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芦山Ms 7.0地震前的跨断层形变亚失稳前兆特征

张希 刘峡 秦姗兰 贾鹏

张希, 刘峡, 秦姗兰, 贾鹏. 芦山Ms 7.0地震前的跨断层形变亚失稳前兆特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1669-1677. doi: 10.13203/j.whugis20190467
引用本文: 张希, 刘峡, 秦姗兰, 贾鹏. 芦山Ms 7.0地震前的跨断层形变亚失稳前兆特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1669-1677. doi: 10.13203/j.whugis20190467
ZHANG Xi, LIU Xia, QIN Shanlan, JIA Peng. Precursory Characteristics of Meta-Instability of Cross-Fault Deformation Before the Lushan Ms 7.0 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1669-1677. doi: 10.13203/j.whugis20190467
Citation: ZHANG Xi, LIU Xia, QIN Shanlan, JIA Peng. Precursory Characteristics of Meta-Instability of Cross-Fault Deformation Before the Lushan Ms 7.0 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1669-1677. doi: 10.13203/j.whugis20190467

芦山Ms 7.0地震前的跨断层形变亚失稳前兆特征

doi: 10.13203/j.whugis20190467
基金项目: 

国家重点研发计划 2018YFC150330506

中国地震局震情跟踪项目 2021020509

详细信息
    作者简介:

    张希,研究员,主要从事地壳形变与地球动力学研究。486408007@qq.com

  • 中图分类号: P237

Precursory Characteristics of Meta-Instability of Cross-Fault Deformation Before the Lushan Ms 7.0 Earthquake

Funds: 

The National Key Research and Development Program of China 2018YFC150330506

Earthquake Tracking Project of China Earthquake Administration 2021020509

More Information
    Author Bio:

    ZHANG Xi, professor, specializes in crustal deformation and geodynamics. E-mail: 486408007@qq.com

图(6) / 表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-19
  • 刊出日期:  2020-11-19

芦山Ms 7.0地震前的跨断层形变亚失稳前兆特征

doi: 10.13203/j.whugis20190467
    基金项目:

    国家重点研发计划 2018YFC150330506

    中国地震局震情跟踪项目 2021020509

    作者简介:

    张希,研究员,主要从事地壳形变与地球动力学研究。486408007@qq.com

  • 中图分类号: P237

摘要: 2013年芦山Ms 7.0级地震发生前数月内,发震断裂的宝兴跨断层短水准场地逆断加速,相邻的鲜水河断裂侏倭、虚墟、沟普、龙灯坝、老乾宁跨断层综合场地观测到准同步压性转折等异常现象。基于震区周边半径300 km内跨断层形变时空演变分析,结合GPS、卫星遥感、井水位、地震活动等辅助资料进行机理探讨。结果显示:震前半年多, 断层形变从有利于应力积累的“继承性”转为“逆继承性”;震前3个月,观测到与震区相邻的鲜水河断裂反向异常增多增强,灰色关联度张压分量时序变化与亚失稳实验所得应力-时间过程相似,发震的龙门山断裂反向变化场地也明显增多,显示出断层活动协同化及加速特征,很可能是该次地震前的亚失稳前兆表现。

English Abstract

张希, 刘峡, 秦姗兰, 贾鹏. 芦山Ms 7.0地震前的跨断层形变亚失稳前兆特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1669-1677. doi: 10.13203/j.whugis20190467
引用本文: 张希, 刘峡, 秦姗兰, 贾鹏. 芦山Ms 7.0地震前的跨断层形变亚失稳前兆特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1669-1677. doi: 10.13203/j.whugis20190467
ZHANG Xi, LIU Xia, QIN Shanlan, JIA Peng. Precursory Characteristics of Meta-Instability of Cross-Fault Deformation Before the Lushan Ms 7.0 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1669-1677. doi: 10.13203/j.whugis20190467
Citation: ZHANG Xi, LIU Xia, QIN Shanlan, JIA Peng. Precursory Characteristics of Meta-Instability of Cross-Fault Deformation Before the Lushan Ms 7.0 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1669-1677. doi: 10.13203/j.whugis20190467
  • 亚失稳是断层失稳前应力由积累为主转变为释放为主的关键阶段,也是由稳态转向失稳的最后阶段[1-3],识别亚失稳状态及相关物理量的演化特征对地震短临预报有重要意义。目前所获得的亚失稳现象多来自构造力学实验室,如文献[1]以5°拐折断层一次粘滑事件中温度场的演化为例,总结失稳错动是由断层各部位独立活动向协同化活动的转化过程,偏离线性阶段是应力释放、协同作用的开始,亚失稳阶段应力释放已占据优势;文献[4-6]以平直与雁列断层的粘滑事件为实验对象,分析了断层进入亚失稳阶段的位移协同化与热场演化特征。已有学者将实验结果应用于野外观测,发现鲜水河断裂北西段跨断层蠕变场地在1997年玛尼Ms 7.5级地震前出现断层活动协同化特征[7];紫坪铺水库蓄水则在汶川Ms 8.0级大震发生中起到了断层协同化强化作用[8]。然而截至目前,野外实际观测获得的亚失稳证据仍很有限。

