王 俊，繆阿麗，李軍輝，何 康，鄭海剛，洪德全，徐如剛，楊源源

(1.安徽省地震局，安徽 合肥 230031；2.大別山地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，安徽 六安 237000；3.江蘇省地震局，江蘇 南京 210014)

0 引言

2011年1月19日12時(shí)7分42秒，安徽省安慶市轄區(qū)與懷寧縣交界處(30.65°N，117.12°E)發(fā)生M4.8地震(以下簡(jiǎn)稱安慶地震)，震源深度5 km，宏觀震中位于安慶市宜秀區(qū)楊橋鎮(zhèn)，極震區(qū)烈度為Ⅵ度，震后除安慶地區(qū)外，貴池、蕪湖、合肥、馬鞍山地區(qū)震感強(qiáng)烈，甚至南京、武漢等地也有輕微震感(孫業(yè)君，周云好，2011)。該地震是32年來安徽省內(nèi)最大的一次地震，震前安徽省地震局有明確的預(yù)測(cè)意見：“安徽省2011年中小地震將有所活躍，應(yīng)注意安徽中部地區(qū)發(fā)生M4.5左右地震的可能。”并根據(jù)馬鞍山皖27井、安慶皖23井、霍山皖33井水位等突變異常特征，于2010年12月17日填報(bào)了為期3個(gè)月的短期預(yù)測(cè)意見。

2011年安慶地震前，蘇皖交界地區(qū)出現(xiàn)多項(xiàng)前兆異常。而地震前兆異常具有一定的規(guī)律性和復(fù)雜性(張國(guó)民等，2005)，因此每個(gè)地震都存在共性與差異性。不斷總結(jié)每次地震前觀測(cè)到的前兆異?，F(xiàn)象和規(guī)律，不僅豐富了震例資料，還提升了對(duì)地震孕育過程的認(rèn)識(shí)。近年來，蘇皖地區(qū)發(fā)生了多次中等以上地震，繆阿麗等(2016)對(duì)2016年射陽M4.4地震前地下流體典型異常特征及機(jī)理進(jìn)行了分析；王維等(2016)對(duì)2012年高郵M4.9地震前水位群體異常進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，這兩次地震前流體異常具有一些共性和差異性特征，但這僅分析了震前的流體異常特征。若可以基于更多的震例及震前多學(xué)科前兆異常進(jìn)行分析研究，對(duì)于地震的孕育、發(fā)生過程的認(rèn)識(shí)會(huì)更加全面。

本文旨在對(duì)安慶地震前出現(xiàn)的流體、形變、地電異常特征進(jìn)行回溯性分析，真實(shí)地反映地震前記錄的異常，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)安徽中強(qiáng)震孕育、發(fā)生過程的認(rèn)識(shí)。

1 震前蘇、皖典型前兆異常特征

《中國(guó)震例》(蔣海昆，車時(shí)，2014)按時(shí)間發(fā)展進(jìn)程將地震異常分為L(zhǎng)長(zhǎng)趨勢(shì)背景異常(震前5年以上)、A中期背景性異常(震前0.5～5年)、B短期趨勢(shì)異常(震前1～6個(gè)月)及C臨震異常(震前1個(gè)月內(nèi))等4個(gè)階段類別；異常信度分為Ⅰ(可靠)、Ⅱ(較可靠)、Ⅲ(參考)3個(gè)等級(jí)。本文按照《中國(guó)震例》對(duì)異常時(shí)間的定義，進(jìn)行歸納總結(jié)。

安慶地震發(fā)生在皖西南地區(qū)，震中400 km范圍內(nèi)，涉及到安徽、江蘇、浙江、江西、湖北、河南等區(qū)域的98個(gè)觀測(cè)臺(tái)站(點(diǎn))、236個(gè)測(cè)項(xiàng)(圖1)，有水位、水溫、水氡、氣氡、電磁波、地磁、地電場(chǎng)、地電阻率、水平擺、垂直擺、水管傾斜、伸縮儀、洞體應(yīng)變、體應(yīng)變、鉆孔應(yīng)變、斷層水準(zhǔn)、自然電位等17個(gè)觀測(cè)項(xiàng)。

