地震的孕育和发生是地应力长期作用、应变能积累到一定程度迅速释放产生的结果，地壳形变贯穿地震孕育和发生的整个过程。结合典型震例探寻地壳形变与地震的关系，一直是地震工作者的工作重点。其中，水准资料由于历史悠久、垂向精度高，在我国较早应用于地形变与地震的研究工作^[1]。数年来，地震工作者先后利用水准资料对1976年唐山7.8级地震、1986年门源6.4级地震、1996年丽江7.0级地震、2003年民乐6.1级地震、2008年汶川8.0级地震及2013年芦山7.0级地震等开展了地形变研究工作^[2-7]，并得到一些普遍性的成果，如地壳形变与地质构造有密切联系、震源区附近震前常伴随有形变高梯度带分布﹑地形变存在阶段性等。关于形变高梯度带上的哪些部位容易成为潜在震源区，一直是学者们研究的重点。此外，对于地震前是否存在形变加速或突变特征的相关研究结论也存在一定的分歧，既有震前震中区附近形变幅度和速率明显增大的例子^{[3, 5]}，也有震前震中区形变相对平稳甚至有所减小的反例^{[2, 4, 6]}。造成该分歧的原因究竟是地震孕育的复杂性，还是不同震例所处的构造类型、动力环境及介质的差异，或是震级大小及所用水准资料时空尺度的不同，是未来研究工作的重点。

2013-07-22甘肃省定西市岷县、漳县交界处(34.50°N，104.2°E)发生6.6级地震。该地震位于甘肃东南部地区临潭-宕昌断裂的中东段，地震类型以逆冲为主，兼具左旋走滑性质，震中位于临潭-宕昌断裂东段的上盘，距主断裂约10 km^[8]。本次地震恰好位于中国地震局第二监测中心兰(州)天(水)武(都)区域水准网监测范围内，特别是在震中以西附近有一条NNE向的陇西-岷县水准线路，部分水准点距震中仅12~16 km。该测线震前监测多达10余期次，震后于2014-05又对该测线进行复测，比较完整地观测到震中区附近的震前、震后垂直形变。此外，在震中区附近还布设有一定数量的跨断层流动水准观测场，震前也有个别观测场记录到短期形变异常^[9](图 1)。本文基于上述不同尺度的水准资料，研究岷县-漳县M_S6.6地震震前震中区及其附近垂直形变的中短期演化过程，并分析其所反映的孕震特征。

图 1 兰(州)天(水)武(都)水准线路示意图 Fig. 1 Distruibution diagram of level lines in Lanzhou, Tianshui and Wudu area

兰(州)天(水)武(都)水准监测网(33°~37°N，102°~106°E)建于20世纪70年代，之后于1973年、1976年、1982年、1987年、1993年、1999年及2006年分别对该网进行范围不同的Ⅰ等水准测量，其中，跨西秦岭断裂西段的临夏-合作及东段的陇西-岷县2条水准测线还进行了期数不等的加密观测。水准点之间距离一般为1~3 km，观测工作严格按照《国家一等精密水准测量规范》和《地震水准测量规范》执行，偶然中误差在0.25~0.43 mm/km。

由于1999年和2006年水准复测范围最广，覆盖岷县震中以西区域，且离发震时间较近，故对区域网水准资料的整体处理主要针对这一时段。在对原始资料预处理剔除粗差的基础上，采用分段线性速率拟稳平差^[10]，获得中心时间段为1999~2006年的水准点速率平差结果，然后采用最小二乘配置拟合建立相应时段的垂直运动速率场。

研究区地处青藏高原东麓、陇中黄土高原与西秦岭陇南山地交汇区。由垂直形变速率等值线(图 2)可以看出，1999~2006年西秦岭断裂带附近的垂直形变速率等值线走向出现明显分化，自西向东由NWW向转化为近EW向，分界线正好位于反映岷山与秦岭之间构造活动的漳县-武都差异带^[11]。在青藏高原强烈挤压的作用下，分界线以西的武都、宕昌、岷县和合作所在的岷山地区以大幅度隆升为主，速率等值线沿构造线呈NWW向展布，速率高达4~14 mm/a，并在岷县、合作附近出现NE向的形变高梯度带，2003~2004年发生的岷县5.2级、5.0级地震就位于该形变高梯度带上；分界线以东则在左旋拉张作用下以相对下沉为主，速率等值线整体沿西秦岭断裂呈近EW走向，其中，位于西秦岭与黄土高原交汇部位的武山、甘谷、秦安和天水等地的最大下沉速率为1~2 mm/a；而位于分界线附近的岷县-陇西则出现近SN向展布的长舌状隆起区，速率最大为4~6 mm/a，但岷县、漳县至陇西之间的垂直差异运动不明显。

