2024, Vol. 44
2022年南北地震带中段先后发生芦山MS6.1、马尔康MS6.0和泸定MS6.8三次MS≥6.0地震。据中国地震台网(CENC)测定，2022-06-01四川省雅安市芦山县(30.37°N，102.94°E)发生MS6.1地震，震源错动性质为逆冲型(源自USGS)；2022-06-10四川省阿坝州马尔康市(32.25°N，101.82°E)发生MS6.0震群型地震，震源错动性质为走滑型(源自USGS)；2022-09-05四川省甘孜州泸定县(29.59°N，102.08°E)发生MS6.8地震，震源错动性质为走滑型(源自USGS)。
四川省地震局地壳形变观测中心运用监视区内的地球物理观测资料(跨断层形变异常演化、跨断层形变近场活动性、跨断层形变预测效能指标、流动重力、流动地磁)对3次地震进行预测研究。3次地震均发生在中心划定的年度危险区与年度注意区内，且在震前(2022-05年中会商、2022-08川西北片区联合震情会商)给出过较好的中短期预测。
四川地区跨断层形变观测集中分布于鲜水河断裂带、安宁河-则木河断裂带和龙门山断裂带(图 1)，观测场地布设较为密集，共有场地50处，含28处短水准、16处短基线/测距和6处连续观测的动态蠕变场地，其中田湾、两河口场地在泸定MS6.8地震时受到严重损毁。水准和基线/测距场地观测周期从2013年起每月观测1期。已有研究表明，跨断层形变观测数据在地震综合预测研究、断层活动性监视、断层运动学和动力学方面发挥了重要作用，在2013年芦山MS7.0、2014年康定MS6.3、2016年门源MS6.4、2017年九寨沟MS7.0等强震前数月至1 a左右，观测到显著加速、转折、突跳或畸变等异常信息，有较好的中短期-短期前兆指示意义[1-4]。
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图 1 跨断层形变观测场地分布 Fig. 1 Distribution of cross-fault deformation observation sites |
3次地震发震区域在构造上存在关联，且出现异常的场地时空重叠度较高，无法进行严格区分和剥离。本文将通过跨断层形变原始观测曲线分析、断层三维活动性计算、群体异常时空演化分析、跨断层区域预测综合指标提取等多种分析方法，从定量和定性两个方面提取跨断层形变可能反映的3次地震震前中-短期前兆异常及震后调整变化。
1 原始观测曲线异常识别及时空演化特征强震孕育过程中应力、应变随着时间的非线性变化具有极重要的意义[5]，在排除人为、环境、气象等干扰的前提下，当断层活动偏离背景出现非线性变化时，可能与构造活动及应力应变状态变化相关。观测值曲线偏离正常的动态置信区间，反映出断层运动加剧、减慢或出现形态和方向上的改变，可认为是异常。异常识别方法包括观测曲线、速率变化、标准差、去年周变、去趋势、断层三维活动特征[6]和断层协调比[7]等。
本文对3次地震前后影响区范围内(距芦山MS6.1地震、马尔康MS6.0震群震中200 km范围内，距泸定MS6.8地震震中300 km范围内)11处异常场地观测曲线进行详细分析，对观测曲线异常特征和场地近场三维活动特征进行梳理，提取跨断层形变资料中蕴含的背景趋势异常(大于1 a)、中短期异常(3~12月)、粘滑失稳前的预滑现象和震后变化信息。
1.1 背景趋势异常从背景性异常时间演化特征看(图 2)，虾拉沱场地水平形变于2017年开始由张性活动转为压性活动，且2020年出现趋势转平、年变幅值减小特征；虚墟、老乾宁场地水平形变于2018年发生趋势转折，由张性转为压性活动；安顺场场地垂直形变从2018年起出现正逆断交替活动特征；沟普蠕变场地水平形变2021年开始出现具有中期指示意义的巨幅破年变异常。空间演化特征则显示，背景性异常丛集分布于鲜水河断裂带上，其中鲜水河北西段涉及虚墟、虾拉沱、沟普3个场地3个测项异常，南东段涉及老乾宁、安顺场2个场地3个测项异常(表 1)。
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图 2 背景趋势异常观测曲线3D瀑布图 Fig. 2 3D waterfall plot of background trend anomaly observation curve |
