2024, Vol. 45
2) 中国哈尔滨 150090 黑龙江省地震局
2) Heilongjiang Earthquake Agency, Harbin 150090, China
目前，地震预测仍是未被攻克的世界性科学难题之一，而具有“临门一脚”作用的短临预测难度更大，对发震时间和地点的短临预测更是难上加难。许多地震的长中期预测较为准确，但因短临预测不准确，一些破坏性地震并未发生在震前出现异常的区域，突发的破坏性地震给人民群众的生命财产带来巨大损失。在地震孕育过程中，不仅震中附近会出现前兆异常，在远离震中区域也会出现震前异常，地震学界称其为地震前兆异常的“远程关联”现象。地震文献中此类报道甚多，如：郭增建等（1991）、Huang等（2004）、许绍燮（2006）、池顺良（2011）、Wang等（2017）给出了一些地震前兆异常远程关联现象的观测证据；许健生等(2021b, 2023)对2008年汶川MW 7.9地震前，青藏地块区、华北和东北亚地块区预滑活动的研究表明，震前数月，在震中及其周边数千千米尺度的各地块区普遍存在预滑活动和地震前兆异常。然而，对于地震前兆异常远程关联的物理机理尚不明确，仍在探讨中。
本研究以2008年5月12日汶川MW 7.9地震为例，分析华北活动地块区29个地震台水位仪、形变仪、地面气压计和井下气压计的观测资料，在讨论观测结果可靠性的基础上，拟以此次地震发生前数月在华北活动地块区所观测的预滑活动和低频震颤为依据，探讨地震前兆异常远程关联的物理机理。
1 观测结果选取华北活动地块区29个地震台水位仪、形变仪、地面气压计和井下气压计的观测资料，分析2008年汶川MW 7.9地震前异常远程关联的物理机理。地震参数均取自中国地震台网中心（CENC）的测定结果，文中与图中所用时间均为北京时（BJT）。29个台站与地块的位置示意见图 1，图中活动地块边界和运动方向复制于张培震等（2003）的研究。
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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 |
为方便对观测结果的陈述，有必要对文中使用的专业术语——预滑震相Xp、低频震颤震相Tp和气压差ΔP作一简介。
（1）预滑震相Xp是指，大地震前地块在构造力驱动下发生的黏滑活动激发的“阶跃形”震相。据历史地震资料记载，1556年1月23日陕西华县8¼级地震前7—8小时，在未来震中区“觉地旋运，因而头晕，…”。郭增建(1957, 1979)认为，这是孕震断层上发生的预位移（预滑活动）。近代，在1976年唐山MS 7.8（陈运泰等，1979）和2001年昆仑山口西MS 8.1（车用太等，2002）等大地震前，在其发震断层上均观测到断层位移、井口变形等地面缓慢运动的现象。
（2）低频震颤震相Tp是指，地块发生预滑活动时，地块裂隙内气（液）体被挤压或拉伸，在裂隙内流动和逸出时激发的震颤波动，其频率域较宽，从几Hz到数小时不等。地震仪可记录到几Hz的高频震颤，形变仪、水位仪和气压计等宽频带仪器可记录到数分钟到几小时的低频震颤。许健生等(2019, 2021a)研究发现，在2008年汶川MW 7.9地震前，震中周边地块上普遍存在预滑活动，且在预滑活动前后，可通过宽频带地震仪观测到高频震颤，通过形变和水位仪器观测到低频震颤；Zhuo等（2018）根据岩石压力实验结果，认为低频震颤的产生原因可能是预滑过程中凹凸体的相互作用。
（3）气压差ΔP是指，井孔内气压与地面气压之间的差值。井孔内气压计通过气管通向地面，在正常情况下，井孔气压计记录的也应是地面气压值。理论上，井孔气压与地面气压应同步变化，二者之间差值ΔP应该为零或一定值。但若地块发生预滑活动，地块受到挤压或拉伸，导致裂隙张开或闭合，裂隙张开会吸纳井孔内的气体，裂隙闭合会向井孔排出气体，在相对封闭的井孔内造成局部气压升高或降低，使得井孔内气压高于或低于地面气压，形成井孔与地面间的气压差ΔP和气压波动。
