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

四川省地震局地殼形變觀測中心運用監視區內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、跨斷層形變預測效能指標、流動重力、流動地磁)對3次地震進行預測研究。3次地震均發生在中心劃定的年度危險區與年度注意區內,且在震前(2022-05年中會商、2022-08川西北片區聯合震情會商)給出過較好的中短期預測。

四川地區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處連續觀測的動態蠕變場地,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,跨斷層形變觀測數據在地震綜合預測研究、斷層活動性監視、斷層運動學和動力學方面發揮了重要作用,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等強震前數月至1 a左右,觀測到顯著加速、轉折、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次地震發震區域在構造上存在關聯,且出現異常的場地時空重疊度較高,無法進行嚴格區分和剝離。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、跨斷層區域預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

強震孕育過程中應力、應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、環境、氣象等干擾的前提下,當斷層活動偏離背景出現非線性變化時,可能與構造活動及應力應變狀態變化相關。觀測值曲線偏離正常的動態置信區間,反映出斷層運動加劇、減慢或出現形態和方向上的改變,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]和斷層協調比[7]等。

本文對3次地震前后影響區范圍內(距蘆山MS6.1地震、馬爾康MS6.0震群震中200 km范圍內,距瀘定MS6.8地震震中300 km范圍內)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)、粘滑失穩前的預滑現象和震后變化信息。

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為壓性活動,且2020年出現趨勢轉平、年變幅值減小特征;虛墟、老乾寧場地水平形變于2018年發生趨勢轉折,由張性轉為壓性活動;安順場場地垂直形變從2018年起出現正逆斷交替活動特征;溝普蠕變場地水平形變2021年開始出現具有中期指示意義的巨幅破年變異常。空間演化特征則顯示,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、類型及與地震關系統計

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

1.2 中短期異常

西嶺、耿達水準2021-09出現準同步短期下降變化,7 d內發生瀘縣MS6.0地震,之后形成逆斷性尖點突跳異常。西嶺水準(圖3(a))繼尖點突跳后持續正斷活動,在接近正斷峰值(2022-07)時發生蘆山MS6.1地震(震中距39km);震后進入逆斷活動狀態,此過程中發生了瀘定MS6.8(震中距159 km)地震,震后2月異常結束。耿達水準(圖3(b))繼尖點突跳后持續正斷活動,2022-04達到峰值,之后再次形成連續逆斷性尖點突跳,在此期間相繼發生蘆山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、類型及與地震關系統計

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出現巨幅下降變化(擠壓),3月轉折上升,之后相繼發生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出現破年變持續下降變化,3月轉折上升,6月發生馬爾康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年底觀測曲線出現非線性趨勢下降變化,偏離背景,2021-11和2022-06在背景異常基礎上出現2次顯著短期異常變化,第一次短期異常出現后3個月內發生了寧蒗MS5.5(震中距156 km);2022-06短期異常再次出現,8月轉折上升,此時段內發生瀘定MS6.8地震(震中距170 km),如圖3(g)、表2所示。

1.3 粘滑失穩前的預滑現象

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發震過程。粘滑失穩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波動,高速滑動和低速滑動相互交錯[8]。在斷層粘滑發生前,存在可以作為前兆的預滑現象,預滑也被認為是地震前兆的物理基礎[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)原始觀測紙帶監測到預滑現象,震中距為59 km,持續至09-04,其形變量級與2020～2021年同時段相比,超出200倍(圖4)。

圖4 失穩前的預滑現象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監測到較顯著的同震形變后進入震后調整階段,呈現正斷活動特征,現調整活動已結束。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個月進入調整活動狀態,表現形態為快速拉張(幅度分別為1.88 mm、1.68 mm);寶興水準稍滯后,于2022-12呈現持續逆斷活動特征,形態與蘆山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計

2 跨斷層形變場地近場三維活動特征

利用四川地區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,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系[6]表述如下:設測線與斷層夾角為α(定義為測線順時針轉動到與斷層線重合時所轉過的角度),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:

圖5(a)、(b)、(c)為部分場地的斷層三維活動參數,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域(除折多塘受川藏鐵路建設干擾外)、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域所覆蓋,弱化區特征顯著;則木河斷裂近場活動以擠壓為主。上述3次地震均發生在跨斷層形變資料顯示的擠壓或活動不顯著區(近閉鎖區)及附近區域。

3 定量化預測指標提取及分析

跨斷層綜合預測指標[10]是指通過一定的數學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]。當設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。假設預報窗長為W,某一個異常出現的時間點T1,異常結束的時間點T2,那么,該異常進行預測占用的時間T=T2-T1+W,當地震時間處于該時間段內,視為地震預測準確。假設該時間序列共出現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情況進行掃描,準確預測的地震次數為m,地震發生的總次數為n,時間序列總的時間跨度為Ttotal,則R值評分可表示為:

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

為進一步佐證跨斷層形變異常與3次地震的前兆關聯,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的震例規則選取的四川地區地震樣本為基礎,針對區域內75個跨斷層測項,通過定量化預測指標提取方法綜合分析區域內群體異常特征,從回溯總結的角度分析斷層活動變化與相關構造區域及其附近6級及以上地震的可能關系。

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個月預測窗長對四川及鄰區MS≥6.0地震進行區域預測指標回溯性分析,通過震例檢驗,基本能夠反映群體性異常與地震之間的關系。由此可見,四川地區2022年所發生的3次MS≥6.0地震,其年尺度-短期預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 定量化區域綜合預測指標統計

4 結 語

本文詳細分析2022年四川地區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域預測效能指標,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)在背景性異常發展時段內,巴顏喀拉塊體發生瑪多MS7.4地震,瑪多地震后區域應力場發生變化,在應力傳遞、構造活動與塊體運動共同作用下[12-13],間隔1 a左右四川地區先后發生3次MS≥6.0地震。

2)3次地震發震區域在構造上存在關聯,出現異常的場地時空重疊度較高,無法進行嚴格的區分和剝離。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。背景性異常表現為趨勢偏離、反轉、速率異常等特征,在鮮水河斷裂帶呈叢集分布,以水平形變為主。震前1 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及附近區域中短期異常增多,顯示為破年變、突跳、畸變等特征,中短期異常仍以水平形變為主。距震中59 km的紫馬垮水平蠕變場地在瀘定MS6.8地震前5 d捕捉到失穩前的預滑現象。幾次地震發生在短期異常轉折后3個月內,震級與異常幅度和持續時間相關。異常空間分布具有從遠端開始、逐漸向震中收縮的特征。震后1個月進入調整活動,地震發生后觀測資料所反映的快速變化特征可能是粘彈性效應與構造活動共同作用的結果[14]。

3)強震發生前跨斷層形變顯示,相關斷層近場活動特征主要表現為正常背景狀態下的拉張、擠壓加速、旋性發生改變、斷層活動偏離原始背景等異常現象,并有震時加速、震后調整恢復特征,離震中較近的場地可能表現為活動較弱或者呈現閉鎖形態。跨斷層對發震時間的判定有優勢,但在地點上還需結合流動重力、流動地磁、GNSS及其他學科手段進行綜合判定。