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表 1 背景趋势异常形态、类型及与地震关系统计 Tab. 1 Statistics of background trend anomaly patterns, types and relationships with earthquakes |
在背景性异常发展时段内，巴颜喀拉块体发生玛多MS7.4地震，间隔1 a左右四川地区先后发生3次MS≥6.0地震。其中芦山MS6.1地震、马尔康MS6.0震群发生在巴颜喀拉块体，泸定MS6.8地震发生在川滇块体。
1.2 中短期异常西岭、耿达水准2021-09出现准同步短期下降变化，7 d内发生泸县MS6.0地震，之后形成逆断性尖点突跳异常。西岭水准(图 3(a))继尖点突跳后持续正断活动，在接近正断峰值(2022-07)时发生芦山MS6.1地震(震中距39 km)；震后进入逆断活动状态，此过程中发生了泸定MS6.8(震中距159 km)地震，震后2月异常结束。耿达水准(图 3(b))继尖点突跳后持续正断活动，2022-04达到峰值，之后再次形成连续逆断性尖点突跳，在此期间相继发生芦山MS6.1(震中距87 km)和泸定MS6.8(震中距204 km)地震。西岭、耿达水准异常在芦山MS6.1和泸定MS6.8两次地震前均为中期异常(表 2)。
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图 3 中短期异常观测曲线 Fig. 3 Short-and medium-term anomaly observation curves |
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表 2 中短期异常形态、类型及与地震关系统计 Tab. 2 Statistics of short- and medium-term anomaly patterns, types and relationships with earthquakes |
龙灯坝测距A-B、A-C测边2022-02出现巨幅下降变化(挤压)，3月转折上升，之后相继发生3次地震，芦山MS6.1(震中距151 km)、马尔康MS6.0 (震中距180 km)地震时该异常为短期异常，泸定MS6.8(震中距137 km)地震时该异常为中期异常(图 3(c)、3(d)、表 2)。
格鲁测距ZH2-ZH3、ZH3-ZH4测边2021-11~2022-02出现破年变持续下降变化，3月转折上升，6月发生马尔康MS6.0(震中距148 km)震群，该异常为短期异常；泸定MS6.8地震(震中距257 km)时该异常为中期异常，震后出现尖点突跳变化(图 3(e)、3(f)、表 2)。
礼州测距ZH2-ZH3测边2020年底观测曲线出现非线性趋势下降变化，偏离背景，2021-11和2022-06在背景异常基础上出现2次显著短期异常变化，第一次短期异常出现后3个月内发生了宁蒗MS5.5(震中距156 km)；2022-06短期异常再次出现，8月转折上升，此时段内发生泸定MS6.8地震(震中距170 km)，如图 3(g)、表 2所示。
1.3 粘滑失稳前的预滑现象浅源地震实际上可看成岩石断层滑动过程中的粘滑，断层粘滑运动的过程即代表了地震的失稳发震过程。粘滑失稳过程中实际包含多个不同滑移速度的小滑动，断层的滑动速度会出现波动，高速滑动和低速滑动相互交错[8]。在断层粘滑发生前，存在可以作为前兆的预滑现象，预滑也被认为是地震前兆的物理基础[9]。
位于安宁河断裂与鲜水河断裂交汇处的紫马垮水平蠕变场地1-2测边在泸定MS6.8地震前5 d(08-30)原始观测纸带监测到预滑现象，震中距为59 km，持续至09-04，其形变量级与2020~2021年同时段相比，超出200倍(图 4)。
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图 4 失稳前的预滑现象 Fig. 4 Pre-slip phenomenon before destabilization |
