0 前言

地震预报要取得显著的社会、经济减灾效益，关键在于短临预报，而寻找短临地震前兆又是国内外地震预报的难点。自马瑾院士^[1]2012年首次提出亚失稳的概念以来，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众多学者关注的热点。亚失稳过程是断层进入失稳阶段(发震)的关键时刻，是应力积累向应力释放的转折点，在断层的黏滑过程中是非常短暂的，并有可能导致断层的快速失稳；故识别断层亚失稳状态，对于识别潜在地震的危险性以及危险时段具有十分重要的理论意义和现实意义^[1]。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，野外观测资料很有限。马瑾和郭彦双^[2]通过对海原地震和发震断层的研究，初步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；刘远征等^[3]通过水库诱发地震研究，讨论了诱发地震中的亚失稳现象。由于资料有限，很难把亚失稳用于地震短临预测研究工作中。近来，笔者在山西临汾地震台VP型宽频带倾斜仪观测资料中发现，2010年1月24日山西河津M_S 4.8级地震前，记录结果与实验结果十分类似，经与实验室观测到的结果进行对比分析，取得一些新的认识。

图 1为单轴受力条件下常见岩石变形过程的应力(σ)-应变(ε)曲线。其中，σ₁>σ₂=σ₃=0。由图 1b可见曲线上有3个特征点：屈服点(Y)、强度极限点(P)和失稳点(I)。屈服点之前为线性变形阶段(Ⅰ)；屈服点和强度极限点之间为屈服阶段(Ⅱ)，这是一个非线性变形阶段，由于标本内已有局部变形，在此阶段标本内的应力场可能发生调整；强度极限点和失稳点之间为临失稳阶段(Ⅲ)，即亚失稳阶段，在此阶段标本内的微破裂进入扩展、连接和集中化；失稳点以后进入失稳阶段(Ⅳ)。

据文献[4]。 图 1 实验室岩石破裂实验应力-应变曲线 Fig. 1 Stress-strain curve based on rock fracture experiments in laboratory

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任亚琼等^[5]的亚失稳阶段雁列断层热场演化实验研究结果表明，以N点为分界点，变形包含应力积累和破裂失稳两个阶段，应力积累阶段伴随小黏滑事件(图 2a)。图 2b显示N点后差应力仍以较低速率增加，到5 577.20 s达到峰值点O。O之后差应力以较慢速率下降，处于应力相持阶段。到5 628.00 s达到转折点A。A点后差应力释放，2～3 s后释放速率变小。十多秒后达到失稳点B，即5 643.12 s，释放速率增大，发生失稳错动。这一过程可由N、O、A、B划分为4个阶段：NO称为强偏离线性阶段;OA称为亚失稳阶段Ⅰ;AB称为亚失稳阶段Ⅱ;B之后是“失稳阶段”。

据文献[5]。图 2 差应力随时间的变化 Fig. 2 Variation of the different stress with time

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由于亚失稳过程是由应变积累转为应变释放的相持阶段，应力应变关系会出现非线性波动，它是断层进入失稳(发震)的关键阶段，也是地震短临预报的关键阶段^[1]。因此，研究与亚失稳态相关联的一些前兆现象，对于识别潜在地震危险性以及危险时段具有十分重要的意义。

以往地震前兆观测数据采样率低(多以日均值观测报数)、数据传输滞后，很难在野外观测资料中获取亚失稳变化过程的图像，也不能利用野外观测数据对失稳时刻进行预测。2010年1月24日山西河津M_S 4.8级地震前，临汾地震台VP型宽频带倾斜仪记录到了与实验室岩石破裂失稳过程类似的图像。

临汾地震台地处临汾盆地西缘，构造上位于临汾凹陷龙祠沉降中心，紧靠控制盆地西缘的罗云山山前断裂。临汾地震台西面为断层下盘，岩性以奥陶系中统灰岩为主；东面是断层上盘，上覆盖第四系上更新黄土。台站地势自西向东倾斜，东部为晚更新世和全新世河流相堆积广泛分布，沟谷切割轻微。形变观测山洞位于临汾地震台西面的山梁上；山体为奥陶系中统马家沟组灰岩，岩石质地单一，岩层以中厚层为主；距洞室约150 m处罗云山断裂从山前通过。山洞建造于1978年，洞体覆盖厚度为32～40 m，洞内年温差小于0.3 ℃，摆体仪器墩是凿山洞时所建，墩体稳定性非常好，观测条件符合规范要求。

