马宗晋(1980)研究指出,当一个地区的地壳
受到板块运动的作用时,地壳中会有多个点发生应力集中,当其中某一点上集中的应力超过地壳岩石强度时,岩石发生破裂而发震。因此,地震前兆异常不只出现在未来震中地区,还会出现在多个应力集中点及附近,且其空间分布也不均一,甚至是断续的。从水位潮汐变化中,以提取与地震孕育有关的含水层变化为主要目的,本文在参考地下流体异常震中距与震级之间定量关系的基础上(中国地震局监测预报司,2020),结合块体构造运动下的整体相关性,将全部异常配套台站作为一个整体的地震前兆异常响应,系统分析周日波异常幅值、等待时间、异常同步特征与松辽盆地中强地震的关系,并给出了优势震中距,这与5~5.9级地震的单台映震范围一般为300 km,4~4.9级地震的单强映震范围一般为200 km的传统认识有所不同。
通过对5个台站数字化水位(整点值)潮汐周日波异常特征进行分析,给出了松辽盆地部分中强地震前井水位潮汐周日波异常特征(表1)。由于篇幅关系,本文仅描述具有代表性的典型异常。
2008年6月10日内蒙古阿荣旗M5.2和7月7日黑龙江龙江M4.6地震前,甘南台、延寿台和北林台井水位,分别于2月22日、3月11日和3月20日出现周日波中期异常(扫描窗长为30 d,滑动步长为48 h,下同)。其中,延寿台异常幅度最大,为背景值2.4倍; 甘南台异常出现最早,可能与其距离两次地震震中较近有关,分别为127 km和92 km。
表1 2008—2020年松辽盆地地震信息及相关井水位周日波异常特征
Tab.1 The earthquakes and anomaly characteristics of the diurnal waves of the water level in the Songliao Basin from 2008 to 2020
2013年10月31日、11月22、23日吉林前郭先后发生M5.5、M5.0、M5.3、M5.8、M5.0地震,11月20日黑龙江桦南发生M4.7地震。前郭震群发生在扶余—肇东断裂南段,桦南地震发生在依兰—伊通断裂和敦化—密山断裂相夹地块。这两组地震前,延寿台、甘南台井水位于2月21日出现周日波高值中期异常,肇东台井水位于9月10日亦出现周日波高值短期异常,具有一定的同步性。异常台站由东向西、由北向南先后出现,桦南地震、前郭震群也是由东北向西南迁移,显示井水位潮汐响应周日波异常存在向未来震中迁移的特征。距离前郭震群最近(204 km)的肇东台水位潮汐周日波最晚出现高值异常,异常幅度达73.3 ×10-9mm,为正常背景值的11.8倍,这可能与肇东台与前郭震群位于同一条发震断裂有关。
2018年5月28日吉林宁江发生M5.7地震,较上一次M5.0地震间隔10个月,此次地震震中位于扶余—肇东断裂与第二松花江断裂交会处。地震前,肇东台、甘南台、延寿台、通河台井水位分别于2月28日、3月14日出现周日波高值中期异常,其中甘南台、延寿台、通河台异常幅度分别是正常背景值的83、40、38倍,异常形态高度一致,且具有较好的同步性(李继业等,2023)。值得注意的是,位于扶余—肇东断裂的肇东台(震中距100 km)最早出现异常,但异常幅度仅略高于正常背景值。
3.1 地震震级与异常幅度关系
潮汐因子主要反映地壳介质对引潮力响应的弹性状态(乔子云,陈建国,2001)。水位周日波潮汐因子是评判承压水位对地球应变固体潮响应灵敏度的重要参数之一,潮汐因子越大,井水位变化对潮汐响应的灵敏度越高。与波速比一样,潮汐因子也是介质力学参数的函数,也可以应用于地震预测研究中。研究结果表明,膨胀区的波速比变化达15%时,倾斜潮汐因子变化可达50%(Beaumout,Berger,1974)。
