Determination criteria of repeating earthquakes based on spectral element modeling
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摘要: 本文以宁夏区域地震台网为例，分析了波形互相关法在判定重复地震中可能存在的问题并讨论了相应的处理方法，通过构建三维非均匀体模型并利用谱元法数值模拟地震波的传播，统计了不同台站观测到的地震对波形互相关系数的分布，进一步研究了互相关系数与非均匀体性质及震源机制解之间的关系。结果表明：针对宁夏区域地震台网，利用波形互相关法判定重复地震比地震定位方法更有效；互相关系数在不同台站的取值与震源附近三维非均匀体强度和直达波与尾波的振幅比有关，对于相同的震源间距，较弱震源、较弱非均匀体或者较强振幅的直达波均会导致波形互相关系数变高，因此应选取更高的互相关系数阀值来判定重复地震。宁夏区域地震台网平均台间距为30—50 km，通过选取直达波较弱的台站或只截取尾波窗口计算互相关系数并设定较高的阀值，利用波形互相关法可有效地判定ML1.0—3.0重复地震，进而为重复地震的监测与研究提供依据。Abstract: Taking Ningxia regional seismic network for an example, we discussed the problems or difficulties in detecting repeating earthquakes via the waveform cross-correlation method and provided the corresponding solutions. We first created statistical models of 3D volumetric heterogeneities and then incorporated them into spectral element method to simulate 3D seismic wave propagation, so investigate the spatial distribution of the cross-correlation coefficients between earthquake pairs observed by different seismic stations, we found strong impacts of the volumetric heterogeneities and focal mechanism solution on the cross-correlation coefficients. The results show that the waveform cross-correlation method is more reliable and therefore practically useful in identify repeating earthquakes than the earthquake relocation method for the Ningxia regional seismic network. The cross-correlation coefficients are affected by the intensity of 3D heterogeneities near the hypocenter and the amplitude ratio of direct waves to coda waves. Given the same distance between two earthquakes, the stronger heterogeneities near earthquake source or stronger amplitude direct waves will result in higher waveform correlation coefficients. Thus, a higher threshold of cross-correlation coefficient is needed to reliably detecting repeating earthquakes. In summary, based on the data of Ningxia regional seismic network with an average station spacing of 30−50 km, choosing a proper threshold value of cross-correlation coefficient by only taking the time window of coda waves or data with weak direct P-waves, waveform cross-correlation method could reliably identify repeating earthquakes with a magnitude range ofML1.0−3.0, thus providing basis for the surveillance of repeating earthquakes.
