引言

大地震的短期前兆现象一直是国内外学者关注与争论的焦点之一． 基于扩容扩散和扩容引起的摩擦滑动模型及地震破裂成核过程模型(Nur, 1972; Mjachkin et al, 1975; Rummel et al, 1978; Das,Scholz, 1981; Dubrovskiy,Sergeev, 2006)， 地倾斜应变观测等被认为是监测地壳形变和捕捉地震前兆的重要手段． 而实际观测结果表明， 震级小于4.3级的小地震前地倾斜应变信号与周围地震具有一定的相关性(Johnston,Mortensen, 1974; McHugh,Johnston, 1978)， 但异常台站至震中距离很难达到0 km或0 m (Rikitake, 1975)， 因此， Takemoto (1991) 提出了地震发生的最小前兆距离的概念； 对于震级大于6.0 级地震， 临震前尽管观测到一些突出的短期异常， 但通常远离震中区域(Mogi, 1985; 牛安福, 2009, 2012); 而靠近震源区域， 由于临震前变形不显著， 同样引起对以监测断层预滑动预报地震思路的质疑(Takemoto, 1991； Johnston et al, 1990; Linde et al, 1992; Bilham, 2005; Amoruso,Crescentini, 2010; 牛安福等, 2012).

临近芦山M_S7.0地震前的形变前兆分布， 为认识该地震孕育过程及其伴随的前兆现象等提供了不可多得的信息． 2013年4月20日发生的芦山M_S7.0地震位于龙门山断裂带南段， 其破裂特征与汶川M_S8.0地震相似， 属于逆冲型地震． 该震震前沿鲜水河断裂带一些跨断层基线观测到显著的加速转折变化， 显示因巴颜喀拉地块的快速东向运动， 打破了鲜水河断裂长期左旋运动的格局， 是突出的场兆变化； 沿安宁河、 则木河断裂带个别场地的跨断层水准基线呈巨幅变化； 沿龙门山断裂带一些水准观测在汶川M_S8.0地震后呈持续调整变化； 而鲜水河、 龙门山、 安宁河3条主要断裂围成的三叉口地区， 地倾斜、 应变、 GPS、 重力等连续形变变化不大， 断层蠕变及断层水准变化较小， 是形变变化最为薄弱的区域．

本文针对芦山M_S7.0地震临震前多种形变观测结果进行综合分析， 提出了震前出现的形变异常“空区”现象， 并对该现象给出了可能的解释．

1.   芦山M_S7.0地震前突出形变异常分布

自20世纪70年代末开始， 四川省地震局沿龙门山断裂带、 鲜水河断裂带、 安宁河断裂带、 则木河断裂带陆续开展了跨断层水准基线测量和断层蠕变测量， 断层水准基线观测周期为1—3个月. 本文使用的观测数据截止时间为芦山地震前最后一期， 即2013年3月份. 该地 区自2003年开始多数地倾斜和地应变台站等实现了数字化观测， 采用的资料截止时间 为震前1天．

1.1   鲜水河断裂带异常分布

芦山M_S7.0地震前鲜水河断裂带较为显著的异常变化主要是侏倭、 格篓、 虚墟和龙灯坝跨断层基线. 这些基线长期变化趋势表现为巴彦喀拉块体南边界以左旋运动为主． 而2013年1月、 3月份的观测结果却给出了显著的转折变化， 短期的活动以右旋为主(图1)．

图  1  芦山M_S7.0地震前沿鲜水河断裂带跨断层基线变化. L_AB和L_AC分别表示AB边和AC边的边长

Figure  1.  The changes in cross fault baseline lengths along Xianshuihe fault prior to the Lushan earthquake, where L_AB and L_AC are the length of AB and AC lines, respectively

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该断裂带跨断层水准变化与断层基线相比不显著． 沿鲜水河断裂带还有虾拉沱、 恰叫、 沟普、 老乾宁和龙灯坝断层蠕变测量, 除沟普外， 多以趋势异常为主．

