青藏块体东北缘跨断层短水准流动观测值时序变化及各场地在空间上形成的断层网络,可在一定程度上获取祁连山—海原—六盘山、西秦岭等主要构造断裂的正逆断时空动态变化。该测线自20世纪80年代末起测,长度多为数百米,基本上在每年的3、7、11月观测,具有强震前中短期即数月至1年左右前兆意义(车兆宏等,1996; 江在森等,2001)。以往的研究以观测曲线异常识别,寻找加速、转折、突跳等异常(江在森等,2001; 王双绪等,2001)或异常指标提取(张希等,2001,2004)为主。由于场地分散,对所在断裂带构造活动总体趋势特征及其动态变化、不同断裂间或区段间共性特征的提炼及差异性对比不够。

2013年7月22日甘肃岷县漳县6.6级地震发生在该区域跨断层短水准监测范围内,是2003年民乐—山丹6.1级地震后10年来首发6级以上地震。震前数月甚至数天、震后数月均有观测资料; 监测区内历史上还发生过永登5.8级、景泰5.9级等地震。测区外围、与其相邻且同受印度板块NE向推挤动力影响的巴颜喀拉地块近10余年连发昆仑山口西8.1级、汶川8.0级、玉树7.1级、芦山7.0级等大震。本文选取资料较连续、观测质量较好的48处跨断层形变观测场地,通过对灰色关联度综合指标的改进、提炼(相对张希等(2012)对四川鲜水河断裂初步探索),突出祁连山—海原—六盘山、西秦岭构造正逆断的共性与分段差异特征、量值水平及其动态演化过程,寻找以往强震尤其是岷县漳县6.6级震前中短期异常,探讨其与周边7、8级大震孕育—发生或影响的可能关系。

对每个场地,只用跨断层测段(下盘测点相对上盘测点)的高差观测值,首先形成以3、7、11月为时间点的垂向活动时变曲线。计算步骤为:① 一般每年3、7、11月施测,若有个别时段加密,1～4月求高差均值并以3月为时间点(以此类推,5～8月以7月、9～12月以11月为时间点)。② 每个时间点高差观测或计算均值减去第1时间点高差观测或计算均值,使首次观测值为零,突出时间点间相对变化。③ 若跨断层测段不止1条,对相同时间点再求均值。由此可获得该场地跨断层垂向活动随时间变化序列h_t(t=1,2,…,n; h₁=0),其时变曲线向下表示逆断、向上为正断特性。

由于跨断层场地分散,场地条件与活动水平、特性存在差异,为提炼断裂(段)活动总体趋势、共性特征,需对每个时间点观测或计算值,除以该场地本底活动水平。张希等(2012)定义本底水平为经上述3个步骤计算后所有时间点垂向活动量的绝对值均值。考虑到各场地时变曲线稳定性也不同,本文将其改进为上述绝对值均值与离散度之和(相邻两时间点变化与起测以来变化均值之差的平方和均值、再计算平方根,稳定性越好、离散度越低),即场地j某时刻t(t=1,2,…,n)除以该场地本底活动水平、无量纲的垂向活动变化量为

u^t_j=(h_t)/(1/n∑ⁿ_k=1|h_k|+(1/(n-1)∑^n-1_k=1[(h_k+1-h_k)-1/(n-1)∑^n-1_k=1(h_k+1-h_k)]²)^1/2.)(1)

这样获得的断层垂向活动时序变化更为合理。

扣除本底水平后提炼综合指标时,各场地曲线仍不能简单地求均值合成。若增加与其它场地相似度相对较高的场地权重、减轻与其它场地相似度偏低的场地权重,有利于突出与该断裂或断裂段构造活动相关的共性特征。而灰色关联分析方法,是基于行为因子序列的微观或宏观几何接近,以分析和确定因子间影响程度或因子对主行为的贡献测度而进行的一种分析方法,它根据因素之间发展态势的相似或相异程度来衡量因素间的关联程度(彭立国,陆明勇,2004; 张希等,2012)。

