汶川8.0级地震宁夏前兆异常回顾与同震响应特征分析

王晓涛, 马禾青, 崔 瑾, 李国斌, 丁风和(宁夏回族自治区地震局, 宁夏 银川 750001)

0 引言

2008年5月12日14时28分4秒发生了汶川8.0级地震,震中位于31.01°N,103.42°E,是新中国成立以来震级最高、破坏最重、影响最大的地震之一。汶川地震后一些学者针对此次地震开展了大量研究工作,如对汶川地震前测震、流体、形变、电磁4大学科的异常进行了回顾分析[1-2],对震前可能的短临、中期和长期地震活动异常现象进行回溯性研究[3-5],对地震引起的同震地下水响应与同震形变响应的特征及机理进行了研究[6-7]。

汶川地震虽已过去10余年,前兆异常特征依旧是学者最为关注的问题。基于对中国震例和已有研究成果的总结,前人就汶川地震前的异常空间分布特征、时间进程特征以及不同震级对应的异常类型和异常震中距的讨论较多。地下流体方面,晏锐等[8]认为汶川地震前,在南北地震带上有46项地下流体学科观测测项存在异常变化,而四川省内井水位出现异常的有攀枝花、会理和德阳三口井。程万正等[9]较全面地分析了汶川地震前四川地区的前兆异常,认为出现地下水位异常的井有4口,分别为蒲江、德阳、泸州和小金井。车用太等[10]的研究表明,汶川地震前四川省境内的地下流体异常有9项,其中水位异常有川11井、川08井和川13井3项。张立等[11]分析了汶川地震前云南地区地下流体典型前兆异常,认为滇东北及邻区水富、渔洞两口井的水位异常与汶川地震的孕育及发生有关。张小涛等[12]对汶川地震前兆异常的时空演化过程进行了力学分析。付虹等[13]对汶川地震前云南地区显著前兆观测异常进行了分析。范雪芳等[14]对汶川地震前典型流体中期前兆异常进行了初步研究。王小娟等[15]对汶川地震地下流体异常进行了系统分析。断层形变方面,周硕愚等[16]对汶川8.0级地震前断层形变异常与其他大震进行了比较研究。薄万举等[17]对汶川8.0级地震的断层形变前兆进行了系统分析。朱航等[18]对耿达短水准在汶川8.0级地震前后的观测资料进行了重新分析并否定了该异常与汶川地震的关系。陈长云等[19]统计了汶川地震震前跨断层异常的空间分布,结果显示震前数年内出现了一批跨断层形变趋势异常,中短期异常数量偏少,这些异常场地主要分布在鲜水河断裂带、龙门山断裂带、西秦岭构造区和祁连—海原—六盘山断裂带上,异常场地震中距最远达1 150 km。宏观现象方面,许敦煌[20]对汶川地震震区进行了20余天的现场调查,调查说明汶川地震前确实存在一定数量和领域宽广的宏观异常现象。严武建等[21]对汶川8.0级地震前后陇南地区地震宏观异常进行了调查及分析。张小涛等[22]对汶川地震前后出现的宏观异常现象进行了收集整理,对宏观异常的映震机理以及在地震预测可能发挥的作用等问题进行了讨论。

《中国震例》对汶川8.0级地震前四川省内及全国其他单位提出的主要前兆异常进行梳理,包括地下流体异常、定点形变异常、地磁地电异常[1]。这些异常主要集中在四川、云南、甘肃、青海、陕西等区域。

另外汶川 8.0 级地震的发生不仅导致震中及附近地区井水位发生变化,而且还引起中国大陆大范围的前兆测项的同震响应变化,较为显著的是井水位与形变观测的同震响应。前人对同震响应的研究大多集中在响应的特征及其机理解释等方面,如张昭栋等[23]应用5口井井水位的震荡曲线计算了含水层的导水系数,并对导水系数和井水位对地震波的响应进行了统计研究,结果表明,水井含水层的导水系数越大井水位对地震波响应的幅度越大,响应的次数越多。刘成龙等[24]对三峡井网地下水位对汶川地震响应的初步研究表明,灰岩岩溶承压含水层中的井水位同震响应幅度明显大于闪长岩裂隙含水层中的井;同样是闪长岩裂隙含水层,井-含水层系统导水系数大的井同震响应幅度较大。牛安福等[6]通过研究形变同震响应的分布特征,给出面波响应延迟时间、响应幅度等与震中距及震级的关系。张创军等[25]依据乾陵地震台数字化形变观测资料,系统探讨同震形变响应的物理特征。尹宝军等[26]分析了汶川地震及其强余震引起的唐山井水位同震响应特征。

