0 前言

亚失稳过程是断层进入失稳阶段前的关键阶段，是应力积累向应力释放的转折点，其在断层的黏滑过程中虽然非常短暂，但有可能导致断层的快速失稳。故识别断层亚失稳状态，对识别断裂区内的地震危险性具有重要意义^[1]。亚失稳概念由马瑾院士等^[2]于2012年首次提出后，亚失稳态力学机理及与之相关物理场的演化特性研究已成为学者关注的热点。断层带上存在相对弱和相对强的部位，前者往往首先弱化，表现为断层预滑、慢地震或弱震，成为应变释放开始部位，后者则为应力闭锁部位，并成为快速失稳开始部位^[3]。地震始于预滑，即使是级联式的成核，也需要预滑为其创造条件^[4]。大标本的黏滑实验给出了预滑从断层上表面到下表面、从中部到两端的扩展过程，扩展从失稳前几十s开始，直到失稳发生^[5]。黏滑失稳前断层滑动在时空上具有非均匀特征，在空间上各点滑动量不同且滑动速度不同，在时间上各点滑动量在临近失稳时呈现“趋同化”，即断层不同位置点的滑动量表现出趋于一致的特征^[6-7]。室内多物理场(温度场、位移场、应变场等)联合观测结果表明，断层失稳前存在亚失稳阶段和协同化过程^[8-10]。一些学者对海原地震和发震断层进行了研究，并讨论了如何把实验室观测到的亚失稳信息应用到野外与实际震例中^[1]。虽然亚失稳观测与研究对潜在地震的危险性以及危险时段判别具有十分重要的意义，但目前所观测到的亚失稳现象多数是来自实验室的岩石力学实验结果；实际观测资料虽然也有一些报道，但仅限于单测项观测仪器中，一种仪器一个测点记录到的亚失稳事件不能从其他仪器和测点得到验证，可信度较低，很难将其用于地震短临预测研究工作中。

本文根据20100124山西河津M4.8地震前临汾地震台宽频倾斜仪记录到的类似亚失稳现象，对震源及附近地区其他地球物理场观测数据进行了分析，发现多个地球物理场观测数据存在与临汾台宽频倾斜仪亚失稳阶段准同步性的短临异常。这些异常是否与河津地震有关, 是否反映了发震断层进入亚失稳阶段的区域应力状态, 如何通过众多地球物理场观测数据了解区域应力状态, 这些问题对理解断层发震机理以及分析地震前兆具有重要的意义。本文对上述问题进行了初步探讨，并获得一些新的认识。

20100124在山西河津发生了一次4.8级地震(以下简称河津M4.8地震)，这次地震是“十五”数字化地球物理场观测台网投入运行以来在山西境内发生的最大一次地震。震前不仅在距离震中约80 km的临汾地震台宽频倾斜仪记录到与实验室岩石破裂失稳过程类似的图像^[11]，而且在震源及附近地区多种地球物理场观测仪器上也记录到与临汾宽频倾斜仪亚失稳阶段具有准同步性的短临突变异常(表 1)。根据临汾宽频倾斜仪观测数据在不同时段的特征，对震源及附近地区多种地球物理场观测数据随时间演化的特征进行了分析(图 1)。

图 1 河津M4.8地震前临汾宽频倾斜与多物理场异常时间进程图 Fig. 1 Time course of broadband tilt and multi physical field anomaly in Linfen before Hejin M4.8 earthquake

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1) 应力积累阶段

在这一阶段，最早出现的异常是距离震中仅有56 km的侯马水管倾斜EW分量，异常始于20090212，之后是20090502侯马洞体应变出现准线性压性加速变化，这两项异常起始时间与临汾地震台宽频倾斜仪准线性变化阶段时间较为同步(20190320)，异常形态也较相似(图 2)。

a. 临汾宽频倾斜；b. 侯马水管倾斜；c. 侯马洞体应变。NO为应力积累减缓阶段；OA为亚失稳阶段；AB为临失稳阶段；B之后为失稳阶段。 图 2 侯马水管倾斜和洞体应变与临汾宽频倾斜仪对比 Fig. 2 Comparison of Houma water pipe tilt and tunnel strain with Linfen wide frequency tiltmeter

