2019, Vol. 40
, 2. 中国北京 100045 中国地震台网中心;
3. 中国兰州 730000 甘肃省地震局;
4. 中国西安 710068 陕西省地震局;
5. 中国成都 610041 四川省地震局
2. China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China;
3. Gansu Earthquake Agency, Lanzhou 730000, China;
4. Shaanxi Earthquake Agency, Xi'an 710068, China;
5. Sichuan Earthquake Agency, Chengdu 610041, China
根据全球数字地震仪台网（GSN）的测定结果，2008年5月12日06时27分59.0秒（GMT），在中国汶川（31.06°N，103.37°E，h = 7.6 km）发生一次MW7.9大地震，地震造成巨大人员伤亡和财产损失。地震发生后不久，有观测和研究表明：大地震发生前1-3天内，地震仪、重力仪和倾斜仪等观测仪器检测到低频异常颤动。这种颤动振幅随着地震临近而逐渐增大，持续至主震发生，信号周期范围为2-10 s（胡小刚等，2008）。因2008年5月8日至14日西太平洋发生14级强台风“威马逊（Rammasun）”，傅容珊等（2009）利用我国气象观测数据，对胡小刚等（2008）的观测和研究结果提出质疑，认为这种震前低频异常颤动不是地震前异常变化，而是“威马逊”台风激发的脉动。那么在汶川MW7.9地震前是否有可观测到的地震前异常现象，特别是具有“临门一脚”作用的临震异常变化现象呢？为此，查阅震中周围临震前不同学科的部分观测资料，结果发现，在震中外围地区的临夏和湟源地震台的分量应变仪与临夏、恩施和西安地震台的数字地震仪以及临夏和周至地震台的深井水位仪，在临震前数天至数小时记录到一些“跃变”震相Xp和“震颤”（Tremor）震相Tp。本文在讨论以上观测结果可靠性的基础上，试图以颗粒物理原理进行解释。
1 观测背景2008年5月12日汶川MW7.9地震发生，在震中外围地区的临夏、湟源、恩施、西安和周至地震台部分学科观测仪器，在临震前数天至数小时记录到一些“跃变”震相Xp和“震颤”（Tremor）震相Tp。记录地震台及所在地质构造地块位置见图 1，图中活动地块边界见张培震等（2003），实线箭头表示1种确定的运动方向，虚线箭头表示2种可能的运动方向。文中所用地震参数取自美国地质调查局（USGS）国家地震信息中心（NEIC）发布的地震目录，发震时间和记录图上标注的时间均为世界标准时（UTC）。
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图 1 台站、震中和地块位置 Fig.1 Location of stations, earthquake epicenter and tectonic-blocks |
临夏（Δ = 500 km）和湟源地震台（Δ = 680 km）（下文简称临夏台、湟源台）的形变观测仪器型号一致，均为数字化YRY-4型分量钻孔应变仪，传感器安装在井下40-70 m深处，采样率为每分钟1次。传感器通频带宽0-20 Hz，分辨力优于5×10-11，非线性度≤1%。
1.2 地震观测临夏台（Δ = 500 km）配备宽频带、高灵敏度和大动态范围数字化地震仪，地震计型号为BBVS-60，数采型号为EDAS-24IP，采样率为每秒100次，文中采用未进行滤波和仿真处理的原始记录波形。
恩施（Δ = 595 km）和西安地震台（Δ = 611 km）（下文简称恩施台、西安台）配备的地震观测仪器型号一致，均为中国数字化地震台网（CDSN）的宽频带数字地震仪，STS-2速度型拾震器，采样率每秒40次。恩施台将BH通道的记录仿真为短周期（SP）后读取P震相数据，西安台将SH通道的记录仿真为短周期（SP）后读取P震相数据。2个地震台均在未作滤波和仿真处理的原始记录波形上读取Xp和Tp震相数据。
1.3 流体观测临夏台钻孔水位仪传感器与YRY-4型分量钻孔应变仪传感器安装在同一钻孔内，记录井深45 m处承压层水位数据，钻孔水位距井口10 m，水位仪分辨率为0.03 mm，采样率为每分钟1次。其水位变化能显示固体潮变化形态（刘序俨等，2016）。
周至地震台（Δ = 590 km）（下文简称周至台）采用埋深2 341.0-2 658.0 m的深部承压层数字化水位观测数据，水位仪采样率为每秒50次。观测井井口封闭，封井压强200 kPa，水位变化不受气压、气温、旱涝和人工取水等因素影响（张世民等，2009）。
