出版日期: 2018-01-25
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DOI: 10.11834/jrs.20187167
2018 | Volumn22 | Number s1
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多地球物理场观测的玉树地震孕育过程分析

张学民¹ , 申旭辉² , 刘静¹ , 武艳强³ , 郑勇⁴

1. 中国地震局地震预测研究所，北京 100036

2. 中国科学院地壳应力研究所，北京 100085

3. 中国地震局第一监测中心，天津 300180

4. 中国地质大学地球物理与空间信息学院，武汉 430074

收稿日期: 2017-06-29

基金项目: 中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项(编号：2015IES0101，2017IES0306)；国际空间科学学会国际团队项目(编号：2015-10)

第一作者简介: 张学民，1969年生，女，研究员，研究方向为地震电磁、卫星电磁数据处理及应用。E-mail：zhangxm96@126.com

中图分类号: TP79

文献标识码: A

摘要

多地球物理场探测是研究地震孕育机理的关键，而卫星遥感探测为此提供了技术支撑。利用区域GPS应变场、基于汶川震源模型的应力触发效应等，全面综合地震学、重力场、地球化学、红外、电离层等多种参量研究结果，针对2010年4月14日玉树7.1级地震前多地球物理场参量进行整合分析，勾画了玉树地震多参数异常时间序列发展框图，确立了玉树地震独立孕育发生的特性，其中遥感探测技术显示了在地基测站稀疏区域的独特监测优势。结果发现，根据多地球物理探测参量的异常响应，玉树地震可分为3个不同的孕育阶段，不同应力状态下的岩石激发不同的地球物理场异常信息，长期监测GPS应力应变变化比较显著，而临震阶段以空间电磁扰动为主，多地球物理场之间的耦合关联还需深入研究。

关键词

玉树地震, GPS应变场, 多地球物理场, 孕育过程

Analysis on the Yushu earthquake preparation process based on multi-geophysical field observations

ZHANG Xuemin¹ , SHEN Xuhui² , LIU Jing¹ , WU Yanqiang³ , ZHENG Yong⁴

1.Institute of Earthquake Forecasting, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China

2.Institute of Crustal Dynamics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

3.First Crust Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Tianjin 300180, China

4.Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China

Abstract

Multi-geophysical field observation is the main academic domain in research on earthquake preparation mechanisms, and satellite-based remote sensing technologies provide strong support for this study. To obtain a comprehensive understanding of the 2010 Yushu earthquake, the earthquake preparation process was studied based on multi-geophysical field observations. The regional strain field was inversed from GPS data, and co- and post-stress effects were discussed by applying the focal mechanism model from the Wenchuan earthquake to the Yushu earthquake to distinguish their relationship. Then, all the precursors to the Yushu earthquake were collected and classified by their occurrence time and the parameters of GPS strain, gravity, electromagnetic fields, and infrared. The independence of the Yushu earthquake in terms of its preparation process and occurrence was verified by using regional GPS stress and strain field results and with the stress-triggering effects of the Wenchuan earthquake used as basis. The developing time chart of various anomalous information of the Yushu earthquake, which occurred on April 14, 2010, was drawn by integrating multi-geophysical parameters and combining the related results of seismology, gravity field, geochemical, infrared, and ionospheric monitoring studies. The remote sensing technologies present special monitoring advantages in the region with sparse station distribution. The three typical preparation processes of the Yushu earthquake can be divided based on the corresponding response of multi-geophysical parameters, and the underground rock in different stress states can excite anomalies in different geophysical fields. GPS stress and strain fields are the main parameter in long-term earthquake monitoring, and the space electromagnetic field presents evident perturbations in the impending time period. The coupling process and connections among multi-geophysical fields require further investigation. Satellite-based remote sensing technologies play important roles in this earthquake analysis and show significant advantages in regions with few seismic stations.

