地震预报要取得防震减灾实效,关键在于短-临预报。亚失稳是断层失稳前应力由积累为主转变为释放为主的最后阶段(马瑾等,2012,2014; 马瑾,2016),马瑾等(2012)以5°拐折断层一次粘滑实验中不同变形阶段温度场的演化为例,总结失稳错动是由断层各个部位独立活动向协同化活动的转化过程,偏离线性即亚稳态阶段是应力释放、协同作用的开始,亚失稳阶段应力释放已占据优势; 卓燕群等(2013)、任雅琼等(2013,2016)以平直与雁列断层的粘滑事件为实验对象,分析了断层进入亚失稳阶段的位移协同化与热场演化特征。将亚失稳实验结果应用于野外观测与实际震例研究更有意义,刘冠中和马瑾(2012)发现鲜水河断裂北西段跨断层蠕变场地在1997年玛尼M_S7.5大震前出现断层活动协同化特征; 刘远征等(2014)认为紫坪铺水库蓄水在汶川M_S8.0大震发生中起到了断层协同化强化作用。然而截至目前,野外实际观测获得的亚失稳证据仍很有限。

跨断层形变测量是一种监视断层运动直接而有效的方法,具有短测线跨活动断层、复测周期短、精度高的特点。在我国西部多数6级以上强震前的中短期或短期阶段,观测到跨断层形变出现“加速” “转折” “先加速后转折”等异常变化(江在森等,2001),震前短-临阶段表现为“转折”异常形态的情况占一定比例。“加速”可能揭示断层活动加速甚至临震预滑; 而若出现与构造活动总体特征相反的“转折”变化,如何解释却见仁见智。2016年1月21日青海门源发生了以逆冲为主、兼微弱左旋走滑的M_S6.4地震,发震构造为冷龙岭断裂北侧的次级断层(郑博文等,2018),该地震是继2003年10月25日民乐—山丹M_S6.1地震后16年来,在祁连山断裂带上发生的唯一一次6级以上强震,震前2个月该断裂带中东段以逆断变化为主的跨断层流动短水准场地出现以正断为主的异常变化,距震中87～177 km。已有研究(李媛等,2016; 张希等,2016)仅描述了异常特征,并没有从机理上深入探讨。本文对祁连山断裂带跨断层资料进行分析和指标提炼,结合定点连续形变与小震活动等辅助信息,对照亚失稳实验结果,给出上述“转折”性异常的一种机理解释。

2016年门源M_S6.4地震发生于青藏高原北缘祁连山断裂带的中东段,中国地震局在该断裂带布设有24处跨断层流动短水准场地(图1),每年3,7,11月实施3期观测,测线长度一般为数百米,测量精度为±(0.2～0.3)mm/km。本文将祁连山断裂带作为研究区,嘉峪关场地的点位破坏已无跨断层测段,在2017年实地调查后发现大口子场地未跨断层,冰沟、童子坝、大梁1和大梁2场地因气候寒冷每年仅7月观测,数据连续性较差,舍去这些场地,最后共选用18处场地(图1)。由于印度板块对欧亚板块的近N-NE向碰撞推挤外部动力作用,祁连山断裂带构造活动以逆断、左旋为主(邓起东等,2003),大多数跨断层场地以垂向逆断为主(逆断占优势、或逆断变化的时间相对更久)的变化趋势与其一致。

GPS剖面变化分析与负位错反演表明(张希等,2019),祁连山断裂带中东段与门源地震相关的冷龙岭断裂及与其相连的陶莱山断裂中东段在震前十几年长期处于闭锁状态,且于门源地震前6年多闭锁程度还明显增大; 流动重力观测显示震前一两年,震区及其附近有显著的重力场异常变化(郭树松等,2016); 跨断层资料的趋势累积率计算结果也显示祁连山断裂带中东段长期的应变积累背景(李媛等,2016),故其具有发生强震的高应力条件。

图1 研究区跨断层场地、断裂与地震分布
Fig.1 Distribution of cross-fault sites,faults and earthquakes in the study area