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引言
在印度与欧亚陆-陆汇聚的远程作用下，晚中新世以来青藏高原东北缘迅速抬升。相对于高原内部，东北缘仍处于地表抬升和侧向生长阶段，地形变化、地质构造和地下结构均异常复杂，区内分布的大型深断裂带，多数是重要的大地构造区的边界断裂，同时也是控制现今强震活动的活断层（周民都等，2000；袁道阳，2003；沈旭章等，2013）。
2016年1月21日青海省门源MS6.4地震发生于青藏高原东北缘内部的二级块体祁连地块上，微观震中位于（37.7°N，101.6°E），宏观震中位于门源县泉口镇，震源机制解显示节面Ⅰ走向为143°、倾角为35°、滑动角为91°，节面Ⅱ走向为335°、倾角为56°、滑动角为97°，主压应力轴方位角为60°、倾角为0.6° （黄浩等，2017；梁姗姗等，2017）。该地震的发震构造为冷龙岭断裂北侧的弧形次生断裂，该次生断裂与冷龙岭断裂一起构成正花状构造，NNW走向的逆断层在ENE向近水平压应力作用下发生错断（胡朝忠等，2016；郭鹏等，2017；姜文亮等，2017；刘云华等，2019）。
门源地震震中虽位于青海省2016年度危险区预测范围内，但在震前未作出及时的短临预报，测震学异常主要以中长期异常为主，前兆异常仅在乐都台站提取到一项气氡异常（屠泓为等，2016；王培玲等，2016；马玉虎等，2017），震后对门源地震震前的异常特征的分析探讨（李霞等，2016；马震，苏维刚，2016；杨晓霞等，2016；刘磊等，2017；苏维刚等，2018）多是基于单一学科或多学科异常的简单统计归纳，并未对震前的异常时空演化过程进行综合的分析研究。为此，本文拟通过对门源地震之前震中周边前兆台站的观测资料进行回顾性分析，梳理震前出现的各类异常，总结其变化特征，提取门源地震震前前兆异常的时空演化进程，以期为后续的前兆异常综合分析提供思路和参考。
引言
在印度与欧亚陆-陆汇聚的远程作用下，晚中新世以来青藏高原东北缘迅速抬升。相对于高原内部，东北缘仍处于地表抬升和侧向生长阶段，地形变化、地质构造和地下结构均异常复杂，区内分布的大型深断裂带，多数是重要的大地构造区的边界断裂，同时也是控制现今强震活动的活断层（周民都等，2000；袁道阳，2003；沈旭章等，2013）。
2016年1月21日青海省门源MS6.4地震发生于青藏高原东北缘内部的二级块体祁连地块上，微观震中位于（37.7°N，101.6°E），宏观震中位于门源县泉口镇，震源机制解显示节面Ⅰ走向为143°、倾角为35°、滑动角为91°，节面Ⅱ走向为335°、倾角为56°、滑动角为97°，主压应力轴方位角为60°、倾角为0.6° （黄浩等，2017；梁姗姗等，2017）。该地震的发震构造为冷龙岭断裂北侧的弧形次生断裂，该次生断裂与冷龙岭断裂一起构成正花状构造，NNW走向的逆断层在ENE向近水平压应力作用下发生错断（胡朝忠等，2016；郭鹏等，2017；姜文亮等，2017；刘云华等，2019）。
门源地震震中虽位于青海省2016年度危险区预测范围内，但在震前未作出及时的短临预报，测震学异常主要以中长期异常为主，前兆异常仅在乐都台站提取到一项气氡异常（屠泓为等，2016；王培玲等，2016；马玉虎等，2017），震后对门源地震震前的异常特征的分析探讨（李霞等，2016；马震，苏维刚，2016；杨晓霞等，2016；刘磊等，2017；苏维刚等，2018）多是基于单一学科或多学科异常的简单统计归纳，并未对震前的异常时空演化过程进行综合的分析研究。为此，本文拟通过对门源地震之前震中周边前兆台站的观测资料进行回顾性分析，梳理震前出现的各类异常，总结其变化特征，提取门源地震震前前兆异常的时空演化进程，以期为后续的前兆异常综合分析提供思路和参考。
1. 发震区域构造应力特征
门源地震发震区域所处的祁连山断裂带（图1）为一条宽约60 km的连续变形带，其地壳应变率显著高于周边区域，显示出该断裂带强烈的活动特征。震前的连续GPS观测结果显示自2010年以来该区域一直处于应变的挤压缩减状态，震中附近区域的EW向线应变和面应变率从2014年开始出现弱化现象，均表明该区域在震前积累了一定程度的应变能（马海萍等，2016；陈为涛等，2017；苏小宁，孟国杰，2017）。