综上所述,不同研究者针对汶川8.0级地震的前兆异常、宏观异常及同震响应开展了多方面的研究,为提高对汶川8.0级地震前兆的认识水平提供了参考。但迄今为止对于宁夏观测资料在汶川8.0级地震前与震时的变化缺乏系统的分析总结,因此本文拟全面总结汶川地震前宁夏境内出现的显著前兆观测资料变化,震时水位与形变出现的同震响应,并阐述这些变化与现象是否可能与汶川地震的孕育及发生有关。

1 汶川8.0级地震前宁夏地区显著前兆观测异常

本文重新分析处理了汶川地震前宁夏地区的所有前兆观测资料,并对震前提出的异常进行了再研究,并遵循《中国震例》给出的异常判定原则:(1)无人为或环境干扰(如观测仪器更换、环境改造、外界抽注水等);(2)具有年动态变化特征;(3)测项效能评估为 A、B类。

汶川地震震中距离宁夏最北端约980 km,最南端约540 km。震前宁夏前兆观测资料出现过一些趋势变化,分别是红果子跨断层短水准、苏峪口跨断层短水准和海原甘盐池井水位,这些变化分别出现在宁夏的北、南部。这些异常与汶川地震是否有关是我们分析总结的重点。

宁夏地区的甘盐池井水位和跨断层水准资料分别于2002年11月与2003年3月起出现了趋势性转折变化,排除人为干扰、环境干扰、仪器本身不稳定等因素造成异常变化的可能性外,并对以往强震前这些测项的观测资料变化情况进行了分析,综合认为这些异常变化与汶川8.0级地震有关,具体如下。

1.1 跨断层短水准异常

红果子短水准场地位于石嘴山红果子沟附近,海拔1 227 m左右,场地横跨贺兰山东麓断裂带北段的红果子断层,该断层走向NNE,倾向SE,倾角70°,为全新世张扭性断层,年均变化速率为0.08 mm/a[27]。场区由8个基本水准点组成,形成1条测线和1个闭合测环,总长度1 040 m,其中测线和测环Ⅱ、Ⅴ测段与断层正交。图1(a)、(c)是红果子短水准测线、测环第II段1985—2012年的原始观测曲线。红果子短水准场地观测资料具有冬春高、夏秋低的年变规律,并存在长趋势变化。自2003年3月起,红果子测线与第Ⅱ测段观测资料均出现破年变变化,未出现正常的夏低冬高变化特征。原始观测数据年均值去除线性趋势曲线[图1(b)、(d)]显示,红果子测线与第Ⅱ测段观测年均值于2003年加速转折下降且偏离均值线,汶川地震后恢复到正常动态。该现象在1987—1988年宁夏灵武2次5.5级地震和2000年甘肃景泰5.9级地震前均出现过,汶川8.0级地震前的低值幅度更为显著且持续时间更长。

图1 宁夏红果子跨断层短水准场地观测曲线Fig.1 The observation curves of Hongguozi across-fault short leveling site in Ningxia

苏峪口短水准场地横跨贺兰山东麓断裂带中段苏峪口外断层,为全新世张扭性断层,年均变化速率为0.06 mm/a[27],场地布设一个闭合测环,总长度540 m,其中测环Ⅱ、Ⅴ测段横跨断层,场地跨距较小,变化量级不显著。图2(a)、(c)是苏峪口短水准场地第Ⅱ测段与第Ⅴ段1985—2013年的原始观测曲线,观测资料具有冬春高、夏秋低的年变规律,并存在长趋势变化。同样自2003年3月起,苏峪口第Ⅱ测段与第Ⅴ测段观测资料出现破年变变化,未出现正常的夏低冬高变化特征。原始观测数据年均值去除线性趋势曲线[图2(b)、(d)]显示,苏峪口第Ⅱ测段观测年均值于2003年加速转折下降,第Ⅴ测段观测年均值加速转折上升,均偏离均值线,汶川地震后恢复到均值线附近。同样,该现象在1987—1988年宁夏灵武2次5.5级地震和2000年景泰5.9级地震前出现过,汶川8.0级地震前的低值幅度更为显著且持续时间更长。