1.1 预滑震相Xp的观测结果在汶川MW 7.9地震前，在震中距582.5—1 884.6 km范围内，华北活动地块区有29个地震台44台（套）水位仪和形变仪，在2008年3月20日前后，准同步观测到预滑震相Xpo；在4月20日前后，预滑活动幅度达到峰值Xpm；在5月6日前后，观测到临震预滑震相Xpe（图 2，图 3，表 1）。表明在华北活动地块区上，29个地震台所在次级地块自2008年3月20日开始发生准同步预滑活动，其中4月20日和5月6日前后的2次预滑被更多台站记录到，说明这2次预滑活动参与的次级地块更多，时间更集中，预滑幅度也更大。由此推测，可能是这种大尺度、多地块、短时间、准同步预滑活动弱化了华北地块区对青藏地块区的阻挡作用，使得青藏地块区获得较大动能，打破龙门山断裂带闭锁的稳定状态，发生突然破裂和失稳滑动，从而造成汶川MW 7.9地震的发生。
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图 2 水位仪记录的Xp震相 Fig.2 The recordings of the Xp phase on the water level meter |
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图 3 形变仪记录的Xp震相 Fig.3 The recordings of the Xp phase on the deformation meter |
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表 1 Xp和Tp震相数据 Table 1 The data of Xp and Tp seismic phases |
在冀鲁和鲁东黄海地块上，震中距1 374.1—1 516.5 km范围内有10个地震台的水位仪、形变仪、井孔气压计和地面气压计，在2008年5月10日20时至5月11日14时期间观测到低频震颤震相Tp，震相起始较平缓，约6—8小时后达到峰值Tpm，整个过程持续约18小时（图 4，图 5，图 6，表 1）。Tp震相明显有别于正常日变背景，是未在其他时间段出现的一种异常波动。由图 4、图 5、图 6可见，其在10个地震台准同步出现，波形相似性较好，且在观测到Tp震相时，井孔气压与地面气压间的差值ΔP出现波动。
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图 4 气压计记录的Tp震相 Fig.4 The recordings of the Tp phase on barometers |
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图 6 水位仪和形变仪记录的Tp震相 （右图为左图中相应色块区的放大） Fig.6 The recordings of Tp phase on water level meter and deformation meter |
由图 4、图 5可见，在正常情况下，各台井孔气压与地面气压变化完全同步，ΔP变化不大。若地块发生预滑活动，其受到挤压或拉伸，使得裂隙发生张开或闭合，裂隙张开吸纳井孔内的气体，裂隙闭合，将裂隙内气体向井孔挤压，就有可能在相对封闭的井孔内形成局部气压的升降，造成井孔与地面间ΔP的波动。另外，当地块发生预滑活动，地块被挤压或拉伸时，会使地块内新旧裂隙贯通。地下气体在裂隙中流动或逸出时，在井孔和地面会形成气压震颤。在地下气体逸出或流动过程中，对地下水位和应力场造成扰动，导致水位和形变场发生震颤，其频域较宽，从几Hz到数小时不等。地震仪可记录到几Hz的高频震颤，形变仪和水位仪可记录到数分钟到几小时的低频震颤。不同仪器记录的震颤频率不同，除与仪器频宽有关，还可能与气体流动的裂隙宽度有关，即气体在不同宽度的裂隙内流动可能会形成不同频率的震颤（许健生等, 2019, 2021a）。
2 观测结果的可靠性讨论观测结果的可靠性体现在预滑震相Xp和低频震颤震相Tp的可靠性上。许健生等（2023）对华北地块上预滑震相Xp的可靠性已做过讨论，文中不再赘述，在此对低频震颤震相Tp的可靠性进行讨论。