芦山MS6.1和马尔康MS6.0地震后，鲜水河断裂带道孚水准场地2022-06-15监测到较显著的同震形变后进入震后调整阶段，呈现正断活动特征，现调整活动已结束。泸定MS6.8地震后鲜水河断裂南段榆林测距场地和蒲江-新津断裂蒲江测距场地震后1个月进入调整活动状态，表现形态为快速拉张(幅度分别为1.88 mm、1.68 mm)；宝兴水准稍滞后，于2022-12呈现持续逆断活动特征，形态与芦山MS7.0和康定MS6.3地震震后变化相似。因篇幅有限，在此不展示图件(表 3)。
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表 3 震后变化场地及特征统计 Tab. 3 Post-earthquake change site and feature statistics |
利用四川地区跨断层形变震前观测资料从定量和定性2个方面提取断层三维活动参数，并梳理跨断层形变场地近场三维活动特征。断层各分量与测线之间的关系[6]表述如下：设测线与断层夹角为α(定义为测线顺时针转动到与断层线重合时所转过的角度)，测线伸缩量为ΔL(伸长为正、缩短为负), Δh为垂直变化量(断层下盘相对于上盘的变化，即水准测量由上盘到下盘为往测方向)；设上盘相对下盘的逆时针扭错量为a(a＞0表示左旋)，水平张压量为b(b＞0表示张性)，垂直变化量为c(c＞0表示上盘上升)。在2条不同的测线上同时施测水准和基线，可确定断层三维活动参数：
| $ \begin{gathered} a=\frac{\Delta L_1 \sin \alpha_2-\Delta L_2 \sin \alpha_1}{\sin \alpha_1 \cos \alpha_2-\cos \alpha_1 \sin \alpha_2} \\ b=\frac{\Delta L_1+a \cos \alpha_1}{\sin \alpha_1} \\ c=\frac{1}{2}\left(\Delta h_1+\Delta h_2\right) \end{gathered} $ |
图 5(a)、(b)、(c)为部分场地的断层三维活动参数，走滑活动分量显示鲜水河断裂带场地维持继承性活动特征；张压活动分量自2018年以来整体呈弱活动趋势，龙灯坝场地2022年以来挤压活动增强；垂向活动分量变化均不显著。由图 5(d)可见，则木河断裂汤家坪场地2020年以来走滑、张压活动不显著，垂向活动显著，持续正断上升活动。
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图 5 断层近场三维活动特征 Fig. 5 Near-field 3D activity characteristics of the fault |
综合各场地断层三维活动特征，梳理跨断层形变展示的近场特征为：鲜水河断裂沟普以南区域(除折多塘受川藏铁路建设干扰外)、龙门山断裂南段近场以挤压活动为主；安宁河断裂除礼州场地近场为挤压活动外，基本被活动不显著区域所覆盖，弱化区特征显著；则木河断裂近场活动以挤压为主。上述3次地震均发生在跨断层形变资料显示的挤压或活动不显著区(近闭锁区)及附近区域。
3 定量化预测指标提取及分析跨断层综合预测指标[10]是指通过一定的数学方法对多个跨断层异常测项进行处理，并采用R值评分方法[11]。当设定某一时间序列的异常阈值后，超出该阈值的情况被视为异常。假设预报窗长为W，某一个异常出现的时间点T1，异常结束的时间点T2，那么，该异常进行预测占用的时间T=T2－T1+W，当地震时间处于该时间段内，视为地震预测准确。假设该时间序列共出现n次异常，任意异常的时间占用为Ti(i=1，2，…，n)，通过对所有异常与地震事件的对应情况进行扫描，准确预测的地震次数为m，地震发生的总次数为n，时间序列总的时间跨度为Ttotal，则R值评分可表示为：
| $ \begin{array}{c} R=\frac{m}{n} (预测准确率 )-\\ \sum\limits_{i=0}^n T_i / T_{\text {total }} (时间占有率) \end{array} $ |