图 2 兰(州)天(水)武(都)1999~2006年垂直形变速率等值线 Fig. 2 Isograms of vertical deformation rates in Lanzhou, Tianshui and Wudu area in 1999-2006

总之，在青藏高原NE向强烈挤压作用下，漳县-武都以西的岷山隆起区隆升强烈，以东的秦岭地区和以北的陇西、定西盆地相对下沉，整个区域垂直形变场呈西高东低态势，继承性升降差异运动异常剧烈，区域构造应力场处于高度强化状态。同时，处于升降差异运动过渡梯度带的岷县、漳县之间的垂直差异运动并不明显，显示该区域相对闭锁，为高应力积聚区域，2013-07-22岷县-漳县6.6级地震就在这样的背景下发生。

位于岷县-漳县6.6级地震震中附近的陇西-岷县水准线路全长约100 km，测线呈NNE向展布，自北向南穿越陇西盆地与西秦岭两大构造单元，横跨西秦岭断裂和临潭-宕昌断裂。

在跨断裂水准资料处理分析中，选择合理、稳定的起算参考点至关重要。由大地电磁剖面获得的深部电性结构图像揭示，相对于西秦岭造山带, 东北侧的陇西盆地具有稳定的成层性结构^[12]。为更好地突显西秦岭山地和陇西盆地的升降差异运动特征，在对陇西-岷县1973~2014年共14期水准测线资料的处理中，统一以位于陇西盆地的武定101为起算点，该点系20世纪70年代布设的普通混凝土水准标石，多年的监测实践表明其稳定性良好。自北向南分别计算各水准点相对起算点的分时段形变量，为避免短期形变波动影响，还计算了1973年以来的累积时段形变量，最后绘制相应时段的垂直形变剖面(图 3)。

图 3 陇西-漳县-岷县垂直形变与地形剖面 Fig. 3 Section of the vertical deformation and terrain of Longxi-Zhangxian-Minxian

分析1973~2014年各分时段及累积时段的垂直形变剖面(图 3)，大致可以划分为以下4个阶段：1)1973~1993年，由于受青藏高原NE向挤压和西秦岭断裂的走滑及向SN两侧逆冲的共同作用^[8]，西秦岭相对陇西盆地继承性抬升，并在漳县至岷县之间出现挤压隆起区。从累积时段看，1973~1987年隆升幅度最大，为39.6 mm，远大于由于误差传递因素导致的2倍最大观测误差(±4.3 mm)，期间西秦岭断裂、临潭-宕昌断裂两侧的垂直差异运动均异常显著。从分时段结果看，这一隆起区的形成主要发生在1982~1987年。2)1993~2008年，从1973~1999年、2002年、2003年、2004年、2006年、2007年、2008年(汶川8.0级地震后8月份所测)7个累积时段看，垂直形变剖面整体呈波动状态，大部分时段波动幅度在±10 mm左右，西秦岭相对陇西盆地抬升不明显，西秦岭断裂、临潭-宕昌断裂两侧均无明显的垂直差异运动。此外，从1993~2008年的各差分时段垂直形变结果看，期间虽先后发生昆仑山山口西8.1级和汶川8.0级地震，但水准剖面总体仍呈隆升与下降的往复运动，无明显趋势性改变。3)2008~2011年，以西秦岭相对陇西盆地下沉为主，和同期2008~2010年跨西秦岭断裂西段的临夏-合作水准剖面所反映的合作相对临夏盆地反向下沉^[13]相似，但运动方式及幅度却呈现明显的差异性。其中，西秦岭以北呈小幅下沉，最大下沉幅度仅为6.8 mm，西秦岭断裂两侧垂直差异运动不明显；而西秦岭以南至岷县之间跨临潭-宕昌断裂两侧却出现近40 km长的下降梯度带，下沉量由6.2 mm逐渐增大至20.2 mm，下沉速率梯度为0.35 mm/km，西秦岭相对岷县山间盆地抬升运动明显。从1973~2011年的累积时段看，同样也是陇西至漳县间垂直差异运动波动幅度在±10 mm以内，而漳县至岷县之间出现大幅度下沉并形成58 km长的梯度带, 下沉量由1.5 mm逐渐增大至25.4 mm，下沉速率梯度为0.41 mm/km，这也间接反映大幅突变主要发生在2008~2011年。4)2011~2014年，恢复至西秦岭相对陇西盆地隆升，其中，西秦岭以北漳县至陇西间小幅隆升, 幅度在12.0 mm以内，而西秦岭以南的漳县至岷县之间整体抬升, 最大上升幅度达38.8 mm，震前临潭-宕昌断裂两侧出现的形变梯度带已不复存在。从1973~2014年累积时段看, 震前出现的大幅下沉区域已不明显, 整个剖面已恢复至震前波动区间，临潭-宕昌断裂两侧已无明显的垂直差异运动。