临汾地震台VP 型宽频倾斜仪自投入使用以来，以其2 s到无穷大的频带(比同类仪器大20 倍)、记录地震的幅度比同类仪器大10～20 倍、仪器格值稳定性强等优势，其观测数据所携带的信息更优于同类观测仪器^[6]。图 3为山西临汾地震台VP型宽频带倾斜仪与同一洞室SSQ-2Ⅰ型石英摆倾斜仪分别对2009年3月26日原平M_S 4.2级地震和2009年11月7日陕西高陵M_S 4.4级地震同震响应情况对比图，可以看出VP型宽频带倾斜仪同震响应能力明显优于SSQ-2Ⅰ型石英摆倾斜仪。

a.2009年3月28日石英摆SN分量；b.2009年3月28日宽带摆SN分量；c.2009年11月5日石英摆SN分量；d.2009年11月5日宽带摆SN分量。据文献[7]。 图 3 石英摆倾斜仪与宽带倾斜仪的同震响应 Fig. 3 Coseismic responses of quartz pendulum tiltmeter and broadband tiltmeter

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2010年1月24日，距离临汾地震台西南方向约89 km的山西河津发生了M_S 4.8级地震，这次地震前的2009年,临汾地震台VP型宽频带倾斜仪观测数据记录到与实验室岩石破裂失稳过程类似的图像(图 4)。由图 4可知:47月，观测数据以准线性变化为主，显示应变处于积累阶段；8月开始出现偏离线性的非线性变化，应变积累速率减缓;10月7日达到峰值点，应变积累达到最大值(即NO段)；峰值点后10月8日至12月4日观测曲线缓慢下降，应变由积累过程转为缓慢下降，即亚失稳阶段(即OA段)；12月5日开始出现加速下降，应变释放进入加速阶段(即AB段)；12月21日开始转平，但固体潮观测曲线出现连续的阶跃扰动现象(图 5)。转平后35 d发生了河津M_S 4.8级地震，震后7 d阶跃扰动现象消失。临汾地震台VP型宽频带倾斜仪观测数据清晰反映了这次地震的准线性阶段、失稳前偏离线性阶段、峰值后亚失稳阶段和临失稳阶段变化的全过程；而震前35 d所记录的连续阶跃扰动，可能与短临阶段地壳进入失稳状态、并且出现了大量微裂隙有关。

图 4 河津MS 4.8级地震前临汾地震台宽频倾斜仪观测到的亚失稳态图像 Fig. 4 Image of the meta-instable state recorded by broadband tiltmeter at Linfen station before the Hejin MS 4.8 earthquake

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图 5 河津MS 4.8级地震前35 d(2009年12月21日)临汾地震台宽频倾斜仪记录的连续阶跃扰动图像 Fig. 5 Continuous step disturbances recorded by broadband tiltmeter at Linfen station 35 days before the Hejin MS 4.8 earthquake (December 21, 2009)

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为了进一步证实临汾地震台VP型宽频倾斜仪在2010年1月24日河津M_S 4.8级地震前观测到的亚失稳现象,是发震断层黏滑失稳前由应变积累转为应变释放的相持过程，是来自震源的信息。本文利用河津M_S 4.8级地震前发震断层及附近(含临汾地震台)Benioff应变曲线变化特征对上述观测事实进行验证，考察震前临汾地震台VP 型宽频倾斜仪在应变积累和释放阶段Benioff应变曲线是否也出现同步加速现象。据河津M_S 4.8级地震的宏观调查、等震线图、余震分布特征，认为此次地震的发震断裂可能与西辛封断裂的深部活动有关。本文利用中国地震台网中心M_L 2.0地震目录，计算2010年1月24日山西河津M_S 4.8级地震发震断层附近连续8 a(2003年2010年)的累积Benioff应变，起算震级M_L≥2.0。因2010 年1 月24 日山西河津M_S 4.8级地震为小于5.0级的中等地震，在实际计算与分析过程中发现，R值(震中到计算边界的半径)在70～100 km范围内取值，都能得到好的结果。由计算结果(图 6)可以看出，震前1 a左右，即2009年3月，该区域累计Benioff应变曲线出现明显的台阶状加速应变，意味着发震断层应变速率的迅速增长，也是孕震断裂锁固段(断层面上具有较高强度且在地震中释放较大地震矩的部位)的膨胀起点^[8]。这一推断可由2009年4月18日发生在峨嵋台地北缘断裂附近、距河津M_S 4.8级地震微观震中约23 km的万荣M_L 3.5级地震得以证实。河津M_S 4.8级地震前在发震断层附近地区存在地震活动增强的过程。由于临汾地震台VP 型宽频倾斜仪观测数据加速时段与发震断层Benioff应变曲线显著台阶状出现的时间较为同步(2009年3月)，且同期在震中附近也出现地震活动增强现象；因此河津M_S 4.8级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。