安慶地震前，17個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的18個(gè)前兆測(cè)項(xiàng)先后出現(xiàn)異常變化(圖1，表1，2)。本文根據(jù)異常出現(xiàn)先后順序進(jìn)行了分類，對(duì)異常的時(shí)間進(jìn)程進(jìn)行了分析。時(shí)間上，以中期流體趨勢(shì)異常為主(占異常項(xiàng)次61%)，短期的水位、水溫下降異常(占異常項(xiàng)次17%)與地形變、水位臨震異常(占異常項(xiàng)次17%)相配套?？臻g上，定點(diǎn)前兆異常分布較廣，集中在0～250 km范圍內(nèi)(表1)。

表1 安慶地震震中附近觀測(cè)臺(tái)站及前兆異常表

圖1 安慶地震震中及前兆異常觀測(cè)點(diǎn)分布圖

1.1 中期異常

蘇皖交界地區(qū)以往震例總結(jié)顯示，地震前兆異常以地下流體中期異常為主。安慶地震前中期異常共12項(xiàng)，其中地下流體(水位、水溫)異常有10項(xiàng)，占83.3%，這充分體現(xiàn)了該地震前地下流體場(chǎng)在中強(qiáng)震孕育過程中對(duì)地殼應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)響應(yīng)過程較為突出。震中100～200 km范圍內(nèi)的合肥臺(tái)地電阻率、肥東臺(tái)定點(diǎn)短水準(zhǔn)出現(xiàn)同步異常變化。上述這些中期異常表現(xiàn)以趨勢(shì)上升或下降過程為主，異常持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，以震前2年或2年以上的異常居多。從異常出現(xiàn)的時(shí)空特征來看，靠近震中的定遠(yuǎn)皖04井水位出現(xiàn)上升變化，距震前1年左右，外圍多個(gè)水位觀測(cè)站水位出現(xiàn)下降變化，與此同時(shí)，震中附近的水溫出現(xiàn)加速上升變化。以上中期異常的起始時(shí)間表現(xiàn)出從震源區(qū)向外圍擴(kuò)散，向震中的遷移性特征。

1.1.1 水位異常

安慶地震前水位中期異常主要表現(xiàn)為趨勢(shì)下降和趨勢(shì)上升(圖2)。從時(shí)間進(jìn)程上看，水位趨勢(shì)上升異常出現(xiàn)時(shí)間早于趨勢(shì)下降異常，如定遠(yuǎn)皖04井水位總體呈上升趨勢(shì)，但從2007年8月開始上升速率變小(2006年定遠(yuǎn)M4.2地震前，該井水位上升速率于2005年開始變小，與本次情況類似)，而最早出現(xiàn)下降的五河女山井水位是于2009年1月開始的。從空間分布上看，距震中較遠(yuǎn)的宿遷蘇05井、五河女山井、姜堰蘇10井及武進(jìn)蘇19井水位表現(xiàn)為下降變化，而相對(duì)靠近震中的定遠(yuǎn)皖04井、巢湖皖14井及丹徒蘇18井水位、南京江浦臺(tái)流量為上升變化(圖2a，b)。值得注意的是2005年九江M5.7地震前，江浦臺(tái)流量也呈上升趨勢(shì)(圖2b)。進(jìn)入臨震階段，大部分水位趨勢(shì)上升異常開始轉(zhuǎn)折下降(圖2b，c，d)，且趨勢(shì)下降速率進(jìn)一步增大(圖2e，f)，這符合Mjachkin等(1975)提出的裂隙串通(IPE)模型理論，即進(jìn)入臨震階段，在構(gòu)造應(yīng)力的持續(xù)作用下，微裂隙劇烈增加，小裂隙發(fā)育成較大的裂縫，介質(zhì)的不均勻性會(huì)導(dǎo)致大裂縫加速擴(kuò)容，導(dǎo)致水位下降或加速下降(李利波等，2016)。

