2022年蘆山MS6.1、馬爾康MS6.0和瀘定MS6.8地震前跨斷層形變異常特征與震后變化

馬伶俐 陳 璞 彭麗媛 蘇 琴 代長國 白云波 王偉力

1 四川省地震局地殼形變觀測中心,四川省雅安市上壩路139號,625000

2022年南北地震帶中段先后發(fā)生蘆山MS6.1、馬爾康MS6.0和瀘定MS6.8三次MS≥6.0地震。據(jù)中國地震臺網(wǎng)(CENC)測定,2022-06-01四川省雅安市蘆山縣(30.37°N,102.94°E)發(fā)生MS6.1地震,震源錯動性質(zhì)為逆沖型(源自USGS);2022-06-10四川省阿壩州馬爾康市(32.25°N,101.82°E)發(fā)生MS6.0震群型地震,震源錯動性質(zhì)為走滑型(源自USGS);2022-09-05四川省甘孜州瀘定縣(29.59°N,102.08°E)發(fā)生MS6.8地震,震源錯動性質(zhì)為走滑型(源自USGS)。

四川省地震局地殼形變觀測中心運用監(jiān)視區(qū)內(nèi)的地球物理觀測資料(跨斷層形變異常演化、跨斷層形變近場活動性、跨斷層形變預(yù)測效能指標、流動重力、流動地磁)對3次地震進行預(yù)測研究。3次地震均發(fā)生在中心劃定的年度危險區(qū)與年度注意區(qū)內(nèi),且在震前(2022-05年中會商、2022-08川西北片區(qū)聯(lián)合震情會商)給出過較好的中短期預(yù)測。

四川地區(qū)跨斷層形變觀測集中分布于鮮水河斷裂帶、安寧河-則木河斷裂帶和龍門山斷裂帶(圖1),觀測場地布設(shè)較為密集,共有場地50處,含28處短水準、16處短基線/測距和6處連續(xù)觀測的動態(tài)蠕變場地,其中田灣、兩河口場地在瀘定MS6.8地震時受到嚴重損毀。水準和基線/測距場地觀測周期從2013年起每月觀測1期。已有研究表明,跨斷層形變觀測數(shù)據(jù)在地震綜合預(yù)測研究、斷層活動性監(jiān)視、斷層運動學(xué)和動力學(xué)方面發(fā)揮了重要作用,在2013年蘆山MS7.0、2014年康定MS6.3、2016年門源MS6.4、2017年九寨溝MS7.0等強震前數(shù)月至1 a左右,觀測到顯著加速、轉(zhuǎn)折、突跳或畸變等異常信息,有較好的中短期-短期前兆指示意義[1-4]。

圖1 跨斷層形變觀測場地分布Fig.1 Distribution of cross-fault deformation observation sites

3次地震發(fā)震區(qū)域在構(gòu)造上存在關(guān)聯(lián),且出現(xiàn)異常的場地時空重疊度較高,無法進行嚴格區(qū)分和剝離。本文將通過跨斷層形變原始觀測曲線分析、斷層三維活動性計算、群體異常時空演化分析、跨斷層區(qū)域預(yù)測綜合指標提取等多種分析方法,從定量和定性兩個方面提取跨斷層形變可能反映的3次地震震前中-短期前兆異常及震后調(diào)整變化。

1 原始觀測曲線異常識別及時空演化特征

強震孕育過程中應(yīng)力、應(yīng)變隨著時間的非線性變化具有極重要的意義[5],在排除人為、環(huán)境、氣象等干擾的前提下,當(dāng)斷層活動偏離背景出現(xiàn)非線性變化時,可能與構(gòu)造活動及應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)變化相關(guān)。觀測值曲線偏離正常的動態(tài)置信區(qū)間,反映出斷層運動加劇、減慢或出現(xiàn)形態(tài)和方向上的改變,可認為是異常。異常識別方法包括觀測曲線、速率變化、標準差、去年周變、去趨勢、斷層三維活動特征[6]和斷層協(xié)調(diào)比[7]等。

本文對3次地震前后影響區(qū)范圍內(nèi)(距蘆山MS6.1地震、馬爾康MS6.0震群震中200 km范圍內(nèi),距瀘定MS6.8地震震中300 km范圍內(nèi))11處異常場地觀測曲線進行詳細分析,對觀測曲線異常特征和場地近場三維活動特征進行梳理,提取跨斷層形變資料中蘊含的背景趨勢異常(大于1 a)、中短期異常(3～12月)、粘滑失穩(wěn)前的預(yù)滑現(xiàn)象和震后變化信息。