综上所述，岷县-漳县M_S6.6地震震前震中区附近的垂直形变场时空演化可概括如下：相对陇西盆地, 1973~1993年在漳县至岷县之间出现最大幅度近40 mm的压性隆起区；1993~2008年，隆起区消失且转平，形变剖面整体呈波动状态，幅度大致在±10 mm以内，漳县至岷县之间无明显的垂直差异运动，与之形成鲜明对照的是，1999~2006年震中所在的兰天武地区区域垂直差异运动异常剧烈；2008~2011年，西秦岭相对陇西盆地反向下沉，漳县至岷县之间跨临潭-宕昌断裂两侧出现近40 km长的下降梯度带，之后于2013-07-22发生岷县-漳县6.6级地震。

为详细了解岷县-漳县M_S6.6地震震中附近各水准点的时序变化，在1973年以来的各期累积时段形变量基础上，找到7个公共水准点(表 1)，并绘制其时序变化(图 4)。

表 1 Tab. 1

表 1 岷县-漳县MS6.6震中附近水准点基本情况 Tab. 1 Basic information of leveling points near epicenter of Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake 水准点名 经度/(°) 纬度/(°) 震中距/km 观测时间 武定101 104.42 34.95 参考基准点 1973~2014年 武定100 104.40 34.93 51.2 1973~2014年 武定97 104.37 34.90 47.2 1973~2014年 武定91 104.27 34.78 31.8 1973~2014年 武定86 104.15 34.68 20.6 1973~2014年 武定80 104.07 34.52 12.1 1973~2014年 武定78 104.07 34.45 13.2 1973~2014年 武定77 104.05 34.43 15.8 1973~2014年

表 1 岷县-漳县MS6.6震中附近水准点基本情况 Tab. 1 Basic information of leveling points near epicenter of Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake

图 4 岷县-漳县MS6.6震中附近水准点时序变化 Fig. 4 The time series changes of leveling points near epicenter of Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake

从图 4可以看出，1973~2008年, 除武定86点外，其他水准点波动幅度基本在±10 mm之间；2011年，距岷县地震震中16 km范围内的武定80、武定78、武定77等3个水准点同步出现向下突变，幅度分别为25.4 mm、19.8 mm和25.1 mm，幅度接近或大于正常变化范围的2倍，明显偏离正常波动范围。震后的2014年，上述3个水准点向上变化幅度分别为3.1 mm、12.7 mm和9.7 mm，已基本返回正常波动区间。事实上，2011-02-23、2011-11-02在岷县-漳县6.6级地震震中附近先后发生了岷县-迭部4.0级地震(34.3°N, 103.9°E)和岷县-漳县4.5级地震(34.5°N，104.2°E)，距离武定80、武定78、武定77分别为29 km、23 km、20 km。这表明，随着地震的临近，震源区附近介质由于摩擦强度降低而出现应力降，导致小震和突变的发生。

1) 岷县-漳县M_S6.6地震的发震地点与区域地质构造、垂直差异运动具有一定的关联性。从1999~2006年区域垂直形变场来看，地震位于NNW-NWW向隆起带至近EW向相对下沉带的转换过渡地带，也是反映岷山与秦岭之间构造活动的漳县-武都差异带^[11]。期间，漳县-武都以西的岷山隆起区强烈隆升，以东的秦岭地区和以北的陇西、定西盆地相对下沉，继承性升降差异运动异常剧烈。而位于升降差异过渡地带的陇西、漳县和岷县的隆升速率相对较小，垂直差异运动不明显，空间上呈相对闭锁状态。1999~2007年的GPS资料也显示，岷县-漳县M_S6.6地震震中区域运动量级较小、水平形变相对较弱^[14]，反映该时期区域构造应力场处于高度强化状态，位于岷山与秦岭之间构造活动差异带附近的岷县-漳县区域则是高应力积聚区域。