1) 侏倭基线． 该场地距离芦山M_S7.0地震震中280 km． 该断层观测场地自1980年开 始观测， AB边长168 m， AC边长288 m左右． 早期每2—3个月测量一期， 汶川M_S8.0地震后每月测量一期． 1982年以来， 该处断层的水平运动呈左旋张性活动． AB边以平均0.8 mm/a 左右速率拉张， 临震前有短时异常扰动； AC边以平均1.0 mm/a速率缩短， 汶川M_S8.0地震后， AC边变化较小， 2013年1月前后加速压缩， 震前最大压缩量达2.8 mm， 异常持续时间约3—4个月．

2) 格篓基线． 该场地距离芦山M_S7.0地震震中270 km． 该断层观测场地自1982年开始观测， AB边长72 m， AC边长96 m左右． 早期每2—3个月测量一期， 2004年起每月测量一期． 1982年以来， 该处断层的水平运动呈左旋张性活动， 平均活动量在0.1mm/a左右． 2001年昆仑山口西M_S8.1地震后， 年变幅度增大， 但年变速率未有大的改变． 2012年5月起基线趋势出现转折， 2013年1月有明显加速转向， AB测边出现大幅度缩短, 变化幅度为3.5 mm， 异常持续时间近4个月．

3) 虚墟水准、 基线． 该断层观测场地距离芦山M_S7.0地震震中260 km． 该场地基线观测自1980年开始， AB边和AC边基线分别长215 m和240 m左右， 每1—3个月观测一期． 基线L_AB和L_AC受2001年昆仑山口西M_S8.1地震、 2004年印尼苏门答腊M_S9.0地震、 以及2008年汶川M_S8.0地震影响， 基线变化趋势发生改变． 汶川地震后， 断层左旋张性活动， 2011年底至2012年10月拉张的趋势有所减弱， 2013年1月AB测边出现大幅度压性变化， 加速持续时间近4个月， 变化幅度为2.96 mm．

4) 龙灯坝基线． 该断层观测场地距离芦山M_S7.0地震震中160 km． 该场地基线观测自1985年开始， AB边和AC边基线分别长48 m和72 m左右， 每1—3个月观测一期． 龙灯坝场地的水平运动历来较弱， 1991—2002年两测边均以0.04 mm/a左右速率变化， 2003—2006年以0.19 mm/a左右速率拉张． 2011年11月至2013年1月， AB测边出现持续13个月的下降， 最大幅度为2.03 mm．

5) 其它场地基线． 老乾宁断层观测场地距离芦山M_S7.0地震震中140 km． 该场地基线观测自1979年开始， 每1—3个月观测一期． 2012年以来两测边观测曲线波动变化， 临震前无明显的 加速断层活动． 折多塘断层基线(距芦山地震震中110 km)呈现较稳定的趋势， 无显著的短期加速异常变化．

6) 沟普水平蠕变． 该场地距离芦山 M_S7.0地震震中200 km． 沟普蠕变观测1—3测边在2008年汶川M_S8.0地震后趋势发生转折， 在2010年玉树地震后出现较大幅度起伏． 异常核实报告显示， 未发现仪器故障、 人为干扰等． 2011年5—9月持续上升， 幅度为0.59 mm， 10月转折下降． 2012年1—10月继续大幅度上升， 幅度为1.1 mm (图2)．

图  2  沟普水平蠕变1—3测边观测曲线

Figure  2.  The horizontal fault creep of 1—3 lines at Goupu site

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从鲜水河断层基线及蠕变观测结果可知， 显著的短期异常变化主要分布在沟普以西地段， 而鲜水河东南段， 龙灯坝基线、 老乾宁及折多塘基线则没有明显的短期加速异常．

1.2   沿龙门山断裂带形变异常分布

沿龙门山断裂带断层活动主要表现为汶川M_S8.0地震后的调整． 周围较近的观测场地包括宝兴、 双河和灌县．

1) 宝兴水准． 该场地水准观测开始于汶川M_S8.0地震后， 距离芦山M_S7.0地震震中15 km． 从2010年以来的观测结果看， 水准变化幅度较小， 震前3年变化幅度仅0.6 mm． 震前有小幅扰动， 但也在动态范围内(图3)．