门源MS6.4地震震中附近区域的地壳受挤压变形，重力场的异常变化特征亦较为显著。2011年5月—2012年5月青藏高原东北缘测区较大范围内出现了区域性重力异常，至2014年5月—2015年5月临近发震前局部重力异常变化开始呈 “四象限” 分布。由于地震发生在重力反向变化过程中的四象限中心，重力加速变化可能是门源地震发震前地壳内部物质运移等活动在地表重力场上的反映（祝意青等，2016；王同庆等，2018；Liu et al，2018）。
1. 发震区域构造应力特征
门源地震发震区域所处的祁连山断裂带（图1）为一条宽约60 km的连续变形带，其地壳应变率显著高于周边区域，显示出该断裂带强烈的活动特征。震前的连续GPS观测结果显示自2010年以来该区域一直处于应变的挤压缩减状态，震中附近区域的EW向线应变和面应变率从2014年开始出现弱化现象，均表明该区域在震前积累了一定程度的应变能（马海萍等，2016；陈为涛等，2017；苏小宁，孟国杰，2017）。
门源MS6.4地震震中附近区域的地壳受挤压变形，重力场的异常变化特征亦较为显著。2011年5月—2012年5月青藏高原东北缘测区较大范围内出现了区域性重力异常，至2014年5月—2015年5月临近发震前局部重力异常变化开始呈 “四象限” 分布。由于地震发生在重力反向变化过程中的四象限中心，重力加速变化可能是门源地震发震前地壳内部物质运移等活动在地表重力场上的反映（祝意青等，2016；王同庆等，2018；Liu et al，2018）。
2. 地球物理场异常时空分布特征
门源地震震中附近的前兆观测台站多集中于震中东南部，北部较为稀疏（图2），其中距震中100 km范围内有5个前兆台站，距震中100—200 km范围内有17个台站，距震中200—300 km范围内有10个台站。通过对资料的回顾性分析，梳理出定点前兆异常共计15项（图2），其中形变类异常有8项，流体类异常5项，电磁类异常2项，详见表1，结合 《中国震例》 的异常时间划分将地震异常分为中长期异常、中短期异常和短临异常。门源地震前提取的 15 项前兆异常具体列于表2，异常台站由于受观测台站分布影响，主要集中于震中东南部，其它区域零散分布。
表 1 门源MS6.4地震前兆异常分布Table 1. Distribution of precursory anomalies of the Menyuan MS6.4 earthquake震中距/km 异常项 异常台站所占比例 100 2 20% 100—200 3 29% 200—300 3 20% ＞300 7 20% ![]()
图 2 门源MS6.4震中附近地区观测台站及前兆异常分布图Figure 2. Distribution of monitoring stations and precursory anomalies before the Menyuan MS6.4 earthquake表 2 门源MS6.4地震前兆异常统计Table 2. Statistics on precursory anomalies of the Menyuan MS6.4 earthquake序号 异常项目 台站 异常出现日期
年-月-日异常结束日期
年-月-日异常判据 震中距
/km震例 1 水平摆倾斜 门源 2015-08-18 2015-08-27 转折变化 31 乌兰MS5.1，祁连MS5.2，门源MS6.4 2 垂直摆倾斜 门源 2015-08-18 2015-08-27 转折变化 31 乌兰MS5.1，祁连MS5.2，门源MS6.4 3 静水位 平安 2015-09-01 2016-01-01 年变异常变化 140 门源MS6.4 4 钻孔倾斜 湟源 2015-11-01 2016-02-01 持续北倾 130 门源MS6.4 5 气氡 乐都 2015-12-01 2016-03-01 年变异常变化 140 门源MS6.4 6 钻孔倾斜 寺滩 2016-01-17 2016-01-24 加速北倾 203 门源MS6.4 7 洞体应变 白银 2015-01-01 2015-10-01 年变异常变化 250 玉树MS7.1，门源MS6.4 8 短基线伸缩仪NS分量 兰州十
里店2014-05-01 2016-01-01 趋势转折 258 门源MS6.4 9 水温 海原 2015-08-01 2015-11-01 转折上升 350 汶川MS8.0，阿拉善MS5.8，门源MS6.4 10 气氡 嘉峪关 2015-09-01 未结束 高值变化 392 玉门MS5.9，民乐MS6.0，海西MS6.3，
海西MS6.4，门源MS6.411 钻孔应变 格尔木 2015-01-01 2016-02-01 年变异常变化 640 海西MS6.4，玉树MS7.1，门源MS6.4 12 水平摆倾 格尔木 2015-01-01 2016-02-01 趋势性转折 640 海西MS6.3，海西MS6.4，
玉树MS7.1，门源MS6.413 深井地电 天水 2016-01-05 2016-01-21 加速上升 522 芦山MS7.0，岷嶂MS6.6，门源MS6.4 14 地磁 2015-12-23 2015-12-23 超阈值 岷嶂MS6.6，门源MS6.4，