图2 宁夏苏峪口跨断层短水准场地观测曲线Fig.2 The observation curves of Suyukou across-fault short leveling site in Ningxia

上述两个场地的观测异常在《宁夏回族自治区2005年度地震趋势研究报告》中提出,异常变化最终于2009年恢复正常,即汶川地震发生之后。

两个测量场地跨越的断层为张扭性断层,因此跨断层测段(线)测量数据的正常变化趋势应当表现为继承性特征。以往的研究表明当数据出现逆继承性变化特征时往往意味着中强以上地震的孕育及发生[27]。汶川8.0级地震前红果子与苏峪口短水准场地均出现了逆继承性变化现象,分析认为这两个场地的异常作为汶川地震前的长期趋势背景异常较为合理。

1.2 甘盐池井水位异常

海原甘盐池井位于宁夏海原县境内,构造上位于海原左旋走滑断裂内部的拉分盆地中,处在西华山北麓NW向活动性很强的大断裂带上。该井距离汶川地震震中约660 km。甘盐池井水位自观测至1999年年变动态规律性强,每年3月出现最低值,9月出现最高值,年变幅度10 cm 左右,总体表现为趋势下降的年变形态(图3)。2002年11月起甘盐池井水位出现趋势上升,年变形态完全被打破,直至2007年5月之后恢复正常年动态变化。汶川地震发生在正常年变形态恢复后。甘盐池井水位2002年11月后的趋势性转折变化在《宁夏回族自治区2004—2008年度地震趋势研究报告》中均列为异常。

图3 海原干盐池井水位日均值曲线Fig.3 Curve of daily mean value of Ganyanchi water level in Haiyuan

对海原甘盐池井原始水位观测资料进行梳理分析,结果显示该测项资料破年变持平和上升异常对青藏块体东北缘的6级以上地震有一定的对应关系。海原甘盐池井1990年年初水位变化打破年变规律,4月水位没有出现上升变化,当年4月距该井约480 km处发生了青海共和7.0级地震,10月距该井约160 km处发生了甘肃景泰6.2级地震,震后恢复年变。1999年打破年变规律,2000年水位有所恢复,在恢复过程中发生了2000年6月甘肃景泰5.9级地震。该测项资料异常特征主要以破年变为主,异常出现后1年内发震。

陆明勇等[28]的研究表明在地震孕育过程初期,构造应力缓慢增强将使岩体所含裂缝闭合,地壳发生变形,从而改变岩体的空隙率及相应的孔隙压力和渗透率,导致观测井水动力状态或条件的变化,由此引起地下流体长趋势动态异常变化,如地下水位。随着地震孕育的进行,构造应力缓慢增强并向未来震中聚集,从而造成在此过程中地下流体长趋势动态异常变化向震中迁移。按此理论甘盐池井水位自2002年11月起出现的趋势性转折变化符合地下水位异常空间分布规律特征,是汶川8.0级地震孕震期外围的长期趋势异常。

2 汶川8.0级地震宁夏前兆观测资料同震响应

汶川地震时,宁夏前兆观测资料的同震响应较为显著,主要表现在流体和形变测项。其中地下水位共18个测项,100%出现同震变化;地下水化学共18个数字化测项,100%出现同震变化;形变学科共30个测项,100%出现同震变化。恢复时间不尽相同,最晚的于2008年6月1—2日恢复。本文对宁夏地区的数字化水位、形变等观测资料的同震响应特征进行了分析,详尽地描述了震时各测项的震中距、初动方向、最大响应幅度及响应形态等特征。