亚失稳意味着区域应力由积累转为释放,其状态识别不应局限于发震断层和单个台站(马瑾,2016)。本文针对2016年门源M_S6.4地震,回溯祁连山断裂带跨断层观测反映的断层活动演化特征,图2为震前4期跨断层形变观测的正断、逆断变化和正断性、逆断性异常分布。根据某期相对上一期水准高差变化,得到4个月间场地的正/逆断变化特性; 异常指场地活动异于“常态”,通过定性定量综合判定(张希等,2018)。定性判定看观测曲线的加速、转折、尖点突跳等形态特征,定量判定需满足以下情况之一:对第i期高差值gⁱ,将其之前的高差值序列{g^k | k=1,2,…,i-1}作为参考序列,一是计算相邻两期差分值的均方差, 即(1/(i-2)∑^i-1_k=2[g^k-g^k-1-1/(i-2)∑^i-1_k=2(g^k-g^k-1)]²)^1/2,看本期相对上一期差分值绝对值是否超出2倍左右均方差,反映超出正常变幅的异常; 二是借助最小二乘配置获得拟合趋势曲线在观测时间的值{f ^k|k=1,2,…,i-1},计算扣除本底趋势后的均方差,即(1/(i-1)∑^i-1_k=1[g^k-f ^k-1/(i-1)∑^i-1_k=1(g^k-f^<sup> k)]²)^1/2,看本期扣除本底趋势后的绝对值是否超出2倍左右均方差,凸显趋势改变和扰动性异常; 三是若观测曲线在一定范围内平稳振荡,计算高差值序列的均方差,即(1/(i-1)∑^i-1_k=1[g^k-1/(i-1)∑^i-1_k=1g^k]²)^1/2,看本期高差的绝对值是否超出2倍左右均方差,显示超出正常范围的异常,并用方块区别本期相对上一期4个月间的正/逆断变化特性,主要的异常观测曲线见张希等(2016)。

由图2可知:①2014年11月逆断变化场地(逆断性异常场地也算逆断变化场地)占10/18(石灰窑口、扁都口2场地距离很近、特性一致),只有1处逆断性异常,逆断特性明显占优势; 2015年3月和7月逆断场地虽减少到8/18和7/18,但异常场地变幅更大,其中“逆断”仍占多数,在异常场地中分别占2/3和4/6; 2015年11月逆断场地进一步减少(6/18),逆断异常场地首次减少到2/6,即少数。②震前半年,正/逆断变化异常明显增多,2015年7月和11月从前两期的1处、3处剧增为6处,达2倍以上; 且相对集中分布于100°E以东,即祁连山断裂带的中东段(有莺乐峡至松山12处场地、距门源地震震中36～177 km),占异常总数的5/6,也较前两期的0～2处明显增多,达2.5倍以上。

图2 门源MS6.4地震前跨断层形变异常动态分布
Fig.2 Dynamic distribution of cross-fault deformation anomalies before the Menyuan MS6.4 earthquake

综上所述,在门源地震前半年祁连山断裂带的异常开始增多且集中; 于震前2个月正断性异常增多,由之前显示的有利于应力积累的逆断“继承性”为主转为正断“逆继承性”为主,且主要体现在震区周边半径200 km范围内,显示出震区附近的断层活动“变化”及协同化特征。

灰色关联度指标反映断裂活动总体趋势及其动态演变(张希等,2014a,b)。设计算区有m处场地,首先提取各场地垂向时序高差变化(每期高差减去首期高差值,突出时间点之间的相对变化; 若某场地跨断层测段超过1条需求各测段的高差均值),设为h^t_j(t=1,2,…,n; j=1,2,…,m),其中,t,j分别为时间与场地序号。鉴于各场地独立观测、条件各异,为使场地间有可比性,需扣除其本底活动水平,定义为上述时序高差变化的绝对值均值与相邻两期变化的均方差(以兼顾观测数据的稳定性)之和,所得t时刻j场地除以该本底活动水平后无量纲的变化量为:

u^t_j=(h^t_j)/(1/n∑ⁿ_k=1〖JB<1*|〗h^k_j 〖JB>1*|〗+(1/(n-1)∑^n-1_k=1[(h^k+1_j-h^k_j)-1/(n-1)∑^n-1_k=1(h^k+1_j-h^k_j)]²)^1/2)(1)

进而通过灰色关联度加权平均获得。要计算第j个场地相对其它m-1个场地的灰色关联度γ⁰_j(j=1,2,…,m), {u^t_j | t=1,2,…,n}为参考序列,{u^t_l | t=1,2,…,n}(l=1,…,j-1,j+1,…,m)为比较序列,则:

γ⁰_j=1/(m-1)∑^m_l=1,l≠j[1/n∑ⁿ_t=1(min_lmin_t〖JB<1|〗u^t_j-u^t_l〖JB>1|〗+0.5max_lmax_t〖JB<1|〗u^t_j-u^t_l〖JB>1|〗)/(〖JB<1|〗u^t_j-u^t_l〖JB>1|〗+0.5max_lmax_t〖JB<1|〗u^t_j-u^t_l〖JB>1|〗)](2)