阿拉善MS5.0，九寨沟MS7.015 水温 玉树 2015-10-07 2015-11-17 “V”形变化 756 尼泊尔MS8.0，玉树MS7.1，
门源MS6.4，杂多MS6.22.1 中长期异常
白银台洞体应变EW分量2014年9月开始出现趋势转平异常变化，打破了2010—2013年逐年上升（拉张）的年变形态；兰州十里店台洞体应变短基线NS向自2014年5月出现趋势性转折上升；格尔木台钻孔应变1－3差应变自2015年开始出现年变异常变化，打破了2011年以来的年变变化；格尔木台水平摆倾斜东西分量自2015年以来出现趋势转折变化，从趋势西倾转为趋势东倾。中长期异常均为形变类，且异常形态均为趋势性转折或年变异常变化。
2.2 中短期异常
海原台干盐池水温在2015年8月开始转折上升，至11月恢复下降趋势，在下降过程中发生门源MS6.4地震；门源台两个倾斜分量均于2015年8月18日出现转折变化，8月27日回返；平安台2015年9月23日静水位从原有的下降趋势转变为上升变化，呈年变异常变化；嘉峪关台气氡自2015年9月以来氡值出现高值异常；玉树台水温自2015年10月7日出现下降趋势，10月31日恢复上升，形成 “V” 形变化；湟源台钻孔倾斜北南分量自2015年11月起加速北倾，门源地震后回返并恢复至水平变化。这样看来，中短期异常主要以流体类为主，且异常形态主要呈趋势上升或 “V” 形变化，区域地壳受挤压变形，底部热物质上涌至浅层地表，孔隙压增大，水位和水温均表现为上升变化，部分观测井所处的断层灵敏位置，异常呈下降—上升的复杂变化（张永仙，刘桂萍，2000；祝意青等，2016）。
2.2 中短期异常
海原台干盐池水温在2015年8月开始转折上升，至11月恢复下降趋势，在下降过程中发生门源MS6.4地震；门源台两个倾斜分量均于2015年8月18日出现转折变化，8月27日回返；平安台2015年9月23日静水位从原有的下降趋势转变为上升变化，呈年变异常变化；嘉峪关台气氡自2015年9月以来氡值出现高值异常；玉树台水温自2015年10月7日出现下降趋势，10月31日恢复上升，形成 “V” 形变化；湟源台钻孔倾斜北南分量自2015年11月起加速北倾，门源地震后回返并恢复至水平变化。这样看来，中短期异常主要以流体类为主，且异常形态主要呈趋势上升或 “V” 形变化，区域地壳受挤压变形，底部热物质上涌至浅层地表，孔隙压增大，水位和水温均表现为上升变化，部分观测井所处的断层灵敏位置，异常呈下降—上升的复杂变化（张永仙，刘桂萍，2000；祝意青等，2016）。
2.3 短临异常
乐都台气氡在2015年12月出现年变异常变化，大幅度突升；2015年12月23日嘉峪关、格尔木、都兰和贵德等台站的加卸载响应比和日变幅逐日比超阈值；临震前，距震中522 km的天水台深井地电观测EW和NW道日均值于2016年1月5日开始呈加速上升形态，并出现多次起伏；距震中203 km的寺滩台钻孔倾斜NS分量在2016年1月17日出现加速北倾变化。临震异常主要以电磁类为主。
2.3 短临异常
乐都台气氡在2015年12月出现年变异常变化，大幅度突升；2015年12月23日嘉峪关、格尔木、都兰和贵德等台站的加卸载响应比和日变幅逐日比超阈值；临震前，距震中522 km的天水台深井地电观测EW和NW道日均值于2016年1月5日开始呈加速上升形态，并出现多次起伏；距震中203 km的寺滩台钻孔倾斜NS分量在2016年1月17日出现加速北倾变化。临震异常主要以电磁类为主。
3. 定点前兆异常的时空演化特征分析
3. 定点前兆异常的时空演化特征分析
3.1 前兆异常的时空演化特征
综合门源地震前提取的15项前兆异常，从震前异常的时间演化来看：该地震震前2年白银台洞体应变和兰州十里店台短基线伸缩仪分别出现年变异常变化和趋势性转折异常；震前1年格尔木台钻孔应变差应变和水平摆倾斜EW分量分别出现年变异常变化和趋势性转折异常；震前5—3个月门源台倾斜等形变类短期异常和乐都台气氡等流体类短期异常集中出现；震前23—15天和震前4天分别出现天水台深井地电阻率等电磁类异常和寺滩台钻孔倾斜等形变类异常。这些异常的出现时间如图3所示，可见随时间推移长—中—短—临异常依次出现。
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图 3 门源地震前前兆异常时间进程Figure 3. The time process of precursory anomalies before the Menyuan earthquake在考虑震前异常时间演化进程的基础上，通过研究异常的空间分布特征可知：首先在距震中250—650 km的范围出现年变异常变化和趋势转折异常等中长期异常；之后随时间推移中短期异常出现，大部分异常主要集中在距震中150—50 km的范围内，少量异常如玉树水温异常出现在距震中756 km处；发震前临震异常出现在距震中200—500 km的区域内。