2 Xp、Tp震相记录 2.1 形变仪器观测到Xp震相据统计，湟源和临夏台分量应变仪4个分量2008年5月10日起记录到Xp震相，见图 2、图 3。由图 2可见，湟源台分量应变仪4个分量记录在5月10日01时28分同时出现“阶跃”式跳变Xp，在相同背景噪声条件下，NW分量跳变幅度最大。
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图 2 湟源台4分量应变仪记录的Xp震相 Fig.2 The recording of four-gauge borehole strainmeters (FGBS) of Huangyuan Seismic Station |
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图 3 临夏台4分量应变仪记录的Xp震相 Fig.3 The recording of four-gauge borehole strainmeters of Linxia Seismic Station |
图 3中A、B、C、D为a、b、c、d的局部放大，E、F、G、H为e、f、g、h的局部放大。由图 3可见，临夏台分量应变仪4个分量记录5月10日23时06分同时出现“阶跃”式跳变Xp1，在此前后均有“锯齿状”波动，后该波动逐渐消失；5月11日23时38分出现“阶跃”式跳变Xp2震相，幅度比Xp1大，在此前后也有“锯齿状”波动，之后波动时大时小，并有若干次幅度比Xp1小的“阶跃”式跳变，持续至5月12日06时27分主震发生。在相同背景噪声条件下，4个分量中NS分量跳变幅度最大。
2.2 地震仪器观测到Xp、Tp震相临夏、恩施、西安台地震仪在汶川地震前记录到Xp、Tp震相，见图 4-图 8。
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图 4 临夏台地震仪记录的Tp震相 Fig.4 The recordings of Tp phase on seismograph at Linxia Seismic Station |
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图 5 恩施台地震仪记录的Xp震相 Fig.5 The recordings of Xp phase on seismograph at Enshi Seismic Station |
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图 6 恩施台地震仪记录的Tp震相和微震震相 Fig.6 The recordings of Tp phase and microseismic phase on seismograph at Enshi Seismic Station |
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图 7 西安台地震仪记录的Xp震相 Fig.7 The recordings of Xp phase on seismograph at Xi'an Seismic Station |
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图 8 西安台地震仪记录的Tp震相和微震震相 Fig.8 The recordings of Tp phase and microseismic phase on seismograph at Xi'an Seismic Station |
图 4中A、B、C为a、b、c的局部放大。由图 4可见：①在主震发生前，临夏台地震仪3个分向于5月11日同时记录到一系列高频波动震相Tp，该震相间歇性“成丛”出现，多数首尾相连，不易分辨初动。在个别Tp震相波列中有时可以细分若干单一Tp波列，每个Tp波列多由10个左右的振动周期构成。在临夏台地震仪LH通道记录上，Tp震相最大振幅周期约0.3 s，单一振动波列持续时间约3 s；②临夏台地震仪记录的Tp震相表现为一种弱起始逐渐变强的波动，达到峰值后逐渐衰减，整个波列呈“纺锤”形。在地震仪三分向记录上分辨不出是纵波性质的振动还是横波性质的振动，不同于弹性破裂的振动波形，无典型纵波和横波震相，整个波列形态类似于地震的导波震相Lg。
图 5中A、B、C为a、b、c的局部放大，D、E、F为d、e、f的局部放大。由图 5可见，恩施台地震仪在主震前的5月8日03时18分，3个分向同时记录到第1个低频波动震相Xp1。Xp1震相呈“V”形，只有一次波动，持续3个多小时后波动结束。在间隔2天多后，3个分向于5月10日20时13分同时记录到第2个低频波动震相Xp2，振幅比Xp1大，持续近30个小时后发生主震。Xp1震相和Xp2震相的初动方向一致，均指向NE，背向震中方向。
