郭樹松 祝意青 徐云馬 劉 芳趙云峰 張國慶 朱 輝

1）中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054

2）中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院有限公司，西安 710054

0 引言

地震是斷層應(yīng)力由集中到釋放的結(jié)果，是一個“孕育”、發(fā)生和發(fā)展的深層動力過程。近年來，馬瑾等（2007，2014）將斷層應(yīng)力由準靜態(tài)釋放轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢赡孓D(zhuǎn)的準動態(tài)釋放的階段稱為亞失穩(wěn)階段，該階段的核心特征是發(fā)震斷層進入了不可逆變形過程，它標(biāo)志著地震會不可避免地發(fā)生。相關(guān)實驗顯示，在亞失穩(wěn)狀態(tài)階段，平直斷層和雙剪滑動斷層位移演化體現(xiàn)出空間上的非均勻性和臨近失穩(wěn)前在時間上的“趨同化”特征，拐折斷層的溫度測點表現(xiàn)為由斷層各段獨立活動向“協(xié)同化”活動的轉(zhuǎn)化過程（馬瑾等，2012；宋義敏等，2012；卓燕群等，2013；任雅瓊等，2016）。這3種不同幾何形式斷層的各自物理場的變化特點表明，斷層失穩(wěn)前存在可觀測的亞失穩(wěn)階段及該階段的斷層位移和溫度等物理場具有“趨同化”的演化特征。

實驗室開展的亞失穩(wěn)變形實驗是地震前兆探索中重要的基礎(chǔ)工作，可為我們進行前兆信息研究提供指導(dǎo)。一些學(xué)者（宋春燕等，2018；王凱英等，2018）從地震活動資料和應(yīng)力時空演化作為切入點探索研究亞失穩(wěn)的鑒別指標(biāo)，獲得了一些重要的研究進展。但不同于以往的地震預(yù)測物理方法，亞失穩(wěn)理論不再把關(guān)注的重點放在臨界點（峰值強度）上，而是放在動態(tài)失穩(wěn)前的漸進演化過程上。臨界點前地質(zhì)體以彈性變形為主，臨界點與臨界點之前相比變形場的差異非常小，幾乎無法觀測到。而斷層進入亞失穩(wěn)態(tài)后，形變以非彈性局部滑動為主，變形場出現(xiàn)較大差異且物理場顯著變化（馬瑾等，2014）。同時，震源一般處于地表幾千米以下，因此研究與斷層行為相關(guān)的物理場的時空演化特征尤其重要，這有助于觀測和識別斷層失穩(wěn)的前兆特征（馬瑾等，2013，2014；馬瑾，2016）。

絕大多數(shù)強震或大地震的孕育受區(qū)域主要活動斷裂帶的控制，這些部位及其附近的顯著差異構(gòu)造運動通常伴有相關(guān)的重力異常變化。通過震例總結(jié)發(fā)現(xiàn)（盧造勛等，1978；陳運泰等，1980；李瑞浩等，1997；申重陽等，2009；Zhuetal．，2010；祝意青等，2013，2015，2017，2020；胡敏章等，2019），強震發(fā)生之前，重力觀測資料能不同程度地反映地震孕育發(fā)生過程中的重力異常變化，并具有典型的梯度帶分布或四象限展布特征。重力場動態(tài)變化特征具有前兆意義，同時重力觀測開展的時間長、觀測數(shù)據(jù)較完整，具有實驗亞失穩(wěn)理論向野外應(yīng)用的可行性基礎(chǔ)。本文采用實驗亞失穩(wěn)理論與實際地震相結(jié)合的思路，尋找汶川地震前斷層進入亞失穩(wěn)階段的重力場觀測證據(jù)，進而通過時變重力場識別斷層所處的失穩(wěn)階段，判斷斷層活動的協(xié)同化程度。研究結(jié)果對實現(xiàn)具有明確物理意義的短臨前兆研究具有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 巖石變形失穩(wěn)的示意圖（據(jù)馬瑾，2016）Fig．1 Conceptual cartoon to illustrate different deformation stages of rock experiments in laboratory（after MA Jin，2016）．字母表示關(guān)鍵變形時刻：L起始點；M 屈服開始點；N強屈服點；O強度極限點；A準靜態(tài)階段向準動態(tài)階段的轉(zhuǎn)折點；B失穩(wěn)點