设某断裂或断裂区段上有m₀个场地,每个场地垂向活动变化量为通过(1)式计算获得的u^t_j(t=1,2,…,n; j=1,2,…,m₀)。本文要计算其中第j个场地相对其它m₀-1个场地的灰色关联度γ⁰_j,j=1,2,…,m₀,则{u^t_j〖JB<1|〗t=1,2,…,n}为参考序列,{u^t_l〖JB<1|〗t=1,2,…,n}(l=1,…,j-1,j+1,…,m₀)为比较序列,u^t_l与u^t_j关联系数为

ξ_l(t)=(min_lmin_t〖JB<1*|〗u^t_j-u^t_l〖JB>1*|〗+ρmax_lmax_t〖JB<1*|〗u^t_j-u^t_l〖JB>1*|〗)/(〖JB<1*|〗u^t_j-u^t_l〖JB>1*|〗+ρmax_lmax_t〖JB<1*|〗u^t_j-u^t_l〖JB>1*|〗).(2)

分辨系数ρ=0.5,而

γ0j=1/(m0-1)∑m0l=1,l≠j[1/n∑nt=1ζl(t)].(3)

式(1)计算所得时间t点的断层垂向活动变化量为u^t_j,则该时间点垂向综合指标定义为

αt=(∑m0j=1γ0jutj)/(∑m0j=1γ0j).(4)

计算(2)式时,如果各场地垂向活动变化量起始时间点不同,取公共时间点计算。

将本文短水准监测区主要断裂分成祁连带西段(图1中榆木山断裂及以西的6场地)、祁连带中东段(榆木山断裂以东至祁连山断裂带东端13场地)、海原断裂(5场地)、六盘山断裂(8场地)、西秦岭构造区北部(即西秦岭北缘断裂6场地)、西秦岭构造区西部(岷县—宕昌断裂4场地与礼县—罗家堡断裂1场地)、西秦岭构造区东部(成县盆地北缘断裂及其附近5场地),计算所得灰色关联度分别为祁连带西段0.58～0.71、祁连带中东段0.65～0.77、海原断裂0.58～0.69、六盘山断裂0.66～0.74、西秦岭构造北部0.74～0.82、西秦岭构造西部0.58～0.74、西秦岭构造东部0.64～0.75,各断裂段场地间最大差异0.16、平均0.11。所得正逆断垂向活动综合指标时序变化见图2(各断裂观测初期资料不稳定、起始时间也不完全一致,对测区以外1990年共和7级地震无显著反映。为方便对比,图2截取1989年以后变化曲线来统一展示)。

地质信息上(邓起东等,2002),各断裂构造存在不同程度关联,尤其是祁连山—海原—六盘山断裂,垂向方向以逆断为主,但西秦岭构造东

图1 青藏块体东北缘及其外围构造断裂与所选跨断层场地分布
Fig.1 Distribution of tectonic faults and the selected cross-fault sites in and around the northeastern margin of Qinghai-Tibet block

部成县盆地北缘断裂未查到确定性特征描述、六盘山断裂历史上均有正断与逆断形迹。图2中逆断特性相对明显、稳定的有海原断裂、祁连带中东段、西秦岭构造尤其北部与东部,总体上曲线下降即逆断为主,仅在部分时段转平甚至出现正断性的上升(持续时间比逆断下降的时间明显要短); 祁连带西段2002年以前基本显示先逆断下降数年、之后短期(仅一、两期观测)反向正断突跳、再恢复下降的趋势特征,逆断下降的时间更长,2002年以后才出现正断上升为主的趋势变化; 六盘山断裂逆断特性不突出。地质特征是长期、概括性的,跨断层观测仅数十年、测线短,反映与地震孕育—发生—调整、场地环境等多因素有关的微动态变化,从图2所示7条断裂段整体变化来看,逆断特性还是较正断特性略微明显,与地质背景在一定程度上具有一致性。