图 6中A为a的局部放大，B为b的局部放大。由图 6可见，在恩施记录到2次低频波动及其前后，记录到若干次Sg与Pg震相到时差约1 s的微震波形和幅度明显大于“噪声”背景的高频震颤震相Tp。Tp震相在3个分向上分辨不出体波震相Pg和Sg，单个Tp震相波形类似于“纺锤”形，振幅由小逐渐变大，再由大变小，较有规律，类似于谐波波列。
由图 7（图中黄线为中心线）可见，西安台地震仪在主震前的5月10日22时36分，3个分向同时记录到第1个低频波动震相Xp1，呈“V”形，仅1次波动，持续9个多小时后波动结束。在间隔约15个小时后，于5月11日23时18分左右，即主震前7个多小时记录到第2个低频波动震相Xp2，振幅比Xp1大，持续7个多小时，在波谷向中心线恢复过程中发生主震。Xp1震相和Xp2震相的初动方向一致，均指向SW，即震中方向。
在西安台2次低频波动及其前后，记录到若干次Sg与Pg震相到时差约2 s的微震（图 8，图中A为a的局部放大，B为b的局部放大，C为c的局部放大）波形及幅度明显大于“噪声”背景的高频震颤震相Tp。单个Tp震相波形类似于短周期面波，呈“纺锤”形，周期基本不变，具有谐波特征，振幅由小逐渐变大，再由大变小，较有规律。
2.3 流体仪器观测到的Xp震相和Tp震相临夏、周至台流体观测仪器记录汶川地震Xp震相和Tp震相，见图 9-图 12。
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图 9 临夏台水位仪记录的Xp震相 Fig.9 The recording of Xp phase on the water level instrument at Linxia Seismic Station |
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图 10 临夏台水位仪记录的Tp震相 Fig.10 The recording of Tp phase on the water level instrument at Linxia Seismic Station |
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图 11 周至台水位仪记录的Xp震相 Fig.11 The recordings of Xp phase on water level instrument at Zhouzhi Seismic Station |
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图 12 周至台水位仪记录的Tp震相 Fig.12 The recording of Tp phase on the water level instrument at Zhouzhi Seismic Station |
图 9中A为a的局部放大，B为b的局部放大。由图 9可见，临夏台钻孔水位在主震前1天多有2次“跃变”上升，第1次从5月10日23时28分的Xp1震相起，第2次从5月11日22时38分的Xp2震相起。在Xp1震相后和Xp2震相前记录到几组低频震颤震相Tp波列，波形特征见图 10中的A和B（图中A为a的局部放大，B为b的局部放大）。1组Tp震相波列由若干Tp震相组成。Tp震相最大振幅周期约2-3 min，单一振动波列的持续时间约20 min。Tp震相波形类似于长周期面波，呈“纺锤”形，周期基本不变，具有谐波的特征，振幅由小逐渐变大，再由大变小，较有规律。
图 11中A为a的局部放大，B为b的局部放大。由图 11可见，周至台水位仪记录水位5月10日22时03分的Xp1震相起下降，持续约36 min，后保持平稳状态，5月11日23时00分的Xp2震相起，水位开始以更大幅度下降，持续约27 min，后缓慢恢复，并在恢复过程中于5月12日06时27分发生主震。
图 12中A为a的局部放大，B为b的局部放大，C为c的局部放大，D为d的局部放大，E为e的局部放大。由图 12可见，在Xp1震相后和Xp2震相前记录到若干簇高频震颤震相Tp波列。高频震颤波列由若干簇Tp震相组成，波形特征见图 12中的A和E。单个Tp震相波形类似于短周期面波，振幅由小逐渐变大，再由大变小，较有规律。波列包络呈“纺锤”形，具有谐波特征。
3 观测结果可靠性对汶川地震中上述各地震台不同仪器的观测结果，首先讨论2个问题：①“跃变”和“震颤”信号是否仪器自身或外界不明原因造成的干扰？②“跃变”和“颤动”信号是否由强台风“威马逊”（Rammasun）激发的脉动?
