廖麗霞,關(guān)玉梅,葉曉明

(福建省地震局,福州 350003)

前兆場(chǎng)變化在地震空間位置判斷上的應(yīng)用＊

廖麗霞,關(guān)玉梅,葉曉明

(福建省地震局,福州 350003)

運(yùn)用福建前兆觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)資料,分析了形變應(yīng)力場(chǎng)和水位震后效應(yīng)場(chǎng)等前兆場(chǎng)的空間變化規(guī)律與福建區(qū)域地震的相關(guān)性。結(jié)果顯示,福建多次ML＞4.5地震的孕育過(guò)程均伴隨著形變應(yīng)力及水位震后效應(yīng)的成場(chǎng)。研究認(rèn)為,當(dāng)形變應(yīng)力場(chǎng)與水位震后效應(yīng)場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律趨于一致時(shí),這一區(qū)域就具備發(fā)生中強(qiáng)以上地震的背景條件,跟蹤分析形變應(yīng)力場(chǎng)及水位震后效應(yīng)場(chǎng)的空間遷移規(guī)律,可對(duì)未來(lái)發(fā)生的地震的空間位置做出較為準(zhǔn)確的判斷。

前兆場(chǎng);應(yīng)力場(chǎng);水位震后效應(yīng);遷移規(guī)律;福建地區(qū)

0 引言

地震從孕育到發(fā)生的過(guò)程也是一個(gè)能量從積累到釋放的過(guò)程。在地震孕育過(guò)程中,環(huán)境應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化,各種地震前兆場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化。目前人們分析、預(yù)報(bào)地震和總結(jié)震例更多的是從各種前兆測(cè)項(xiàng)的異常數(shù)量、異常幅度、異常持續(xù)時(shí)間及異常的時(shí)間和空間分布與地震的相關(guān)性這一角度來(lái)進(jìn)行(蔣海昆等,2009;張肇誠(chéng),1988,1990a,b,1999,2000;陳棋福,2002a,b,c),較少?gòu)那罢讏?chǎng)的概念入手。從場(chǎng)的角度分析得最多的是 GPS觀測(cè)資料的運(yùn)用,如人們常用 GPS觀測(cè)結(jié)果分析中國(guó)大陸現(xiàn)今水平應(yīng)變場(chǎng)和長(zhǎng)趨勢(shì)垂直構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)(楊國(guó)華等,2002;顧國(guó)華,2005),還對(duì)中國(guó)大陸現(xiàn)今應(yīng)變場(chǎng)動(dòng)態(tài)做了研究(郭良遷等,2008)。這些研究都是從大區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的角度出發(fā),較少結(jié)合地震活動(dòng)性進(jìn)行分析,而是側(cè)重于地殼或板塊運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)。楊仕升等(2004)曾將環(huán)境剪應(yīng)力場(chǎng)與區(qū)域地震活動(dòng)性做了相關(guān)性分析;李強(qiáng)等(2005)則對(duì)環(huán)境應(yīng)力值在地震空區(qū)形成到臨近地震及前震發(fā)生時(shí)的變化情況做了分析;王曉強(qiáng)等(2009)對(duì)新疆巴楚—伽師 6.8級(jí)地震前的剪應(yīng)力進(jìn)行了分析。這些分析表明在地震孕育和發(fā)生的同時(shí)環(huán)境應(yīng)力場(chǎng)確實(shí)發(fā)生了同步變化。本文運(yùn)用福建前兆觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)資料,從流體水位測(cè)項(xiàng)、形變伸縮儀、鉆孔體應(yīng)變、跨斷層短水準(zhǔn)等測(cè)項(xiàng)在應(yīng)力作用下成場(chǎng)的空間變化與福建區(qū)域地震的相關(guān)性分析入手,以期利用前兆場(chǎng)的空間變化規(guī)律對(duì)未來(lái)地震的發(fā)震地點(diǎn)做出準(zhǔn)確判斷。

為了便于分析,筆者做如下定義:如果相鄰的 3個(gè)以上(含 3個(gè))水井水位震后效應(yīng)形態(tài)一致從而形成一個(gè)水位階躍上升(或下降)的集中區(qū),我們就稱之為水位震后效應(yīng)場(chǎng)。同樣地,如果相鄰的 3個(gè)以上(含 3個(gè))形變應(yīng)力測(cè)點(diǎn)在趨勢(shì)上均呈一致的受壓或拉張狀態(tài),我們就稱之為形變壓應(yīng)力場(chǎng)或張應(yīng)力場(chǎng)。我們將所有這些前兆測(cè)項(xiàng)在應(yīng)力作用下形成的場(chǎng)統(tǒng)稱為前兆場(chǎng)。