圖2 安慶地震前后部分水位中期異常特征曲線

Fig.2 The mid-term anomaly characteristic curve of some water level before and after AnqingM4.8 earthquake

1.1.2 水溫異常

安慶地震前的2項(xiàng)水溫中期異常均表現(xiàn)為趨勢(shì)上升(上升速率增大)，進(jìn)入臨震階段，水溫轉(zhuǎn)為平穩(wěn)變化狀態(tài)，隨后發(fā)震。如無為皖24井水溫從2010年1月15日開始，上升速率明顯加快，由原來的0.000 8 °C/d上升至0.001 5 °C/d，至2011年1月1日恢復(fù)，之后發(fā)震。在2012年高郵M4.9地震前，該井水溫上升速率再次增大，與本次地震前異常具有相似性(圖3a)；巢湖皖14井于2010年4月15日開始，水溫出現(xiàn)快速上升變化，至2010年8月7日轉(zhuǎn)平，隨后緩慢下降，在下降恢復(fù)過程中發(fā)生安慶地震(圖3b)。

圖3 安慶地震前后水溫中期異常特征曲線

1.1.3 地電阻率異常

安慶地震震中400 km范圍內(nèi)僅靠近震中的合肥臺(tái)出現(xiàn)地電阻率異常，為中期異常，信度高。合肥臺(tái)NE向地電阻率于2010年5月開始出現(xiàn)反常變化，在梅雨季節(jié)未出現(xiàn)正常規(guī)律下降，反而持續(xù)上升(圖4)。在2010年8月沒有出現(xiàn)往年同期的極小值，卻出現(xiàn)了極大值，呈明顯的破年變異?，F(xiàn)象，震后異常逐漸恢復(fù)。李軍輝等(2013)研究得出，在安慶地震前29 d，大陸東部出現(xiàn)較明顯地磁低點(diǎn)位移異常，分界線沿安徽金寨、山東新沂、大山等臺(tái)站，這種地磁場(chǎng)的變化可能與安慶地震的孕育、發(fā)生相關(guān)聯(lián)。

圖4 安慶地震前后合肥臺(tái)地電阻率變化特征曲線

1.1.4 地形變異常

震源區(qū)定點(diǎn)地形變觀測(cè)站僅出現(xiàn)1項(xiàng)中短期異常變化，為肥東臺(tái)定點(diǎn)短水準(zhǔn)中期趨勢(shì)下降異常。自投入觀測(cè)以來，肥東臺(tái)短水準(zhǔn)高差逐漸變大，2009年11月20日該測(cè)線基巖標(biāo)A點(diǎn)出現(xiàn)反向下降變化，至2010年8月10日高差累計(jì)減小2.96 mm，之后又增大恢復(fù)，在恢復(fù)過程中發(fā)生安慶地震(圖5)。定點(diǎn)跨斷層短水準(zhǔn)是直接測(cè)量斷層位移的，其觀測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠，它的下降可能反映了短期內(nèi)局部斷裂的蠕動(dòng)現(xiàn)象(黃英等，2015)。

圖5 安慶地震前后肥東臺(tái)定點(diǎn)短水準(zhǔn)變化特征曲線

Fig.5 The fixed point short level characteristic curve of Feidong station before and after Anqing earthquake

徐如剛等(2011)根據(jù)2010年5月和9月的2期重力場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行了差分處理，得出2010年9月重力場(chǎng)差分動(dòng)態(tài)異常。中期階段，震中西側(cè)區(qū)域出現(xiàn)顯著的重力值變化(圖6a)，短期階段，西側(cè)重力值恢復(fù)正常而震中附近出現(xiàn)明顯梯級(jí)帶特征。而重力梯級(jí)帶，特別是位于重力相對(duì)較大變化的部位，容易產(chǎn)生剪切應(yīng)力而發(fā)震，為地震的發(fā)生提供了破裂條件和能量(申重陽等，2009；徐如剛等，2011)。