冯德益基于诸多震例资料的分析研究，明确地提出了地震前兆过程的3个发展阶段，即α，β和γ阶段（Feng，1983）。本文将门源地震前的前兆异常出现时间与震中距关系绘制成图，如图4所示，可见异常开始时间随震中距的阶段变化同样可以划分为α，β和γ等三个阶段：α阶段为远源场前兆异常从震中向外围扩散的过程，异常主要出现在震前390—630天内，震中距主要介于260—640 km之间；β阶段为前兆异常大范围分布，主要出现在震前100—200天，且在震中距30—760 km内均有分布；γ阶段为前兆异常从震中向外围扩散的过程，且为近源场异常向外扩散。
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图 4 门源地震前异常时间随震中距的阶段变化Figure 4. Stage variation of anomaly time with epicentral distance before the Menyuan earthquake考虑到不同震级和不同区域的地震活动前兆异常演化的差异性，据 《中国震例》 选取西北地区前兆异常相对丰富的2014年4月14日玉树MS7.1地震和2013年7月22日岷嶂MS6.6地震进行对比分析。玉树MS7.1地震震中500 km范围内共有7个前兆观测台站，震前出现8条异常，属5个异常项目；岷漳MS6.6地震震中300 km范围内共有17个前兆观测台站，震前出现12条异常，属5个异常项目。将两次地震前的异常出现时间与震中距关系绘制成图，如图5所示，可见异常开始时间随震中距的阶段变化基本符合α，β和γ三阶段的发展。玉树地震前（图5a），α阶段远源场前兆异常从震中向外围扩散；β阶段前兆异常大范围分布，异常较为分散；γ阶段前兆异常为远源场异常，向震中逼近。岷嶂地震前（图5b），α阶段前兆异常从震中向外围扩散，且为近源场异常；β阶段前兆异常较为分散且异常数量较少；γ阶段前兆异常为近源场异常，向外扩散。
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图 5 玉树（a）和岷嶂（b）地震前异常出现时间随震中距的阶段变化Figure 5. Stage-variation of anomaly time with epicentral distance before Yushu （a） and Minzhang （b） earthquakes综合三次震例可以看出，前兆异常在时空演化上具有阶段性和迁移性，均具有α，β和γ三阶段的变化，不同之处表现在：玉树MS7.1地震在γ阶段为远源场异常向震中逼近，门源MS6.4和岷嶂MS6.6地震在γ阶段为近源场异常向外扩散。前人针对唐山MS7.8、汶川MS8.0、九寨沟MS7.0等一系列显著地震的研究表明前兆异常均具有明显的α，β和γ三阶段特征（梅世蓉等，1993；宋治平，薛艳，2009；张小涛等，2018a，b），且γ阶段表现为近源区向外扩散的过程。由此说明，在地震孕育过程中前兆异常演化的阶段性具有普遍性，但因孕震区的构造活动过程有所不同，不同震例前兆异常的阶段性演化略有不同。
3.1 前兆异常的时空演化特征
综合门源地震前提取的15项前兆异常，从震前异常的时间演化来看：该地震震前2年白银台洞体应变和兰州十里店台短基线伸缩仪分别出现年变异常变化和趋势性转折异常；震前1年格尔木台钻孔应变差应变和水平摆倾斜EW分量分别出现年变异常变化和趋势性转折异常；震前5—3个月门源台倾斜等形变类短期异常和乐都台气氡等流体类短期异常集中出现；震前23—15天和震前4天分别出现天水台深井地电阻率等电磁类异常和寺滩台钻孔倾斜等形变类异常。这些异常的出现时间如图3所示，可见随时间推移长—中—短—临异常依次出现。
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图 3 门源地震前前兆异常时间进程Figure 3. The time process of precursory anomalies before the Menyuan earthquake在考虑震前异常时间演化进程的基础上，通过研究异常的空间分布特征可知：首先在距震中250—650 km的范围出现年变异常变化和趋势转折异常等中长期异常；之后随时间推移中短期异常出现，大部分异常主要集中在距震中150—50 km的范围内，少量异常如玉树水温异常出现在距震中756 km处；发震前临震异常出现在距震中200—500 km的区域内。
冯德益基于诸多震例资料的分析研究，明确地提出了地震前兆过程的3个发展阶段，即α，β和γ阶段（Feng，1983）。本文将门源地震前的前兆异常出现时间与震中距关系绘制成图，如图4所示，可见异常开始时间随震中距的阶段变化同样可以划分为α，β和γ等三个阶段：α阶段为远源场前兆异常从震中向外围扩散的过程，异常主要出现在震前390—630天内，震中距主要介于260—640 km之间；β阶段为前兆异常大范围分布，主要出现在震前100—200天，且在震中距30—760 km内均有分布；γ阶段为前兆异常从震中向外围扩散的过程，且为近源场异常向外扩散。