Key words

Yushu earthquake, GPS strain field, multi-geophysical fields, preparation process

1 引　言

近年来围绕地块边界附近强震活动频繁，如2008年连续发生的于田7.2级和汶川7.9级地震；2010年发生的青海省玉树县(96.7°E，33.1°N)Ms7.1级地震等。玉树地震发生在青藏高原巴颜喀拉地块南边界，巴颜喀拉地块是青藏高原较为重要的地块，此次地震震源深度14 km，这是该区(以震中300 km为界)历史上有记录以来发生的最强烈的地震。这些地震发生的关联性给地震工作者提出了新的问题。本文综合了在该区域的多地球物理场参量的观测资料，试图对玉树地震的孕育过程开展进一步的分析探讨。

地球物理场一直是地球深部结构研究及地震监测应用中的主要探测手段，目前应用比较广泛的如GPS应力应变场、重力场、电磁场、地震波场等，在很多强震分析中发挥了重要的作用，并有一些专家学者提出了“以场求源”的地震监测预报思路，但由于受到结构不均匀性影响、数据反演精度受限、台站布局不合理等因素影响，这个思路的具体实现在目前的观测条件下还受到一定的限制(陈章立和李志雄，2008)。随着中国地壳运动观测网络、中国地震台网、全国地震前兆台网的不断完善更新，为获取更高精度的地球物理场打下了很好的基础，也为综合分析多物理场在强震前后的时空演化提供了更好的契机。本文围绕玉树地震，利用多种技术手段对地震前后的应力应变场及电离层电磁场演化特征进行总结，并结合其他地球物理场研究结果探索各物理场之间的关联，进一步推进多地球物理场综合分析技术的发展。

2 玉树地震孕育过程资料分析

2.1 按GPS推算的区域应变场的时—空演化

中国地壳运动观测网络自1998年建成以来开展了多次复测，利用GAMIT/GLOBK软件分期解算得到了2004年—2007年、2007年—2009年和2009年—2010年GPS速度场，进而利用最小二乘配置球面方法(武艳强等，2009；Wu 等，2011)解算得到了玉树地震及其以东地区的应变率场分布(图1)。图1中包括主应变率和面应变率结果，其中面应变率为两个主应变率值之和，反映了变形的总体张压特性。图1(a)结果表明，玉树地震前震源区附近的主应变率分布以NEE向挤压(NNW向拉张)为主，考虑到甘孜—玉树断裂展布为NW方向，可以推断该区震前具有左旋剪切应变积累。图1(b)和图1(c)结果显示整个研究区域受汶川地震的影响显著，应变率分布存在动态调整过程，其中图1(c)结果(包含一定程度的玉树地震同震影响)显示玉树西部地区拉张变形的增强。逆冲型汶川地震的发生导致巴颜喀拉地块东向运动显著增强，致使玉树—甘孜—鲜水河断裂北侧地块(巴颜喀拉地块)的东向运动快于断裂南侧地块(羌塘地块)，因此会导致该断裂带左旋剪切变形有所减弱(该特征可从图1(b)和图1(c)主应变率分布得到证实)。玉树地震属于左旋剪切破裂，分析认为汶川地震并没有显著增强甘孜—玉树断裂的左旋剪切变形，因此认为汶川地震并未促进玉树地震的提前发生。

图 1 汶川、玉树地震前后GPS应变率场动态结果

Fig. 1 Temporal and spatial results of GPS surface strain rate around Wenchuan and Yushu earthquakes

2.2 基于震源模型的应力触发效应

根据王卫民等人(2008)提供的汶川地震有限断层模型，计算了汶川地震对玉树地震的影响，接收断层参数参考玉树地震震源机制解(走向为119°，倾角为78°，滑动角为3°)，计算深度为10 km。在计算震后粘弹松弛效应的影响时，将中下地壳和上地幔考虑为简单的Maxwell体模型(单斌等，2009)。