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2) 应力积累减缓阶段

在此阶段，仅有侯马洞体应变在原趋势压性应变的背景下出现张性转折变化，其转折时间与临汾宽频倾斜仪应力积累减缓阶段的时间较为同步(图 2)。

3) 亚失稳阶段

这一阶段，在震源及附近地区出现多项短临突变异常。按照时间顺序，依次是20091013东郭井水位突变(图 5a)、20091021介休井水位突变(图 5b)、20091110陕西韩城金属摆倾斜NS分量南倾加速(图 6)、20091111临汾沙层应力三分量多次阶变与高频突跳异常(图 7)、20091115临汾钻孔四分量连续阶变等(图 8)。这几项异常与临汾宽频倾斜仪记录的亚失稳阶段在时间上具有准同步性的特点。

图 3 侯马水管异常图(20100118—20100127) Fig. 3 Houma water pipe anomaly map(20100118—20100127)

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a. 20100109—20100126;b. 20090904—20090918。 图 4 河津M4.8地震前临汾宽频倾斜仪连续阶跃扰动(a)与正常时段(b)对比图 Fig. 4 Comparison of continuous step disturbance (a)and normal period(b)of broadband inclinometer in Linfen before Hejin M4.8 earthquake

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a. 东郭井水位；b. 介休井水位。 图 5 河津M4.8地震前东郭井和介休井水位突变异常 Fig. 5 Water level abrupt change of Well Dongguo and Well Jiexiu before Hejin M4.8 earthquake

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图 6 河津M4.8地震前韩城金属摆倾斜NS分量异常 Fig. 6 NS component anomaly of metal pendulum tilt in Hancheng before Hejin M4.8 earthquake

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a. NS方向应力；b. EW方向应力；c.平行断层方向应力。 图 7 河津M4.8地震前临汾沙层应力多次突变与高频突跳异常 Fig. 7 Stress change and abnormal high frequency of sand layer in Linfen before Hejin M4.8 earthquake

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图 8 河津M4.8地震前临汾钻孔四分量阶变异常(20091104—20091118) Fig. 8 Four component step-by-step anomaly map at Linfen station before Hejin M4.8 earthquake (20091104-20091118)

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4) 临失稳阶段

首先是临汾宽频倾斜仪在20091205出现南倾加速异常(图 2a)，之后是临汾台短水准20091211在原有的趋势张性活动背景下出现压性加速转折变化(图 9)、20100106东郭井水位再次出现的突降异常(图 5a)、20100111临汾水平摆和垂直摆加速倾斜变化(图 10)。除此之外，部分观测仪器还记录到失稳前的预滑事件，如：20100121侯马水管在原始曲线上叠加一些高频信息(图 3)、20091222临汾宽频倾斜仪固体潮观测曲线出现与正常时段不同的连续阶跃扰动(图 4)、20100121西安子午台垂直摆出现的2次阶跃(图 11)、20100121乾陵垂直摆连续脉冲(图 12)和20100123代县水管阶跃(图 13)。

图 9 河津M4.8地震前临汾台短水准反向突变异常 Fig. 9 Abnormal map of short level reverse mutation at Linfen station before Hejin M4.8 earthquake

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a. 临汾水平摆(NS)；b. 临汾水平摆(EW)；c. 临汾垂直摆(NS)。 图 10 河津M4.8地震前临汾台水平摆垂直摆加速倾斜异常(20100101—20100131) Fig. 10 Acceleration and inclination anomaly of horizontal pendulum and vertical pendulum at Linfen station before Hejin M4.8 earthquake(20100101-20100131)

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图 11 西安(子午台)垂直摆EW分量2次阶跃异常图(20100115—20100131) Fig. 11 Anomaly diagram of the EW component of Xi'an (Ziwu station) vertical pendulum (20100115-20100131)

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图 12 陕西乾陵垂直摆两分量连续脉冲(20100110—20100128) Fig. 12 Vertical pendulum of two component continuous pulse in Qianling, Shaanxi (20100110-20100128)

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图 13 山西代县水管倾斜NS分量阶跃异常(20100115—20100131) Fig. 13 Anomaly of NS component step of water pipe inclination in Daixian County, Shanxi Province(20100115-20100131)