    2013-04-20,四川省芦山县发生了Ms 7.0级的逆断型地震[9],位于龙门山断裂南段。震前数月内该断裂上距震中仅25 km的宝兴跨断层流动短水准场地出现逆断加速现象;相邻的鲜水河断裂侏倭、虚墟、沟普、龙灯坝、老乾宁5处跨断层流动基线与水准综合场地观测到特性一致的准同步压性转折变化,虚墟、龙灯坝场地还出现右旋转折[10-11],距震中147~295 km(见图 1图 2图 2中曲线向下为左旋、挤压、逆断,向上为右旋、拉张、正断变化)。文献[10]综合跨断层中短期异常、重力异常成功预测了这次地震,认为跨断层短期异常增多为亚失稳信号,却未进行论证。

    图  1  研究区跨断层场地、GPS站点、断裂、块体与地震分布

    Figure 1.  Distribution of Cross-Fault Sites, GPS Stations, Faults, Blocks and Earthquakes in the Study Area

    图  2  芦山震前典型跨断层异常变化曲线

    Figure 2.  Typical Variation Curves of Cross-Fault Anomalies Before Lushan Earthquake

    本文借助震区周边半径300 km内跨断层流动形变异常时空演变分析,结合GPS、卫星遥感、井水位、地震活动等辅助资料,对芦山震前跨断层形变亚失稳前兆特征进行探讨。

    • 芦山Ms 7.0级地震位于巴颜喀拉地块对华南地块碰撞挤压的边界带即龙门山断裂的南段,与川滇菱形地块北东界相接,龙门山、鲜水河、安宁河断裂在此处形成“Y”字形构造。四川省地震局在此处布设有跨断层流动场地(见图 1),加上与安宁河断裂交汇的则木河断裂西端的西昌、尔乌场地,距震中均不到300 km;观测周期1~2个月,测线长度多为数百米,个别场地达数千米。

      本文将其作为研究区,选用芦山震前数据积累至少5 a的场地,回溯跨断层观测反映的断层活动时空演化特征。未采用震前存在干扰问题的格篓坝子、西昌场地,以及冕宁场地2016-07以后的资料;龙门山断裂区因2008年汶川Ms 8.0级地震影响,点位破坏与场地改造,资料连续性变差,七盘沟、灌县、双河、蒲江场地只采用2009年以后的数据,与汶川震后新建的宝兴场地时间一致。

      所用场地共17处,即鲜水河断裂的侏倭、虚墟、沟普、龙灯坝、老乾宁、折多塘基线与水准综合场地,道孚、团结乡、安顺场水准场地,安宁河断裂的棉蟹、冕宁水准场地,则木河断裂的尔乌水准场地,龙门山断裂的七盘沟、灌县、双河、蒲江、宝兴水准场地(见图 3)。

      图  3  芦山震前1 a跨断层形变强度

      Figure 3.  Cross-Fault Deformation Strength One Year Before the Lushan Earthquake

      综合地质[12]与GPS资料[13-14],鲜水河断裂以左旋走滑为主,兼总体性拉张(北段大部分时段挤压但南段拉张量更大,尤其是2009年以后),龙门山断裂逆断兼右旋,安宁河、则木河断裂分别以左旋逆断、左旋正断为主,本文17处跨断层场地中的大多数提炼走滑、水平张压、垂向三分量后所得左右旋、张压、正逆断总体趋势与其一致。

      汶川大震前龙门山断裂南段一直处于强闭锁状态,8级大震发生使其逆冲应变能增强,加速了芦山地震的孕育进程[14-16];文献[17]认为更大范围的龙门山、鲜水河、安宁河断裂“Y”字形交汇区没有因汶川大震发生“解锁”,仍处于高应力闭锁状态;震前2~3 a流动重力观测不仅沿龙门山断裂南段出现高梯度变化,在本文研究区还显示大范围重力异常[18],故本文研究区具有发生强震的高应力条件。