多个地震台不同学科的观测仪器，在较短时间段内比较集中地观测到低频震颤震相Tp，因观测仪器同时出现问题的可能性较小，由此判断低频震颤的出现非仪器故障所致。那么气象变化是否会激发出低频震颤震相Tp？分析认为，气象变化的空间尺度往往是数千千米，时间尺度往往以数天计。而由图 1、图 4—图 6可见，低频震颤Tp发生的空间尺度仅百千米左右，时间尺度仅十数小时，与气象变化的时空尺度存在数量级上的差异。另外，查看2008年1月1日到5月9日各台站观测数据，发现气象变化是经常发生的大概率事件，且其间并未发现与此类似的低频震颤，认为在5月10日20时到5月11日14时期间观测到的低频震颤震相Tp，由气象变化激发的可能性不大，可能是远程关联的震前异常现象。
3 地震前兆远程关联的物理机理众所周知，被称作岩石圈的地壳和上地幔并非“石板一块”的完整岩石层，而是由不同尺度的地块和断层构成的离散体系。根据颗粒物理原理，这些尺度不同的地块可以被看作大尺度的离散态颗粒体系（陆坤权等，2012）。这些尺度不同的地块驮在地幔软流层上，在地幔内热物质对流力的驱动下发生间歇性黏滑活动。文中把地震前地块的黏滑活动定义为预滑。在地块预滑过程中，若构造应力集中挤压某一地块，往往会引发该地块局部地下气体逸出、地下水位波动和局部形变和应变场的变化等地震前兆现象。郭增建等（1991）认为，预滑活动可能是大多数地震前兆的物理基础。陆坤权等（2012）认为，地幔软流层运动是一种大尺度运动，在地幔软流层运动的同一应力场驱动下，远距离地块在地震前也会发生预滑活动。这种预滑活动有可能会引发远距离地块内地下气体逸出、地下水位波动和局部形变以及应变场的变化等地震前兆现象，这就是在远距离地块上地震前兆现象远程关联的物理机理。当然，并不是所有远距离地块上的预滑活动都能引发地震前兆异常。与近距离地块上的预滑活动并不都能引发地震异常一样，远距离地块上的预滑活动只是引发震前异常的外因条件。要引发地震前兆异常，该地块还需具备能发生异常的内因条件。如水位异常，由预滑活动引起水位异常的内因条件是，被挤压地块的承压层内要富含水，当地块被挤压时，要有能从裂隙内被挤出的地下水。预滑活动是外因，被挤压的地块内富含水是内因。外因是异常发生的条件，内因是异常发生的根据。只有内因和外因共同作用，才可能引发与此有关的地震前兆异常。
4 汶川MW 7.9地震与低频震颤远程关联的物理过程根据华北地块区及次级地块边缘的预滑活动和冀鲁、鲁东黄海地块上低频震颤的观测结果，以及地震前兆远程关联的物理机理，可以看到汶川MW 7.9地震与数千千米外冀鲁和鲁东黄海地块上低频震颤之间远程关联的物理过程，即：从2008年3月20日前后起，在地幔软流层对流力的驱动下，继青藏地块区发生预滑活动，华北地块区及次级地块上也发生了系列准同步预滑活动，且预滑幅度在4月20日前后达到峰值；5月6日前后发生了临震前最后一次预滑活动；在临震前1天（5月10日20时至5月11日14时），冀鲁和鲁东黄海地块受到持续挤压，地块内新旧裂隙进一步贯通，导致地下气体逸出，在井孔内和地面形成气压颤动。逸出气体可能是在较宽裂隙内流动，激发出可以被水位仪、形变仪、地面和井下气压计记录到的低频颤动。
5 几点认识根据上述观测结果和地震前兆异常远程关联的物理机理，得出以下几点认识：
（1）平凉等29个地震台的观测结果表明，在汶川MW 7.9地震前，数千千米尺度的华北地块区及次级地块边缘，在2008年3月20日前后开始出现系列准同步预滑活动，临震前1天，在冀鲁和鲁东黄海地块内激发出低频颤动。这些颤动可能是汶川MW 7.9地震的前兆异常，是地震前兆异常的远程关联现象。
（2）在地幔热物质对流力场同一作用下，远距离地块的预滑活动可能是引发远距离地块上地震前兆异常的物理机理，是与震中附近的地震前兆异常同场不同源的表现形式。
（3）关注发生在未来主震震中周边地块上的远程预滑和临震前兆异常，厘清是震中附近还是远程关联的前兆异常，无疑对作好未来震中预测具有至关重要的作用。
文中数据转换和震相标注均由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。
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