汶川地震前遠場形變異常及其與地震相關性研究

牛安福 張凌空 章靜 閆偉 趙靜 岳沖 苑爭一

中國地震臺網中心，北京 100045

0 引言

地形變前兆觀測的初衷在于發現地震破裂前幾天可能出現的預滑動，進而進行地震預測。而諸多觀測事實表明，震中區附近臨震前可能很難記錄到顯著的形變異常變化，一些學者因此提出了最小前兆距離的概念(Takemoto，1991；牛安福，2017)。震前在哪些區域可記錄到顯著的異常變化？最遠距離能有多遠？如何建立震前遠場前兆異常與地震之間的聯系？這些均是認識地震過程及進行地震預測研究過程中面臨的最為重要的問題，這些問題以往多局限于“經驗”而鮮有人開展相關研究。

各種震前異常與地震之間總存在一定的時間差，因而，前兆與地震之間的聯系總有一定的不確定性。正因如此，自開展前兆觀測以來，國際上關于前兆問題的爭論一直未曾中斷(Mortensen et al，1976；Takemoto，1991；Linde et al，1992；Bakun et al，2005；Bilham，2005；Amoruso et al，2010；孫文科，2012)。面對不斷持續的爭論，牛安福(2005)提出了地震短期、短臨預測面臨的“最后一分鐘”問題，并希望通過建立震前形變異常特征與地震三要素之間的關聯，實現前兆與地震之間的“無縫連接”。牛安福(2007)借助中國大陸連續形變觀測結果，對典型的突變形變異常進行分類，發現持續時間在1～4天的加速異常是一類重要的短臨前兆。在四川省攀枝花基準臺觀測到地傾斜、地應力發生1～4天突變異常后，本地區沒有較強的地震活動，而10天內在千千米之外的甘肅、青海地區常發生6級左右地震，且對應率達12/13。這種現象看似很離譜，但其中包含了深刻的科學意義。首先，地形變短期變化不只是反映了本地變形的狀態，還可能是一種可以在地殼深部進行長距離傳遞的構造力，即地應力波(牛安福，2017)；其次，盡管攀枝花基準臺距離地震震中普遍較遠，但震中距分布較為規律，發震時間也較為集中，因此，研究這些現象對于地震短臨預測可能是很有意義的。

本文結合汶川地震前記錄到的一些顯著形變異常，借助構建形變異常特征與地震發生時間、震中距及震級間的統計模型，探討震前異常與汶川地震之間的潛在聯系。

1 地形變前兆分布的廣泛性

Mogi(1993)在對前兆進行分類時，提出了時空分布圖的模式，該模式將發震斷層及周邊介質對地震孕育過程的作用進行了刻畫。按區域將前兆分為3種：①震中區附近短臨地震前兆，主要反映地震斷層未破裂前，在應力作用下的加速過程；②遠離震源區的短期前兆，主要由地震斷層的形變引起，反映震源區與遠場區能量交換間的動力學聯系；③與形變、應變積累有關的長期前兆，如膨脹、非震斷層的延續性滑動、震源區地震斷層的長期粘滑、應力集中區的局部破裂及斷層滑動等，這些異常主要分布在較大的區域內。

通過對點源或靜力位錯源引起的形變場進行計算，得出地傾斜、應變等隨震中距的立方成反比衰減，在距震中約10倍震源體半徑的地方，地傾斜、應變衰減到10-9以下。依據地傾斜、應變觀測精度及地震破裂尺度，5級地震前兆的發生距離認定為100km，6級地震為200km，7級地震為350km。目前，這種關聯方法應用較為廣泛，但長期應用結果表現出的前兆與地震關系的復雜性也限制了地震預測能力的提升。這種方法采用的是距離約束、而時間不受約束的思路，即靜力學思路。

事實上，由于儀器觀測頻響等特征及地殼變形的動力學特性，依據距離約束、而時間不受約束的思路來認識與地震相關的變形過程是受局限的。地形變短期變化不同于構造變形，它是一種波動，可以是斷層速度依賴摩擦滑動引起的穩態或無震滑動(繆阿麗等，2012)，也可以是成核過程中斷層滑動導致的非穩態脆性破裂(Das et al，1981；朱守彪等，2009)，即地震。兩種情況均離不開地殼深部物質流動引起的應力場擾動，該擾動包括了斷層預滑動的信息，且為驅動斷層預滑動的動力。

現代地形變觀測實際上是各種周期波通過傾斜儀、應變儀、重力儀和斷層儀等增益后的累積，在采樣率及精度較高的情況下可記錄到地球潮汐、同震地震波及地殼深部應力擾動。可將其信息分解為4個部分：①與構造活動變形可能有關的信息或一些長期變化，用Ss表示；②與地震孕育成核過程可能相關的短臨前兆信息，用Sn表示，最小地震前兆距離范圍內可能觀測不到該信息；③地殼內存在的應力波，用Sw表示；④觀測儀器、場地環境及氣象環境等變化引起的干擾，用Sd表示。故S可表示為