（1）“跃变”和“颤动”信号是干扰的可能较小。几个地震台不同学科的观测仪器在相近时段内比较集中观测到“跃变”和“颤动”信号，是观测仪器问题或外界不明原因干扰巧合的可能性较小，且在图幅和资料许可情况下，尽可能多地给出震前较长时段的观测记录，并未发现类似信号，进一步说明观测仪器和外界不明原因干扰的可能性较小。
（2）“跃变”信号由强台风造成的可能性较小。2008年5月8日至14日西太平洋发生“威马逊”强台风，期间恩施和西安台记录到长周期信号。海南琼中地震台观测仪器型号与其他2个地震台相同，均为STS-2型地震仪，其距“威马逊”台风较近，受台风影响较大，若长周期波动信号由此强台风造成，记录应更清晰，实际该台在相同时间并未记录到相同形态的长周期波动信号，见图 13。
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图 13 “威马逊”台风期间琼中地震台地震仪记录 Fig.13 The recording of broadband digital seismograph of Qiongzhong Seismic Station during Rammasun typhoon |
2016年9月14日至15日17级超强台风“莫兰蒂（Meranti）”在福建沿海和广东沿海登陆，将临夏台分量应变仪台风期间与2008年汶川MW7.9地震前记录进行对比，见图 14，未发现超强台风登陆时产生“跃变”信号。若汶川MW7.9地震前各地震台记录的各种“跃变”信号由“威马逊”强台风造成，则距临夏台更近、台风级别更高的17级超强台风“莫兰蒂”，理应在该台有幅度更大的记录，但由图 14未见“跃变”信号。而且，台风造成的脉动信号应有一个连续过程，中间不应有平静或间歇，但由汶川MW7.9地震前各地震台不同仪器记录可知，在各组“跃变”信号之间多有间隔不等的平静或间歇。因此，该类“跃变”信号由强台风造成的可能性较小。
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图 14 “威马逊”和“莫兰蒂”台风期间临夏台应变仪记录对比 (a)“威马逊”台风期间记录；(b)“莫兰蒂”台风期间记录 Fig.14 The comparison recording of four-gauge borehole strainmeters of Linxia Seismic Station during Rammasun typhoon and Meranti typhoon |
（1）临震预滑。20世纪60年代美国学者Brace等（1966）将地震断层的“粘滑”错动作为一种地震机制提出，并根据岩石的粘滑实验结果指出：对存在断层的岩体加压，岩石在主破裂前会有预滑，主破裂过程可由数次粘滑过程构成。Byerlee等（1975）使用花岗岩作粘滑实验后进一步指出：对存在断层的块体施力，起初断层块体整体弹性变形，由于断层面上有破碎细粒存在（相当于自然界的断层泥），断层块体在即将破裂前显示流变性质，即受力后应变曲线偏离弹性体的线应变规律，在破裂前断层面之间会发生粘滑错动。
陆坤权等（2012）依据颗粒物理原理，根据大地构造特征和观测事实提出的地震成因机制认为：地壳和地幔是由大小不等、形状不同的地块构成。这些地块相当于大尺度不均匀离散颗粒体系，在地幔内热物质对流作用力驱动下，受不均匀阻力作用，发生不均匀运动，导致某些地块的某些部位受力持续增大，能量逐步积累，形成引发地震的构造力。当某地块上积累的构造力大到可以克服地块间断层面上的摩擦力或岩石的破坏强度时，则会导致断层错动和岩石破裂，形成构造地震。