1.1 背景趨勢異常

從背景性異常時間演化特征看(圖2),蝦拉沱場地水平形變于2017年開始由張性活動轉(zhuǎn)為壓性活動,且2020年出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)平、年變幅值減小特征;虛墟、老乾寧場地水平形變于2018年發(fā)生趨勢轉(zhuǎn)折,由張性轉(zhuǎn)為壓性活動;安順場場地垂直形變從2018年起出現(xiàn)正逆斷交替活動特征;溝普蠕變場地水平形變2021年開始出現(xiàn)具有中期指示意義的巨幅破年變異常?？臻g演化特征則顯示,背景性異常叢集分布于鮮水河斷裂帶上,其中鮮水河北西段涉及虛墟、蝦拉沱、溝普3個場地3個測項異常,南東段涉及老乾寧、安順場2個場地3個測項異常(表1)。

表1 背景趨勢異常形態(tài)、類型及與地震關(guān)系統(tǒng)計

在背景性異常發(fā)展時段內(nèi),巴顏喀拉塊體發(fā)生瑪多MS7.4地震,間隔1 a左右四川地區(qū)先后發(fā)生3次MS≥6.0地震。其中蘆山MS6.1地震、馬爾康MS6.0震群發(fā)生在巴顏喀拉塊體,瀘定MS6.8地震發(fā)生在川滇塊體。

1.2 中短期異常

西嶺、耿達水準2021-09出現(xiàn)準同步短期下降變化,7 d內(nèi)發(fā)生瀘縣MS6.0地震,之后形成逆斷性尖點突跳異常。西嶺水準(圖3(a))繼尖點突跳后持續(xù)正斷活動,在接近正斷峰值(2022-07)時發(fā)生蘆山MS6.1地震(震中距39km);震后進入逆斷活動狀態(tài),此過程中發(fā)生了瀘定MS6.8(震中距159 km)地震,震后2月異常結(jié)束。耿達水準(圖3(b))繼尖點突跳后持續(xù)正斷活動,2022-04達到峰值,之后再次形成連續(xù)逆斷性尖點突跳,在此期間相繼發(fā)生蘆山MS6.1(震中距87 km)和瀘定MS6.8(震中距204 km)地震。西嶺、耿達水準異常在蘆山MS6.1和瀘定MS6.8兩次地震前均為中期異常(表2)。

表2 中短期異常形態(tài)、類型及與地震關(guān)系統(tǒng)計

圖3 中短期異常觀測曲線Fig.3 Short-and medium-term anomaly observation curves

龍燈壩測距A-B、A-C測邊2022-02出現(xiàn)巨幅下降變化(擠壓),3月轉(zhuǎn)折上升,之后相繼發(fā)生3次地震,蘆山MS6.1(震中距151 km)、馬爾康MS6.0(震中距180 km)地震時該異常為短期異常,瀘定MS6.8(震中距137 km)地震時該異常為中期異常(圖3(c)、3(d)、表2)。

格魯測距ZH2-ZH3、ZH3-ZH4測邊2021-11～2022-02出現(xiàn)破年變持續(xù)下降變化,3月轉(zhuǎn)折上升,6月發(fā)生馬爾康MS6.0(震中距148 km)震群,該異常為短期異常;瀘定MS6.8地震(震中距257 km)時該異常為中期異常,震后出現(xiàn)尖點突跳變化(圖3(e)、3(f)、表2)。

禮州測距ZH2-ZH3測邊2020年底觀測曲線出現(xiàn)非線性趨勢下降變化,偏離背景,2021-11和2022-06在背景異?；A(chǔ)上出現(xiàn)2次顯著短期異常變化,第一次短期異常出現(xiàn)后3個月內(nèi)發(fā)生了寧蒗MS5.5(震中距156 km);2022-06短期異常再次出現(xiàn),8月轉(zhuǎn)折上升,此時段內(nèi)發(fā)生瀘定MS6.8地震(震中距170 km),如圖3(g)、表2所示。

1.3 粘滑失穩(wěn)前的預(yù)滑現(xiàn)象

淺源地震實際上可看成巖石斷層滑動過程中的粘滑,斷層粘滑運動的過程即代表了地震的失穩(wěn)發(fā)震過程。粘滑失穩(wěn)過程中實際包含多個不同滑移速度的小滑動,斷層的滑動速度會出現(xiàn)波動,高速滑動和低速滑動相互交錯[8]。在斷層粘滑發(fā)生前,存在可以作為前兆的預(yù)滑現(xiàn)象,預(yù)滑也被認為是地震前兆的物理基礎(chǔ)[9]。