(1)1995年7月22日永登5.8级地震发生在祁连带东端南侧数十千米处、监测区中部,周围断裂多且存在不同程度关联。距祁连山—海原断裂、西秦岭构造北部最近的场地仅100多千米,距其它断裂最近的场地不过二、三百千米。故震前数月至1年多时间内异常相对明显,较近的祁连带中东段、西秦岭构造区北部逆断加速显著,海原断裂反向正断突跳; 稍远的六盘山断裂尖点突跳,西秦岭构造区东部逆断加速相对短暂、祁连带西段反向正断突跳,较海原断裂弱。异常范围虽大,但其程度总体上近强、远弱; 震后基本显示,曾逆断加速的段落下降减缓、反向正断突跳的逐渐恢复逆断。

(2)2000年6月6日景泰5.9级地震发生在构造关联的祁连山—海原—六盘山断裂带的偏中间位置、祁连带中东段与海原断裂交汇区,距西秦岭北缘断裂最近场地不到300 km。震前中短期阶段异常也比较明显,祁连带正断反向尤其中东段、海原断裂逆断加速—转折,西秦岭构造北—西部尤其是北部出现过逆断加速,近强远弱的大体趋势。

但与永登5.8级地震前不同的是,1999年前后直至景泰5.9级震后的2001年,即昆仑山口西(距跨断层场地最近700多千米、最远约1 500 km)8.1级大震前,图2中短水准监测区过半断裂段出现明显趋势转向、且多维持数年(正断转折为主,如祁连带两段尤其中东段,其上升趋势持续到2002年,海原断裂持续到2003年,西秦岭构造西部由正断上升转为弱逆断、西秦岭构造北部正断转向持续到2002年),即玉门5.9级或民乐—山丹6.1级地震前。反映大范围区域、一定程度上相似或者说相对一致的变化,鉴于测点分布于青藏块体东北部的主要构造断裂,不排除挤压减弱可能,即与其边缘8.1级大震孕育—发生的一定程度关联。图2显示该次大震对祁连带尤其西段调整影响(祁连带西段2002年前每次正断突跳上升后总会逐渐恢复逆断下降,2002年至今总体上却呈正断上升趋势; 祁连带中东段1999年正断转折后也维持了较长时间),玉门5.9级地震前1月内祁连带

西段正断突跳、民乐—山丹6.1级地震前1年祁连带中东段出现正断突跳尖点,昆仑山口西8.1级地震后调整影响对这两次地震发生有利(1999年及以后站点较密集的大空间尺度GPS速度场结果显示,1999～2001年祁连带中—西段存在能量积累背景; 2001～2004年反映与图2一致的大震调整影响,可能促使潜在危险区失稳,张希等(2010))。

(3)2004～2005年前后,图2中短水准监测区7条断裂段中有6条明显趋势转向,6条趋势转向段落中又有5条反映与地质背景、长期形变趋势方向一致、不同程度的逆断特性(祁连带两段、海原与六盘山断裂、西秦岭构造北部逆断下降,只有西秦岭构造西部正断上升),与昆仑山口西8.1级地震前正断转折的特性相反,且持续数年至2008年5月8日汶川8级地震前(发震构造为测

图2 青藏块体东北缘主要构造断裂及分段断层形变垂向综合指标时序变化
Fig.2 Time-variation of vertical synthetic norm for fault deformation of main faults and their segments in the northeastern margin of Qinghai-Tibet block