图 6 河津MS 4.8级地震前孕震区累积Benioff应变随时间变化曲线 Fig. 6 Variation of the accumulated Benioff stain with time before Hejin MS 4.8 earthquake

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震前35 d出现的连续阶跃也并非偶然事件，据统计,在距震中约200 km范围内，有多项前兆观测项目也出现显著的异常，各项异常震前表现的特征见表 1及图 7—图 10。可以看出，不同前兆测项异常所表现的特征各不相同，但这些异常均出现在震前20 d的短临阶段。对震前35 d连续阶跃事件进行傅里叶快速变化频谱分析，结果表明：震前2个月观测数据均在正常频率域范围内变化(图 10)；震前1个月观测数据在0.1、0.3、0.5 Hz低频段附近信号频幅值明显增大(图 11a)；发震当月即2010年1月1日23日，0.1～0.5 Hz频段区间频幅值增强趋势明显(图 11b)^[7]。这表明，河津M_S 4.8级地震前，宽带摆倾斜仪不仅记录到亚失稳变化，而且也记录到大量的低频信息。这些低频信息可能是源于发震断层慢破裂过程所辐射出来的低频前驱波，是短临前兆信号^[9]。而短临阶段大量的前兆异常现象是来自震源低频信息所产生的前兆^[10]，是剪切滑动引起的^{[11, 12, 13, 14]}。

图 7 河津MS 4.8级地震前东郭井水位、水温异常 Fig. 7 Water level and water temperature anomalies of the Dongguo well before Hejin MS 4.8 earthquake

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a.水平摆倾斜SN分量；b.水平摆倾斜EW分量；c.垂直摆倾斜SN分量。 图 8 河津MS 4.8级地震前临汾水平摆、垂直摆异常 Fig. 8 Anomalies of the Linfen horizontal pendulum and vertical swing before Hejin MS 4.8 earthquake

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图 9 河津MS 4.8级地震前临汾水准异常 Fig. 9 Anomalies of the Linfen leveling before Hejin MS 4.8 earthquake

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图 10 河津MS 4.8级地震前侯马水管倾斜异常 Fig. 10 Anomalies of the Houma water tube tiltmeter before Hejin MS 4.8 earthquake

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a.2009年11月观测数据频谱图；b.2009年12月观测数据频谱图；c.2010年1月123日垂直摆倾斜SN分量。据文献[7]。 图 11 河津MS 4.8级地震前宽带摆倾斜仪频谱异常曲线 Fig. 11 Spectrum anomalies of the broadband pendulum before Hejin MS 4.8 earthquake

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临汾地震台VP型宽频带倾斜仪观测数据清晰记录了河津M_S 4.8级地震前发震断层应变积累失稳破裂变化的全过程，特别是断层进入失稳阶段的亚失稳态现象。这是实验室观测到的亚失稳态现象在野外观测数据中得到的验证。发震断层附近的Benioff应变曲线变化特征证实临汾地震台VP型宽频带倾斜仪记录到亚失稳现象是来自震源的信息。宽频带、高采样率数字前兆台网观测数据为捕捉地震短临前兆信息以及研究孕震体在不同阶段所表现的特征创造了有利条件。因此，探寻地震前兆观测数据亚失稳阶段所表现的特点，对于地震前兆探索研究、识别潜在地震危险性以及危险时段具有十分重要的意义。

从现有的前兆观测资料来看，河津M_S 4.8级地震前仅有临汾地震台VP型宽频带倾斜仪记录到亚失稳现象，这可能与观测仪器频带宽(比同类仪器大20 倍)、记录地震的幅度大(比同类仪器大10～20 倍)、观测数据所携带的信息更优于同类观测仪器有关。从河津M_S 4.8级地震短临阶段出现的前兆异常分布特点来看，不仅在震中附近的台站记录到显著的异常信息，在相邻的陕西部分地区前兆观测项目也记录到类似的前兆信息，这些异常在时间上比较集中(均出现在20 d左右)，很有可能是河津M_S 4.8级地震引起的。虽然受观测仪器频带的制约，不能记录到亚失稳过程，但这些异常与震中距离近，记录的是来自震源的信息，可能也是亚失稳态的一种表现。但不是所有构造部位均能观测到失稳前的变化和短临异常现象，多数地区无前兆变化，只有位于特殊构造部位地震台站的前兆观测仪器才有可能观测到前兆变化，因此，选择合适的构造部位进行观测是能否抓住失稳前兆的关键。