滇东北Ms≥5.0地震前地下流体异常特征与2014年云南鲁甸6.5级地震研究

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  摘要:在对滇东北地区地下流体观测资料进行综合评估的基础上,选择评估达到Ⅰ、Ⅱ类的观测资料,采用日值、五日均值、旬均值、相关矩平、K-L拟合分析、CF分析等方法,对2003~2012年以来滇东北地区的5组Ms≥5.0地震进行震例回顾总结。归纳震前该区地下流体前兆异常的时空演化特征,发现前兆异常数量在时间上具有阶段性,异常项数在震前6个月开始增多,震前3个月达到最大值,临震前1个月部分异常转折结束,异常数量出现降低;异常在空间演化上具有震前3个月向震中收缩的特点。80%的震例表明震中距100km范围内的观测点异常比例远高于100km范围外的观测点异常比例。将结果外推应用于2014年8月3日鲁甸6.5级地震,发现他们具有较好的一致性,表明滇东北地区Ms≥5.0地震前地下流体的异常特征具有普适性。
  关键词:滇东北地区;地下流体;前兆异常;鲁甸6.5级地震
  中图分类号:P315.723
  文献标识码:A
  文章编号:1000-0666(2014)04-0495-08
  0 引言
  地下流体对地震的孕育、发生过程起着重要的作用。有地震学者认为“没有水,就没有板块构造”,在深部地下流体是影响地震孕育与发生的重要因素,在浅部是灵敏地反映地震孕育与发生过程的重要前兆信息载体(Mian,Tozer,1990;Raleigh et al.,1976;Simpson,1986;付碧宏等,2008),可见流体在地震孕育发展过程中具有重要意义。
  很多地震学者就地下流体地震前兆异常特征研究方面做了大量工作,得到许多有意义的结果。付虹等(2007)研究滇西南地区M≥5地震中、短临异常特征,发现中等地震丛集活动过程中,每次新的M≥5.0地震发生前,流体前兆观测均有新的异常过程出现。赵慈平(2002)研究2001年云南几组中强地震前水氡前兆异常特征,发现发震地点一般靠近趋势异常而远离突跳性异常,发震时间确定在1个月内。付虹等(2008)研究云南M≥5.0地震前兆异常特征,发现M≥6.0地震的异常持续时间长于M≥5.0地震;趋势异常转折结束,新突变异常增多是地震孕育进入短临阶段的标志。林辉等(2004)研究云南地区强震前兆短期异常特征,认为M≥5.5地震前兆的群体突变异常较为显著。范雪芳等(2010)研究华北地区水位与水氡中期、中短期前兆异常特征,提出地下流体存在着趋势上升型的中期异常和转折型的中短期异常,且不同地震的前兆异常图像具有相似性。高小其等(2012)研究新疆及邻区7级大震地下流体异常特征后,认为震级与异常持续时间和分布范围成正比;多学科前兆异常同步出现预示地震即将来临,未来的震中在异常同步出现地区增多。杨晓芳等(2013)研究新疆及周边7级强震前地下流体异常时空演化特征,得出异常的时空分布总体上存在着由外围向震中迁移的现象。这些研究结果均表明地震前多有流体观测异常出现,但这些大部分是基于地震发生后的震例总结结果。
  2003~2012年,滇东北地区先后发生了8次5组Ms≥5破坏性中等地震,尤其是2003~2006年出现了5级地震丛集活动。使用滇东北地区地下流体固定台站观测资料,并对其进行最佳地震对应原则清理,对2003~2012年5组地震前流体异常的时空演化特征进行归纳、总结,期望在不知道具体震中位置时,能用固定区域的资料对该区的破坏性地震作出一定程度的判断。2014年8月3日鲁甸6.5级地震的地下流体异常特征与之前发生在该区的5组5级地震具有较好的相似性,说明滇东北地区地下流体异常特征具有普适性,可为今后的短临跟踪提供参考。
  1 地下流体资料选取
  1.1资料选取及分类原则
  参考中国地震局“2013年流体观测资料预报效能评估细则”,制定以下4条分类原则,并根据原则对滇东北地区的流体资料进行了评估。
  (1)地下流体观测值合理且稳定,并且至少要有4年以上连续资料。
  (2)环境因素对资料变化干扰不大或者干扰引起的变化可以通过技术途径和经验途径剔除。
  (3)对于符合(1)、(2)条件的观测资料,以观测点为圆心,将250km半径内Ms≥5.0地震,400km半径内Ms≥6.0地震作为研究样本,对每项资料进行预报效能的资料评价。
  (4)资料稳定、连续,地震对应率和概括率均在60%以上者评为Ⅰ类;资料稳定、连续,地震对应率和概括率其中之一低于60%评为Ⅱ类;资料基本稳定、连续,映震效果不是很明显,地震对应率和概括率均低于40%,但是仍然可以用于日常震情跟踪工作的评为Ⅲ类;资料不稳定,几乎没有任何映震效果的评为Ⅳ类。
  1.2综合评价结果