图  3  芦山M_S7.0地震前沿龙门山断裂带跨断层水准变化图中H_XX1 , H_3—4, H_2—1分别表示XX₁边、 3—4边和 2—1边测线高程变化

Figure  3.  The changes in cross fault leveling along the Longmenshan fault before the Lushan earthquake，where H_XX1 , H_3—4, and H_2—1 denote the leveling of XX₁, 3—4, and 2—1 lines, respectively

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2) 双河水准． 双河场地跨越龙门山前山断裂带之安县—灌县断层中段的双河断层， 距离芦山M_S7.0地震震中90 km． 1991年以来双河短水准的变化主要在2 mm范围内波动． 汶川M_S8.0特大地震前没有监测到明显的前兆异常， 但同震变化非常显著， 上盘相对下盘 下降7.76 mm． 汶川M_S8.0地震后， 断层一直处于压性调整活动阶段, 年动态变化在1.5 mm 范围内(图3)．

3) 灌县水准． 灌县水准场地距离芦山M_S7.0地震100 km． 2000年以来具有较稳定的年周期变化特征． 受汶川M_S8.0地震的影响， 产生显著的同震变形． 之后至芦山地震前， 呈现持续下降， 幅度达3 mm， 是龙门山断裂带上水准变化速率相对较大的场地之一(图3)．

1.3   沿安宁河、 则木河断裂带形变异常

芦山M_S7.0地震前沿安宁河、 则木河断裂带突出的形变异常主要有西昌、 尔乌水准和汤家坪水准基线． 宁南、 冕宁、 安顺场等场地水准存在一定的变化， 但不显著； 紫马跨断层蠕变在汶川M_S8.0地震后出现年变化幅度增大现象， 震前年变化特征较为稳定．

1) 西昌水准． 西昌短水准测量场地位于西昌市李金堡镇， 距芦山M_S7.0地震震中270 km． 该场地布设了A-B-C-A短水准监测环线． 其中AB、 BC为跨断层斜交边． 资料显示， 1988—2000年平均速率为0.27 mm/a左右， 断层略显张性活动． 2004年开始对该场地进行每年6期的加密观测， 2004—2009年连续6年的观测显示该处断层无明显变化， 年变化比较清晰． 2010年4—6月的观测显示， 该场地两测线同时出现明显的变化， AB测线下降了3.89 mm ， AC测线上升了4.46 mm． 2010年7月—2011年3月有所 转折． 2011年5月—2012年5月， 两测线又同时出现明显的变化， AB测线下降了10.6 mm， AC测线上升了10.5 mm． 2012年7—9月的观测资料显示曲线有所转折， 该时段内在川滇交界先后发生了2012年6月24日的盐源M_S 5.7地震和2012年9月7日的彝良M_S5.6地震， 震中距分别为150 km和180 km． 两次地震发生在该水准转折变化过程中(图4)． 2013年1月观测结果显示再次发生转折, 持续时间4个月左右．

图  4  芦山M_S7.0地震前沿安宁河、 则木河断裂带跨断层水准、 基线变化H_AB, H_AC, H_1—3分别表示相应测线的水准变化， L_AB表示AB测线长度

Figure  4.  The changes in cross fault leveling and baseline lengths along the Anninghe and Zemuhe faults before the Lushan earthquake. H_AB, H_AC, H_1—3 separately represent corresponding leveling changes for the lines AB, AC, and 1—3, and L_AB is the length of AB line

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2) 尔乌水准． 尔乌短水准在2008年之前的变化显示此处断层垂直活动较弱． 汶川M_S8.0大震后打破了往年同期的上升变化， 出现近3 mm幅度的异常扰动． 2010年玉树地震后， 再次发生转折， 上升幅度达2.34 mm后恢复． 2012年开始异常再次出现， 上升幅度为2.23 mm， 临震前出现转折(图4)．

