甘肃地区位于青藏高原东北缘，地处祁连块体、塔里木块体、鄂尔多斯块体和柴达木块体的交界地带，长期受印度板块北东向推挤作用的影响，是构造变形强烈^[1]和强震多发地带。

跨断层测量对断层活动的反映最为直观和敏感，尤其是震前短临期的异常^[2]，不仅可以捕捉小范围的局部断层活动信息，还可以反映大范围的构造活动信息。因此，总结地震震前的跨断层异常特征，对认识断层活动乃至地震预测预报的推进都非常重要。已有许多学者进行这方面的研究^[3-7]，但这些研究多基于单一的分析方法，研究重点各有不同，得到的前兆指标繁杂且未统一，难以适用于后续的强震预测预报工作。

本文基于跨断层短水准资料，利用形变异常强度、断层合成速率和断层形变趋势累积等多种数据，结合“点-线-面”研究方法^[8]，综合分析甘肃地区1990~2016年8次5.5级以上地震震前断层的局部形变特征、整体活动特性及应变场背景的时空演化特征，旨在揭示震前近震源区及周边断层的运动特性与地震发生的关系。

1 研究区域和资料介绍

西北地区有90余处跨断层短水准流动观测场地(图 1)，至今已积累了30 a以上的观测资料。为便于对比分析，本文截取1990-03~2016-11的跨断层短水准数据，测量时间为每年3、7、11月, 偶尔有加测。8次地震的震中周围300 km范围内观测场地较为密集，为震例的研究分析工作提供了有力支持。所用观测数据在参与计算前均已经过缺省值等筛查处理和观测信度分类处理，确保数据可靠。

2 研究方法

所谓“点-线-面”相结合的研究方法，即在“面”层面上利用趋势形变累积率^[9-10]来研究区域内的形变累积显著区，有助于寻找潜在的强震发生区域；在“线”层面上基于断层垂直形变的合成速率^[11]来研究断层间及不同断层段之间的差异运动，有助于判断应变易积累段；在“点”层面上计算各个场地的形变异常强度^[12]，分析中短临期异常的时空强分布特征，对强震危险地点和强震发生时刻有较好的指示意义。该研究方法涉及的各种分析技术及其所揭示的物理意义详见文献[8]。

基于以上研究方法，本文分析了甘肃及附近地区8次地震震前各场地异常程度与震中的关系、不同断层或同一断层的不同段落之间的活动差异及趋势累积高值区和梯度带区域与强震的关系，总结震前的“点-线-面”异常变化，提取研究区典型的形变异常特征。

3 研究结果 3.1 异常强度空间分布特征

根据分析和统计，异常强度绝对值范围在0~0.9之间，当绝对值大于0.2时，随后常伴有5.0级以上中强地震发生，于是认定形变异常强度绝对值大于等于0.2时为有效异常。计算各地震震前3期观测资料的异常强度，规定距离地震发震时刻最近的一期资料为第3期，随时间向前依次为第2期、第1期，并绘制8次地震的显著异常强度分布图(图 2自左向右(a)、(b)、(c)分别表示第1、2、3期显著异常场地分布，分别用黑色、蓝色和红色圆点表示，圆点大小代表异常强度大小)，据此分析地震前异常的演化特征。本文重点分析距离地震震中300 km的异常场地分布情况，并按照地震震中所在的地区归类分析地震震前异常强度的演化特征。

3.1.1 祁连山-海原断裂交汇地区

如图 2-1所示，天祝景泰6.2级地震震中位于海原断裂西段与祁连山断裂带交汇地区，从3期结果来看，距震中100 km以内的显著异常场地只有1个，大部分异常分布于150~300 km范围内的祁连山东段和西秦岭北缘断裂带附近。从演化过程来看，随着发震时刻的逼近，异常的数量有所减少，但显著异常场地向震中区集中靠拢。

如图 2-2所示，2000年景泰5.9级地震震前第2、3期的异常分布与1990年天祝景泰6.2级地震类似，不同的是在震前第1期，显著异常场地在西秦岭地区有所增加，且近震区水泉场地异常强度增大，新增大营水异常。