那么时刻t的灰色关联度指标值为:

α^t=(∑^m_j=1γ⁰_ju^t_j)/(∑^m_j=1γ⁰_j)(3)

本文绘制了祁连山断裂带18处场地及其中东段(12处场地)的灰色关联度垂向指标曲线,并截取2003年民乐—山丹6.1级地震后至今16年的时序变化(这16年间研究区及其附近地区除门源地震外,无M_S≥5.5地震发生),如图3所示,图中曲线向下、向上分别表示逆断、正断变化。门源地震前2个月出现明显的、偏离正常波动范围的正断转折,于震后10个月恢复,具体分析如下:

(1)祁连山断裂带及其中东段主要变化趋势为逆断下降,与地质资料一致,这有利于应力积累与强震孕育。

(2)2015年11月即门源地震前2个月,出现与长期逆断下降总趋势相反的明显正断转折(图3虚线框内),其变化幅度不仅较之前4期明显增大,且震区周边半径200 km内要比整个断裂带幅度稍大。震后至2016年11月整条断裂带显示恢复,而震区附近未完全恢复至震前水平,门源地震后调整或影响过程可能稍长; 近两年整个断裂带逆断变化略微减缓,而断裂带中东段逆断变化却持续加速。

图3 祁连山断裂带跨断层灰色关联度垂向指标曲线
Fig.3 Curve of vertical index of gray relativity for cross-fault deformation in the Qilianshan Mountain fracture zone

(3)对2004—2014年的灰色关联度时序曲线求线性拟合趋势线a+bt,其中t为时间,其余为拟合参数(图4中间的虚线),并延伸至2019年底; 再计算这11年(共33期观测)中灰色关联度指标相对该趋势线的均方差(1/(33)∑_t(α^t-a-bt)²)^1/2,再用正、负2倍均方差作出上、下2条阈值线,同样延伸至2019年底,这样就形成了一个逆断下降变化的相对“正常”范围,即将2003年民乐—山丹M_S6.1地震后至2016年门源M_S6.4地震前一年的11年作为基准,考察2015年3期观测的异常情况。

从图4可以看出:①2004—2014年,整条祁连山断裂带在2007年3月和2009年3月、祁连山断裂带中东段在2009年3月和2013年11月灰色关联度指标略微超出阈值,可能与2008年5月12日距本研究区最近场地688 km的汶川M_S8.0大震孕震应力场扰动影响和震后影响、2013年7月22日距本研究区最近场地302 km的岷县漳县M_S6.6强震的震后影响有关,但影响时间短、异常程度都偏弱,断裂带及其中东段显示基本稳定的、与构造活动背景一致的逆断下降“线性变化”特征,

图4 祁连山断裂带(a)及门源震区周边半径200 km内(b)灰色关联度指标超限异常(灰色块)
Fig.4 Oversize anomalies(gray fields)of gray relativity index in the Qilianshan Mountain fracture zone(a)and within a radius of 200 km from the epicenter of the Menyuan earthquake(b)

揭示区域应力逐渐积累。②2015年3月和7月未超出阈值,2015年11月整条祁连山断裂带和门源震区周边半径200 km内均出现自2004年以来最大的、超出阈值较多即明显的偏离“线性变化”的正断异常,2个月后发生6级多强震,震后的2016年7月仍超出阈值,反映震后调整或影响; 11月回返。尽管门源震区附近未恢复至震前水平,直到2018年11月才开始出现持续、显著的逆断加速变化,与整条断裂带表现不同(说明震区附近跨断层场地对震后调整及其影响过程的反映更为明显),但无论是整条断裂带还是震区附近于2016年11月至2019年底均恢复至阈值线内正常状态。

这里还需说明的是,祁连山断裂带及其中东段灰色关联度指标相对趋势线的均方差分别为0.08和0.10,震区附近更大,显示继2003年民乐—山丹6.1级地震后至2016年门源M_S6.4地震前的11年里,祁连山断裂带中东段仍是断层活动水平偏高的区域,能量继续积累; 而图4所示2015年11月整条断裂带超出阈值的程度比震区周边半径200 km范围内还略高,原因在于整条断裂带以往活动水平偏低,是2015年11月西岔河场地正断突跳、红柳峡场地正断趋势变幅略增(场地位置见图2,观测曲线图略)的综合作用结果。