1 汶川地震與資料處理

2008年汶川8.0級地震發(fā)生在龍門山斷裂帶上，該斷裂帶地處青藏高原東部邊緣，位于松潘—甘孜地區(qū)與四川盆地之間，主要由3條斷裂組成，自西向東分別為后山斷裂（茂汶－漢川斷裂）、中央斷裂（北川－映秀斷裂）和前山斷裂（江油－灌縣斷裂）。龍門山斷裂帶地表地形強烈起伏，西北部與龍門山地帶的地形高差達3 000m以上，長期以來卻相對平靜。布格重力異常數(shù)值變化急劇，即由負幾十mGal突降到負幾百mGal，這表明該地帶的深部地殼介質(zhì)與結(jié)構(gòu)存在巨大變異。

為監(jiān)測該地區(qū)與地震有關(guān)的重力變化，四川省地震局自1996年開始每年用2臺高精度LCR－G型重力儀在龍門山斷裂帶上開展重復(fù)重力測量，獲得了1996—2008年13期的流動重力觀測結(jié)果。觀測資料采用中國地震局實用化攻關(guān)推廣的應(yīng)用軟件（LGADJ）采用經(jīng)典平差計算方法進行處理，將成都地震基準臺的絕對重力值作為統(tǒng)一起算基準，在此基礎(chǔ)上解算出各流動重力點的變化。各期資料的平差精度為9.2～14.8μgal，觀測資料可靠（祝意青等，2009）。相關(guān)的流動重力觀測網(wǎng)線布局如圖2所示。

圖2 龍門山地區(qū)的重力測量路線Fig．2 Gravity surveying route of the Longmenshan fault zone．

2 重力場時變分析

亞失穩(wěn)階段斷層活動的協(xié)同化特征把孤立的點觀測聯(lián)系為時、空、強三維關(guān)系，說明要了解地震的發(fā)生過程需要了解物理場的時空演化。為分析汶川地區(qū)較長趨勢的重力變化、了解重力變化的演化特征，本文分別繪制了1996—2001年、2001—2004年、2004—2007年和2006—2007年的重力變化等值線圖（圖3）。

圖3 龍門山地區(qū)的重力變化等值線圖（單位：μgal）Fig．3 Gravity field dynamic variation images in one year and three year time scale（unit：μgal）．

1996—2001年重力變化的總體趨勢為自西向東逐漸減小，龍門山地區(qū)的重力差異變化為30μgal，表現(xiàn)為正常態(tài)的重力變化，在映秀附近出現(xiàn)70μgal的局部重力異常變化；2001—2004年重力變化十分劇烈，測區(qū)自西向東沿龍門山斷裂帶形成重力梯度帶，零等值線沿斷裂帶走向分布，在映秀和彭州之間存在140μgal以上的重力差異，它突出反映了汶川地震前區(qū)域重力場的劇烈變化；2004—2007年重力變化仍很劇烈，重力差異變化達120μgal，但出現(xiàn)較為明顯的反向變化。2006—2007年，震前1a的區(qū)域重力場變化平緩，尤其是龍門山斷裂帶附近重力變化在－10～10μgal之間，重力變化在重力觀測誤差范圍內(nèi)，可稱為弱變化時段。

