四店场地位于西秦岭构造区,震中距69.1 km(图1～2,表1)。场地位于陇西系旋转构造与祁吕山字形西冀交汇处的骆驼巷—四店—武山深大断裂上,即西秦岭北缘断裂中段。断层北盘(下盘)为第三系下统猪肝色厚层砂砾岩,南盘(上盘)为白垩系紫红色砂砾岩、砂质泥岩、页岩夹灰白色砂纸泥岩。断层产状:走向NWW,倾向SW,倾角50°～60°。岷县漳县地震的发震构造是西秦岭北缘断裂的分支断裂临潭—宕昌断裂,该断裂先期形成主要受控于西秦岭北缘断裂,而后期的构造变形不仅与西秦岭北缘断裂向两侧的扩展有关,也受到了来自东昆仑断裂向NE的挤压影响(郑文俊等,2013a)。由于暂时没有横跨东昆仑断裂的形变数据,因此本文只讨论西秦岭北缘断裂的跨断层形变特征。

从1984年初次对四店场地观测开始,至今已连续观测了30年,累计观测数据105期(图3a)。从场地短水准曲线变化与地震的对应情况来看,该场地所跨断层的异常变化能较好地反映周边地区中强以上地震活动。414←411测段为跨断层测段,2013年3月14日测得震前累积形变ΔH和单期形变ΔV分别是0.80 m和1.10 mm,ΔH与往期平均值0.80 mm一致,比往期最大值4.50 mm小3.70 mm,ΔV大于往期平均值0.81 mm,比往期最大值4.20 mm小3.10 mm,震前断裂活动水平较低(图4a、d和表2); 但是仅仅4个月之后,7月19日测得临震ΔH和ΔV大幅上升,分别高达4.70 mm和5.50 mm,这也是该测段自观测以来的最大幅度,远大于往期平均值,ΔH是往期平均值0.80 mm的6倍以上,ΔV约是往期平均值0.81 mm的7倍,ΔH和ΔV比往期最大值分别大0.20 mm和1.30 mm,随即于7月22日发生岷县漳县M_S6.6地震(图4a和图4d); 7月26日又及时进行了震后检测,仅在临震观测8 d后,累积形变值ΔH降至2.00 mm,ΔV下降了2.70 m,震后断层形变得到了显著恢复; 11月15日测得ΔH和ΔV分别是0.70 mm和1.30 mm,震后4个月内断层形变已基本恢复到往期平均水平(图3a,表2,图4a、d)。

麻界滩场地震中距34.5 km,是3个可能产生形变异常场地中距离震中最近的。场地横跨岷县地震发震构造临潭—宕昌断裂,走向NWW,倾向NNE,表现为一条向北凸出的弧形断裂(图1～2,表1)。北东盘为二叠系下统含炭板岩夹砂岩,南西盘为三叠系薄层灰岩、泥灰岩、灰质板岩、灰质砂岩等。临潭—宕昌断裂带是一条规模较大的晚更新世—全新世有过活动的断裂带,大致可分为3条次级断裂段:西段(合作断裂段)北支为早更新世或前第四纪活动断裂,西段(合作断裂段)南支最西端活动性较差,为早中更新世活动断裂,东端为晚更新世活动断裂; 中段(临潭断裂段)北支可能为全新世早期活动断裂,南支为早中更新世一晚更新世早期活动断裂; 东段(岷县—宕昌断裂段)的主干断裂活动性较差,为前第四纪断裂,其北缘的两条次级断裂中最北边的一条可能在第四纪晚期(全新世)有恢复活动的迹象,沿洮河的一条断裂最新活动时间应为早中更新世(郑文俊等,2005)。

麻界滩场地位于临潭—宕昌断裂带东段,场地6(09)← 4(11)测段为近来年新增测段,其中6号点为2009年新增点,4号点为2011年新增点,2011年至今已经累计观测了8期数据。从曲线的变化情况来看,观测以来曲线变化幅度一直较稳定(图3b),从图4b、e和表2可以看出,2013年3月15日观测震前ΔH和ΔV分别是0.30 mm和0,震前ΔH比往期平均值 0.74 mm小0.44 mm。与四店场地

图3 2013年岷县漳县MS6.6地震异常跨断层形变图
Fig.3 Profiles of cross-fault deformation of Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake in 2013