1.2 短、臨突降異常

一般認(rèn)為獲取臨震異常是預(yù)測(cè)地震發(fā)生時(shí)間的有效手段(劉耀煒等，2004)。安慶地震發(fā)生前，水位短、臨異常突出。從2010年10月初(震前3個(gè)多月)開始，馬鞍山皖27井、安慶皖23井水位及宿遷蘇05井水溫都出現(xiàn)了明顯的短期同步突降異常變化(圖7a～c)。進(jìn)入臨震階段，黃山臺(tái)鉆孔應(yīng)變、涇縣臺(tái)水管傾斜超限、霍山皖33井水位(圖7d)出現(xiàn)先突降后緩降的異常變化。時(shí)間上，這些短臨異常變化具有同步、協(xié)調(diào)性特征；空間上，除宿遷蘇05井水溫觀測(cè)站震中距較大，其他異常觀測(cè)站均位于震中200 km范圍內(nèi)。在孕震初期，異常向外圍擴(kuò)散，進(jìn)入臨震階段，異常由外圍向震中遷移(圖1)。從異常演化特征分析，馬鞍山皖27井、安慶皖23井沿樅陽—宿松斷裂分布，異常出現(xiàn)的時(shí)間早于其他短臨異常，且安慶、宿遷、涇縣、黃山及霍山觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)在臨震階段表現(xiàn)為異常結(jié)束或下降速率減緩特征。下面對(duì)部分觀測(cè)點(diǎn)異常進(jìn)行介紹。

(1)馬鞍山皖27井水位快速下降

皖27井于2008年9月開始數(shù)字化觀測(cè)，觀測(cè)以來水位總體變化平穩(wěn)，年變幅約60 cm。2010年10月5日開始水位大幅度、快速下降，至2011年1月18日下降幅度達(dá)1.9 m，在水位最低值時(shí)發(fā)生安慶地震，震后又快速回升(圖7a)。

圖6 安慶地震前2010年5月(a)和9月(b)重力場(chǎng)差分異常圖(據(jù)徐如剛等(2011)修改)

圖7 安慶地震前水位，水溫短、臨異常時(shí)間曲線

(2)安慶皖23井水位加速下降異常

皖23井于2007年9月2日開始數(shù)字化水位觀測(cè)，記錄具有規(guī)則的年變動(dòng)態(tài)，年變幅度為35～80 cm。2010年10月9日水位開始快速下降，后緩慢下降，在下降過程中發(fā)震，異常幅度約45 cm，震后繼續(xù)下降(圖7b)。時(shí)間上與馬鞍山皖27井水位異常變化同步；構(gòu)造上兩者相關(guān)聯(lián)，均位于樅陽—宿松斷裂近側(cè)(圖1)。

(3)宿遷蘇05井水溫下降異常

蘇05井水溫為趨勢(shì)上升型動(dòng)態(tài)變化，2010年11月5日水溫出現(xiàn)轉(zhuǎn)折下降變化，至2010年12月25日累計(jì)下降0.1°C，后在上升恢復(fù)過程中發(fā)生安慶地震(圖7c)，震后異常繼續(xù)上升恢復(fù)到正常趨勢(shì)狀態(tài)，該井水溫映震特征為短期下降異常，如2012年高郵M4.9地震前(圖7c)。

(4)霍山皖33井水位突降異常

皖33井水位日變幅1～2 cm，固體潮清晰，觀測(cè)資料表明，該井映震表現(xiàn)是水位突升或突降異常，為短臨異常。該井水位于2010年12月8日突降約6.5 cm，12月9日繼續(xù)緩慢下降，在下降過程中發(fā)生了安慶地震，震后水位繼續(xù)下降(圖7d)。

