九寨沟MS7.0地震的前兆异常时空演化特征及其分析

张小涛 宋治平 李纲

中国地震台网中心，北京市西城区三里河南横街5号 100045

0 引言

2017年8月8日21时19分（北京时间）四川省阿坝州九寨沟县发生MS7.0地震。房立华等（2018）利用四川地震台网和流动地震台站的观测数据，对九寨沟地震的主震、余震序列进行了重新定位，确定九寨沟 MS7.0地震主震震中为 33.201°N、103.806°E，震源深度为20.4km。余震呈NWW-SEE向条带状分布，走向约150°，长度约42km。此次地震发生在青藏高原东缘巴颜喀拉块体的北边界东昆仑断裂带东端与东边界岷山构造带交汇区域（易桂喜等，2017）。震后，一些学者从不同学科的角度对九寨沟地震进行了研究（何畅等，2017；高曙德等，2017；杨博等，2017；徐东卓等，2017；姚鑫等，2017；刘芳等，2017）。何畅等（2017）利用成都台 GM4磁通门磁力仪秒采样资料，分析了九寨沟MS7.0地震前该台地磁谐波振幅比异常变化特征。高曙德等（2017）对九寨沟MS7.0地震前平凉地电阻率的异常变化进行了研究。杨博等（2017）利用 1999～2015年流动 GNSS观测资料及处理结果，分析了九寨沟MS7.0地震前区域水平形变场及其变化。虽然前人对此次地震进行了不同程度的研究，但绝大多数是从单一手段对此次地震进行分析的。

本文尝试综合考虑震中附近较大范围内的形变、电磁、流体3大学科的前兆异常，分析其时空演化特征，进一步了解地震的孕育过程，以期有助于加深对九寨沟地震前异常时空演化特征及力学机理的认识。由于九寨沟MS7.0地震的余震展布长度仅约42km（房立华等，2018），破裂尺度较短，因此本文采取以主震震中（33.201°N，103.806°E）为中心的圆形震中距来研究九寨沟地震前的前兆异常演化特征。由《中国震例》（张肇诚等，1990；陈棋福等，2002）可知，7级地震的孕震范围约在距震中500km以内，因此，本文以九寨沟地震震中为圆心，对震中距小于500km的前兆异常进行统计分析。

1 前兆异常概况

本文用到的前兆异常来自中国地震局下属各省、市、自治区地震局报送的《宏微观异常零报告表》。图1给出了震中距500km范围内的背景前兆测项空间分布。由图1可见，背景前兆测项主要分布在震中的东北方向和西南方向；在震中的西北、东南方向也有前兆观测，但数量较少。图2给出九寨沟MS7.0地震前形变、电磁、流体3大学科存在异常的前兆空间分布。从行政区看，前兆异常主要分布于四川、甘肃、宁夏、陕西和重庆境内。从构造块体看，前兆异常主要位于块体的边界，如青藏一级块体的东北缘、华北和华南一级块体的交界部位及川滇菱形二级块体的东北边界，另外，在华南块体的内部也存在一些异常。从异常出现时间来看，为九寨沟地震前1年内，异常主要分布于甘东南地区。图3给出了震中距小于500km的70项前兆异常的时间进程，其中，形变异常38项，流体异常20项，电磁异常12项；震前1年以上出现的异常53项，3个月～1年的中期异常9项，3个月内的短临异常8项。

图1 距九寨沟MS 7.0地震震中500km范围内的背景前兆测项

图2 距九寨沟MS 7.0地震震中500km范围内的前兆异常空间分布

图3 距九寨沟MS 7.0地震震中500km范围内前兆异常的时间进程

2 异常测项比随震中距的变化

由于前兆异常的空间分布不均匀性受前兆观测点的约束，为了刻画前兆异常随震中距变化的关系，定义前兆的异常测项数与背景测项数之比为异常测项比。表1、2给出不同统计方式下前兆的异常测项数、背景测项数及异常测项比。表1为逐步增加震中距的异常测项数、背景测项数和异常测项比。由表1可见，100km震中距范围内没有前兆异常，250～300km震中距范围内异常测项比较高，为8.6%～9.8%。震中距大于350km的区域比例趋于稳定，维持在7.5%左右。表2为每50km震中距范围内的异常测项数、背景测项数和异常测项比。由表2可见，不同震中距区域内异常测项比波动较大，200～250km震中距范围内异常测项比最高，达17.6%；250～500km范围内比例降低，为5.0%～8.2%。

表1 不同震中距范围内的前兆异常测项数、背景测项数及异常测项比

表2 不同震中距（每50km环形圈内）的前兆异常测项数、背景测项数及异常测项比

3 新增异常的数量、测项比随时间的变化

图4 不同震中距的新增异常数量随时间的变化

图5 不同震中距新增异常测项比随时间的变化

以震中距100、200、300、400、500km为统计范围，1年为窗长，半年为步长，分别计算新增前兆异常的数量、测项比随时间的变化（图4、5）。由图4可见，新增异常数量随震中距的增大而逐渐增加；从2015年开始新增前兆异常数量逐渐增加，到2016年年中达到最大，2016年7月后新增异常数量波动变化，九寨沟MS7.0地震震前半年新增异常数量下降。由图5可见，约从2014年年中开始200～500km不同震中距范围内新增异常测项比逐渐增加，2016年上半年比例达到最大，2016年下半年开始比例降低。另外，震中距300km范围内的新增异常测项比大于其它震中距的比例。