1 福建前兆觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)概況及分析資料的選取

福建省地震局沿NW和NE兩組主要的構(gòu)造斷裂帶布設(shè)了密度較大的前兆觀測(cè)臺(tái)網(wǎng),包括地下流體、地殼形變和磁電 3大學(xué)科 13種觀測(cè)手段,觀測(cè)形式有 24小時(shí)連續(xù)自動(dòng)記錄的數(shù)字化觀測(cè)和模擬觀測(cè)。地下流體學(xué)科目前共有 37個(gè)觀測(cè)點(diǎn)、111個(gè)臺(tái)項(xiàng),觀測(cè)手段主要有氡、水質(zhì)、水位、水溫等;地殼形變學(xué)科有 13個(gè)流動(dòng)跨斷層短水準(zhǔn)場(chǎng)地、122個(gè)流動(dòng)重力測(cè)段、40個(gè)定點(diǎn)臺(tái)項(xiàng),定點(diǎn)觀測(cè)手段主要有 GPS、鉆孔應(yīng)變、地傾斜、洞體應(yīng)變、重力、跨斷層短水準(zhǔn)等;磁電學(xué)科目前共有20個(gè)定點(diǎn)臺(tái)項(xiàng)、39個(gè)流動(dòng)地磁測(cè)點(diǎn),觀測(cè)手段主要有電磁波、磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁偏角。

近兩年來(lái),全省各地磁觀測(cè)臺(tái)均受周邊基建及臺(tái)站本身遷移改造影響,資料信度不高,而且電磁波反映的多是短臨地震異常,因此磁電學(xué)科資料不參與場(chǎng)的分析。由于水位觀測(cè)與形變觀測(cè)得到的一致性變化應(yīng)該與環(huán)境應(yīng)力場(chǎng)的變化有關(guān),因此本文主要對(duì)水位及各種應(yīng)變資料進(jìn)行分析。由于水位受降雨影響較大,其趨勢(shì)變化更多的是體現(xiàn)年變及降雨,故本文不統(tǒng)計(jì)水位的趨勢(shì)變化,只統(tǒng)計(jì)水位的震后效應(yīng)。而漳州臺(tái)體應(yīng)變受降雨影響較大,其趨勢(shì)變化更多的是體現(xiàn)年變及降雨,因此也不列入統(tǒng)計(jì)范圍。

2 思路和方法

地球上絕大多數(shù)地震都是構(gòu)造地震,是斷層錯(cuò)動(dòng)造成的(徐果明,周蕙蘭,1982)。地震孕育過(guò)程中,在區(qū)域應(yīng)力和震源應(yīng)力的共同作用下,大區(qū)域范圍內(nèi)地殼的不同層位巖石的構(gòu)造應(yīng)力會(huì)發(fā)生明顯的變化。在一定的構(gòu)造部位上,壓應(yīng)力增強(qiáng),而在另一些部位,則張應(yīng)力增強(qiáng)(中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司,2004)。大區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)提供了孕震背景,局部應(yīng)力場(chǎng)則與強(qiáng)震孕育關(guān)系密切,它促進(jìn)了強(qiáng)震的形成和發(fā)育(郭良遷等,2008)。因此統(tǒng)計(jì)分析形變學(xué)科各測(cè)項(xiàng)壓應(yīng)力和張應(yīng)力在不同時(shí)期相對(duì)集中的空間分布情況,結(jié)合同期發(fā)生的地震事件,就可了解局部應(yīng)力場(chǎng)的變化情況與發(fā)震地點(diǎn)的相關(guān)性,從而對(duì)未來(lái)地震的發(fā)震地點(diǎn)做出一定程度的預(yù)測(cè)。

由于地下流體中水位與應(yīng)力的物理相關(guān)性很明確——受壓則上升,受拉張則下降,因此水位的觀測(cè)對(duì)象實(shí)際上是體應(yīng)變。但水位的干擾因素很多,其測(cè)值短時(shí)間上升或下降并不全是構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)受壓或拉張的真實(shí)體現(xiàn),大多數(shù)是降雨、外界環(huán)境干擾或觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)故障引起的,因此區(qū)域應(yīng)力變化不能僅憑水位測(cè)值的階段性上升或下降來(lái)分析。近年來(lái)全球 8級(jí)強(qiáng)震頻發(fā),福建地區(qū)中強(qiáng)地震頻度也增大。筆者注意到,在大區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)相同并且沒有降雨的情況下,同一次地震事件引起的各水井水位的同震效應(yīng)和震后效應(yīng)大不相同,表現(xiàn)為水震波、階升及階降等形式。水震波是地震波在傳播路途中,含水層發(fā)生應(yīng)變波動(dòng)性變化在井孔水面上的響應(yīng)。波動(dòng)性應(yīng)變一般以彈性形變?yōu)橹?主要是對(duì)地震波的反映。但是,有理由認(rèn)為水位的階升和階降可能與水井所在區(qū)域的局部應(yīng)力有關(guān),而當(dāng)多個(gè)水井水位階升和階降呈相對(duì)集中分布時(shí),很可能就是局部應(yīng)力場(chǎng)異常的體現(xiàn)(廖麗霞等,2009)。因此統(tǒng)計(jì)分析不同時(shí)期井水位震后階升和階降的空間分布情況,就有可能對(duì)未來(lái)地震的發(fā)震地點(diǎn)做出一定程度的預(yù)測(cè)。