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上述诸多现象表明，临汾宽频倾斜仪记录到的亚失稳现象并非单点单测项，而是具有多点多地球物理场测项群体性特征。震前异常在临汾宽频倾斜仪记录到几个变形阶段均有显示，特别是在亚失稳阶段，异常以大幅阶变为主，时间出现在震前45 d左右，空间集中分布在距震中约100 km范围内，且具有随时间从外围向震中区聚集的特点。河津M4.8地震前多种地球物理场观测仪器不仅记录到类似亚失稳现象，而且在发震断层破裂失稳前1~6 d一些观测仪器还记录到与发震断层失稳前预滑有关的小事件。

众所周知，人为干扰、仪器故障、气象因素、观测环境改变等均会对地震地球物场观测数据造成影响。那么，河津M4.8地震前记录到的大量异常事件是否与上述诸多因素有关，异常是否真实可靠，本文通过查阅地震台站观测日志和有关异常核实情况对震前地球物理场观测数据异常时段各类干扰进行了统计，结果见表 2。可以看出，除个别测项有不明干扰外，在异常出现时段基本无外界干扰影响。因此，河津M4.8地震前不同时段记录到的异常信息是较可靠的。

本文对震源区应力场特征进行了分析，讨论了临汾宽频倾斜仪记录到的亚失稳现象及多种地球物理场观测仪器记录到多项准同步性突变异常是否与河津地震有关。

一些中强震发生前，在其相关区域内地震活动的矩释放出现加速的现象^[12]，而在较小的孕震区范围则出现地震活动的减弱态势^[13]。因此，强震发生前的矩释放加速现象可以看成是地震临界点模型的一个观测证据^[14]。矩释放加速释放区在断层带上往往是较弱的部位，首先出现弱化，表现为断层预滑、慢地震或弱震，成为应变释放开始部位^[3]。200910在河津M4.8地震震源及周边地区地震矩释放空间扫描图上出现低值异常区，即应变释放加速区和易于产生预滑的区域，震后异常区逐渐消失(图 14)。除此之外，200903在孕震区累计Benioff应变曲线也出现明显的台阶状加速应变^[11]，应变加速时间与临汾宽频倾斜仪、侯马水管倾斜、侯马洞体应变等应力积累阶段时间较同步。推测河津M4.8地震前观测到的亚失稳现象有可能是来自震源的信息，是发震断层黏滑失稳前由应变积累转为应变释放的相持阶段。

m表示地震矩释放曲线类型，m < 1为累积Benioff应变释放加速，m>1为累计Benioff应变释放减速，m=1为累计Benioff应变释放匀速。 图 14 河津M4.8地震前地震矩释放异常与地震分布 Fig. 14 Abnormal release of seismic moment and seismic distribution before Hejin M4.8 earthquake

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李丽等^[15]利用山西数字地震台网13 a的波形数据，分析了河津M4.8地震震中及附近地震台站波速比的变化特征，发现距震中分别为78 km的临汾地震台、130 km的隰县地震台、160 km的安泽地震台震前存在明显的低值异常；翁钊强等^[16]对山西地区几次中强震波速比变化特征研究结果也表明，河津M4.8地震前安泽地震台震前10个月波速比开始出现趋势性下降异常、临汾台和夏县台(震中距68 km)波速比则在地震前15 d出现下降。由于在地震孕育过程中，尤其是在临震阶段较短时间内，震源及附近地区因区域应力增加和应变积累，地下介质的物理状态产生一系列变化，如：出现微破裂、扩容、塑性硬化、裂隙密度及饱水层变化等，地震波通过时，波速相应发生变化^[17]。因此，河津M4.8地震前多台波速比异常可能反映了震源区应力增大、微裂隙增加和扩容、裂隙处于不饱和状态，致使波速比出现下降异常。