如图 2-3所示，1995年永登5.8级地震震前3期资料均具有较多异常，且异常强度较大，但并未显示出空间迁移的特征。然而与距离较近的景泰地震相比，此次地震震前断层形变异常更显著，可能与该地震震中位于祁连山构造带的东南外缘有关，且该区断层运动性质较复杂，起主控作用的北西西向断层具有走滑兼逆冲挤压特征，不同地段运动性质还有明显差异^[13]。根据震源机制解，永登地震的P轴仰角为32°^[14]，而景泰地震P轴仰角为46°^[15]，前者主要是水平力源发震，而后者则偏于垂直力源作用，这可能是永登地震震前断层形变异常较显著的原因之一。

3.1.2 祁连山断裂带

在祁连山断裂带及其附近自西向东依次发生过2002年玉门5.9级、1993年祁连6.0级、2003年民乐6.1级、2016年门源6.4级地震(分别如图 2-4、2-5、2-6、2-7所示)。从震前3期的异常强度演化进程来看，玉门5.9级地震震前100 km范围内第1、2期没有异常场地，震前第3期增加为2个，且红柳峡场地出现显著异常；祁连6.0级地震震前300 km内的异常场地由5个增加为7个，震中100 km范围内的异常在数量和强度上均有所增加；民乐6.1级地震震前300 km内的异常场地由7个增加为11个，尤其震中以东150 km范围内异常增强较为明显；门源6.4级地震震前300 km内的异常场地由5个增加为9个，且100 km范围内的异常强度显著增强。

综上所述，这些地震均具有震前震中周围异常逐渐增多、异常强度增强且异常向震中迁移集中的趋势特点。

3.1.3 西秦岭地区

西秦岭地区在2013年发生岷县漳县6.6级地震，从震前3期的异常强度演化进程(如图 2-8所示)来看，随着地震的逼近，震中300 km内的异常场地由6个增加为13个，100 km内的有效异常场地由3个增加为5个，且异常强度显著增强，呈现异常向震中迁移的现象。

根据上述分析，统计各地震震前的异常强度特征，如表 1所示。从统计结果来看，祁连山断裂带上的多个地震震前均有显著的异常迁移特征和强度增强现象。祁连山-海原交汇地区构造复杂，震前并未有典型的异常特征。西秦岭地区仅有1个震例，在震前是否具有上述典型特征还未可知。

3.2 断层合成速率结果

本文不仅对发震断层活动进行分析，同时还考虑相邻断裂带的运动差异对其产生的影响。

3.2.1 断层的整体运动情况

根据跨断层场地观测起始时间，选取1998年以来的合成速率曲线进行分析。由图 3可知：

1) 各断裂带的合成速率均具有显著的周期性波动特征，变化幅度最大的为六盘山断裂，除海原断裂外，其他大型断裂均有正负交替现象，说明断层活动的大趋势为张压交替运动。海原断裂几乎全部为负值，表明该断层持续挤压运动，目前可能仍处于海原大地震的震后愈合阶段。

2) 各断层活动在时间上具有明显的分段性，具体表现为：在2008年前后各断裂带运动趋势均发生转折，祁连山、六盘山、西秦岭断裂带的运动斜率由正转负；海原断裂运动斜率几乎一直为负值，但2008年以后负值减小。

3) 各断层运动在空间上具有显著的不一致性，如2005~2008年祁连山断裂带为持续的压性运动，而海原、六盘山、西秦岭北缘断裂等均为持续的张性运动。这种差异导致断层间运动的不协调，而地震常常发生在运动差异显著的地区。

3.2.2 相邻断层的运动差异与地震关系

1) 祁连-海原断裂。从图 4可以看出，祁连山和海原断裂的运动差异显著，地震往往发生在差异显著的时段，如玉门5.9级、民乐6.1级、汶川8.0级地震震前两断裂带均有较大运动差异。

祁连山中西段的平均合成速率为0.025 mm/a，中东段为-0.036 mm/a，海原断裂为-0.183 mm/a。但图 5显示，祁连山中西段波动幅度较大，中东段波动幅度较小，说明祁连山中西段运动较为剧烈，可能是因为西段位于阿尔金断裂与祁连山断裂带交汇地带，构造相对复杂。

从与地震的对应关系来看，发生在祁连山中西段的地震为1993年祁连6.0级、2002年玉门5.9级、2003年民乐6.1级地震，这些地震发生前，西段的运动速率显著增大；2016年门源6.4级地震发生在祁连山中东段，在地震发生前2~3 a该段断层运动显著增大，地震发生前西段挤压运动持续增强。