马瑾(2016)认为地震前兆是有的,关键在于能否被观测到和被识别。构造力学实验所得应力-时间变化曲线显示震前变形过程存在稳态—亚稳态—亚失稳态3个阶段,稳态阶段应力变化保持线性特征,亚稳态阶段开始偏离线性,显示应力释放、协同作用开始,亚失稳则是断层失稳前的最后阶段,应力释放占据优势,这一阶段应是震兆最丰富或变化最激烈的阶段。

以逆冲为主兼左旋走滑的2016年门源M_S6.4地震发生在以逆断左旋为主的祁连山断裂带中东段,跨断层短水准观测显示震前存在长期且基本稳定的逆断性应力积累背景特性; 震前半年异常剧增; 震前2个月观测到以正断为主的协同性群体异常,且主要体现在震区周边半径200 km范围内,明显偏离了之前长达11年零7个月的逆断下降“线性变化”正常范围,震时及震后维持数月又逐渐恢复。考虑到跨断层观测累积时间最多数十年、每期间隔4个月,相对地质年代是“微动态”变化,在4个月间隔期内,与逆断背景相反的“正断”变化既可能表示断层活动特性“改变”,更可能仅反映逆断活动“减缓”。距门源地震震中30 km、120 km的门源台和湟源台分别在震前的2015年8—9月和11月开始出现定点连续倾斜观测的趋势转折异常(马震,苏维刚,2016),其转折特性与跨断层资料一致、时间上也比较接近(跨断层观测每年3,7,11月3期,2015年11月所测异常是相对7月的差异变化)。

图2分别给出2014年8—11月、2014年12月—2015年3月、2015年4—7月、2015年8—11月M_L3.0以上地震分布。从小震活动来看,M_L≥3.0小震主要分布在祁连山断裂带中东段,龙首山南缘、祁连山北缘、皇城—塔尔庄、老虎山等断裂区域及其附近,距震区不远,在2014年11月,2015年3月、7月3个观测期的地震震级不大、数量也不多(图2a～c); 图2d所示2015年8—11月小震数量不仅增多,2015年11月23日与门源发震断层主断裂冷龙岭断裂相连的陶莱山断裂还发生了研究区内首次M_L≥5中等地震,加上其附近的数次小震,震级、数量均明显提升,门源M_S6.4地震就发生于陶莱山断裂与冷龙岭断裂交会区,构造关联。2015年11月23日的地震其发震时间点与2015年11月的跨断层观测时间接近,震中距门源M_S6.4地震震中较近(115 km),很可能是门源地震前相关断裂的部分能量预释放。另外,距震中246 km的高台于震前数天观测到重力扰动性异常(刘芳等,2019),距西岔河跨断层异常场地较近,说明门源地震前短期和临震异常都存在、最远可以达到200 km以外。这些情况至少满足构造力学实验所得亚失稳出现前偏离线性阶段的亚稳态特征。

震区周边半径200 km范围内跨断层异常增多,且表现为与长期逆断下降趋势相反以正断为主的协同性变化,定点连续倾斜观测和小震活动也有一定佐证,可能揭示区域应力变化和“局部化增强”特性,这也符合断层亚失稳过程的特点,故有反映亚失稳状态特征的可能。由于跨断层观测周期较长、震前最后1期观测距发震尚有2个月时间、场地条件也可能不够理想等原因,加上研究区及其附近连续形变台站太少,异常变幅还不是很剧烈,亚失稳状态特征尚不够显著和明确。

2016年门源M_S6.4地震前2个月,祁连山断裂带尤其在其中东段跨断层流动短水准场地观测到以正断为主的协同性群体异常,本文分析了跨断层异常时空演变特征、提炼了灰色关联度指标,参考定点连续形变、小震活动等辅助资料,对其异常机理进行探讨,得到的结论如下:

(1)观测曲线异常时空演变可能揭示区域应力变化与“局部化增强”。震前半年异常剧增; 震前2个月出现以正断为主的协同性群体异常,断层逆断活动明显减缓或特性改变,且相对集中于震区附近。

(2)反映断裂活动趋势动态变化的灰色关联度指标显示“偏离线性”特征。震前2个月明显偏离了民乐—山丹M_S6.1地震后长达11年零7个月的逆断下降“线性变化”正常范围,出现正断转折性超限异常,震时及震后维持数月后又显示恢复。

上述异常特征至少符合构造力学实验显示的偏离线性阶段的亚稳态特征,震前2个月应力释放、断层协同活动已经开始; 同时也存在显示亚失稳状态特征的可能。