汶川地震發(fā)生在重力變化高梯度帶零等值線與龍門山斷裂交會處的附近地區(qū)，地震前區(qū)域重力沿龍門山斷裂帶出現(xiàn)“正常態(tài)變化—區(qū)域性重力異?！聪蜃兓踝兓ㄩ]鎖）”的現(xiàn)象，它較好地反映了黏滑過程中不同變形階段（馬瑾，2016）“平穩(wěn)線性—偏離線性—亞失穩(wěn)I—亞失穩(wěn)Ⅱ”的過程?！罢B(tài)變化”反映了斷層運動的平穩(wěn)線性變形，“區(qū)域性重力異常及沿龍門山斷裂帶形成高重力梯度帶”反映了斷層運動的偏離線性變形，“沿龍門山斷裂帶出現(xiàn)的重力反向變化”可能反映了區(qū)域應(yīng)力由積累轉(zhuǎn)向局部釋放（亞失穩(wěn)I階段），“弱變化”反映了斷層活動愈趨近協(xié)同化，應(yīng)變變化愈?。▉喪Х€(wěn)Ⅱ階段）。協(xié)同化是指斷層應(yīng)變釋放區(qū)出現(xiàn)擴展和相互連接的現(xiàn)象，其本質(zhì)是斷層上愈來愈多的部位相繼被破壞，應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)移到局部高閉鎖部位，進而使其應(yīng)力達到能導(dǎo)致快速釋放的條件，最終變成快速失穩(wěn)部位，即未來的震源，這為尋找未來失穩(wěn)部位提供了參考依據(jù)（馬瑾等，2014）。

龍門山地區(qū)的流動重力資料顯示，2008年汶川8.0級地震前出現(xiàn)了較好的中期前兆性變化特征。重力變化是深部物質(zhì)區(qū)域應(yīng)力場增強而導(dǎo)致地殼不同深度的介質(zhì)以及震源介質(zhì)密度發(fā)生變化的體現(xiàn)。地震前，龍門山斷層帶和川西高原以擠壓應(yīng)變?yōu)橹鳎瑪鄬訋Ъ捌渲車鷰r石的正應(yīng)力逐漸增加，導(dǎo)致巖石和斷層帶中的微裂隙和孔隙閉合程度增加，巖石密度隨之增加，引起重力正異常，較大范圍的持續(xù)上升或正重力變化預(yù)示地震孕育能量在持續(xù)積累；反之，局部應(yīng)力松弛引起巖石發(fā)生微裂隙張開，微裂隙中充滿流體，引起巖石密度降低，相同體積的巖石出現(xiàn)重力負異常。正、負異常在時空上具有周期性變化，可能反映了應(yīng)力加載與應(yīng)力松弛的變化。物質(zhì)膨脹和收縮的過渡部位，亦即潛在震源相對薄弱的部位，在周邊應(yīng)力持續(xù)失衡作用下，易產(chǎn)生剪應(yīng)力而首先破裂。重力動態(tài)變化反映了震中位置附近的局部重力異常，據(jù)此可判斷發(fā)震位置，即失穩(wěn)部位。

3 重力點時序變化情況

地震前斷層的亞失穩(wěn)態(tài)識別要求在空間上能識別出斷層失穩(wěn)的位置，在時間過程中能判定出亞失穩(wěn)開始的時間。重力點值時序變化能較好地突出異常測點的動態(tài)變化過程，分析區(qū)域測點的時序變化特征，有助于從整體上歸納一致性特征?？紤]到龍門斷裂帶東、西兩側(cè)不同的構(gòu)造特點，我們繪制了測網(wǎng)東、西2條測線上的聯(lián)測點重力值隨時間變化的曲線圖。

斷裂帶東側(cè)測線接近四川盆地，可以看出（圖4）：1996—2001年，整體變化平緩但雜亂無序，各測點升降不一；2001—2004年以波動式上升變化為主，一致性較好；2004—2007年又恢復(fù)了前期平緩但無序的變化特征。

圖4 斷層?xùn)|側(cè)的重力點時序變化圖Fig．4 Curves of gravity time variation on the east side of Longmenshan fault zone．

斷裂帶西側(cè)測點沿后山斷裂帶展布，可以看出（圖5）：1996—2002年，測點變化平緩但整體規(guī)律性不強，有升有降；2002—2004年，均出現(xiàn)先升后降的同步變化；2004—2007年除611測點外，其余11個測點均一致出現(xiàn)快速上升變化，其中2006—2007年上升變化平緩。即如果以2002年為分界點，則1996—2002年各個測點的重力變化沒有明顯的規(guī)律可循，2002—2007年整體變化趨勢一致，具有統(tǒng)一性，較好地反映了斷層各部位由獨立活動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同化活動的特征。