计算结果表明(图2)，汶川地震的同震库仑应力变化在玉树地震震中处反映为–0.0024 Bar，这表明玉树及周边地区受汶川地震同震应力变化的影响较小；同时考虑中下地壳、上地幔粘弹松弛效应，汶川地震两年后玉树地震震中处应力变化为–0.04 Bar，表明此时玉树及周边地区已经位于较明显的应力下降区域，因此从同震静态及震后粘弹松弛应力触发的角度来看，玉树地震与汶川地震关系不大，而主要是由于大区域应力场调整引起甘孜—玉树断裂活动所导致的，并没有受到汶川地震的直接触发作用。玉树震源区大区域应力应变不是由于汶川地震的影响，这两次地震的发生都是反映大区域应力场的活跃。

图 2 汶川地震对玉树地震背景应力场的影响(红色五角星为玉树地震震中，白色圆圈为玉树及周边主要城镇)

Fig. 2 The effects in background stress field from Wenchuan earthquake to Yushu earthquake(The red star is Yushu Earthquake and the white circles represent the main cities around Yushu)

前面GPS应变场长期演化及汶川同震及震后效应分析结果表明，汶川地震和玉树地震相继于2008年和2010年发生，而且均发生在中国西南及邻近地区，但汶川地震孕育时间较早(2007年之前)，玉树地震在2007年—2009年才开始有应力积累，而且汶川地震的发生并未增强玉树地区的应力应变积累，虽然两次地震均是由于大区域应力场的活跃作用，但互相之间关联性不大。分析结果既显示了两次地震孕育的不同应力积累时段，同时也说明玉树地震是一次独立的强震，与逆冲型断裂的汶川地震不同，研究多地球物理场在玉树地震孕育过程中的不同演化特征对深入了解剪切型强震机理具有重要的意义，下面将专门针对玉树地震前的各类地基及遥感探测技术获得的多地球物理场异常信息进行综合分析。

3 震前多地球物理场综合分析与讨论

由于地震孕育机理的复杂性和地球不可入性，地震预测仍然是一个世界性的科学难题。制约地震预测水平发展的主要困难，一是地震发生于复杂地质环境中，地球科学家们对于地震发生机理缺乏足够的认识；二是地震监测受到观测技术的严重制约。台站观测受局地地下结构特征影响，不同台站、不同地区的前兆观测在不同地震前表现异常特征差异较大，即使是同类观测一般也很难找到同源的信息，同时受到有限震例积累的约束，很难形成比较统一的经验性认识，因此如何利用现有观测技术，充分发掘数据信息，构建从表象到本质的理论模型，是地震学研究面临的关键性问题。在此收集了已发表的关于玉树地震的前兆研究结果，并按年、月、日尺度分类总结，试图从中找到不同产量之间的时空关联。

3.1 长期背景变化

赵晓燕等人(2011)对玉树地震周边不同范围内1990年—2010年1.0—5.0级地震月频次进行了统计分析，结果发现震中300 km以内，地震月频次从2008年开始激增，增加幅度为平常水平的4—6倍，小震活动性明显增强。与GPS形变计算结果对比(图1)，2008年玉树震区主应变率增强的时间比较吻合，反映2008年开始玉树地区应力增强，能量逐渐积累。同时，郭良迁等人(2011)利用GPS站点观测数据计算的速度场也显示2007年—2009年可可西里—玉树断裂带在玉树以西压应变率显著增强，而且玉树附近地段成为不同应变应力状态的转换地带—不稳定地段，有助于能量积累。祝意青等人(2011)研究了玉树地震前的重力变化，显示2005年—2008年，川滇菱形块体负值明显，可能与汶川地震有关；青藏块体重力正值变化，玉树地区重力正值最大，达100×10^–8 ms^–2，并在玉树震中附近形成与甘孜—玉树断裂走向基本一致的重力变化高梯度带。综合研究结果表明，2008年前后，玉树地震区应力应变增强，能量开始积累，而且甘孜—玉树断裂带成为应变应力及重力变化的梯度带，反映其在该时段的不稳定特性增强。

3.2 短期异常信息

玉树地震发生在中国西部，是中国地基前兆监测能力相对较弱的区域，资料非常有限。从目前发表的结果看，短期异常有玉树水温2009年11月21日—30日快速下降，之后转平，2010年1月20日—2月3日再度下降恢复，之后两个多月玉树7.1级地震发生(陈玉华等，2010；李纲等，2011)。距离震中620 km的平安台电磁波自2009年12月—2010年3月27日，脉冲数持续在15000以上(陈玉华等，2010；马玉虎和陈玉华，2011)。有限的地基资料表明，地下流体、电磁波异常扰动在震前5个月开始，并持续了几个月的时间。