    • 亚失稳标志着区域应力由积累转为释放,其状态识别不应局限于发震断层和单个台站[3]图 3为震前1 a 4个季度即2012-06相对2012-03、2012-09相对2012-06、2012-12相对2012-09、2013-03相对2012-12(2013-04芦山震前未测)各场地跨断层形变强度计算结果。对每处场地,首先通过线性内插使1或2月不定期观测序列统一为每月一期;再提炼走滑、水平张压、垂向三分量[11](水准场地只有垂向分量);进而提取每季度的差分值序列(综合场地则为合成差分值,即三分量差分值的平方和再求根),对该差分值序列计算均方差;最后以该均方差为基准,将某季度差分值的绝对值除以该均方差,得到反映该场地3个月变化的均方差倍数。图 3中用条柱的长度体现,达到或超过2.0视为异常,揭示场地活动异于“常态”;并用蓝色、红色区别这3个月内左右旋、张压、正逆断变化与前述构造背景总体一致(蓝色)或相反(红色)。图 3中还标注了ML 4.0级以上地震,而表 1统计了各断裂各季度的形变强度绝对值均值。分析如下:

      表 1  芦山震前1 a各断裂跨断层形变强度绝对值均值

      Table 1.  Average Absolute Values of Cross-Fault Deformation Strength One Year Before the Lushan Earthquake

      断裂区 2012-06相对2012-03 2012-09相对2012-06 2012-12相对2012-09 2013-03相对2012-12 1 a均值
      鲜水河断裂 1.36 1.68 1.22 1.85 1.53
      龙门山断裂 0.62 1.07 0.81 0.72 0.81
      安宁河断裂及与则木河断裂交汇区 1.12 0.92 0.89 0.61 0.89

      1)从图 3中蓝、红色区别的变化特征来看,芦山震前1 a的前半年(图 3(a)3(b)),与构造背景一致的场地占多数(分别为12/17和10/17),异常主要分布在鲜水河断裂,与构造背景一致的异常场地总体也占多数(4/6),但鲜水河断裂侏倭、老乾宁场地2012-09同步观测到与构造背景相反的明显压性转折(观测曲线略[10-11]);后半年(图 3(c)3(d))总体上与构造背景相反的场地逆转为多数(11/17),与构造背景相反的异常场地也占大多数(分别为2/3和3/3,简称反向异常),尤其2013年1月―3月鲜水河断裂反向异常场地最多(3处),而龙门山断裂反向变化场地也占大多数(4/5)。

      2)表 1显示芦山震前1 a鲜水河断裂活动较强,震前短期阶段平均强度(表 1显示1.85,比之前3个季度都高)与反向异常的平均强度均明显抬升(4个季度的反向异常场地其均方差倍数均值分别为0.0、2.8、2.6、3.3)。

      总而言之,芦山震前1 a的前半年,研究区以与构造背景一致的断层活动为主,后半年却明显改变,从有利于应力积累的“继承性”转为“逆继承性”;震前短期阶段鲜水河断裂反向异常增多增强,发震的龙门山断裂反向变化场地也明显增多,占大多数,显示出断层活动的协同化及加速特征。

    • 灰色关联度指标可反映断裂活动总体趋势及其动态演变[11, 19]。设计算区有m处场地,每处场地观测期数均为n(若场地观测期数或观测周期有差异,通过线性内插、取公共时段实现),首先提取各场地走滑、张压、垂向三分量时序累积变化,设某分量为$h_j^t$(tj分别为时间与场地的序号)。由于场地独立观测、条件各异,为使场地间具有可比性,需扣除其本底活动水平即式(1)的$f_1+f_2, f_1和f_2$分别为该分量时序变化值的绝对值均值、相邻两期变化的均方差,所得场地j该分量时刻t无量纲的变化量$u_j^t$为:

      $$ u_j^t = \frac{{h_j^t}}{{{f_1} + {f_2}}} $$ (1)
      $$ {f_1} = \frac{1}{n}\mathop \sum \limits_{k = 1}^n \left| {h_j^k} \right| $$ (2)
      $$ {f_2} = \sqrt[{}]{{\frac{1}{{n - 1}}\mathop \sum \limits_{k = 1}^{n - 1} {{\left[ {\left( {h_j^{k + 1} - {\rm{}}h_j^k{\rm{}}} \right) - \frac{1}{{n - 1}}\mathop \sum \limits_{k = 1}^{n - 1} \left( {h_j^{k + 1} - h_j^k} \right)} \right]}^2}}} $$ (3)