由表1可见,松辽盆地20次中强地震中有16次震前不同台站周日波异常出现时间同步、形态一致特征,且地震震级越大,周日波异常幅度也越大。以台站为例,安达M4.5、宁江M5.1和前郭M5.8地震前,肇东台周日波异常幅值分别为正常背景值的1.1、3.8和11.8倍。以地震为例,安达M4.5地震前,延寿、通河、甘南台周日波异常幅值仅为正常背景值1.8、2.5、1.2倍; 嫩江M5.0地震前,延寿、通河、甘南台周日波异常幅值为正常背景值5.6、3.2、3.0倍; 宁江M5.7地震前,延寿、通河、甘南台周日波异常幅值可达正常背景值40、38、83倍。
3.2 地震震级与异常等待时间关系
地壳介质物性参数变化可用于分析地震前地壳岩石的弹性状态,判定孕震区应力演化由线性进入非线性阶段的短期特征(张晶,张立,2003)。异常等待时间是指井水位潮汐周日波异常出现,与未来中强地震发震时刻之间的时间间隔,这个时间段通常反映了地震前孕震区应力调整过程。对地倾斜突变与地震关系的研究结果表明:在应力应变积累达到峰值后,地震震级越大,距离发震的时间间隔通常就越短(牛安福,2003)。从松辽盆地中强地震前井水位周日波异常等待时间的分析结果(图3a)可看出,震级越大,异常等待时间越短,根据震例总结得到初步统计经验公式为:
D=1 050-180M (1)
式中:D为异常等待时间; M为震级。
式(1)震级的适用范围为M4.0~6.0,依据该公式可知:M4.0地震等待时间不超过1年,M4.5地震的等待时间不超过8个月,M5.0地震的等待时间不超过5个月,M5.5地震的等待时间不超过3个月,M6.0地震的不超过1个月。由图3a可见:各台站异常等待时间在5个月内的占84%,3个月内的占47%,多表现为中、短期异常特征。
3.3 地震震级与异常空间范围关系
强震孕育可能涉及非常大的地壳空间范围(车用太等,2002)。对松辽盆地中强地震前井水位周日波异常空间范围进行分析,结果如图3b所示。从图中可见,震级越大,周日波异常空间分布范围越广,其中,甘南台井水位周日波异常映震距离最广,肇东台映震距离最近。根据震例总结,初步统计经验公式如下:
Δ=160M-(390±150) (2)
式中:Δ为震中距; M为震级,拟合优度为0.7。其中与经验公式拟合较好的是通河台、北林台、延寿台,优势震中距为200~500 km,尤其是2013年前郭M5.8震群和2017、2018、2019年宁江M5.0、M5.7、M5.1地震均位于优势震中距内。总之,地震孕育过程的复杂性、区域构造背景的差异性和地壳介质的各向异性等因素,会对孕震区潮汐响应特征产生影响,还需要更多的震例才能更加清晰、准确地给出统计经验公式。
图3 松辽盆地中强地震震级与井水位周日波异常等待时间(a)、空间范围(b)关系
Fig.3 The relationship between magnitude and waiting time(a)omd spatial range(b)of the anomaly of the diurnal wave of the weekly water level in the Songliao Basin
3.4 异常同步特征
异常同步特征是指多个台站的井水位潮汐周日波,在震前半年出现同步或准同步异常,主要衡量指标是出现异常的台站数量和异常空间迁移方向。由表2可见,每次地震前至少有3个台站井水位出现同步或准同步周日波异常,最多可达5个台站。周日波异常空间迁移方式主要有两种,一种是周日波异常由震中向外围迁移,即距离震中相对近的台站最先出现周日波异常,而位于松辽盆地内部或盆地另一侧、相对远的台站最后出现异常,尤其是嫩江断裂附近阿荣旗M5.2、龙江M4.6、辽蒙交界M5.3、嫩江M5.0等地震和依兰—伊通、敦化—密山断裂附近的抚松M4.6、鸡东M4.1、友谊M4.2、中俄交界M4.8等地震前,异常主要表现为“震中—外围”迁移特征,占比为11/20。另一种周日波异常为由外围向震中迁移,即距离震中相对近的台站最后出现周日波异常,尤其是黑龙江安达M4.5和吉林前郭M5.8震群、宁江M5.0、M4.5、M5.1地震前,主要表现为“外围—震中”迁移特征,占比为9/20。此外,每次地震前周日波异常跨度在时间上也存在差异,1个月以内的异常占80%,6个月以内的异常占95%,最长异常跨度为6.8个月。
