

從前兆異常3個階段的空間分布來看（圖7），α階段異常出現在距震中較遠的區域（距震中300km以外），主要分布在震中的東北方向和西南方向；β階段的異常，距震中100～500km范圍內均有分布；γ1階段的異常主要集中在震中距300～500km范圍內，γ2階段的異常均為形變異常，震中距在300km以內，γ1、γ2階段的異常主要分布在震中的東北方向。以上異常主要分布在震中的東北方向和西南方向，這與前兆觀測點分布不均勻也有一定關系。由圖1可見，雖然在震中的4個方向前兆觀測點分布不均，但都有觀測點。因此，圖7所示的前兆異常空間分布特征應該是真實的。

圖7 九寨溝MS 7.0地震前3個階段前兆異常空間分布

5 前兆異常時空演化過程的力學解釋

為了解釋地震前兆異常3個階段的物理實質，馮德益（1983）提出可將前兆異常發生的3個階段與地震孕育的3個階段相聯系。α階段反映微破裂的發生、發展和串通。β階段的前兆成因除了斷層預滑外，還有其他因素，如大氣壓的突然變化，溫度突變也可在較大范圍內的許多觀測點引起突變異常。王新華等（1984）認為前兆異常由震中向外圍擴展是由裂紋的亞臨界擴展所致。宋治平等（2000）通過對三維流變介質包體模型的理論研究表明，在地表產生的體應變具有3個階段的特征，其中，α階段為向外圍擴散特征；β階段為體應變極值區，即大范圍出現前兆異常；γ階段包含2個過程，即γ1階段顯示遠源區的前兆異常向震中區收縮的特征，γ2階段顯示近源區的前兆異常向外圍擴散的特征。許昭永等（1997）研究了在常應力加載的情況下，三維介質中嵌入硬包體的巖石破裂實驗的應變場演變過程認為，地震孕育過程中存在3個階段的變化過程。雖然實驗結果與理論結果的條件并不完全相同，但兩者確實存在一定的相似性。當區域介質受到加載后，區域應變場存在演變過程，這種演變過程是因有孕震體的存在而出現，但出現的前提是區域受到應力加載。

前人的研究發現，一些顯著地震前存在前兆異常的3個階段特征。如 1976年唐山7.8級地震前（馮德益，1983）、1998年張北6.2級地震前（宋治平等，2009）、2008年汶川8.0級地震前（張小濤等，2018）均表現出明顯的前兆 α、β、γ三階段特征。本文分析得到的九寨溝MS7.0地震前的前兆特征也符合這一規律。由此可見，地震孕育過程中前兆異常的3個階段特征可能是普遍現象。

6 結論與討論

通過對九寨溝MS7.0地震前前兆異常時空演化過程進行分析，發現其具有如下特點：

（1）九寨溝MS7.0地震前震中距100km范圍內無前兆異常出現，但在100～500km震中距范圍內存在一定數量的形變、電磁、流體異常，且以形變異常為主，異常主要分布在震中的東北、西南方向。

（2）在九寨溝MS7.0地震前2年左右（即2015年）新增前兆異常逐漸增多，2016年上半年新增異常數量達到最大。另外，震中距300km范圍內的新增異常測項比明顯高于其它震中距的比例。

（3）九寨溝MS7.0地震前前兆異常時空演化存在3個階段的不同變化過程，分析認為，α階段（震前1000天以上）的異常主要分布在震中東北方向和西南方向；β階段（震前500～1000天）的異常表現為較大范圍出現異常；γ階段（包括 γ1和 γ2，震前500天內）的異常分布在震中的東北方向，表現為遠源區的異常向震中收縮過程（γ1）和近源區的異常向外擴展的過程（γ2）。通過與其他震例對比分析發現，前兆異常的3個階段特征可能是大震前的共性特征。

（4）前兆異常的3個階段特征對地震預測研究具有一定指導作用，震前不同震中距前兆異常數量的顯著增加對區域是否發生大震和大震發生時間的判斷有較好的指示意義。

此外，本文所用到的前兆異常是否都與九寨溝地震有關，還存在一定的爭議。本文試圖從震前大范圍客觀存在的前兆觀測異常事實來提取有意義的現象，以期對今后的地震預測研究有一定的借鑒作用。

致謝：筆者在此對審稿人提出的修改建議表示衷心的感謝。