3 對(duì)比與分析

3.1 水位震后效應(yīng)場(chǎng)分析

震后效應(yīng)是地震發(fā)生后,在某一地塊或斷裂上井孔含水層由于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)和地震波傳播形成的附加應(yīng)力場(chǎng)的迭加引起的變化。這種變化包含著區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力的信息,一般以彈塑性或塑性變化為主。筆者曾追蹤福建省水位觀測(cè)井對(duì)多次遠(yuǎn)、大地震的震后效應(yīng)的時(shí)空演化特征,并結(jié)合福建地區(qū)同期發(fā)生的地震事件進(jìn)行分析,認(rèn)為水位階躍上升集中區(qū)可能是區(qū)域應(yīng)力相對(duì)集中區(qū),也可能就是未來(lái)的發(fā)震地點(diǎn)(廖麗霞等,2009)。2007年以來(lái),福建地區(qū)的多次中等強(qiáng)度的地震均發(fā)生在全球范圍內(nèi)的巨震或大震后水位階躍上升井孔所圍成的空間區(qū)域范圍即水位震后效應(yīng)場(chǎng)內(nèi),如 2004年印尼MS8.7地震后,在福建地區(qū)形成的后效水位階躍上升井孔就有規(guī)律地集中在永安—晉江斷裂帶 NE向地段(圖 1中橢圓部分)(廖麗霞,王玫玲,2008),這一水位震后效應(yīng)場(chǎng)在隨后的全球大震中一直存在,而 2007年福建順昌ML4.9及ML4.7地震和永春ML4.6地震也發(fā)生在這一水位階升集中區(qū)內(nèi)。這一系列地震發(fā)生后該水位震后效應(yīng)場(chǎng)消失。2008年汶川MS8.0地震發(fā)生后,漳廈地區(qū)、古田水口庫(kù)區(qū)(圖 2中橢圓部分)又形成一大一小兩個(gè)后效水位階升集中區(qū),筆者曾據(jù)此及其它前兆指標(biāo)在 2008年福建省地震局年中會(huì)商會(huì)上提出,2008年下半年將會(huì)在漳廈地區(qū)發(fā)生 ML4.5地震,2008年7月 5日長(zhǎng)泰ML4.6地震印證了這一判斷。

圖1 福建水位觀測(cè)網(wǎng)對(duì) 2004年印尼MS8.7巨震的遠(yuǎn)震效應(yīng)空間分布圖Fig.1 Coseis mic water-level response ofwells in Fujian subsurface fluid network to Indonesia MS8.7 earthquake in 2004

圖2 福建水位觀測(cè)網(wǎng)對(duì) 2008年汶川MS8.0地震的遠(yuǎn)震效應(yīng)空間分布圖Fig.2 Coseis mic water-level response ofwells in Fujian subsurface fluid network to Wenchuan MS8.0 earthquake

3.2 形變場(chǎng)分析

筆者利用福建省流動(dòng)跨斷層短水準(zhǔn)和定點(diǎn)形變的伸縮儀和鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)資料,統(tǒng)計(jì)分析各臺(tái)項(xiàng)的趨勢(shì)受力情況。圖 3是 2007～2008年福建地區(qū)壓應(yīng)力和張應(yīng)力的空間分布情況。從圖 3可以看出近兩年來(lái),福建地區(qū)壓應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)為由北向南和由西向東遷移并在閩南地區(qū)集中的規(guī)律。2007年至 2008年上半年,福建地區(qū)壓應(yīng)力場(chǎng)主要分布在鄭和—海豐斷裂帶及長(zhǎng)詔斷裂帶北段,而這一時(shí)間段內(nèi)福建地區(qū)發(fā)生的地震如 2007年3月 13日順昌ML4.9及 ML4.7地震、2008年3月 6日古田ML4.8地震就發(fā)生在壓應(yīng)力場(chǎng)集中的區(qū)域。2008年下半年,福建地區(qū)壓應(yīng)力場(chǎng)主要分布在閩南地區(qū),2008年7月 5日長(zhǎng)泰ML4.6地震同樣發(fā)生在壓應(yīng)力場(chǎng)集中的區(qū)域。

圖3 2007～2008年福建省形變觀測(cè)網(wǎng)形變場(chǎng)空間遷移圖(a)2007年4月至 2008年4月;(b)2008年4月至 2008年8月Fig.3 Space migration of defo rmation field in Fujian deformation network from 2007 to 2008(a)from April 2007 to April 2008;(b)from April 2008 to August 2008