3.5 异常机理分析
地球固体潮能够反映地壳介质物性变化:当地壳介质应力状态和外部观测环境保持不变时,潮汐响应参数变化较为稳定,周日波等潮汐因子仅在很小范围内波动。当地壳应力应变积累到一定程度,地壳介质的力学状态发生明显改变,其物性和潮汐响应特征也会随之发生显著变化(范桂英等,2001),并可能在一定范围内出现多个潮汐因子异常。这是由于地壳被深大断裂切割成多个地块,地震多发生在块体边界上,块体规模越大,可能出现潮汐因子异常的范围就越大(郭增建,秦保燕,1979)。潮汐因子反映了地壳介质对引潮力响应的弹性状态。中强地震前,随着孕震区应力水平不断增强,地壳介质的应力状态也会发生改变,当孕震区应力应变进入失稳阶段,地下含水层也会随之变形,基于数字化水位连续观测资料,采用适合的调和分析方法,便有可能提取不同频段的潮汐因子异常信息,进一步分析地壳介质的应力应变特征,突出地震短期 [FL)]
表2 松辽盆地中强地震前水位周日波异常同步特征
Tab.2 The characteristics of anomaly synchronization of the diurnal wave of the water level before the medium- and strong-earthquakes in the Songliao Basin
异常变化信息,捕捉到有效的地震前兆异常。赵可新等(2022)探讨了汶川地震对含水层水力特征及地下水流运动状态的影响,并对其变化机制进行解释,揭示了井孔-含水层系统与地震活动的响应关系。
岩石实验给出了岩石应力-应变阶段性变形特征(张晶等,2005)。在地震孕育的后期,岩石变形由线性阶段进入非线性阶段,岩石的物理性质发生明显改变,地下介质出现非弹性变形,受引潮力的响应特性也随之改变,导致与区域构造单元有关的井水位出现潮汐响应配套异常,伴随着应力峰值的出现,震源区进入失稳阶段,周日波配套性异常基本结束,出现异常等待时间,此时孕震系统已经进入非稳定阶段,随时可能发生地震。本文研究发现,松辽盆地井水位潮汐周日波配套异常优势时间不超过7个月,异常等待优势时间为5个月,具有短临特征(图4)。
图4 岩石应力-应变阶段性变形与潮汐周日波异常机理分析
Fig.4 Stress-strain deformation of the rock and mechanism analysis of the anomaly of the diurnal tidal wave
松辽盆地20次中强地震前,井水位潮汐周日波异常在盆地周边和盆地内部台站之间反复出现,多表现为异常台站由盆地周边向盆地内部迁移,中强地震可能发生在迁移起始(结束)台站附近或与迁移起始(结束)台站构造相关的区域。这主要与东北地区浅源地震的发生受统一构造应力场的影响,具有清晰的外部动力源有关,即太平洋板块向我国东北地区的俯冲作用(张慧等,2012)。笔者认为,西太平洋板块俯冲作用对松辽盆地产生了水平向的推挤力和垂直向的上涌力,松辽盆地每一次构造应力调整,均与盆地周边的推挤力和盆地下方的上涌力相互作用有关,当以盆地周边的推挤力为主时,盆地周边台站先于内部台站出现周日波异常,此时位于松辽盆地周边的周日波异常起始台站附近的应力集中点容易得到释放; 当以盆地下方的上涌力为主时,松辽盆地内部台站先于周边台站出现周日波异常,此时位于松辽盆地内部的应力集中点就更容易释放。