3) 汤家坪水准、 基线． 该观测场地位于则木河断裂带紧靠南东的尾端地段， 距离芦山M_S7.0地震震中360 km． 汤家坪场地建成于1980年． 该场地水准在2003—2007年波动幅度较大， 2008年汶川M_S8.0地震后， AB边和AC边出现趋势转折， 于2011年出现近20 mm的变化， 2012年下半年出现转折， 转折前后发生了盐源M_S5.7 和彝良M_S5.6两次中等地震(图4)．

该场地基线长期变化具有10年左右周期． 2003—2007年出现较大幅度的异常扰动， 2008年汶川M_S8.0地震后， 趋势出现转折． 2011年开始加速伸长， 意味着发生了较大幅度的左旋运动， 年最大幅度达20 mm， 盐源M_S5.7和彝良M_S5.6两次中等地震均发生在基线达到最大值前后， 临近芦山M_S7.0地震前， 基线出现转折(图4)．

2.   芦山M_S7.0地震前近场形变变化特征

应用地震震级估算此次地震破裂尺度约30 km． 将2倍破裂尺度内定义为近场， 而2倍尺度外定义为远场． 近场的范围为震中附近60 km， 沿地震破裂方向可接近90 km．

芦山M_S7.0地震近震源区域的形变观测点包括宝兴跨断层场地， 雅安和姑咱等连续形变观测台站．

芦山M_S7.0地震最近的跨断层观测场地是宝兴场地， 震中距离15 km． 该场地跨断层水准结果表明， 其变化幅度在研究区域内是最小的， 震前3年变化幅度也只有0.6 mm， 且震前扰动变化未超出2倍动态范围(图3)．

1) 雅安台地倾斜变化． 雅安地震台处于龙门山断裂带西南段， 位于芦山M_S7.0地震极震中区域． 雅安地震台地形变观测仪器为JB型金属水平摆倾斜仪， 2003年完成数字化改造， 仪器工作周期14.2 s±0.1 s． 仪器洞室东西走向， 条石拱砌， 进深7 m， 顶层及两侧覆盖厚度＞20 m， 仪器墩高60 cm， 岩性为砂泥岩． 仪器洞室年温度变幅≤1.6℃， 日温度 变幅≤0.2℃， 相对湿度＞95％． 日照和洞内潮湿对观测会有些干扰， 但年周期变化较为稳定．

该台倾斜潮汐记录数据分析结果表明， 除个别计算粗差外， M₂波潮汐因子及相位较为稳定(图5)． 2012年6月24日盐源M_S 5.7地震前变化不大．

图  5  芦山M_S7.0地震前雅安台地倾斜M₂波潮汐因子(a)、 相位(b)及相应的误差

Figure  5.  The changes of tilt tidal factor (a) and phase (b) at Ya′an station before the Lushan earthquake where the bars denote the monthly errors

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应用傅里叶周期分析方法， 可提取相应的年周期成分． 其结果表明， 该台地倾斜矢量模在震前没有出现显著的异常变化， 但年周期成分自2008年开始则出现逐年下降特征(图6b)．

图  6  芦山M_S7.0地震前雅安台倾斜矢量模(a)及年周期变化(b)

Figure  6.  The tilt vector modulus (a) and the annual period changes (b) at Ya′an station before the Lushan earthquake

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2) 姑咱台地形变变化． 姑咱台处于北西向的鲜水河断裂带、 北东向的龙门山断裂带和南北向的安宁河断裂带复合部位靠北的地段， 距离芦山M_S7.0地震震中90 km． 洞室的岩 性为前震旦纪似斑状黑云母花岗闪长岩， 形变洞进深90 m， 覆盖厚度大于70 m， 洞温18.5℃ 左右， 日温变幅小于0.03℃， 年温变幅小于0.5℃， 相对湿度大于95％； 洞室内装有DZW型重力仪、 SQ型水平摆、 DSQ型水管倾斜仪、 SSY型伸缩仪等， 该台在2007年还安装了YRY分量钻孔应变仪．