圖5 斷層西側(cè)的重力點時序變化圖Fig．5 Curves of gravity time variation on the west side of Longmenshan fault zone．

實驗室中根據(jù)應(yīng)力－時間過程很容易劃分變形階段，即應(yīng)力變化的峰值點為亞失穩(wěn)開始時間。而對于野外情況，由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地表可觀測的物理場是深處應(yīng)力、應(yīng)變過程引起的結(jié)果，其最大值不一定對應(yīng)應(yīng)力變化的峰值。汶川8.0級地震發(fā)生在龍門山構(gòu)造帶上，大地震發(fā)生前地表變形不顯著，未見有淺表層異?；顒?，即淺層過程與地震發(fā)生的深層過程并不匹配（滕吉文等，2008），這可能說明不能簡單地用觀測場的峰值來判定亞失穩(wěn)開始時間。巖石黏滑失穩(wěn)實驗發(fā)現(xiàn)，失穩(wěn)前斷層預(yù)滑經(jīng)歷了由各點獨立活動轉(zhuǎn)向一致活動的轉(zhuǎn)變，亦是斷層進入亞失穩(wěn)階段的特征之一（馬瑾等，2012）。以此現(xiàn)象分析，測網(wǎng)東側(cè)四川盆地地區(qū)和前山斷裂的測點時序變化反復(fù)雜亂，沒有一致性，說明區(qū)域重力變化受到多種因素影響，該區(qū)域斷層在震前沒有進入亞失穩(wěn)態(tài)；測網(wǎng)西側(cè)后山斷裂帶上的測點在2002年開始出現(xiàn)一致性較好的“同升同降”變化特征，說明這期間深部構(gòu)造運動是區(qū)域重力變化的主導(dǎo)因素，時序變化反映了此時斷層所處的狀態(tài)。平行和垂直于龍門山斷裂帶地震活動的時空展布顯示汶川地震的孕育部位主要分布在汶川段北川－映秀斷裂和后山斷裂之間，長約130km、寬約30km。地震發(fā)生后，余震的分布主要向NE擴展350km，局部段落在橫向上迅速擴展至80km，這些區(qū)域是斷層的失穩(wěn)區(qū)（馬瑾等，2013）。龍門山斷裂帶的地震活動資料顯示（馬瑾等，2013），2000年開始孕震區(qū)小地震密集，持續(xù)了8a以上，而無明顯的錯動和變形，意味著汶川斷層段可能經(jīng)歷了以碎裂方式為主的強烈擠壓應(yīng)變，在碎裂達到一定程度后失穩(wěn)。綜合這些成果分析認為，后山斷裂在2002年開始進入亞失穩(wěn)態(tài)。

如果把黏滑周期定為100%，則平穩(wěn)變形、偏離線性、亞失穩(wěn)、失穩(wěn)和失穩(wěn)后階段分別占有不同的百分比（表1）。

表1 黏滑過程中不同變形階段的時間分配表（據(jù)馬瑾等，2012）Table 1 Time allocation of different deformation stages in the process of stick slip（after MA Jin et al．，2012）

如果地震的復(fù)發(fā)間隔約為300a，亞失穩(wěn)可提前0.99a開始，則可提前認識應(yīng)力積累和釋放的相持階段和釋放階段，為識別應(yīng)變加速釋放做好準備（馬瑾等，2012）。汶川大地震的強震復(fù)發(fā)周期為2 000～6 000a（張培震等，2008），亞失穩(wěn)至少可提前6.6a開始。這與我們認為的后山斷裂在2002年開始進入亞失穩(wěn)態(tài)的時間基本一致。

4 沿斷裂帶的重力剖面時空變化分析

斷層上應(yīng)變釋放區(qū)的擴展和連接體現(xiàn)了斷層活動的協(xié)同化程度，指示了失穩(wěn)的必然性和時間上的臨近（馬瑾等，2014）。把主要活動斷層上各部位的重力測點集合在一起的重力剖面，能較好地反映斷層活動的協(xié)同化過程。