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图 4 门源地震前异常时间随震中距的阶段变化Figure 4. Stage variation of anomaly time with epicentral distance before the Menyuan earthquake考虑到不同震级和不同区域的地震活动前兆异常演化的差异性，据 《中国震例》 选取西北地区前兆异常相对丰富的2014年4月14日玉树MS7.1地震和2013年7月22日岷嶂MS6.6地震进行对比分析。玉树MS7.1地震震中500 km范围内共有7个前兆观测台站，震前出现8条异常，属5个异常项目；岷漳MS6.6地震震中300 km范围内共有17个前兆观测台站，震前出现12条异常，属5个异常项目。将两次地震前的异常出现时间与震中距关系绘制成图，如图5所示，可见异常开始时间随震中距的阶段变化基本符合α，β和γ三阶段的发展。玉树地震前（图5a），α阶段远源场前兆异常从震中向外围扩散；β阶段前兆异常大范围分布，异常较为分散；γ阶段前兆异常为远源场异常，向震中逼近。岷嶂地震前（图5b），α阶段前兆异常从震中向外围扩散，且为近源场异常；β阶段前兆异常较为分散且异常数量较少；γ阶段前兆异常为近源场异常，向外扩散。
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图 5 玉树（a）和岷嶂（b）地震前异常出现时间随震中距的阶段变化Figure 5. Stage-variation of anomaly time with epicentral distance before Yushu （a） and Minzhang （b） earthquakes综合三次震例可以看出，前兆异常在时空演化上具有阶段性和迁移性，均具有α，β和γ三阶段的变化，不同之处表现在：玉树MS7.1地震在γ阶段为远源场异常向震中逼近，门源MS6.4和岷嶂MS6.6地震在γ阶段为近源场异常向外扩散。前人针对唐山MS7.8、汶川MS8.0、九寨沟MS7.0等一系列显著地震的研究表明前兆异常均具有明显的α，β和γ三阶段特征（梅世蓉等，1993；宋治平，薛艳，2009；张小涛等，2018a，b），且γ阶段表现为近源区向外扩散的过程。由此说明，在地震孕育过程中前兆异常演化的阶段性具有普遍性，但因孕震区的构造活动过程有所不同，不同震例前兆异常的阶段性演化略有不同。
3.2 前兆异常的机理探讨
前兆场异常随时间和空间的不断演化受孕震体的物理化学性质和地壳应力状态的变化所控制（李丽，张国民，1999）。在强震孕育过程中，断层活动分布范围广，随着构造应力的增加和传递，外围断层大范围的活动不断向未来震中区转移；至孕震晚期，断层活动分布范围缩小，仅限于震源区附近及发震断层带上（何世海，1995；陆明勇等，2003）。
冯德益的三阶段演化理论（Feng，1983）可以与地震孕育的三个阶段相联系：α阶段微破裂发生、发展，当微破裂串通到足够程度后产生非震滑动或蠕动；β阶段除断层预滑外可能还存在气压、温度等大范围的变化。
门源地震前兆异常的演化阶段与冯德益的三阶段演化（Feng，1983）略有不同，门源地震前异常演化的γ阶段为近源场异常向外扩散，而冯德益研究提出地震前兆异常的γ阶段为从外围向震源区收缩，宋治平等（2000）基于包体流变模型计算的结果显示球形硬包体的地面体应变随时间的变化表现出α，β和γ等三个阶段，其中：α阶段前兆在近源区和远源区均向外扩展；β阶段前兆在近源区和远源区均处于极值状态；γ阶段前兆在远源区向近源区收缩，而在近源区向外扩展。基于孕震模型计算的体应变三阶段特征与地震前兆异常演化阶段具有较好的一致性，说明在地震孕育过程中区域应变场存在三阶段的演化过程。
3.2 前兆异常的机理探讨
前兆场异常随时间和空间的不断演化受孕震体的物理化学性质和地壳应力状态的变化所控制（李丽，张国民，1999）。在强震孕育过程中，断层活动分布范围广，随着构造应力的增加和传递，外围断层大范围的活动不断向未来震中区转移；至孕震晚期，断层活动分布范围缩小，仅限于震源区附近及发震断层带上（何世海，1995；陆明勇等，2003）。
冯德益的三阶段演化理论（Feng，1983）可以与地震孕育的三个阶段相联系：α阶段微破裂发生、发展，当微破裂串通到足够程度后产生非震滑动或蠕动；β阶段除断层预滑外可能还存在气压、温度等大范围的变化。
门源地震前兆异常的演化阶段与冯德益的三阶段演化（Feng，1983）略有不同，门源地震前异常演化的γ阶段为近源场异常向外扩散，而冯德益研究提出地震前兆异常的γ阶段为从外围向震源区收缩，宋治平等（2000）基于包体流变模型计算的结果显示球形硬包体的地面体应变随时间的变化表现出α，β和γ等三个阶段，其中：α阶段前兆在近源区和远源区均向外扩展；β阶段前兆在近源区和远源区均处于极值状态；γ阶段前兆在远源区向近源区收缩，而在近源区向外扩展。基于孕震模型计算的体应变三阶段特征与地震前兆异常演化阶段具有较好的一致性，说明在地震孕育过程中区域应变场存在三阶段的演化过程。