为了进一步确认河津M4.8地震前各类异常是否与震源区的应力场改变有关，本文从可有效反映区域应力变化特征的测震学部分参数视应力和b值(震级和频度关系式中的比例系数)进行分析。梁向军等^[18]对河津M4.8地震前视应力变化特征进行研究，结果表明，在震中附近存在高视应力异常区，反映了震中所在区域内能量高度积累和区域构造应力场增强的信息；由震源及附近地区b值曲线来看，河津M4.8地震前也存在一定的低b值异常(图 15)。视应力和b值震前异常变化证实了震源及附近地区应力场可能发生了改变。

图 15 河津M4.8地震震源及附近地区b值曲线 Fig. 15 Curve of b-value of the source and nearby areas of Hejin M4.8 earthquake

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综上所述，河津M4.8地震前震源及附近地区介质物性状态在区域应力场增强的背景下发生了改变，震前出现多项准同步性的短临异常可能与河津地震有关。

大量的实验结果^{[1-2, 8-10, 19]}表明，岩石在失稳错动前标本整体应力状态会出现显著变化，断层的失稳错动是由断层各个部位独立活动向协同活动的转化过程。

河津M4.8地震中期阶段(应力积累阶段)，距离震中最近(小于100 km)的临汾宽频倾斜仪、侯马水管和侯马伸缩仪3项异常的起始时间正是发震断层Benioff应变加速阶段(200903)，这种时间上的吻合性可能与发震断层应变加速及震源区应力场发生显著改变有关。这一推断可以从震源区同时段出现的低b值异常(200903)、低波速比异常(200903)以及20090418发生在峨嵋台地北缘断裂附近万荣M_L3.5地震(距河津M4.8地震约23 km)得以证实。低b值与低波速比异常反映的是震源区应力场发生了改变，断裂附近M_L3.5地震则可能反映的是应变释放加速。亚失稳阶段异常数量逐渐增多，共有8项异常，且具有由震中向外扩散的趋势，异常集中在距震中200 km以内的区域；临失稳阶段在震中附近异常持续增多，除原有的2项异常出现快速转折变化外，又新增加8项异常，异常分布范围较广(56~440 km)，在震源及附近地区的异常空间展布方向基本与断层走向一致(图 16)，除此之外，该阶段多数异常形态与破裂前预滑事件相似，其频率随震中距增加而降低。异常的时空特征表明了河津M4.8地震前多个异常随时间也表现出一定的协同化特点，即沿断裂向震中迁移集中。

图 16 河津M4.8地震震源及附近地区多物理场异常时空图 Fig. 16 Time and space map of multiple physical field anomalies of the source and nearby areas of Hejin M4.8 earthquake

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1) 临汾宽频倾斜仪记录到的亚失稳现象并非单点单测项，而是多点多物理场测项共性特征。这些异常在时间上与临汾宽频倾斜仪亚失稳阶段基本同步，多集中在震前45 d左右，空间上主要集中在距震中100 km范围内，且具有随时间推移有从外围向震中区集中的特点，形态上以大幅突变为主要特征。

2) 河津M4.8地震前不仅在多种地球物理场观测仪器中记录到类似亚失稳现象，而且在发震断层破裂失稳前1~6 d一些观测仪器还记录到与发震断层失稳前预滑有关的小事件。

3) 河津M4.8地震前临汾地震台宽频倾斜仪记录的类似亚失稳现象、震源及附近地区出现多项准同步性的短临异常，是在震源及附近地区的区域应力场增强的背景下介质特性发生改变的情况下出现的；临汾地震台宽频倾斜仪观测数据记录到类似的亚失稳现象、震源及附近地区出现多项准同步性的短临异常可能与河津地震有关。

4) 河津M4.8地震前多项异常随时间显示出一定的协同化特点，即沿发震断裂方向由外围向震中迁移和集中。

5) 虽然亚失稳观测与研究对潜在地震的危险性以及危险时段判别具有十分重要的意义，且野外实际观测资料中也发现了类似的亚失稳现象。本文仅从震源区的应力状态变化特征进行了简单的分析，而震前多物理场测项异常是否反映了发震断层进入亚失稳阶段的区域应力状态，如何通过众多地球物理场观测数据了解区域应力状态，是地震预报研究的一个非常重要的课题。本研究属于探索性质，要弄清发震断裂破裂过程中产生各类异常的特征、机理、时空演化等，仍需做大量的研究工作。