2 前兆異常特征分析

2.1 時(shí)間進(jìn)程中的配套性和階段性

在安慶地震孕育過程中，尤其是地下流體(水位、水溫)前兆異常表現(xiàn)為中期、短期及臨震異常的時(shí)間進(jìn)程中的配套性和階段性。配套性出現(xiàn)為：中期階段，震中附近的定遠(yuǎn)皖04井水位出現(xiàn)上升變化，震前1年，距震中最遠(yuǎn)的宿遷蘇05井水位出現(xiàn)下降變化，震前半年至3個(gè)月的中短期階段，安慶皖23井、馬鞍山皖27井水位出現(xiàn)大幅度下降變化，震前1個(gè)月的短臨階段，震源區(qū)的霍山皖33井水位出現(xiàn)突降變化。這種時(shí)間進(jìn)程上的配套性是地下流體前兆異常的主要特征之一(劉耀煒，施錦，2000)。階段性表現(xiàn)為：安慶地震前以地下流體(均為水物理測(cè)項(xiàng))異常為主，兼有地形變、地電阻率異常。從圖8a可以看出最先出現(xiàn)的是水位趨勢(shì)上升異常，但只有1項(xiàng)。震前12個(gè)月前兆異常月頻次逐漸增加，異常種類增加，出現(xiàn)地形變、地電阻率等異常；震前9個(gè)月異常數(shù)量相對(duì)平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)明顯增加，震前3個(gè)月異常項(xiàng)快速增加；震前1.5個(gè)月，異常月頻次開始轉(zhuǎn)折下降，即進(jìn)入臨震階段部分異常結(jié)束，異常項(xiàng)減少。以上異常的時(shí)間進(jìn)程表明，安慶地震的孕育過程主要受區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的統(tǒng)一作用。因此，時(shí)間進(jìn)程上的中、短、臨的配套過程以及前兆異常月頻次的加速、轉(zhuǎn)折的階段性特征，對(duì)準(zhǔn)確把握地震的發(fā)生時(shí)間具有重要參考意義(李瓊等，2016；張立等，2016)。

2.2 空間演化過程的協(xié)調(diào)性

由前兆異常時(shí)空演化圖(圖8b)可知，本次地震前兆異常分布于震中0～400 km空間范圍，但主要集中于0～250 km，有12個(gè)觀測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)異常變化，占異常測(cè)項(xiàng)比66.7%；距震中250～400 km有6個(gè)測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)異常變化，占異常測(cè)項(xiàng)比33.3%。這表明，靠近震中異常變化呈顯著的群體性、同步性特征?？臻g上，前兆異常主要集中郯廬斷裂帶西側(cè)。中期階段，起始異常是定遠(yuǎn)皖04井，隨后異常沿郯廬斷裂帶向外圍擴(kuò)散、遷移；進(jìn)入中短期階段，異常沿本次地震發(fā)震構(gòu)造樅陽—宿松斷裂向震中遷移，這種具有方向性的協(xié)調(diào)性異常演化特征，是前兆異常特別是地下流體異常在短臨階段判斷發(fā)震區(qū)域的重要指標(biāo)之一(劉耀煒，施錦，2000)。本次地震前前兆異常在空間演化過程中的協(xié)調(diào)性變化，可理解為異常向震中收縮的一種動(dòng)態(tài)過程(李宣瑚，1981)。震前重力場(chǎng)、地磁場(chǎng)的異常變化，也表征了震中附近區(qū)域能量在不斷積聚以及地震孕育過程中的場(chǎng)兆信息(徐如剛等，2011；李軍輝等，2013)。