S=Ss+Sn+Sw+Sd

(1)

式中，Ss+Sn表示觀測場地附近發生的長期和短期變化的信息，由于儀器頻響限制，該部分可能較弱；Sd表示形變觀測場地、觀測儀器響應、觀測環境及氣象環境變化等因素的影響；Sw則表示地殼內部存在的多種周期地應力波的作用。

基于地殼內軟流層物質流動引起的應力應變變化，20世紀70年代國際上出現了長周期地形變波或地應力波的概念，并引起了廣泛的關注。許多學者就地形變波的存在、檢測及發生機理進行了研究(Bott et al，1973；Anderson，1975；Scholz，1977；笠原太一，1984；Meyer et al，1988；馮德益等，1993；牛安福等，1995；牛安福，2017；王繩祖等，2000；Takahashi et al，2005)。自Molnar等(1975、1978)和Tapponnier等(1976)提出板塊內部滑移線和巖石圈下層流動傳力的概念后，關于地殼和殼內軟流層的流動性已被學者接受，并用于構建大陸地殼運動的塑性流動網絡，該網絡給出了地殼內部應力波傳遞的路徑，其直接影響著中國大陸的地殼變形與地震活動(羅灼禮等，1995；王繩祖等，2000)。

因此，地形變觀測到的各種異常在排除干擾后，均可以歸結為地應力波。地應力波存在的意義在于時效性，即某個觀測點記錄到地應力波后，通常會在一定時間段內觸發相應震級的地震，地震發生后，地應力波的作用即消除。在此基礎上建立起來前兆異常與地震間的關系，即滿足時間約束，而距離不受條件約束。盡管距離可能較遠，但仍可能找到距離及震級分布的規律，從而有利于地震三要素的預測。

2 汶川地震前顯著形變異常與地震的相關性討論

為研究形變前兆異常與地震之間的相關性，依據時間約束、距離不受約束的思路，提出地震發生的最小等待時間準則。異常A結束后，某一時間段T0內、震級大于某一水平M0的首發地震作為一組相關地震，可描述為

Ec={E1:E，T≤T0&M≥M0|A}

(2)

式中，A表示形變異常事件。對于短期應力波震前變化，取T0=90天，M0=6.0。

對于形變異常與相關地震，可建立異常統計特征與地震震級、震中距之間的關系(牛安福，2003)。利用給出的關系，可進一步修正相應的模型，其中一個關系模型即為

M=1.36lgT+0.543lg(D/D0)+4.161+ε1

(3)

式中，誤差項ε1服從正態分布，其均方差σ(ε1)=0.28；D0表示地殼內部地應力波傳播中的半波長，約為290km。

Niu等(2020)應用式(3)作為判別形變異常與地震關聯的準則。對于每一項異常，在獲取異常持續時間信息后，應用異常點與目標地震間的距離，即可給出相應的震級估值，若震級估值與目標地震的震級差小于2倍震級擬合均方差，即認為異常與地震95%信度相關。

汶川地震前，在遠離震中近千千米的紅柳峽斷層水準場地觀測到顯著異常(圖1)，該場地位于祁連山地震帶上，與汶川地震無直接關聯。在異常發生后一段時間內，斷層場地周邊并沒有相應震級的地震活動，因此，關于紅柳峽斷層場地水準異常變化的意義一直沒有得到很好的解釋。

圖1 汶川地震、九寨溝地震震前紅柳峽水準異常虛框表示異常時段；箭頭表示地震發生時刻

紅柳峽場地水準觀測始于1979年，觀測周期不固定，最初10年為1次/年，1989—2003年為3次/年，2004—2008年為6次/年，2009年以后改為3次/年。該觀測場地有4個測量端點，其中E端點和S端點近于垂直斷層。與其他測段水準變化相比，該測段異常特征較為顯著，易于識別。汶川地震前，在相對較平穩的背景上，2007年5月—2008年1月間該測段異常持續9個月，幅度達2.2mm。類似的異常在2017年九寨溝7.0級地震前也出現過，在2016年7月—2016年11月間，觀測值突破原來逐漸下降的趨勢，快速轉向上升，持續時間4個月，幅度達到3.2mm。在2016年11月發現顯著的異常變化時進行了復測，變化量值仍然在3.2mm左右，之后每2個月加測一次，直到2017年8月8日九寨溝7.0級地震前。