4 异常时空演化过程

图6为九寨沟MS7.0地震前异常开始时间t随震中距d的变化图。由图6可见，前兆异常的时空演化过程存在3个阶段，即α、β、γ阶段，α阶段为前兆异常从震中向外围扩展的过程，异常出现时间主要集中在震前1000天以上，α阶段又可分为α1、α2两个阶段，α1阶段的异常比α2阶段的异常距震中更近一些；β阶段为前兆异常分布在大范围地区，异常主要出现在震前500～1000天，无论震中距大小均出现异常；γ阶段的异常主要出现在震前500天内，又可分为γ1、γ2两个阶段，γ1阶段为前兆异常从震中外围向震中区收缩过程，而 γ2阶段为前兆异常从震中区向外围地区扩展的过程，即远源区异常向震中收缩过程为γ1阶段，近源区异常向外扩展过程为γ2阶段。

图6 九寨沟MS 7.0地震前异常开始时间随震中距变化的3个阶段

从前兆异常3个阶段的空间分布来看（图7），α阶段异常出现在距震中较远的区域（距震中300km以外），主要分布在震中的东北方向和西南方向；β阶段的异常，距震中100～500km范围内均有分布；γ1阶段的异常主要集中在震中距300～500km范围内，γ2阶段的异常均为形变异常，震中距在300km以内，γ1、γ2阶段的异常主要分布在震中的东北方向。以上异常主要分布在震中的东北方向和西南方向，这与前兆观测点分布不均匀也有一定关系。由图1可见，虽然在震中的4个方向前兆观测点分布不均，但都有观测点。因此，图7所示的前兆异常空间分布特征应该是真实的。

图7 九寨沟MS 7.0地震前3个阶段前兆异常空间分布

5 前兆异常时空演化过程的力学解释

为了解释地震前兆异常3个阶段的物理实质，冯德益（1983）提出可将前兆异常发生的3个阶段与地震孕育的3个阶段相联系。α阶段反映微破裂的发生、发展和串通。β阶段的前兆成因除了断层预滑外，还有其他因素，如大气压的突然变化，温度突变也可在较大范围内的许多观测点引起突变异常。王新华等（1984）认为前兆异常由震中向外围扩展是由裂纹的亚临界扩展所致。宋治平等（2000）通过对三维流变介质包体模型的理论研究表明，在地表产生的体应变具有3个阶段的特征，其中，α阶段为向外围扩散特征；β阶段为体应变极值区，即大范围出现前兆异常；γ阶段包含2个过程，即γ1阶段显示远源区的前兆异常向震中区收缩的特征，γ2阶段显示近源区的前兆异常向外围扩散的特征。许昭永等（1997）研究了在常应力加载的情况下，三维介质中嵌入硬包体的岩石破裂实验的应变场演变过程认为，地震孕育过程中存在3个阶段的变化过程。虽然实验结果与理论结果的条件并不完全相同，但两者确实存在一定的相似性。当区域介质受到加载后，区域应变场存在演变过程，这种演变过程是因有孕震体的存在而出现，但出现的前提是区域受到应力加载。

前人的研究发现，一些显著地震前存在前兆异常的3个阶段特征。如 1976年唐山7.8级地震前（冯德益，1983）、1998年张北6.2级地震前（宋治平等，2009）、2008年汶川8.0级地震前（张小涛等，2018）均表现出明显的前兆 α、β、γ三阶段特征。本文分析得到的九寨沟MS7.0地震前的前兆特征也符合这一规律。由此可见，地震孕育过程中前兆异常的3个阶段特征可能是普遍现象。

6 结论与讨论

通过对九寨沟MS7.0地震前前兆异常时空演化过程进行分析，发现其具有如下特点：

（1）九寨沟MS7.0地震前震中距100km范围内无前兆异常出现，但在100～500km震中距范围内存在一定数量的形变、电磁、流体异常，且以形变异常为主，异常主要分布在震中的东北、西南方向。

（2）在九寨沟MS7.0地震前2年左右（即2015年）新增前兆异常逐渐增多，2016年上半年新增异常数量达到最大。另外，震中距300km范围内的新增异常测项比明显高于其它震中距的比例。

（3）九寨沟MS7.0地震前前兆异常时空演化存在3个阶段的不同变化过程，分析认为，α阶段（震前1000天以上）的异常主要分布在震中东北方向和西南方向；β阶段（震前500～1000天）的异常表现为较大范围出现异常；γ阶段（包括 γ1和 γ2，震前500天内）的异常分布在震中的东北方向，表现为远源区的异常向震中收缩过程（γ1）和近源区的异常向外扩展的过程（γ2）。通过与其他震例对比分析发现，前兆异常的3个阶段特征可能是大震前的共性特征。

（4）前兆异常的3个阶段特征对地震预测研究具有一定指导作用，震前不同震中距前兆异常数量的显著增加对区域是否发生大震和大震发生时间的判断有较好的指示意义。

此外，本文所用到的前兆异常是否都与九寨沟地震有关，还存在一定的争议。本文试图从震前大范围客观存在的前兆观测异常事实来提取有意义的现象，以期对今后的地震预测研究有一定的借鉴作用。

致谢：笔者在此对审稿人提出的修改建议表示衷心的感谢。