(0.30 mm)增加7倍,是往期ΔH平均值0.74 mm的3倍多,约是往期最大值1.40 mm的2倍; 7月27日测得震后ΔH已经降至1.40 mm,单期形变ΔV为1.00 mm,断层形变恢复明显; 最新一次11月15日观测的最新结果ΔH和ΔV分别是0.40 mm和1.00 m,断层基本恢复到震前形变水平。震后和最

图4 2013年岷县漳县MS6.6地震异常跨断层场震前、临震、震后和最新的断层累积形变和单期形变剖面图(1.28 km表示测点距离,max和ave分别代表往期最大和平均值)
Fig.4 Profiles of the newest cumulative and single period deformation before earthquake,impending earthquake,after earthquake and latest measurement of Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake in 2013(1.28 km represents the distance of measuring points,max and ave represent the maximum and average value in the period respectively)

毛羽沟场地位于西秦岭构造区,震中距68.6 km(图1～2,表1)。场地跨临潭—岷县—宕昌弧形断裂带东段的新城子—岷县—凤凰梁—寺顶山断层,断层长达300 km左右,为构造分区的交界断层,规模大并长期活动。断裂产状:断层总体走向为NWW,东南端转为近EW向,断面产状大部分地区不清楚,断面倾向NE,倾角60°,在场地处有两条相距约1 km的平行断面,其中东边一条为主断面,走向为NW,倾向NE,倾角60°。断面上有1 m多厚的断层泥,破碎带宽约150 m,北东盘(上盘)为泥盆系中统两汉水群灰色中薄层细砂岩、粉砂岩、千枚岩及薄板状微粒灰岩,南西盘(下盘)为三叠系砂岩、板岩及灰岩。

毛羽沟场地从2005年开始观测至今已经连续观测了9年,累计观测数据27期(图3c)。近年来跨断层5←4测段曲线总体趋势平稳,2013年3月16日测得震前累积变化ΔH为0.10 mm,比往期平均值0.75 mm低0.65 mm,仅是往期最大值2.30 mm的4%,单期形变ΔH为0.10 mm,比往期平均值0.64 mm低0.54 mm,和麻界滩场地类似,断层在震前形变量非常小,很可能处于闭锁阶段(表2,图4c和4f); 2013年7月20日震前两天观测到临震ΔH和ΔV出现大幅突跳和转折,ΔV单期变化2.90 mm,ΔH转折下降至-2.80 mm,取绝对值为2.80 mm,形变幅度远远超出近些年来曲线变化范围,异常较为显著。ΔV和ΔH约是往期平均值的2倍和4倍,7月22日发生岷县漳县6.6级地震; 7月26日震后4天测得ΔV为0.50 mm,曲线再次折返,断层ΔH上升至-2.30 mm,取绝对值为0.23 mm,曲线变化有明显恢复且幅度减小的趋势(图3c,图4c、f,表2)。

表2 岷县漳县MS6.6地震跨断层形变实测结果(单位:mm)
Tab.2 Results of real deformation from cross-fault measurements of Minxian-Zhangxian MS6.6 earthquake(unit:mm)

四店、麻界滩和毛羽沟3处场地距岷县漳县地震震中距离分别是49.1 km、34.5 km和68.6 km,四店场地横跨西秦岭北缘断裂,该断裂是岷县漳县地震发震断裂临潭—宕昌断裂的主断裂,麻界滩和毛羽沟场地横跨临潭—宕昌断裂,属于西秦岭北缘断裂的分支断裂。显然此次地震在主断裂和发震断裂上的影响范围是不同的。对于主断裂,岷县漳县地震的影响范围是68.6 km,对于发震断裂,岷县漳县地震的影响范围约是49.1 km,不超过50 km,地震在主断裂上的影响范围大于分支断裂。

对于逆冲断层,断层两盘以垂直运动为主,断层上盘相对于下盘向上运动,下盘相对于上盘向下运动; 对于走滑断层,断层倾角较大,断面近直立,断层两盘以水平运动为主,垂直运动不显著。西秦岭北缘断裂是一条走滑兼逆冲型断裂,走滑为主逆冲为辅。四店场地横跨西秦岭北缘断裂,跨断层测段414←411标示上盘至下盘,即为下盘相对于上盘的运动(图2,图3)。由图可知,从短期来看,跨断层测点相对位移围绕着初始值0上下略微浮动,这种浮动可能是季节性年变造成的,但是从28 a的观测时长来看,跨断层测点基本在初始值附近,没有出现显著地持续下降或者上升,表明断层两盘垂直运动不显著,这一观测结果与断层运动性质基本一致(图3a)。临潭—宕昌断裂是一条逆冲兼走滑断裂,逆冲为主走滑为辅,断层下盘相对于上盘向下运动。我们所选跨断层测段的观测点均为上盘至下盘,代表下盘相对于上盘的运动。由图3b和3c可知,2～7 a的跨断层观测时长,断层下盘相对于上盘位移值基本在初始值0以下,说明断裂以逆冲运动为主,下盘向下,上盘向上,这与断裂运动特征相符。这3处场地的观测结果与所跨断裂运动性质基本一致,说明监测结果可靠,可以进行进一步分析讨论。