4. 讨论与结论
通过对门源地震前异常的梳理和分析，进而探讨其前兆异常的演化特征，得到以下结果：
1） 前兆异常主要集中在距震中300 km的范围内，且以中短期异常为主；
2） 前兆异常的演化呈 “长—中—短—临” 时间进程特征，且中长期异常主要以形变类为主，中短期异常主要以流体类为主，短临异常主要以电磁类为主；
3） 震前异常演化在空间上具有阶段性和迁移性，分α，β和γ阶段。α阶段前兆异常从震中向外围扩散；β阶段异常从震中到外围大范围分布；γ阶段主要以近源场异常向外扩散为主。
门源MS6.4地震未作出及时的短临预报，但通过异常梳理可知，短临异常有4项，中短期异常数量更多，如何通过足够多的中短期异常把握异常的时空演化进程呢？对门源MS6.4、岷嶂MS6.6和玉树MS7.1的震例研究结果显示：震前异常演化在时空上均具有α，β和γ三阶段演化特征，且M7地震在γ阶段表现为远源场异常向震中逼近，M6地震在γ阶段表现为近源场异常向外扩散，在未来震情跟踪过程中，应把握这种异常迁移规律，及时捕捉地震信号，作出有减灾实效的短临地震预报。
青海省地震局预报中心各位同事为本文提供了前兆异常分析资料，在此向他们表示衷心感谢。
4. 讨论与结论
通过对门源地震前异常的梳理和分析，进而探讨其前兆异常的演化特征，得到以下结果：
1） 前兆异常主要集中在距震中300 km的范围内，且以中短期异常为主；
2） 前兆异常的演化呈 “长—中—短—临” 时间进程特征，且中长期异常主要以形变类为主，中短期异常主要以流体类为主，短临异常主要以电磁类为主；
3） 震前异常演化在空间上具有阶段性和迁移性，分α，β和γ阶段。α阶段前兆异常从震中向外围扩散；β阶段异常从震中到外围大范围分布；γ阶段主要以近源场异常向外扩散为主。
门源MS6.4地震未作出及时的短临预报，但通过异常梳理可知，短临异常有4项，中短期异常数量更多，如何通过足够多的中短期异常把握异常的时空演化进程呢？对门源MS6.4、岷嶂MS6.6和玉树MS7.1的震例研究结果显示：震前异常演化在时空上均具有α，β和γ三阶段演化特征，且M7地震在γ阶段表现为远源场异常向震中逼近，M6地震在γ阶段表现为近源场异常向外扩散，在未来震情跟踪过程中，应把握这种异常迁移规律，及时捕捉地震信号，作出有减灾实效的短临地震预报。
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图 1 宁夏区域地震台网及2008—2016年地震震中分布
Figure 1. Location of Ningxia regional seismic network and epicentral distribution from 2008 to 2016
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图 2 5—10 Hz带通滤波后的地震波南北向（a）和垂向（b）速度分量的波形相似序列
图中各波形右上角数字为地震事件与参考事件（2010-06-13）的波形互相关系数
Figure 2. High similarity waveforms with the north-south components （a） and the vertical components （b） after 5−10 Hz band-pass filtering
The numbers in top right corners give the cross-correlation coefficients between the associated seismogram and template seismogram （2010-06-13）
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图 6 震源间距为97.5 m （a）和195 m （b）时的波形互相关系数分布
自相关尺度a＝2 km，P波和S波的速度扰动均方根分别为2%和4%。图中震源机制的空间分布或相位信息均与图4和图5一致
Figure 6. Waveform cross-correlation coefficients distribution with the distance separation of earthquake pairs of 97.5 m （a） and 195 m （b）
The auto-correlation length a is 2 km，the P-wave and S-wave velocity perturbations are 2% and 4%，respectively. The focal mechanism of the earthquakes used here is exactly the same as Fig.4 and Fig.5