2.1 数字化水位观测资料同震响应分析

宁夏地区流体观测资料对汶川8.0级地震较为突出的同震响应表现在井水位测项。地下水同震效应是地震波在传播路途中,沿途井孔含水层发生应变而引起的变化,一般以弹性形变为主。多年观测结果表明,宁夏地区8口井水位年动态背景平稳,地震波到达后,很快出现一个最大振幅的上下脉冲,其后水位持续上下振荡,在振荡过程伴随出现阶变。宁夏地区所有的数字化水位观测仪器均记录到了此次地震,井水位表现出了显著的同震响应及震后恢复特征(图4)。其特征如下:(1)从初动方向来看,除了平罗136井与灵武大泉井水位初动方向为上外,其余井水位的初动方向为下。(2)各井水位的响应形态主要为上阶跃型、下阶跃型及振荡型。与初动方向类似。表现为上阶跃动态特征的井分别是平罗136井和灵武大泉井;表现为振荡型动态特征的井是中卫倪滩井;宁夏南部地区的4口井(海原甘盐池井、海原红羊井、海原郑旗井与西吉王民井)均为下阶跃型,各井的响应变化形态具有一定的区域性特征。(3)水位的响应幅度与震中距并没有呈现明显的规律性,最大达40 cm,小的不足5 cm,相差8倍以上。汶川地震发生后20分钟,水位变化逐渐趋于平稳。(4)各井的响应后效特征各不相同,主要表现为缓升型、缓降型、完全恢复型及阶升型。各井水位的同震响应变化特征列于表1。

图4 宁夏数字化水位同震变化曲线(2008-05-12)Fig.4 Coseismic variation curves of Ningxia digital water level (2008-05-12)

测项井含水层岩性震中距/km初动方向响应形态类型最大响应幅度/cm响应后效特征平罗136井水位细砂岩920+上阶跃型11.0缓降型银川胜利井水位粉细砂860-下阶跃型18.8缓升型灵武大泉井水位泥砂岩820+上阶跃型9.0缓降型中卫倪滩井水位砂砾岩-泥质砂岩740-振荡型18.0完全恢复型海原甘盐池井水位角砾、卵石660-下阶跃型5.0缓升型海原郑旗井水位砂岩650-下阶跃型8.0缓降型海原红羊井水位砂岩-砂砾岩620-下阶跃型44.3阶升型西吉王民井水位第三系砂岩580-下阶跃型5.7缓升型备注:1、“+”表示初动方向向上,“-”表示初动方向向下。

2.2 数字化形变观测资料同震响应分析

汶川大地震发生时,宁夏地区各类数字化倾斜仪与应变仪均不同程度地记录到了汶川大地震形变波,观测资料表现出了显著的同震响应及震后恢复特征。

2.2.1 倾斜仪

宁夏地区倾斜类仪器包括石英摆倾斜、水管倾斜、垂直摆倾斜及钻孔倾斜,分别采用 SQ-70D型石英水平摆、DSQ 水管仪、VS垂直摆和 CZB-2A 型钻孔倾斜仪进行数据记录。观测资料的同震变化(图5,表2)具有以下特征:(1)从同震变化形态上看,可分为4类:上阶跃型、下阶跃型、振荡型、阶跃-振荡复合型,其中石嘴山、银川水管倾斜仪的NS向与EW向同震变化为振荡型;泾源垂直摆倾斜仪的NS向与EW向为阶跃型;海原钻孔倾斜NS向与EW向表现为振荡-阶跃复合型。(2)各类倾斜观测仪记录曲线上的触发特征显示,各类仪器同一分量震时触发初始方向基本一致,水管倾斜仪与石英摆倾斜仪NS分量的初始方向为“+”,EW分量初始方向为“-”;钻孔倾斜仪与垂直摆倾斜仪各分量初始方向为“-”,其中泾源卧龙山水管仪 NS 分量的初始方向为“-”为一特例,这可能与台站所处的断裂位置性质有关。(3)从各套仪器的最大响应振幅来看,不同台站相同类型仪器的同震响应幅度有所差别,同一台站同一仪器不同方向上记录波形幅度也有所不同。总体来看,水管倾斜仪与钻孔倾斜仪各分量最大振幅高于垂直摆倾斜仪,银川小口子石英水平摆数据超出仪器量程,由此表明宁夏地区水管倾斜仪与钻孔倾斜仪对大震的记录能力更强。