3.3 地震震中位置遷移分析

2007～2008年,福建內(nèi)陸共發(fā)生 ML4.5以上地震 5次,分別是 2007年3月 13日順昌ML4.9及ML4.7地震、2007年8月 29日永春 ML4.6地震、2008年3月 6日古田 ML4.8地震、2008年7月 5日長(zhǎng)泰ML4.6地震。由圖 4可見這些地震的震中位置由北向南遷移(圖中箭頭所指方向),這一規(guī)律與水位震后效應(yīng)場(chǎng)及形變壓應(yīng)力場(chǎng)的遷移規(guī)律是一致的。

圖4 2007～2008年福建內(nèi)陸發(fā)生的ML＞4.5地震震中位置遷移圖Fig.4 Epicentralmigration ofML＞4.5 earthquakes occurred in Fujian area from 2007 to 2008

4 結(jié)論和討論

前兆場(chǎng)的形成及地震事件的發(fā)生均是同一區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果。地震孕育過(guò)程中,與應(yīng)力相關(guān)的前兆測(cè)項(xiàng)如形變的伸縮儀、鉆孔體應(yīng)變、跨斷層短水準(zhǔn)及流體的水位會(huì)在應(yīng)力作用下在一定區(qū)域范圍內(nèi)變化并趨于一致,最后成場(chǎng),當(dāng)形變應(yīng)力場(chǎng)與水位震后效應(yīng)場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律趨于一致時(shí),這一區(qū)域就具備發(fā)生中強(qiáng)以上地震的背景條件。追蹤分析形變應(yīng)力場(chǎng)及水位震后效應(yīng)場(chǎng)的空間遷移規(guī)律,就有可能對(duì)未來(lái)地震的空間位置作出較為準(zhǔn)確的判斷。

隨著 “九五”、“十五”前兆觀測(cè)儀器數(shù)字化進(jìn)程的不斷推進(jìn),我們獲取的前兆信息量飛速遞增。由于數(shù)字化觀測(cè)系統(tǒng)將地震監(jiān)測(cè)到地震預(yù)報(bào)的每一個(gè)工作環(huán)節(jié)都串到一起,從而大大縮短了數(shù)據(jù)從獲取到應(yīng)用的周期,但系統(tǒng)中的每個(gè)環(huán)節(jié)都可能影響觀測(cè)資料的質(zhì)量。實(shí)際上目前觀測(cè)資料所反映的絕大多數(shù) “異常”均與地震無(wú)關(guān),而是由電源系統(tǒng)、儀器觀測(cè)系統(tǒng)、觀測(cè)環(huán)境及人為干擾等引起的(廖麗霞等,2007)。只有充分運(yùn)用各種前兆資料,從場(chǎng)的角度進(jìn)行分析,動(dòng)態(tài)跟蹤各前兆應(yīng)力是否成場(chǎng)及其隨后的遷移演化規(guī)律,在應(yīng)力成場(chǎng)而不是呈無(wú)序狀態(tài)的前提下再動(dòng)態(tài)跟蹤各前兆測(cè)項(xiàng)的變化規(guī)律,從中提取短臨異常,并結(jié)合以往震例,才能對(duì)地震作出較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。

本文只是筆者從場(chǎng)的角度分析孕震地點(diǎn)的一種嘗試,由于目前取得的震例還不多,所得結(jié)論應(yīng)在今后更多的震例中不斷加以驗(yàn)證。

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Application of the Variation of Precursory Field to the Prediction of the Location of earthquakes

L IAO L i-xia,Guan Yu-m ei,YE X iao-m ing
(Earthquake Adm inistration of Fujian Province,Fuzhou350003,Fujian,China)

We analyze the relation be tw een the precursory fields such as the deform ation stress field and the post-seism ic effect field of w ater level w ith the earthquakes ever occurred in Fujian area on the basis of the data from the precursor netw ork in Fujian Province,and find that m any ML4.5earthquakes occurred in Fujian area w ere accompanied by the form ation of the deform ation stress field and post-seism ic effect field of w ater level.W hen the m igration of the field of post-seism ic effect of w ater level and field of deform ation stress are identical,the related area has the probability of m edium-strong earthquakes'occurrence.A nalyzing the m igration of post-seism ic effect of w ater level and crustal deform ation,w e m ay predict the location of the earthquakes.

precursory field; stress field;w ater-level post-seism ic effect;m igration patterns;Fujian area

P315.75

A

1000-0666(2011)01-0019-05

2010-01-27.

2009國(guó)家自然基金“基于流體地球化學(xué)探討天山地區(qū)泥火山成因及其活動(dòng)與地殼變形作用”(40962006)資助.