該斷層場地距離汶川地震與九寨溝地震分別為1150km和950km，作為前兆已超出了傳統意義上的理解。這樣的變化意味著什么？很少有學者去探討分析其發生的機理與汶川地震、九寨溝地震之間的聯系。

依據紅柳峽水準異常特征及震中距，應用式(2)分別給出了汶川地震震級估值為7.79、九寨溝地震震級估值為7.27，與實際地震震級誤差均在2倍擬合均方差內。由此可判斷，紅柳峽水準2次顯著異常與汶川地震和九寨溝地震具有一定相關性。

3 遠場形變前兆變化的動力學意義

板塊構造說認為地幔對流是板塊運動的主要驅動機制。地幔由高溫的熱物質組成，由于地幔內部存在密度和溫度的差異，導致固態物質也可以發生流動。地幔對流是一個復雜的系統，它既是一種熱傳導方式，又是一種物質流的運動。地幔對流可以從核幔邊界上升至巖石圈底部，形成全地幔對流環；也可以分層對流，即上、下地幔分別形成對流環。

受地幔對流影響，地殼在長期應力作用下可以發生塑性流動，由于造山運動與火山活動而增高，在重力作用下發生側向滑動，并向海洋侵入。Tapponnier等(1976、1977)采用滑移線場模擬了亞洲大陸構造，以印度作為沖壓地塊，許多巨大的走向滑移斷層均可由滑移線擬合。結合6級以上地震震中分布、強震地表破裂帶和震源機制解以及活動構造資料等，羅灼禮等(1995)勾畫了中國大陸及鄰區現代構造滑移線，其作為最大剪切應力和剪切應變集中釋放的區帶，控制了地震活動和構造運動的空間分布格架。王繩祖等(2000)同樣也給出了中國大陸塑性流動網絡，塊體邊界基本上均為重要的滑移線，滑移線場分布展示了地殼深部物質流動或應力波傳播的主要通道。

騰吉文等(2008)針對汶川地震發生前未見可能的確切征兆或淺表層異常活動，即淺層過程與地震發生的深層過程并不匹配現象，對這次強烈地震孕育、發生和發展的深層過程進行了分析和探討，初步研究表明在印度洋板塊與歐亞板塊陸陸碰撞、擠壓作用下，喜馬拉雅造山帶東構造結向NNE方向頂擠、楔入青藏高原東北緣，迫使高原深部物質向東流展，同時由于中、下地殼和地幔蓋層物質以地殼低速層、低阻層(深20～25km)為第一滑移面，以上地幔軟流層頂面為第二滑移面，在四川盆地深部“剛性”物質阻隔下，地殼深部物質以高角度在龍門山斷裂相遇，觸發地震。

物質流動對汶川地震的影響可借助流體的運動模型進行模擬，在底部邊界上翹或通道變窄的情況下，或產生較顯著的變形，或觸發強震的發生(Niu et al，2020)。這與巖石破裂實驗及理論結果一致(Das et al，1981；朱守彪等，2009；繆阿麗等，2012)。

從構造上看，汶川地震、九寨溝地震與紅柳峽水準觀測點不在同一個塊體上，但從重力分布(申重陽等，2009)及滑移線分布(王繩祖等，2000)來看，其均位于地殼深部物質易于流動的通道上，這個通道應是應力傳遞最重要、最快捷的途徑。

4 結論與討論

前兆與地震的相關性判別問題是地震研究的基礎問題，長期以來對該問題的處理主要依賴專家經驗。在對形變觀測原理、觀測影響因素及震例進行研究的基礎上，我們發現自然環境下的變形特點不同于有限尺度巖體的變形，前兆也不是我們想象中的前兆。

傳統意義上對地形變觀測前兆的理解通常將其與斷層的穩態滑動、非穩態滑動及破裂成核過程聯系起來(Dieterich，1979；Das et al，1981；朱守彪等，2009；繆阿麗等，2012)。而日積月累的觀測事實表明，斷層穩態滑動或無震滑動不是過程的結束，而是地應力波傳遞路徑中的一個信息窗口。在斷層出現無震滑動時，盡管所在斷層通常不會發生預期地震，但很有可能短時間內在另一相關斷層上發生大地震，一些實驗結果證實了這一點(馬瑾等，2002)。

由于地殼應力場變化的波動性，一些顯著的應力應變異常點通常遠離震中。對于近距離(如200km尺度)異常與地震間的相關性通常容易被接受，但距離地震較遠的異常，其與地震之間的相關性則必須依據一定的相關性判別準則進行判斷。本文對紅柳峽斷層水準異常與汶川地震、九寨溝地震的相關性進行了探討，盡管其中還有不少問題需要論證，但至少給出了前兆問題研究的一個拓展方向。

致謝：感謝一審稿人查閱了作者幾乎所有相關文章，并提出了一些建設性的修改意見。