发生在海原断裂西段与祁连山东段交汇地区的地震有1990年天祝景泰6.2级、1995年永登5.8级、2000景泰5.9级地震，周围地区还发生1990年青海共和7.0级和2008年汶川8.0级地震。从图 5可以看出，除了景泰5.9级地震，其他地震震前海原断裂运动均出现显著增大的现象，相邻断裂带的运动差异也显著增加，尤其青海共和7.0级地震震前，不仅海原断裂，祁连山中东段活动也大幅增加。景泰5.9级地震震前海原断裂为显著的张性活动，且拉张速率达到最大。

2) 六盘山-西秦岭断裂。汶川地震前近震区的形变非常弱，从六盘山-西秦岭地区的合成速率来看(图 6)，震前两断层的活动速率均显著减弱，说明在大地震前较大范围内存在应力集中的现象。2013年岷县漳县6.6级地震前，两相邻断层间并无显著的断层运动差异，相应的西秦岭北缘断裂也无运动加强的特征。

统计各地震震前特征(表 2)发现，大多数地震发生前均有震中所在断裂带运动显著增加和相邻断层或断层段之间差异运动显著的特征，这种断层间的差异运动可能导致断层间的形变累积，地震往往发生在具有剧烈差异运动且本身运动增加显著的断裂带上。

3.3 垂直形变趋势累积率结果

图 7为研究区截至各地震发生前2期观测的垂直形变趋势累积率空间分布，图中，a和b分别为地震发生前倒数第2期和倒数第1期的结果，2016年门源6.4级地震前的垂直形变趋势累积率分布图详见文献[10]。

由图 7可以看出，甘肃地区中强以上地震的震中几乎都分布在形变累积率高值区及差异显著的高梯度带上，说明震前近震区附近应力应变积累加剧并向近震源区集中，在空间上呈有序分布，统计结果如表 3所示。该现象表明，地震往往发生在形变积累强度大的地区，地震的发生有一定的形变积累背景。

另外，研究区各地震发生前，垂直形变趋势累积率高值区或等值线密集区往往有多处，不仅仅局限于震中附近。因此，要判定哪个区域为潜在的强震发生地点仍需要借助其他分析方法。

4 结语

本文基于甘肃地区跨断层短水准资料，采用形变异常强度、断层合成速率和断层垂直形变趋势累积率分析方法，利用“点-线-面”相结合的思路，研究甘肃地区1990~2016年8次5.5级典型地震跨断层形变异常的时、空、强演化特征，得到以下几点认识：

1) 除了2013年岷县漳县6.6级地震震前未出现显著的“线”层面异常外，其他7次地震震前常常具备“点”、“线”、“面”不同层面的典型异常特征：地震震中几乎均分布在形变累积率高值区及差异显著的高梯度带上；地震前不同断裂带之间或断裂带的不同段之间常存在显著的运动差异，发震断裂震前中短期运动速率显著增强，造成区域运动不均衡；随着强震的逼近，震前显著异常场地分布明显向近震区迁移和集中，或近震源区的异常强度逐渐增大。由此说明，断层运动失稳前，近震区附近断层活动、应力应变场均具有一定程度的显现，地震发生前断层活动存在不同往常的失稳波动现象，应力出现向近震源区传递的特征，地震的发生有一定的形变积累背景。

2)“点-线-面”相结合的研究方法的总体思路为：借助垂直形变趋势累积率高值区和高梯度带零值线区来找出多个潜在的发震区域；通过断层的合成速率特征判断可能的发震断层或断层段；根据异常强度迁移方向进一步判定潜在的发震断层段。该方法对强震发生危险地点和发生时刻有一定程度的中短期预报指示意义，有利于促进地震前兆信息的认识，对地震孕育背景判定及地震危险性分析具有重要意义。

3) 该研究方法的适用性可能存在地域限制，如形变异常强度在祁连山构造带的多个地震中表现出相似的异常现象，而在祁连山-海原交汇地区可能因地形构造复杂，震前并未有类似的形变异常强度特征。另外，一些地区震例较少，如西秦岭地区仅有1个震例，震前是否具有该典型特征还未可知。除此之外，地震发生前不同地域地壳运动强度背景存在明显的差异，导致异常衡量标准在不同区域可能有所差异，后续需要对研究方法不断改善。因此，在地震预报分析研究中，典型异常特征指标的提取方法、提取标准等方面需要因地而异。

致谢: 感谢中国地震局第二监测中心、甘肃省地震局、陕西省地震局对本文数据方面的支持。