2) 岷县-漳县M_S6.6地震震中区垂直形变在震前表现出明显的阶段性和突变性特征。从震中以西附近近SN向陇西-岷县水准剖面40 a的垂直形变演化过程来看，基本与DD模式^[15]、IPE模式^[16]预测结果相吻合。1973~1993年，伴随膨胀裂纹的形成、扩展和不断增多，在漳县至岷县之间出现最大幅度近40 mm的压性隆起区；1993~2008年，随着扩容硬化，膨胀速率减小，隆起区消失并转平，期间水准剖面整体呈波动状态，幅度大致在±10 mm以内，西秦岭断裂、临潭-宕昌断裂两侧无明显的垂直差异运动；当微裂纹密度达到某一极限值时，发生裂纹的合并与失稳扩展。随着汶川8.0级地震后青藏块体东北缘区域应力场的调整^[13]，可能加剧岩石裂纹逐渐由断层周围向未来的破裂面集中，震源区周围微破裂逐渐闭合，膨胀消失，应力得以释放，从而导致地壳下沉和小震发生。2008~2011年，西秦岭相对陇西盆地反向下沉且漳县至岷县之间跨临潭-宕昌断裂两侧出现近40 km长的下沉梯度带，其中，震中距16 km范围内的武定80、武定78、武定77等3个水准点同步出现下沉突变，幅度接近或大于1973年以来正常变化的2倍。此外，临震前3 d，即2013-07-19，在距岷县-漳县6.6级地震震中约50 km的四店(34.93°N, 104.4°E)跨断层场也观测到超出30多年来正常活动水平、幅度高达5.5 mm的突变^[9]。

3) 由于震前不同孕震阶段的地壳形变态势存在一定的差异，目前关于震前是否出现形变加速或突变特征、形变速率高危险还是速率低危险等问题存在一定分歧。早先Mesherikov^[17]从收集的多个震例归纳总结认为，与地震有关的地形变演化过程可以划分为长期缓慢形变、震前快速形变、震时突变和震后调整4个阶段，即人们所熟知的“α、β、δ和γ”阶段，反映了应变能量积累、集中、释放和调整的过程。其中，震前快速形变标志着地壳形变由线性进入非线性阶段，处于应变能的快速集中阶段，之后发生地震的危险性增大。但近年来Savage等^[18]和Meade等^[19]的研究则表明，对走滑断层而言，早期变形发生在断层附近很狭窄的范围，越到晚期(接近下一次强震发生的时段)在断层附近所能观测到的相对运动与变形越小。针对这种认识上的分歧，江在森等^[20]以汶川8.0级地震为例，从空间角度(即孕震断层能量积累不同步)出发认为，即将发生大地震的孕震断层段及其附近局部区域(或相对小尺度区域)的地壳形变可能趋缓，而与发震断层段相关联的一定区域地壳形变可能增强。从同样属于逆冲型的岷县-漳县M_S6.6地震孕育过程来看，从大的空间尺度分析，1999~2006年，漳县-武都以西的岷山隆起区强烈隆升，以东的秦岭地区和以北的陇西、定西盆地相对下沉，继承性升降差异运动异常剧烈，而位于升降差异过渡带的岷县-漳县地震孕震区的隆升速率相对较小且垂直差异运动不明显，符合上述论点。但进一步分析可以看出，震中区附近40余年垂直形变演化的过程既经历了快速隆起阶段，也经历了较长时间的隆起消失和形变幅度减小阶段，最终还是观测到临震前突变现象。因此本文认为，产生上述分歧的主要原因还是研究地震的震级大小及所用资料时间、空间尺度的差异。目前国际上的模型是从相对更长时空尺度来研究大地震的孕育问题，而对于中强地震而言，即使相对变形较小的震中区附近较小范围内，只要资料的延续性较好，临近地震前的短期时间尺度不排除有突变现象发生。这也表明，对某些构造区域的中强地震，只要形变资料的时空尺度足够，还是可以捕捉到震前的突变现象的。