2013年3月震前监测结果显示,四店场地与往期平均水平基本一致,说明该期断裂活动状态处于正常水平,没有显著的应变累积和断裂闭锁; 麻界滩场地单期形变为0,自2012年11月至2013年3月断裂并未发生形变,处于闭锁阶段,断裂垂直滑动速率为0,而且震前累积形变0.3 mm远小于往期平均值0.74 mm,仅占往期平均的40%; 毛羽沟场地震前累积变化0.1 mm仅占往期平均值0.75 mm的13%,是往期最大值2.3 mm的4%,单期形变0.1 mm是往期平均值0.64 mm的16%,仅占往期最大值1.5 mm的7%,毛羽沟与麻界滩场地类似,表明临潭—宕昌断裂震前可能处于闭锁阶段,由于震前观测周期短,数据量有限,因此这一认识还需长期监测结果检验和证实。

7月18～20日观测的四店、麻界滩和毛羽沟3个场地,距发震时间7月22日非常接近,基本可以代表断层临震形变。3个场地监测结果均显示,临震断层形变发生大幅度上升,其中四店场地单期形变高达5.5 mm,几乎达到往期平均值0.81 mm的7倍,累积形变4.50 mm是往期平均值0.80 mm的6倍以上; 麻界滩场地临震单期形变2.1 mm约是往期平均值0.71 mm的3倍,累积形变显著上升到2.40 mm,比震前增加了7倍,是往期平均值 0.74 mm的3倍多; 毛羽沟场地临震单期形变2.9 mm,达往期平均值1.5 mm的近2倍,累积形变2.8 mm约是往期平均值0.75 mm的4倍。从各个场地监测结果来看,临震单期形变是往期平均值的2～7倍。为了获得更可靠的形变异常结果,我们又参考了以往岷县两次5级左右地震、迭部5.9级地震以及发生在海原—祁连断裂带上的多次5级、6级地震跨断层数据和文献资料。邹明吾等(1995)研究发现1987年迭部5.9级地震前距震中180 km的松潘形变台短水准有较大幅度变化近于异常指标的3倍,跨断层水准测量显示该区域北西西向断裂南盘相对上升,地壳向北倾斜的趋势; 除此之外,针对震前跨断层单期形变与往期结果对比研究的文献较少,这方面公开发表资料主要集中于跨断层形变异常量化指标、区域形变特征(祝意青等,1997; 王双绪等,2001; 张希等,2009,2010; 王双绪等,2013),或者关于跨断层形变曲线特征的定性描述(李瑞莎等,2012),针对临震形变与往期大小的分析较少。由于观测时间短,特别是麻界滩和毛羽沟场地只有2～7 a的观测时长,因此“临震形变是往期平均值的2倍以上可作为形变异常”这一认识还有待检验。我们希望利用今后更长时间尺度更短测量周期的结果来讨论地震前断层形变异常,从而获得更为可信的异常认识。

震后观测结果显示,除毛羽沟场地外,其余两处场地形变得到显著恢复。7月28日四店场地积累形变值降至2 mm,11月14日观测显示累积形变下降到0.7 mm,基本恢复到震前水平; 7月27日麻界滩场地积累形变降至1.4 mm,11月15日下降到0.4 mm; 7月26日毛羽沟场地累积形变降至 2.3 mm。所有检测结果均表明,仅在震后6～8 d场地单期形变约0.50～2.70 mm,震后4个月内基本恢复到震前平均水平。震后麻界滩和毛羽沟场地断层形变得到了一定程度的恢复,部分段落可能解锁,但是这一认识有待今后监测数据检验。