对单测项进行预报效能评估，根据评估结果进行测项定权，最后合成多个测项得到综合预测指标。该指标体现的是跨断层测项的群体异常特征，能有效提升预报效能。
为进一步佐证跨断层形变异常与3次地震的前兆关联，以23°~37°N、96°~108°E为范围，按5.5~5.9级小于等于200 km、6.0~6.9级小于等于300 km、7.0~7.9级小于等于400 km、8.0~8.9级小于等于500 km的震例规则选取的四川地区地震样本为基础，针对区域内75个跨断层测项，通过定量化预测指标提取方法综合分析区域内群体异常特征，从回溯总结的角度分析断层活动变化与相关构造区域及其附近6级及以上地震的可能关系。
利用速率差分方法[10](以任意时间为窗长，通过差分可获取不同尺度的活动速率异常，根据窗长选择的差异可获取短期、中期、趋势速率异常。其中，以1 a为窗长的速率异常可有效去除年周期的影响，获得断层活动的中期异常，并有效反映原始时序图中年活动量的大小差异。通过年速率的求取，使得原始观测曲线可以进行异常的自动判识与预报效能的评估。年速率异常能够很好地去除原始时间序列中周期项的影响，并直接反映出年速率的异常变化特征)分别选取12个月、6个月、3个月预测窗长对四川及邻区MS≥6.0地震进行区域预测指标回溯性分析，通过震例检验，基本能够反映群体性异常与地震之间的关系。由此可见，四川地区2022年所发生的3次MS≥6.0地震，其年尺度-短期预测指标均处于超阈值范围，指标有效，具有一定的指示意义(表 4、图 6)。
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表 4 定量化区域综合预测指标统计 Tab. 4 Statistics of quantitative regional integrated forecast indicators |
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图 6 四川及邻区MS≥6.0地震区域预测效能评估 Fig. 6 Assessment of regional prediction effectiveness of MS≥6.0 earthquakes in Sichuan and neighboring areas |
本文详细分析2022年四川地区3次MS≥6.0地震前后跨断层形变观测资料，综合观测曲线异常时空演化、断层三维活动特征及定量化区域预测效能指标，分析3次地震前跨断层形变异常及震后变化。取得以下初步认识：
1) 在背景性异常发展时段内，巴颜喀拉块体发生玛多MS7.4地震，玛多地震后区域应力场发生变化，在应力传递、构造活动与块体运动共同作用下[12-13]，间隔1 a左右四川地区先后发生3次MS≥6.0地震。
2) 3次地震发震区域在构造上存在关联，出现异常的场地时空重叠度较高，无法进行严格的区分和剥离。震前异常主要沿川滇菱形块体东边界分布，龙门山断裂带兼有分布。背景性异常表现为趋势偏离、反转、速率异常等特征，在鲜水河断裂带呈丛集分布，以水平形变为主。震前1 a左右，位于鲜水河断裂带、安宁河断裂带和龙门山断裂带交会的三岔口地区及附近区域中短期异常增多，显示为破年变、突跳、畸变等特征，中短期异常仍以水平形变为主。距震中59 km的紫马垮水平蠕变场地在泸定MS6.8地震前5 d捕捉到失稳前的预滑现象。几次地震发生在短期异常转折后3个月内，震级与异常幅度和持续时间相关。异常空间分布具有从远端开始、逐渐向震中收缩的特征。震后1个月进入调整活动，地震发生后观测资料所反映的快速变化特征可能是粘弹性效应与构造活动共同作用的结果[14]。
3) 强震发生前跨断层形变显示，相关断层近场活动特征主要表现为正常背景状态下的拉张、挤压加速、旋性发生改变、断层活动偏离原始背景等异常现象，并有震时加速、震后调整恢复特征，离震中较近的场地可能表现为活动较弱或者呈现闭锁形态。跨断层对发震时间的判定有优势，但在地点上还需结合流动重力、流动地磁、GNSS及其他学科手段进行综合判定。
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