由于地块间断层泥的作用，地块在外力推动下受到不均匀阻力作用，会发生不均匀运动。若推动力不足，则地块静止不动，而当推动力大到克服摩擦阻力时，地块向前滑动，遇到凹凸体或摩擦力大于推动力时停滞，如此循环往复。对于天然地震，发生在岩石弹性破裂前的粘滑（滞滑）运动可称之为临震预滑或临震预位移，是地块在外力作用下克服断层泥摩擦阻力和地块间摩擦阻力的一种运动形式。临震预滑会导致主震前的小震活动、震颤、水位上升或下降等异常变化现象发生。
郭增建等（1979）认为，临震预滑如同前震，是大多数地震前兆的物理基础。根据颗粒物理原理，不同地块受到的推力和阻力不同，不可能在同一时间滑动，而是以力链形式逐次产生粘滑，并将粘滑中产生的各种异常变化信息逐次传播出去。因此，不同地块产生异常变化信息的时间肯定不同。
陆坤权等（2012）根据颗粒物理原理中颗粒物质挤压膨胀特性，解释震前地下水位上升或下降的物理机制，认为：若探测点处地块介质原处于松散状态，地块受挤压后体积收缩，水分被排挤，从而使含水层水位上升；若探测点处地块介质原处于密集状态，块体受挤压后体积膨胀，空隙增大，吸纳含水层的水，则使含水层水位下降。地下水位的跳变或缓变与探测点附近地块的粘滑错动量相对应，较大粘滑错动量必定使地下水位发生较大跳变。若粘滑错动量幅度较小，地块缓慢错动，则地下水位表现为缓变。
（2）震颤。关于震颤的物理机制在国内外鲜有报道，仅有一些观测结果表明，在一些板块构造边缘，如北美卡斯卡迪亚岛俯冲构造带上，观测到慢滑动事件时，颤动（Tremor）次数明显增多，据此推测，可能是板块间的慢滑动摩擦激发出震颤（Rogers et al，2003）。
不同学科仪器记录的Tp震相波形与地震波中的导波Lg波形相似，且Tp震相波形在地震仪三分向记录上均分辨不出是纵波还是横波性质的振动，据此特征推测，Tp震相可能与Lg波生成机制类似，是一种波动能量被“拘留”在某个波导“通道”内的导波（许健生等，2014）。生成Tp波的“通道”可能是临震前构造应力相对集中导致地块内新旧裂隙贯通而形成的。设想当构造应力相对集中地挤压某个地块，使地块内新旧裂隙贯通而形成“通道”，同时使地块内的流体受压后析出气体，气体在不同宽度的裂隙“通道”内流动或溢出时，势必激发不同频率的震颤。震颤频率可能与气体流动的裂隙宽度有关，即裂隙宽度的不同可能导致气体震颤的频率不同，裂隙长度的不同可能导致气体震颤的持续时间不同。处于宽频带地震仪动态范围的较高频震颤有可能被地震仪记录到，较低频震颤有可能被水位仪记录到。震颤传播到地表后，声频范围内的震颤可以被听到，称为“地声”。由目前为数不多的地声波形记录（董树华等，1986；池顺良，2007）可见，记录波形与文中给出的Tp震相波形相似，也与导波Lg波形相似。
5 结果讨论龙门山断裂带是一条衔接西藏地块东缘与华南地块西缘，长约500 km、宽约30-50 km，沿NE-SW向展布的巨大断裂带，由图 1可见，汶川地震震中即位于该断裂带上。
临夏台地处西藏地块东北缘，在汶川地震震中正北方向。由图 2可见，该台应变仪四分量在临震前约7个多小时（5月11日23时38分）同时出现“阶跃”式跳变，其中NS分量变化最大，表明应变量最大方向（NS向）与台站附近断裂带走向平行，指向（或背向）震中（图 1中紫色箭头）。据此推测，在NS向力链作用下，临夏台所处地块临震前可能发生了NS向预滑。
湟源台位于祁连地块与柴达木地块衔接的祁连山山前断裂带附近。由图 3可见，湟源台应变仪四分量于5月10日01时28分同时出现“阶跃”式跳变，其中以NW分量跳变幅度最大，表明应变量最大方向（NW向）与台站附近断裂带走向斜交，指向（或背向）震中（图 1中紫色箭头）。据此推测，在NW向力链作用下，湟源台所处地块临震前可能发生了NW向预滑。