圖6顯示了龍門山斷層帶西側(cè)上的重力剖面點的時空變化。從圖中可以看出，后山斷裂中北部（612～616）的負值變化最早（1997年）開始于615、616點，依次向左擴展到612點，隨著負值變化幅值減小，負值變化范圍也逐漸減小至沒有（2002年）。與此同時，斷裂中南部以607、612點為中心的重力上升變化開始出現(xiàn)。隨著重力上升變化的增大，重力上升變化的范圍先擴大、后縮小，上升中心也逐漸向左遷移；其后（2006年），區(qū)域整體呈上升變化，上升中心為606、607及612點，606、607點在映秀鎮(zhèn)附近，距汶川地震震中最近，最終失穩(wěn)。說明臨近地震前，特別是在龍門山斷裂西側(cè)于2008年汶川8.0級地震發(fā)生前觀測到1次斷層活動協(xié)同化過程。

5 結(jié)論

本文研究了亞失穩(wěn)理論和汶川地震前龍門山斷裂帶地區(qū)重力場的變化特征，尋求斷層進入亞失穩(wěn)態(tài)的重力場證據(jù)，獲得了如下的結(jié)論：

（1）亞失穩(wěn)階段龍門山斷裂帶的重力場出現(xiàn)“正常態(tài)變化—區(qū)域性重力異?！聪蜃兓踝兓ㄩ]鎖）”現(xiàn)象，它較好地反映了黏滑過程不同變形階段“平穩(wěn)線性—偏離線性—亞失穩(wěn)Ⅰ—亞失穩(wěn)Ⅱ”的過程。根據(jù)重力動態(tài)變化反映的震中位置附近的局部重力異?？膳袛嗥浒l(fā)震位置，即失穩(wěn)部位。

（2）汶川地震前龍門山斷裂帶東側(cè)測點的時序變化反復(fù)雜亂，說明該區(qū)域的斷層未進入亞失穩(wěn)態(tài)，西側(cè)后山斷裂帶上的測點自2002年開始出現(xiàn)一致性較好的“同升同降”變化特征，反映了斷層演化過程中一致性特征及失穩(wěn)前的有序化信息，這是判定斷層進入亞失穩(wěn)態(tài)的證據(jù)，由此可判定該區(qū)域斷層從2002年開始進入亞失穩(wěn)態(tài)。

（3）沿斷裂帶的重力剖面時空變化顯示，龍門山斷裂西側(cè)測點于2008年汶川8.0級地震發(fā)生前觀測到1次斷層活動協(xié)同化過程，說明斷層亞失穩(wěn)態(tài)下重力變化同樣具有“趨同化”的演化特征。

（4）斷層重力場的協(xié)同化演化特征目前僅是從一個震例得出的結(jié)論。地震是地殼運動的結(jié)果，并非所有的構(gòu)造變形最終都會導(dǎo)致地震發(fā)生，時變重力場的梯度帶分布或四象限展布特征是斷層由于應(yīng)力集中反饋在地面的一種表現(xiàn)形式，由于觀測區(qū)域深淺部的斷層結(jié)構(gòu)尚不清楚，且各觀測點對震源的響應(yīng)程度存在非惟一性，了解最終是否會進入亞失穩(wěn)態(tài)或判定斷層處于亞失穩(wěn)態(tài)還需其更多震例分析總結(jié)。因此，未來需開展震源區(qū)構(gòu)造活動的跟蹤監(jiān)測研究，如加強亞失穩(wěn)點地區(qū)的定點臺站重力觀測分析，尤其是利用連續(xù)絕對重力或無零漂的超導(dǎo)重力儀進行觀測，以尋找亞失穩(wěn)的時間點；開展亞失穩(wěn)地區(qū)跨斷裂的密集型絕對重力測量，提供月度—季度的重力動態(tài)變化；進一步開展強震前、后震中附近測點的重力時序變化研究等。