区以南的龙门山断裂,震中距离本文的短水准监测区最近场地200多千米、最远约1 200 km)。若对空间尺度更大的GPS水平运动资料计算断裂两侧各延伸100 km范围内相对运动,结果显示2004～2007年相对2001～2004年祁连带(2001～2004年祁连带西段挤压分量为0.3 mm/a、中东段为1.9 mm/a,2004～2007年分别增为2.5 mm/a、2.3 mm/a)与西秦岭构造北—西部(2001～2004年北部挤压分量为0.3 mm/a、西部0.6 mm/a,2004～2007年分别增为0.8 mm/a、2.8 mm/a))挤压增速,海原断裂西段也由2001～2004年的弱拉张转为弱挤压。综合来看,可能反映短水准监测区在外围昆仑山口西8.1级地震、内部玉门5.9级与民乐—山丹6.1级地震后经一段时间调整,构造应力场恢复—增强趋势; 结合2004年前后地球自转转折即减速变化(陈学忠等,2013),对测区外围、与其相邻且同受印度板块NE向推挤动力影响的巴颜喀拉地块汶川大震及随后的2010年玉树7.1级地震发生有利(7、8级大震的孕震应力场范围相对较大)。汶川震前数月祁连带西段、海原断裂、西秦岭构造北部出现新的正断突跳或逆断加速; 本测区内跨断层形变反映的汶川同震影响在西秦岭构造东部相对显著。

(4)汶川震后至2010年4月14日玉树7.1级震前(汶川以西600多千米玉树断裂),综合指标曲线多继续汶川震前趋势特征,只有西秦岭构造西部、祁连带中东段明显改变,震前异常不很显著。玉树震后1年多,震区NEE方向的西秦岭构造西—北部在延续汶川震后趋势的基础上逆断加速、六盘山断裂明显正断加速,基本与其长期趋势方向一致,不排除玉树震后影响(促进断层活动的影响可能为主),对2013年7月该区内岷县漳县6.6级强震的发生有利。

(5)2013年4月20日芦山7.0级(位于龙门山断裂南段,距本测区最近场地近400 km)、7月岷县漳县6.6级(位于测区内西秦岭构造区西部)震前中短期阶段,图2中过半断裂(祁连带西段、六盘山断裂、西秦岭构造区北—西部)出现新的显著加速或转折变化,与构造背景一致的逆断下降为主(对GPS水平运动资料计算断裂两侧各延伸100 km范围内相对运动,2011～2013年相对2009～2011年祁连带、六盘山断裂、西秦岭构造西部挤压增速,分别由1.0 mm/a、0.9 mm/a、1.2 mm/a增为2.3 mm/a、1.5 mm/a、2.6 mm/a)。其中,测区东部西秦岭构造北—西部至六盘山断裂异常显著且最集中,可能反映6.6级震前异常; 震前数天至4个月(即2013年3～7月,2013年7月观测于岷县漳县6.6级地震前完成,尤其西秦岭构造区实施于震前数天; 震后数天震区附近若干场地复测,本文将其值与11月观测值平均,以反映震后变化),震区及附近的西秦岭构造西部明显加速、北部加速—转折形成尖点,六盘山断裂也出现转折(发震的西秦岭构造区变幅较大,震后呈转折恢复迹象),更有短期意义。测区西端的祁连带西段则是另一个异常较明显、但尚未发震的构造区域。

(1)本监测区6级左右震前发震及相邻存在构造关联的断裂段中短期综合指标异常相对明显,逆断加速或反向突跳为主。发生在测区中部、多断裂交汇区及其附近的永登与景泰震前异常数量更多、异常程度也更为显著; 玉门5.9级、民乐6.1级地震连发与昆仑山口西8.1级地震调整影响有关。

(2)测区外围稍远的玉树地震和芦山地震前,本监测区中短期异常不很显著或前兆意义不很明确; 但昆仑山口西、汶川地震,尤其汶川8级特大地震前数年,过半断裂其综合指标曲线出现明显趋势转向、且持续性好,参考大空间尺度GPS速度场结果与地球自转变化,笔者认为对与特大地震孕育—发生可能存在一定关联、震区周围大尺度区域构造应力场的变化有一定程度反映。

(3)2013年7月22日岷县漳县6.6级震前西秦岭构造北—西部至六盘山断裂综合指标异常显著且集中,发震的西秦岭构造短期变化幅度较大。