恩施台位于华南地块中间。由图 5可见，恩施台地震仪记录的2次预滑错动方向均指向NE，背向未来的主震震中，说明台站所处地块临震前发生了向NE的预滑。
西安台位于鄂尔多斯地块和华南地块衔接的华山山前断裂带附近。由图 7可见，西安台记录的2次低频波动方向均指向SW，指向未来的主震震中，说明台站所处地块临震前发生向SW的预滑。
恩施台与西安台记录的低频波动波形相似，但波动发生时间不同，波动方向也不一致。根据颗粒物理原理推测，施加在恩施台与西安台所处不同地块上的力链方向可能相反。
由图 6可见，恩施台在2次低频波动过程中，不仅观测到Sg与Pg时差约0.6 s的微震，还大量观测到幅度明显大于“噪声”背景的高频震颤震相Tp，说明在临震前预滑过程中，台站所处地块在克服断层面上的微小障碍体阻挡和摩擦阻力时，表现为微震活动，地块内的流体受压后析出的气体在裂隙内流动时，表现为震颤。
周至台位于鄂尔多斯地块和华南地块衔接的华山山前断裂带附近。由图 11可见，自5月10日22时03分出现Xp1震相开始，周至台观测水位“阶跃”式下降，持续约36 min。自5月11日23时00分出现Xp2震相开始，周至台水位出现幅度更大、过程更快的“阶跃式”下降，持续约27 min后开始恢复，至12日06时27分主震发生。根据颗粒物理原理推测，周至台所处地块介质在临震前处于密集状态，在力链挤压作用下体积膨胀，空隙增大，吸纳含水层内的水，导致观测井水位下降。
由图 4、图 6、图 8和图 12可见，各台所处地块在预滑过程前后和中间均伴随震颤，说明在临震前预滑过程中，因构造应力相对集中，导致地块内新旧裂隙贯通，形成气体“通道”，同时使地块内的流体受压后析出气体，气体在不同宽度和不同长度的裂隙“通道”内流动或溢出时，激发不同频率和不同持续时间的震颤波列。
在不同距离、不同台站相近时段内记录到“阶跃”式跳变和震颤信号，说明在构造应力驱动之下，在大小、方向不同的力链作用下，因受到不均匀阻力作用，各台所处地块逐次发生预滑错动，并衍生相应的小震活动、震颤、水位上升或下降等异常变化现象。
6 结论综合上述观测结果的可靠性和颗粒物理原理，认为：①汶川地震前的“阶跃”式跳变信号源于台风地脉动效应的可能性较小。17级超强台风“莫兰蒂”于2016年9月15日在福建沿海和广东沿海登陆时风力仍达13-15级，临夏等地震台并未记录到“阶跃”式跳变信号，而14级台风“威马逊”距中国大陆海岸最近处尚有1 300 km，则更不应被以上各台站记录到；②以颗粒物理原理，可用力链概念解释主震震中周边地块发生的“阶跃”式跳变信号和震颤现象。在构造应力驱动之下，大小不等、形状不同的地块在不同大小、不同方向力链的作用下受不均匀阻力作用，发生不均匀运动，在临震前相近时段内，不同地块发生预滑激发预滑震相Xp，裂隙内气体流动激发震颤震相Tp；③汶川地震前，主震区周边地块5月8日03时至主震发生，各地块有1-2次不等且幅度较大、高于噪声背景的预滑错动和相应震颤现象，各地块预滑错动指向或背向主震震中。因此，研究发生在未来主震震中周边地区地块上的临震预滑和震颤现象，可能对预测破坏性地震有一定指示意义，对预测未来主震震中位置和发震时间可能有“临门一脚”的作用。
文中数据转换和震相标注均采用黑龙江省地震局和跃时高级工程师提供的CDSN地震台站分析软件完成，在此深表谢意。| 池顺良. 深井宽频钻孔应变地震仪与高频地震学--地震预测观测技术的发展向, 实现地震预报的希望[J]. 地球物理学进展, 2007, 22(4): 1164-1170. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2007.04.023 | |
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