崔月菊等人(2011)利用高分辨率遥感卫星数据反演的地表温度、水汽、CO总量和CH₄体积分数的时空变化，研究了玉树地震前后的大气物理化学参量的扰动特征。由MODIS反演的地表温度在3.18、4.12、4.18左右显示高值，3.29、4.7显示低值，这与玉树地区气温观测显示的3.16—4.19的高温时段及个别的下降时间基本一致。由AIRS数据反演的CO总量在玉树震前2周和震后2周均出现极大值，且明显高于前2年水平。

3.3 临震变化

康春丽等人(2011)利用美国NOAA-18极轨卫星观测的长波辐射(OLR)数据，研究了玉树地震前的OLR涡度变化空间及时间序列图像，发现4月12日青海玉树州显示一个涡度值高达+46.5 W/m²(“+”表示涡度异常为增加)的全区域最大异变中心，远高于2009年同期水平；震中区域震前10天至震后1天的OLR时序曲线显示，自4月11日OLR快速上升，12日—14日维持在高值，震后恢复。

关于地震电离层扰动效应的观测和研究已经开展多年(Pulinets 等，2003, 2004；Liu 等，2000；Molchanov 等，1993；Parrot，1999)，大量的研究结果表明地震电离层扰动一般出现在震前一周内，具有十分明显的短临特性。张学民等人(2014)分析玉树地震震前电离层数据发现，GPS TEC、f₀F2及原位等离子体数据在震前1天即4月13日均出现了扰动现象，与红外12日—14日高值异常时段比较吻合。在空间上全球GPS TEC异常提取后的图像还发现了共轭异常，说明在电离层峰值高度(350 km左右)电离层扰动呈双峰形态，这种特征与常规的电离层扰动比较相似，这也是f₀F2数据分析此异常可能为赤道双峰中北峰北移的原因，但从GPS TEC异常范围及卫星原位等离子体异常位置、异常峰值强度及时间上的密切关联，不排除4月13日的短临异常与玉树地震有一定关系。这种中纬度地区地震引发赤道区域异常的现象在2010年2月27日智利8.8级地震前也有类似现象(刘静等，2011)，这类信号的激发传播机理还需要进一步研究。

由于印度板块对欧亚板块持续的北东向推挤作用，青藏地块总体上向东南方向运动。中国地震局地球物理研究所在震后利用全球31个台站的波形资料反演得到玉树地震的矩张量解，震源机制的两个节面分别为：走向为119°、倾角为83°、滑动角为–2°和走向为209°、倾角为88°、滑动角为–173°，根据该区域的断裂构造背景，这次玉树地震的发震断层是一条走向为119°近乎直立的左旋走滑断层(刘超等，2010)。现场地表破裂勘察结果显示玉树地表破裂带总体为左旋走滑，仅东段呈左旋走滑逆冲(马寅生等，2010；陈立春等，2010)。刁桂苓等人(2010)利用震源机制类型分析玉树地震与1996年11月19日喀喇昆仑山口6.9级、1997年11月18日玛尼7.5级地震震源机制表现为一致的左旋走向滑动，证实这3次地震属于羌塘块体向东运动的结果，而2001年11月14日昆仑山口7.8级、2008年3月21日于田7.1级和5.12汶川7.9级同属一组，这与我们计算汶川地震效应对玉树地震影响较弱的特点完全吻合。