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图 5 地震对震源间距为195 m （a）和290 m （b）时波形互相关系数分布
非均匀体模型参数及震源机制解与图4相同
Figure 5. Waveform cross-correlation coefficients distribution with the distance separation of earthquake pairs of 195 m （a） and 290 m （b）
The parameters of heterogeneities model and the focal mechanism of the earthquakes are exactly the same as Fig. 4
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图 7 震源间距97.5 m时的波形互相关系数分布（a）和垂向速度分量合成地震图（b）
非均匀体模型与图4完全相同，但震源机制为倾角45°逆冲型，选取剖面台站为y＝30 km，x在10—55 km范围内递增
Figure 7. Waveform cross-correlation coefficients distribution （a） and a distance profile of vertical velocity seismograms （b） for an earthquake pair with a distance separation of 97.5 m
The heterogeneity model used here is exactly the same as Fig.4，but the earthquake focal mechanism is replaced by a thrust type with a dip angle of 45°，this profile is composed of synthetics from stations at y＝30 km and x ranging from 10 km to 55 km
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图 4 走滑型地震对应的波形互相关系数分布（a）及部分台站波形合成图（b）
自相关尺度a＝2 km，P波和S波的速度扰动均方根分别为4%和8%。图（a）中的地震对间距为97.5 m，震源机制为走向0°的走滑型，图（b）中垂直向速度分量为5—10 Hz带通滤波后的震中距剖面，选取剖面台站为y＝30 km，x从10 km递增至55 km
Figure 4. Waveforms cross-correlation coefficients （a） and waveform synthetics of station （b） for a strike-slip earthquake
The auto-correlation length a is 2 km，the P-wave and S-wave velocity perturbations are 4% and 8% respectively. The earth-quake pair has a distance separation of 97.5 m，and the earthquake has a strike-slip focal mechanism with a strike of 0° in Fig.（a），Fig.（b） shows a distance profile of vertical velocity seismograms after 5−10 Hz band-pass filtering，and the profile is composed of synthetics from the stations at y＝30 km and x ranging from 10 km to 55 km
表 1 本文所用的地震波速度、密度及衰减模型结构
Table 1 Velocity，density and attenuation model structure of seismic waves used in this study
厚度/km vP/（m·s−1） vS/（m·s−1） 密度/（g·cm−3） Qμ 地壳 30 6 800 3 900 2 900 80 地幔 10 8 110 4 490 3 380 80 
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