根據(jù)安慶M4.8地震的震源機(jī)制解結(jié)果，震源界面Ⅰ走向?yàn)?23°，傾角為90°(直立)，傾向?yàn)镹E55°。據(jù)野外考察得出的極震區(qū)走向結(jié)果推斷，223°走向的界面為斷層面，這是一次垂直升降錯(cuò)動(dòng)地震，東南盤上升，西北盤下降(孫業(yè)君，周云好，2011)，這一結(jié)論與流體異常形態(tài)相符，由此可見本次地震前群體性前兆異常受區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的控制。因地震孕育、發(fā)生是地殼應(yīng)力不斷累積至釋放的過程，處于活動(dòng)構(gòu)造帶附近的觀測(cè)井在地震孕育過程中可能表現(xiàn)得更加靈敏，因此活動(dòng)構(gòu)造帶附近的前兆異常空間演化的遷移性、協(xié)調(diào)性特征有益于判斷未來的發(fā)震區(qū)域。

圖8 安慶地震前前兆異常時(shí)間(a)、空間(b)演化圖

Fig.8 Map of precursor anomaly temporal(a)and spatial(b) evolution before Anqing earthquake

3 討論和結(jié)論

通過對(duì)安慶M4.8地震前前兆異常的時(shí)間、空間及不同測(cè)項(xiàng)異常變化特征進(jìn)行深入分析，獲得了以下幾個(gè)方面的認(rèn)識(shí)：

(1)安慶地震前，水位(流量)、水溫的映震效能較好，距震中越近，異常越顯著，靠近震中的水位短、臨異常突出。電磁、形變測(cè)項(xiàng)雖多，但震前異常不明顯，可能是監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布不均勻、觀測(cè)環(huán)境受干擾等影響所致。在震中附近區(qū)域長(zhǎng)期開展重力場(chǎng)觀測(cè)，在震前獲得了明顯的重力梯級(jí)帶異常變化特征，為當(dāng)時(shí)震情判斷提供了重要依據(jù)。今后，既要合理布局觀測(cè)點(diǎn)，增加有效觀測(cè)手段，提升監(jiān)測(cè)質(zhì)量，又要長(zhǎng)期開展地球物理場(chǎng)(重力場(chǎng)、重磁場(chǎng)等)觀測(cè)，以實(shí)現(xiàn)綜合觀測(cè)與科學(xué)分析，有效提升地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)水平(車用太等，1996；劉耀煒等，2004)。

(2)安慶地震前的中、短期、臨震異常表現(xiàn)出相配套以及明顯的階段性特征。中、短期階段電磁、形變出現(xiàn)異常變化，地下流體異常月頻次緩慢增加。震前3個(gè)月，異常月頻次快速增加，進(jìn)入臨震階段，部分異常結(jié)束，異常月頻次出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折下降。這種異常時(shí)間進(jìn)程上的配套性、階段性特征是判斷發(fā)震時(shí)間的有效指標(biāo)之一。

(3)安慶地震前定點(diǎn)前兆異常空間分布呈現(xiàn)2個(gè)方面的特征：一是遷移性，首先出現(xiàn)的異常位于距震中約250 km處，隨后向震中外圍遷移；進(jìn)入短臨階段，由外圍向靠近震中方向遷移；震前地球物理場(chǎng)重力差分異常也表現(xiàn)出由西側(cè)向震中遷移的特征，這種前兆場(chǎng)與地球物理場(chǎng)的遷移特征可作為未來地震地點(diǎn)的一個(gè)判定指標(biāo)；二是集中分布在250 km范圍內(nèi)，這可能反映了靠近震中區(qū)不同測(cè)點(diǎn)異常群體性、協(xié)調(diào)性特征顯著，可能表征了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的變化狀態(tài)。前兆異常的群體性、協(xié)調(diào)性變化有益于判斷區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的變化，未來地震的發(fā)生地點(diǎn)預(yù)判需關(guān)注應(yīng)力集中區(qū)(王維等，2016)。

本文在撰寫過程中得到付虹研究員、劉耀煒研究員的精心指導(dǎo)，在此表示衷心感謝。