3处场地临震形变异常的大小有所不同,四店场地临震单期形变达到5.50 mm,麻界滩达2.10 mm,毛羽沟为2.90 mm,发生在西秦岭北缘断裂上的形变异常规模远大于临潭—宕昌断裂,前者约是后者的2倍。为什么场地远离震中异常越大,靠近震中异常越小?笔者认为虽然这次地震是发生在临潭—宕昌断裂上,但是该断裂先期形成主要是受控于西秦岭北缘断裂,而且后期的构造变形还受到西秦岭北缘断裂向两侧的扩展作用,临潭—宕昌断裂的主要动力来源是西秦岭北缘断裂的活动产生,当主断裂的形变传递到分支断裂上,其大小和规模发生衰减,所以震前主断裂上产生的形变异常规模较大,几乎是分支断裂的2倍。毛羽沟场地临震单期形变2.90 mm比麻界滩场地临震单期形变大2.10 mm,也表明了该地震破裂方向是从SEE向NWW向发展的,随着破裂的扩展,地震波能量逐步衰减,断层形变程度也相应减弱,造成了如此的形变随位移衰减特征,这与中国地震局地球物理所的地震震源机制解结果是一致的。许冲等(2013)通过对岷县漳县地震滑坡体分布特征的研究发现地震滑坡的主体分布范围与震中位置表明了构造破裂是从SEE向NWW方向发展的,证明发震构造对地震滑坡发生与空间分布起控制作用,且在沿着发震构造的方向上发育程度不同,反映着不同段落发震构造特征的差异。

尽管3次形变异常测得时间略有差别,但无法确定3次形变异常是否先后产生,因为目前还未能同时监测3个跨断层场地形变情况。一般来说,每期野外测量是逐个监测完成各个场地。但是,对于震前几个月的时间尺度来看,可以认为这些形变异常是同时产生的。而且我们在震前2～4 d所获得的数据非常接近发震时间,对于一次6.6级地震的孕震周期来看,几乎是临震的一瞬间,因此基本上代表了发震前临界状态下的断层形变。至于异常持续时间,则很难判断,因为目前还没有做到实时跨断层监测,我们只能根据跨断层形变监测结果初步判断这些异常是在震前到临震的4个月内产生的,震前形变异常持续应该时间不超过4个月。

临潭—宕昌断裂带不同段落的活动差异性明显,且每个段落内呈现出活动的不均匀性,通过多条次级断裂实现构造转换。此次发震段落为临潭—宕昌断裂东段(岷县—宕昌段),主支断裂活动性较弱,断裂段主要部分为前第四纪或早更新世活动,仅有少量地段呈现出中晚更新世有过活动的特征,其北缘的两条次级断裂中最北边的一条可能在第四纪晚期(全新世)有复活的迹象,沿洮河的一条断裂最新活动时间应为早中更新世,而其最南端的斜接断裂活动时间与主干断裂一致,为第四纪早期或前第四纪(郑文俊等,2007a)。据考证,在1573年和1837年临潭—宕昌断裂东段(岷县—宕昌段)曾发生过两次历史地震,1573年岷县地震震级为61/2级,极震区烈度为Ⅷ～Ⅸ度,震中位于(34.50°N,104.0°E),震中精度为2类,震中位置偏差≤25 km; 1837年岷县地震震级为6级,震中(34.7°N,103.9°E),极震区烈度为Ⅷ度(表3)(谢敏寿,蔡美彪,1987; 谢敏寿,1983; 顾功叙,1983; 郑文俊等,2007a,b)。

表3 发生在临潭—宕昌断裂上3次6级以上地震参数对比
Tab.3 Comparisons of parameters of three M≥6.0 earthquakes occurred on Lintan-tanchang Fault

由表3可知,考虑到历史地震判断的误差性,1573年和1837年两次历史地震和2013岷县漳县M_S6.6地震震级较为接近,基本一致; 3次地震震中经纬度略有偏差,也在误差范围内,因为对于历史地震,主要根据历史记载和房屋建筑的破坏程度确定宏观震中,存在一定的不确定性; 3次地震极震区烈度均为Ⅷ度,1573年岷县地震极震区烈度偏高一些,局部地震区可达到Ⅸ度,这可能与该地区在1573年间房屋建筑设施抗震能力有关; 结合地震烈度图和野外考察表明3次地震的发震断裂均是临潭—宕昌断裂东段(岷县—宕昌段)。以上3次的地震的发生,充分说明了临潭—宕昌断裂东段部分地段有全新世活动特征,具备产生6～6.6级中强地震的构造条件。基于以上几点因素,如果这3次地震是特征地震,那么岷县6.6级地震的复发周期约为(220±40)a。这一认识还需更加深入的活动构造考察论证,复发周期有待古地震检验。