位于安寧河斷裂與鮮水河斷裂交匯處的紫馬垮水平蠕變場地1-2測邊在瀘定MS6.8地震前5 d(08-30)原始觀測紙帶監(jiān)測到預(yù)滑現(xiàn)象,震中距為59 km,持續(xù)至09-04,其形變量級與2020～2021年同時段相比,超出200倍(圖4)。

圖4 失穩(wěn)前的預(yù)滑現(xiàn)象Fig.4 Pre-slip phenomenon before destabilization

1.4 震后變化

蘆山MS6.1和馬爾康MS6.0地震后,鮮水河斷裂帶道孚水準場地2022-06-15監(jiān)測到較顯著的同震形變后進入震后調(diào)整階段,呈現(xiàn)正斷活動特征,現(xiàn)調(diào)整活動已結(jié)束。瀘定MS6.8地震后鮮水河斷裂南段榆林測距場地和蒲江-新津斷裂蒲江測距場地震后1個月進入調(diào)整活動狀態(tài),表現(xiàn)形態(tài)為快速拉張(幅度分別為1.88 mm、1.68 mm);寶興水準稍滯后,于2022-12呈現(xiàn)持續(xù)逆斷活動特征,形態(tài)與蘆山MS7.0和康定MS6.3地震震后變化相似。因篇幅有限,在此不展示圖件(表3)。

表3 震后變化場地及特征統(tǒng)計

2 跨斷層形變場地近場三維活動特征

利用四川地區(qū)跨斷層形變震前觀測資料從定量和定性2個方面提取斷層三維活動參數(shù),并梳理跨斷層形變場地近場三維活動特征。斷層各分量與測線之間的關(guān)系[6]表述如下:設(shè)測線與斷層夾角為α(定義為測線順時針轉(zhuǎn)動到與斷層線重合時所轉(zhuǎn)過的角度),測線伸縮量為ΔL(伸長為正、縮短為負),Δh為垂直變化量(斷層下盤相對于上盤的變化,即水準測量由上盤到下盤為往測方向);設(shè)上盤相對下盤的逆時針扭錯量為a(a>0表示左旋),水平張壓量為b(b>0表示張性),垂直變化量為c(c>0表示上盤上升)。在2條不同的測線上同時施測水準和基線,可確定斷層三維活動參數(shù):

圖5(a)、(b)、(c)為部分場地的斷層三維活動參數(shù),走滑活動分量顯示鮮水河斷裂帶場地維持繼承性活動特征;張壓活動分量自2018年以來整體呈弱活動趨勢,龍燈壩場地2022年以來擠壓活動增強;垂向活動分量變化均不顯著。由圖5(d)可見,則木河斷裂湯家坪場地2020年以來走滑、張壓活動不顯著,垂向活動顯著,持續(xù)正斷上升活動。

圖5 斷層近場三維活動特征Fig.5 Near-field 3D activity characteristics of the fault

綜合各場地斷層三維活動特征,梳理跨斷層形變展示的近場特征為:鮮水河斷裂溝普以南區(qū)域(除折多塘受川藏鐵路建設(shè)干擾外)、龍門山斷裂南段近場以擠壓活動為主;安寧河斷裂除禮州場地近場為擠壓活動外,基本被活動不顯著區(qū)域所覆蓋,弱化區(qū)特征顯著;則木河斷裂近場活動以擠壓為主。上述3次地震均發(fā)生在跨斷層形變資料顯示的擠壓或活動不顯著區(qū)(近閉鎖區(qū))及附近區(qū)域。

3 定量化預(yù)測指標提取及分析

跨斷層綜合預(yù)測指標[10]是指通過一定的數(shù)學(xué)方法對多個跨斷層異常測項進行處理,并采用R值評分方法[11]。當(dāng)設(shè)定某一時間序列的異常閾值后,超出該閾值的情況被視為異常。假設(shè)預(yù)報窗長為W,某一個異常出現(xiàn)的時間點T1,異常結(jié)束的時間點T2,那么,該異常進行預(yù)測占用的時間T=T2-T1+W,當(dāng)?shù)卣饡r間處于該時間段內(nèi),視為地震預(yù)測準確。假設(shè)該時間序列共出現(xiàn)n次異常,任意異常的時間占用為Ti(i=1,2,…,n),通過對所有異常與地震事件的對應(yīng)情況進行掃描,準確預(yù)測的地震次數(shù)為m,地震發(fā)生的總次數(shù)為n,時間序列總的時間跨度為Ttotal,則R值評分可表示為:

對單測項進行預(yù)報效能評估,根據(jù)評估結(jié)果進行測項定權(quán),最后合成多個測項得到綜合預(yù)測指標。該指標體現(xiàn)的是跨斷層測項的群體異常特征,能有效提升預(yù)報效能。