为反映地震孕育不同阶段各地球物理参量的活动特性，将本文研究结果和所收集到相关玉树地震研究的地球物理参量信息绘制在同一时间标尺上(图3)，可以看到，GPS、重力场等在2008年前后都在玉树震源区出现明显应力增强特性，而区域内小震月频次从2008年开始显著增强，2009年达到峰值，这些参量都有助于大致确定玉树地震的起始孕育时间约在两年半左右。蒋海昆等人(2009)对中国185次强震震例的总结显示，7级左右地震在地震学方面的异常一般异常持续时间在3年以上，而流体、形变、电磁等一般在1年左右甚至更短。两年半以上时间的应力积累也预示着一次6—7级地震的发生。比较遗憾的是这个区域前兆台站较少，因此一年尺度的异常信息目前还没有发现，也可能反映了这个期间应力一直处于缓慢的弹性积累阶段，所以前兆参量未表现出相应异常。2009年底，应力积累进入另一阶段，前兆异常开始显现，孕震区域内测点水温下降，并有台站记录到电磁波辐射增强，可能说明该时段处在长期应力加载后的岩石膨胀阶段，图1(c)GPS应力应变和图3模拟应力场均反映汶川地震后一两年在玉树震区存在一定的应力松弛。至震前1个月地表温度及气温测量相对往年增强，震前十几天CO及测点井水位等出现异常，震前3天开始震源区红外辐射异常，震前1天空间电离层多参量显示扰动，这些电磁参量集中出现说明了临震破裂阶段的到来。与汶川地震相比，两次地震的应力积累时间基本相当(Zhang和Shen，2011)，但玉树地震在1年尺度的异常目前还没有相应结果发表，一来可能与玉树孕震区地基观测台较少有关，二来可能反映玉树地震的孕育过程相比汶川地震要简单的多，或者说两者的孕育过程有一定的差别，这与两震不同的震源机制类型是吻合的。

图 3 玉树地震前后各地球物理参量前兆变化时间框图

Fig. 3 The comparisonal time chart of multi geophysical field precursors around Yushu earthquake

4 结　论

通过GPS应力应变场利用汶川地震震源模型计算了其对玉树地震的同震及震后效应，结果证明玉树地震的孕育过程是受大区域应力场活动影响，与汶川地震无明显关联，从而论证了玉树地震的独立性特征，为独立解析玉树地震孕育过程提供了佐证。首次综合了地震学、地球化学、红外、电离层等观测资料，对玉树地震前多地球物理场信息进行了统一分析，勾画了围绕玉树地震的各类异常时间顺序对比框图，对玉树地震的孕育和发展过程不同阶段进行了分解和论证，有效链接了不同地球物理场异常信息，形成了对玉树地震孕育全过程的认知。主要结论如下：

(1) 结合多种地球物理遥感观测论证了玉树地震的3个典型孕育阶段(2.5年尺度、月尺度、日尺度)，分别对应地震区应力缓慢积累、扩张及临震加速3个发展过程，说明剪切型破裂的强震孕育过程相对比较简单。

(2) 在不同阶段各地球物理场表现出各自的敏感响应机制，其中GPS形变场、重力场等对于反映区域性的长期背景异常具有较好的参考价值；中期阶段温度、电磁异常信号开始呈现；而临震阶段，卫星红外、电磁、电离层扰动集中暴发。一系列的异常响应过程反映了地下岩石在不同受力状态下的物理化学特性的改变与其激发辐射的各类异常信号息息相关，因此才在时间框图中突显了不同孕震阶段各地球物理场的敏感度。

(3) 遥感探测技术在监测空白区应用效能明显增强。玉树地区地面台站稀疏，观测资料很少，GPS、高光谱、红外、卫星电磁等卫星遥感探测技术在本次分析中显示了极强的时空优势，对玉树地震孕育全过程的深入了解提供了强有力的资料补充和技术支撑，充分显示了卫星遥感及空间地球物理探测在地震监测预报尤其是在地面监测空白区域的强大作用和应用效能。

(4) 多地球物理场综合交叉分析研究的未来应用拓展：多种地球物理参量各自在玉树地震孕育的不同阶段呈现了不同的异常优势特征，但多参量在时间轴上重复覆盖时段较少，相干性较低，相互之间还没有发现必然的因果或同源激发关系，本文的研究只是一个起步，多地球物理场之间的物理耦合机理还需要进一步深入研究。

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摘要

关键词