      进而通过多场地加权平均获取综合指标,增加与其他场地相似度高的场地权重,减轻与其他场地相似度低的场地权重,突出与构造活动相关的共性特征。场地j的灰色关联度权值$γ_j^0$的计算公式为:

      $$ \gamma _j^0 = \frac{1}{{m - 1}}\mathop \sum \limits_{l = 1, l \ne j}^m \left[ {\frac{1}{n}\mathop \sum \limits_{t = 1}^n {\varphi _l}\left( t \right)} \right] $$ (4)
      $$ {\varphi _l}\left( t \right) = \frac{{\mathop {{\rm{min}}}\limits_l \mathop {{\rm{min}}}\limits_t \left| {u_j^t - u_l^t} \right| + 0.5\mathop {{\rm{max}}}\limits_l \mathop {{\rm{max}}}\limits_t \left| {u_j^t - u_l^t} \right|}}{{\left| {u_j^t - u_l^t} \right| + 0.5\mathop {{\rm{max}}}\limits_l \mathop {{\rm{max}}}\limits_t \left| {u_j^t - u_l^t} \right|}} $$ (5)

      式中,l是除场地j外的其他(m-1)处场地序号,即$l = 1, 2 \ldots j - 1, j + 1 \ldots m$。那么该分量时刻t的灰色关联度指标值为:

      $$ {\alpha ^t} = \mathop \sum \limits_{j = 1}^m \gamma _j^0u_j^t/\mathop \sum \limits_{j = 1}^m \gamma _j^0 $$ (6)

      文献[11]分析过鲜水河断裂截至2013年的灰色关联度指标时序变化,本文将资料补充至2019-09(见图 4)。可以看到芦山震前数月超出正常波动范围的压性、右旋转折,压性转折显著,震后数月恢复。分析如下:

      图  4  鲜水河断裂跨断层灰色关联度指标曲线

      Figure 4.  Curves of Gray Correlation Index for Cross-Fault Deformation in the Xianshuihe Fault

      1)鲜水河断裂左旋走滑,昆仑山口西Ms 8.1级大震后拉张明显,与地质资料和GPS剖面变化基本相符[13, 20],有利于应力积累与强震孕育。

      2)图 1图 4标注了距鲜水河断裂300 km内Ms 6.5以上、500 km内Ms 7以上和800 km内Ms 8级,且位于巴颜喀拉、川滇、华南3大相邻地块内的地震。图 4显示丽江、汶川、玉树、鲁甸、九寨沟震前或理塘-小金、昆仑山口西震后程度与持续时间不同的拉张加速或拉张加速-压性回返,强震孕育发生与所在地块活动、地块间相对运动有关,跨断层场地布设在地块边界,相对敏感。

      3)芦山震前1 a内,图 4中蓝色虚线框显示与长期背景一致的拉张变化先明显减缓、后反向挤压,走滑分量也显示一定程度的右旋转折,震后数月又很快恢复;而垂向分量起测以来变化不大。截取汶川震后2009年至2013年5月走滑和水平张压分量时序变化,借助最小二乘配置[21]平滑滤波,获得图 5拟合曲线,水平张压分量的拟合曲线与亚失稳实验所得应力-时间过程[1-3]相似,除了鲜水河断裂以西393 km处玉树Ms 7.1级震前拉张曾略微加速外,总体呈现波动中的拉张态势、速度比较均匀;2012年下半年明显减缓、偏离了线性变化;之后持续下降、出现明显的压性转折,2013-01相对2012-11下降速度最快(2012-12并未复测,其快速下降由2012-11与2013-01间线性内插引起)。

      图  5  芦山震前鲜水河断裂灰色关联度异常及拟合曲线

      Figure 5.  Anomaly Variation and Fitting Curves of Gray Correlation of the Xianshuihe Fault Before the Lushan Earthquake

    • 1)中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)卫星遥感红外数据显示巴颜喀拉地块中东部芦山震前短期阶段明显升温异常[22],而鲜水河与龙门山断裂跨断层形变反向变化也增多增强。

      2)连续GPS班玛-遂宁基线2012年第4季度至芦山震前出现偏离原有运动速率的明显挤压减缓[23]图 6显示跨鲜水河等断裂连续GPS乡城-小金(站点位置见图 1)基线2012年下半年至2013年拉张变化减缓,总体揭示巴颜喀拉地块东-东南界断裂活动减缓,与本文研究区跨断层形变从“继承性”转为“逆继承性”的变化相符,时间上差异不大。