图5 宁夏数字化倾斜仪同震变化曲线(2008-05-12)Fig.5 Coseismic variation curves of Ningxia digital tilt instrument (2008-05-12)

观测类型台站名称观测分量震中距/km初动方向最大幅度/(10-3″)同震响应特征倾斜石嘴山正谊关银川小口子海原小山泾源卧龙山水管倾斜NS向水管倾斜EW向水管倾斜NS向水管倾斜EW向石英摆倾斜NS向石英摆倾斜EW向钻孔倾斜NS向钻孔倾斜EW向水管倾斜NS向水管倾斜EW向垂直摆倾斜NS向垂直摆倾斜EW向970880650570+2 618振荡型-1 768振荡型+49.4振荡型-110振荡型+∗振荡型-∗振荡型-2 136振荡-下阶跃型-1 736振荡-上阶跃型-172振荡型-1 112下阶跃型-244下阶跃型-268下阶跃型备注:1、倾斜观测量单位为mm;2、“∗”表示观测数据超限;3、初始方向向上为“+”,向下为“-”。

2.2.2 应变仪

宁夏地区应变类测项包括洞体应变、钻孔应变及体应变,分别采用SS-Y型铟瓦棒伸缩仪、YRY-4型分量式钻孔应变仪和TJ-2型体积式钻孔应变仪进行数据记录。观测资料的同震变化(图6,表3)具有以下特征:(1)各应变观测仪器记录曲线上的触发特征显示,同一分量震时触发初始方向基本一致,洞体应变仪NS分量的初始方向为“-”,EW分量初始方向为“+”,体应变及钻孔应变仪各分量初始方向为“-”,其中泾源卧龙山洞体应变NS与EW分量的初始方向为“+”为特例,这与倾斜仪的响应特征相似。(2)从各套仪器的最大振幅变化来看,钻孔应变仪的同震变化幅度明显大于洞体应变仪与体应变仪。(3)随着震中距的增大,最大响应幅度相对减小,最大响应幅度与震中距成反比。(4)与倾斜类观测仪器不同,应变类仪器各测项的同震响应特征主要以阶跃型及振荡-阶跃复合型特征为主,且不同台站不同测项表现的特征各不相同,这可能与各台站所处的地质构造环境不同有关。(5)宁夏地区体应变观测仪项主要是固原海子峡体应变。观测结果表明,体应变有较好的同震响应,汶川地震时,固原海子峡体应变同震响应形态表现为上阶跃型,响应幅度为2 418×10-9。

图6 宁夏数字化应变仪同震变化曲线(2008-05-12)Fig.6 Coseismic variation curves of Ningxia digital strain instrument (2008-05-12)

观测类型台站名称观测分量震中距/km初动方向最大幅度/(10-3″)同震响应特征应变石嘴山正谊关银川小口子海原小山泾源卧龙山固原海子峡洞体应变NS向洞体应变EW向洞体应变NS向洞体应变EW向钻孔应变NS向钻孔应变EW向钻孔应变NS向钻孔应变EW向洞体应变NS向洞体应变EW向体应变970880650570610-2 964上阶跃型+718上阶跃型-4 252振荡-下阶跃型+8 014振荡-上阶跃型-29 434振荡-下阶跃型-2 514振荡-下阶跃型-20 164振荡-上阶跃型-57 062振荡-下阶跃型+5 140上阶跃+8 014振荡-上阶跃型-24 180上阶跃型备注:1、应变观测量为无量纲;2、初始方向向上为“+”,向下为“-”。