為進一步佐證跨斷層形變異常與3次地震的前兆關(guān)聯(lián),以23°～37°N、96°～108°E為范圍,按5.5～5.9級小于等于200 km、6.0～6.9級小于等于300 km、7.0～7.9級小于等于400 km、8.0～8.9級小于等于500 km的震例規(guī)則選取的四川地區(qū)地震樣本為基礎(chǔ),針對區(qū)域內(nèi)75個跨斷層測項,通過定量化預(yù)測指標提取方法綜合分析區(qū)域內(nèi)群體異常特征,從回溯總結(jié)的角度分析斷層活動變化與相關(guān)構(gòu)造區(qū)域及其附近6級及以上地震的可能關(guān)系。

利用速率差分方法[10](以任意時間為窗長,通過差分可獲取不同尺度的活動速率異常,根據(jù)窗長選擇的差異可獲取短期、中期、趨勢速率異常。其中,以1 a為窗長的速率異常可有效去除年周期的影響,獲得斷層活動的中期異常,并有效反映原始時序圖中年活動量的大小差異。通過年速率的求取,使得原始觀測曲線可以進行異常的自動判識與預(yù)報效能的評估。年速率異常能夠很好地去除原始時間序列中周期項的影響,并直接反映出年速率的異常變化特征)分別選取12個月、6個月、3個月預(yù)測窗長對四川及鄰區(qū)MS≥6.0地震進行區(qū)域預(yù)測指標回溯性分析,通過震例檢驗,基本能夠反映群體性異常與地震之間的關(guān)系。由此可見,四川地區(qū)2022年所發(fā)生的3次MS≥6.0地震,其年尺度-短期預(yù)測指標均處于超閾值范圍,指標有效,具有一定的指示意義(表4、圖6)。

表4 定量化區(qū)域綜合預(yù)測指標統(tǒng)計

4 結(jié) 語

本文詳細分析2022年四川地區(qū)3次MS≥6.0地震前后跨斷層形變觀測資料,綜合觀測曲線異常時空演化、斷層三維活動特征及定量化區(qū)域預(yù)測效能指標,分析3次地震前跨斷層形變異常及震后變化。取得以下初步認識:

1)在背景性異常發(fā)展時段內(nèi),巴顏喀拉塊體發(fā)生瑪多MS7.4地震,瑪多地震后區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生變化,在應(yīng)力傳遞、構(gòu)造活動與塊體運動共同作用下[12-13],間隔1 a左右四川地區(qū)先后發(fā)生3次MS≥6.0地震。

2)3次地震發(fā)震區(qū)域在構(gòu)造上存在關(guān)聯(lián),出現(xiàn)異常的場地時空重疊度較高,無法進行嚴格的區(qū)分和剝離。震前異常主要沿川滇菱形塊體東邊界分布,龍門山斷裂帶兼有分布。背景性異常表現(xiàn)為趨勢偏離、反轉(zhuǎn)、速率異常等特征,在鮮水河斷裂帶呈叢集分布,以水平形變?yōu)橹鳌Ｕ鹎? a左右,位于鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶和龍門山斷裂帶交會的三岔口地區(qū)及附近區(qū)域中短期異常增多,顯示為破年變、突跳、畸變等特征,中短期異常仍以水平形變?yōu)橹?。距震?9 km的紫馬垮水平蠕變場地在瀘定MS6.8地震前5 d捕捉到失穩(wěn)前的預(yù)滑現(xiàn)象。幾次地震發(fā)生在短期異常轉(zhuǎn)折后3個月內(nèi),震級與異常幅度和持續(xù)時間相關(guān)。異?？臻g分布具有從遠端開始、逐漸向震中收縮的特征。震后1個月進入調(diào)整活動,地震發(fā)生后觀測資料所反映的快速變化特征可能是粘彈性效應(yīng)與構(gòu)造活動共同作用的結(jié)果[14]。

3)強震發(fā)生前跨斷層形變顯示,相關(guān)斷層近場活動特征主要表現(xiàn)為正常背景狀態(tài)下的拉張、擠壓加速、旋性發(fā)生改變、斷層活動偏離原始背景等異常現(xiàn)象,并有震時加速、震后調(diào)整恢復(fù)特征,離震中較近的場地可能表現(xiàn)為活動較弱或者呈現(xiàn)閉鎖形態(tài)?？鐢鄬訉Πl(fā)震時間的判定有優(yōu)勢,但在地點上還需結(jié)合流動重力、流動地磁、GNSS及其他學(xué)科手段進行綜合判定。