      图  6  连续GPS乡城-小金基线变化

      Figure 6.  Variation Curves of Baseline of Continuous GPS Xiangcheng-Xiaojin

      3)汶川震后至芦山震前,芦山震中周边半径100 km内ML 4级以上地震仅4次,分别为2009-09宝兴ML 4.1、2011-07雅安ML 4.0、2011-10洪雅ML 4.1,以及2012-10芦山ML 4.6。2012-10芦山ML 4.6级地震(图 3(c))最接近芦山7级地震地点和发震时间,震级也最高[24],而2012-10这个时间点也与跨断层观测显示的断层活动特性改变基本同步。另外,图 3显示芦山震前1 a ML 4级以上地震主要分布在龙门山断裂中北段汶川大震余震区,2012-10 ML 4.6级地震与芦山7级地震构造关联最强,相距仅22 km,可能揭示芦山震前该断裂闭锁段的部分能量预释放(震级也比龙门山断裂中北段的地震震级高),与图 2(a)所示宝兴场地2012-11和2013-01观测到的逆断加速变化时间差异不大(2月份未复测,3月20日略微回返)。

      4)宝兴场地位于龙门山断裂南段,距芦山7级震中仅25 km,异常特征与该次地震逆断错动的特性一致。距震中仅20 km的宝兴川42井水位2013-01-03起加速下降、04-02回升[25],其加速下降与回返特性与宝兴水准相似,时间上差异不大。

      文献[3]认为震源不是孤立的,其得以错动需要发震断层甚至关联断裂、所在地块边界整体的协调。要识别断层失稳“前兆”,跨断层流动观测因不够连续,且测线较短,反映的仅是近场断层活动,存在一定局限性。如果在空间域上有跨同一地块边界断裂的GPS远场的协同性佐证,时空域上有相关构造区定点连续观测及小震活动等数据的支持,结果更为可信。上述1)~4)首先反映断层进入亚稳态即偏离线性阶段、震区附近应力释放开始的特点,应力状态发生变化;其次震前短期阶段发震断层与相邻的关联断裂异常增多增强,揭示局部化增强特征;另外,距震中很近的宝兴水准出现与地震错动一致的逆断加速变化,符合文献[2]总结的亚失稳过程中不同部位应力变化分异,某些部位(多在断层拐折处或震源区附近)可能出现应力集中加剧或预滑、慢地震事件的认识。

    • 芦山地震是巴颜喀拉地块东南向运动受到华南地块强烈阻挡引起的块体间龙门山推覆构造带南段深部缓倾角逆断层黏滑错动,其主震、余震时空分布显示南西(south west,SW)向扩展趋势[9];亚失稳是断层失稳前不可逆转的信号,可能由发震断层向关联断裂扩展。震区及其周边只有鲜水河断裂有基线观测,场地条件好,大多跨越断裂主活动面(其他断裂的场地只有垂向观测,且安宁河、则木河的场地大多跨次级断裂,龙门山断裂的场地分布在主中央、后山和前山等不同断裂)[10],这可能就是芦山震前跨断层异常在鲜水河断裂更突出且特性较一致的原因。芦山震前半年多震区周边半径300 km“Y”字形构造区由利于应力积累的“继承性”断层活动转为“逆继承”状态;震前短期阶段,与震区相邻、构造关联的鲜水河断裂反向异常增多增强,压性转折速度明显加快,灰色关联度张压分量时序变化与亚失稳实验所得应力-时间过程相似,发震的龙门山断裂反向变化也明显增多,占大多数,宝兴场地逆断加速可能与断层预滑有关。连续GPS、卫星遥感、井水位、小震活动等资料也有配套性佐证,比较符合构造力学实验显示的亚稳态(偏离线性阶段,震前半年多可能开始)-亚失稳状态特征(2013-01观测到);另外,鉴于压性转折异常变化最远已到了距震中295 km的侏倭场地(图 3),断层协同化区域较大,对应震级也应较高[3],也与所发7级大震相符。

      本文认为,区域GPS、重力观测有可能获得断裂的中期或中长期闭锁状况,揭示孕震背景,GPS也可为跨断层近场观测提供远场控制与活动特性的一定程度佐证;而观测周期短甚至连续观测的跨断层、定点连续形变应变等(不排除GPS连续观测)手段有可能观测到亚失稳变形过程,有短临预测意义,主要以短期或临震前兆异常及其时空演变来体现,部分异常与断层预滑有关。但不是所有地震前都能观测到亚失稳前兆,图 4中,丽江、汶川、玉树、九寨沟地震前压性转折就没有芦山震前持续和显著,跨断层观测揭示的亚失稳短临前兆目前还是小比例事件,可能与构造关联性、观测手段与周期、场地布设、构造特性与介质条件较实验室复杂等原因有关。

参考文献 (25)

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