3 讨论与结论

(1) 本文对 2008年汶川8.0级地震前宁夏地区的前兆观测资料进行了回顾性分析,其中红果子跨断层短水准、苏峪口跨断层短水准于2003—2008年以及海原甘盐池水位于2002—2007年均出现了较为显著的破年变异常。按应力应变影响范围与震级的关系,一次8.0级地震的最大影响范围可以达到2 910 km[29]。宁夏地区两个跨断层短水准场地与汶川地震初始破裂点的距离最远为970 km,甘盐池水位与汶川地震的震中距为540 km,均处于汶川地震的孕震影响范围内。另外冯德益等[30]基于诸多震例资料的分析研究,明确地提出了地震前兆过程的3个发展阶段,即α、β和γ阶段。张小涛等[12]的研究表明汶川地震前兆异常时空演化也存在三个阶段的不同变化过程,第一阶段为α阶段(包括α1和α2),异常主要集中在震前700～3 000 d内且分布在余震区以外的西南地区和西北地区,表现为远源区与近源区的前兆均存在向外扩展的特点;β阶段(震前300～700 d)的异常分布在余震区西南部和北部地区,表现为大范围出现异常;γ阶段(包括γ1和γ2,震前300 d内)的异常分布范围最大,异常主要分布在余震区的西南部和东北部,表现为远源区的异常向震中收缩的过程(γ1)和近源区的异常向外扩展的过程(γ2)。按此理论,本文提到的前兆异常从时空角度分析,处于汶川地震前兆异常的α阶段,与汶川8.0地震是有关联的,是汶川地震前的长期趋势异常。

(2) 宁夏地区数字化水位仪在汶川8.0级地震震时记录到了显著的同震响应变化,各井水位的响应幅度与形态各不相同,同震响应变化以阶跃型为主,且初始变化方向与变化形态以下降为主,仅中卫倪滩井响应特征表现为振荡型。另外随着观测井距地震震中距离的减小,各井水位响应幅度并没有呈现依次增大的规律性,这表明宁夏各水位观测井的同震响应特征还受其他影响因素制约。地震波引起的同震水位变幅除与地震的震级大小与震中距有关外,还受井-含水层系统状况、含水层参数、地震波周期、观测井局部的地质构造、水文地质条件、含水层岩性和观测井周边的环境等因素影响[31]。一般情况下,当含水层埋深大致相同时,水位同震振幅大小和形态取决于含水层岩性,影响程度由大到小依次为灰岩、变质岩、砂岩、第四系砂砾石层[24]。中卫倪滩井的含水层主要为砾卵石层,其同震响应变化形态特征与其他井差异较大的原因可能与该井的岩性及含水层参数有关。

宁夏南部地区的4口水位观测井同震变化均为下阶跃型,与宁夏中北部地区具有不同的变化特征。有研究表明,当一个构造带区域上井水位普遍上升,代表构造应力场压性增强张性减弱;水位下降代表构造应力场压性减弱张性增强[32]。因此具有水位同震阶变的观测井的空间分布与构造区域的相互关系对判断构造应力场的变化具有积极的意义。从观测资料来看,汶川8.0级地震发生时宁夏井水位同震响应变化形态表现出了南北分区的特征。

(3) 宁夏地区数字化形变仪均不同程度记录到了汶川8.0级地震的同震形变波,较为显著的是倾斜仪与应变仪。形变观测资料对汶川地震的响应形态可分为3类:振荡型、振荡-阶跃型、阶跃型。不同台站相同类型仪器以及同一台站同一套仪器不同方向上的同震响应幅度与阶跃形态存在一定差异,可能由于地震的破裂方向、介质各向异性、仪器记录方向、区域断层构造等因素关系复杂,使得形变波在仪器记录不同方向上的响应程度不一致。

另外宁夏地区数字化形变仪对汶川地震的同震响应也具有区域差异性,宁夏北部地区的地倾斜仪NS向同震变化以北倾初动为主,南部地区与之相反以南倾初动为主,且记录到阶跃型形变波的台站主要集中在宁夏南部,北部相对较少。这可能与台站所属区域的地质构造活动以及断层性质有关。

(4) 宁夏地区的前兆监测点监测到了汶川8.0级地震震源外围地区的孕震、同震和震后阶段性特征。孕震阶段,水位及短水准资料出现了破年变趋势异常,震时前兆资料产生大幅度阶变和震后恢复性变化,反映出了汶川地震从孕震阶段到发震时刻宁夏地区的应力-应变状态的变化过程。