  按照上述工作思路和评价原则,对2003年以来滇东北地区(25°~29°N,102°~106°E)37个测点的61个测项资料进行逐项梳理,综合评定结果得到Ⅰ类测项32项,占总测项的52%,Ⅱ类测项17项,占总测项的28%,Ⅲ类和Ⅳ类测项12项,占总测项的20%。从评定结果可以看出,滇东北地区地下流体观测资料质量较好,其中水化学测项质量比水物理测项好,41项水化学测项中Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类测项分别为28项、11项、0项和2项,所占百分比分别为68.3%、26.8%、0%、4.9%;20项水物理测项中Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类测项分别为4项、6项、6项和4项,所占百分比分别为20%、30%、30%、20%。所选用的Ⅰ、Ⅱ类测项资料和测点分布见表1和图1。
  2 分析方法
  分别使用原始资料日值、五日均值和旬均值对观测资料进行异常识别和提取。对原始资料中异常信噪比较高,直观给一阈值就能得到与地震相关较好的资料,采用原始曲线加阈值的方法提取异常。对从原始曲线不能直接识别异常的资料,分别用相关矩平、K-L拟合分析、CF分析等方法(陆远忠,2002),根据最佳对应原则进行了异常识别和提取。图2为不同分析方法提取的部分异常示意图。   总结异常特征时,采用中国震例编写《地震震例总结规范》(DB/T24-2007),将异常开始时间在震前1个月内出现的作为临震异常,2~6个月为短期异常,6个月至5年为中期异常,超过5年以上为长期异常。
  滇东北地区地下流体观测项目在逐年增加,所挑选出来的测项起始时间不是统一的,但从得到的结果看观测数量的变化没有对结果造成影响。
  3 震例分析
  2003~2012年在滇东北地区共发生8次5组Ms≥>5破坏性地震(表2,图1)。对这些地震前的异常进行具体分析,并给出每个地震前异常的基本特征。
  3.12003年鲁甸5.1、5.0级地震
  2003年11月15日、26日云南省鲁甸县先后发生5.1、5.0级地震,这组地震发生在鲁甸一昭通断裂上,震区处于川滇菱形块体东侧,属于扬子准地台滇东台褶带的滇东北台褶束,NE向断裂、褶皱发育(非明伦等,2004)。
  地震前滇东北地区Ⅰ、Ⅱ类地下流体观测资料共有13个测点20个测项,其中有10个测点15个测项出现显著前兆异常,包含中期异常1项,短期异常11项,临震异常3项,且33.3%的异常在震前转折结束。震中距100km范围内共有5个测点12个测项,其中5个测点的10个测项在震前出现了异常;震中距100~150km范围内共有5个测点5个测项,其中4个测点4个测项在震前出现异常;震中距大于150km范围共有3个测点3项测项,其中1个测点1项测项出现前兆异常。
  3.22004年鲁甸5.6级地震
  2004年8月10日在云南省鲁甸县发生5.6级破坏性地震,极震区烈度为Ⅷ度。
  地震前滇东北地区Ⅰ、Ⅱ类地下流体观测资料共有15个测点22个测项,其中有9个测点15个测项出现显著前兆异常,包含中期异常6项,短期异常7项,临震异常2项,且40%的异常在震前转折结束。震中距100km范围内共有6个测点13项测项,其中6个测点12个测项出现前兆异常;震中距100~150km范围内共有6个测点6项测项,其中2个测点2项测项出现前兆异常;震中距大于150km范围共有3个测点3项测项,其中1个测点1项测项出现前兆异常。
  3.32005年会泽5.3级地震
  2005年8月5日在云南省会泽县发生5.3级地震,发震构造为北北西向小江断裂与北东向昭通-鲁甸、会泽等断裂、褶皱带的交汇部位(谢英情等,2005)。
  地震前滇东北地区Ⅰ、Ⅱ类地下流体观测资料共有21个测点33个测项,震前有13个测点16个测项出现显著异常。其中中期异常3项,短期异常11项,临震异常2项。50%的异常在震前转折结束。震中距100km范围内共有11个测点22个测项,其中7个测点10个测项出现前兆异常;震中距100~150km范围内共有6个测点7个测项,其中3个测点3个测项出现前兆异常;震中距大于150km范围共有4个测点4项测项,其中3个测点3个测项出现前兆异常。
  3.42006年盐津5.1、5.0级地震
  2006年7月22日、8月25日云南省盐津县先后发生5.1、5.0级地震,这组地震发生在北西向的马边-盐津断裂上(非明伦等,2006)。
  地震前滇东北地区Ⅰ、Ⅱ类地下流体观测资料共有24个测点38个测项,其中有17个测点24个测项出现前兆异常,包含中期异常3项,短期异常17项,临震异常4项。20.8%的异常在震前转折结束。震中距100km范围内共有5个测点5个测项,其中3个测点3个测项出现前兆异常;震中距100~150km范围内共有3个测点7个测项,其中2个测点4个测项出现前兆异常;震中距大于150km范围有16个测点25个测项,其中12个测点17个测项出现了前兆异常。
  3.52012年彝良5.7、5.6级地震
  2012年9月7日11时、12时在云南省彝良县先后发生5.7级、5.6级破坏性双震,地震前滇东北地区Ⅰ、Ⅱ类地下流体观测资料共有33个测点45项测项,有28个测点36项测项出现显著前兆异常(表7)。包含中期异常8项,短期异常25项,临震异常3项。33.3%的异常在震前转折结束。震中距100km范围内有10个测点15项测项,全部出现前兆异常;震中距100~150km范围内共有18个测点25项测项,其中14个测点17项测项出现前兆异常;震中距大于150km范围有5个测点5项测项,其中4个测点4项测项出现前兆异常。
  4 前兆异常特征分析
  4.1异常随时间的演化特征
  每组地震前滇东北的流体异常月频次时间进程图,如图3所示,从图可见地下流体异常在中期阶段逐步增多,但发展趋势比较缓慢;地震前3~6个月的短期阶段异常急速增加,到震前3个月异常数量基本增长到前期的一倍,达到最高水平;震前3个月的短期阶段至临震当月,异常数量有所减少,部分异常转折结束。滇东北地下流体前兆异常在时间上具有明显的阶段性,在本区5.0~5.9级地震发震时间的演化过程中,越邻近地震发生短期异常的数量越多。出现异常项数超过总观测项数的68%,则预示着进入3个月的短期阶段;部分异常转折结束,则预示着进入一个月的临震时间段。前兆异常在时间上的这种演化特点对于发震时间的判定有一定的指示意义。
  4.2异常的空间分布特征
  从图4前兆异常时空演化进程可以看出,滇东北5.0~5.9级地震前100天左右开始,震中100km范围内异常显著增多,2005年会泽5.3级和2012年彝良5.6、5.7级地震前,前兆异常有向震中收缩的现象,但并不是每组地震前都能勾画出前兆异常随时间向震中迁移的图像。部分学者研究云南2001年施甸中强震震群(黄雍等,2002)、2007年盐津5.1级双震(张立等,2007)、2011年缅甸7.2级地震(张立,2013)震前地下流体异常时,认为震前异常有向震中迁移的现象。滇东北的中等地震前,这种现象并没有普适性。   从图4还可见,除在北段观测点相对较少的盐津5.1级地震前异常主要出现在震中150km外,其余的5.0~5.9级地震前100km范围内的异常数量远大于100km外。这一方面说明观测点的密度很重要,只有震中附近的观测点达到一定密度,才有统计意义。另一方面也表明现阶段用前兆异常现象确定更小区域范围内地震危险性的地点预测是困难的。
  5 鲁甸6.5级地震
  2014年8月3日16时30分在云南省鲁甸县发生6.5级地震,震中(27.1°N,103.3°E)。对表1中的45项Ⅰ、Ⅱ类地下流体观测资料,采用第2节中的分析方法提取前兆异常。分析结果显示,地震前共有27项前兆出现异常,其中中期异常4项,短期异常10项,临震异常13项,37.0%的异常在震前转折结束,具体异常情况见表3。图5a、b为鲁甸地震前的典型前兆异常图。
  在仅有的4项中期异常中,持续时间超过9个月的仅一项,从中期阶段的震前8个月至短期阶段的震前3个月异常数量增加缓慢;到了6月,异常开始大量出现,之后急剧增加,到了7月异常数量达到26项,是6月的2倍,临震异常十分显著,之后部分异常转折结束,继而发震,这与前面的震例研究结果具有较好的一致性(图5c)。震前60天,震中距100km范围内出现15项前兆异常,占总异常项数的一半以上,震中异常多的特点与前面的震例有较好的相似性(图5d)。
  6 结论和讨论
  使用滇东北地区的固定流体观测台站进行分析,滇东北地区中等地震发生前,短期阶段前兆异常显著增加,异常比例大于60%,临震阶段有部分异常结束,异常数量有减少的趋势。中等地震前没有观测到长期异常。
  从流体前兆异常的空间分布特征看,震前在震中100km范围内异常比例比外围地区高的地震比例大于80%,表明在滇东北地区异常增多时异常集中区有可能是未来地震发生的地区。
  从每组地震的异常统计结果可知,震前中短期异常最多占91.7%,临震异常占20%。表明中等地震前的异常均以中短期为主,异常在时间上的演化特征,可以对地震孕育进入短期阶段作一定程度的判断。
  微观前兆异常是监视区域地壳应力增强作用下地壳介质产生应变和应力集中并达到一定量的结果和传递出的信息,其异常幅度与应变幅度成正相关,异常台项数和应力集中点数与区域应力强度也成正相关(陈立德,付虹,2008)。中短期阶段这种前兆异常的增多可能与区域应力水平增高有关,即前兆异常数量可以作为刻画区域应力水平的参量,当异常增多,区域应力水平增高时,是有利于中等或较强地震发生的。
  2014年8月3日鲁甸6.5级地震前滇东北地区流体异常特征与该区之前发生的5组M≥5地震具有较好的相似性,表明滇东北地区的破坏性地震前,流体前兆异常的共性特征具有普适性,可为以后的短临跟踪提供参考和借鉴。
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