由该台多套倾斜仪、 应变仪记录到数据计算得到的M₂波潮汐因子及相位无显著的短期异常变化． 该台定点重力结果中的年周期成分在2004—2005年、 2010—2011年扰动幅度较大， 然后逐年变小， 之后分别发生了汶川M_S8.0地震和芦山M_S7.0地震(图7)．

图  7  芦山M_S7.0地震前姑咱台重力(a)及年周期成分变化(b)

Figure  7.  The changes in gravity (a) and the annual periodic component (b) at Guzan station before Lushan earthquake

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芦山M_S7.0地震前两个台站资料计算得到的年周期成分衰减现象， 反映了临震前孕震区域能量耗散存在逐年减小的特征， 这是开放系统所具有的减熵特征． 1850年， 克劳修斯提出热力学第二定律， 即热量可以自发地从高温物体转移到低温物体， 但不能自发地从低温物体转移到高温物体. 这一定律指出了开放的热力学系统自发变化的必然方向， 并被应用在通讯、 生物等诸多领域． 因此， 临震前记录到的各种前兆变化， 都是半无限空间内、 弱约束条件下孕震系统演化的结果， 这也是许多前兆现象难以使用一些有限尺度的试验结果或一些物理模型来解释的原因之一． 20世纪末， 我国地震学者也曾开展了地震孕育过程中的熵减现象研究， 取得了一些有意义的成果(朱传镇, 1989； 朱令人等, 1990； 王海涛,杨马陵， 1990； 牛安福， 1991)． 本文给出的芦山M_S7.0地震前年变幅度减少现象是地震孕育过程中熵减的又一体现， 对借助连续变形观测进行近震源区域判定提供了一种重要的判据．

3.   芦山M_S7.0地震前形变异常分布特征讨论

芦山M_S7.0地震前出现的一些形变突出异常是否与该地震相关, 以及如何解释近震源区域出现的形变变化等均是地震前兆研究的基本问题． 以往通常按照地域来建立异常与地震的相关性， 但发现异常特征与地震三要素的关系是复杂的．

对于大地震而言， 与其相关的前兆变化可能出现在很远的区域. 例如， 1944年日本Tonankai 8级地震前观测到显著的倾斜 异常， Kagegawa测点距离该地震震中约300 km(Mogi， 1985)． 为解决远场形变异常与地震的相关性， 作者提出了时间依赖判别准则， 即异常越接近地震发生时刻， 其与地震的相关性越高(图8)． 地震波及同震变形与地震震级和地点具有较确定的联系， 拥有最高的相关系数为1.0． 而中期、 短期及短临异常都低于最高值1.0， 且以短临异常最高， 短期异常次之， 这体现了地震预测的“最后一分钟”现象(牛安福， 2005)． 地震波与同震变形场 等与地震参数都可建立一定的模型联系， 作为震前的前兆也期待有这种结果． 作者曾开展过相关的研究与试验工作(牛安福， 2003)．

图  8  远场异常与地震相关性判别的时间依赖准则

Figure  8.  Sketch map of the time dependent criterion for constructing the correlativity between far-filed deformation anomalies and earthquakes

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考虑到芦山M_S7.0地震前鲜水河断裂带出现的断层基线短期加速变化及观测周期， 估计其异常持续时间为90—120天； 安宁河、 则木河断层水准在巨幅异常结束至芦山地震前， 持续时间为180—240天． 依据形变短期加速异常持续时间与地震震级的联系(牛安福, 2003)， 估计其相应的震级范围分别为(6.4—6.6)±0.4和(6.8—7.0)±0.4， 因此可认为芦山地震震前发生的这些异常变化与芦山地震具有一定的相关性． 此处所指相关只是从时间依赖的角度而言， 并非意味着该地区今后不会发生较大地震．

对芦山M_S7.0地震前各种形变资料的进一步分析发现， 震前形变异常形成的“空区”是较明显的， 该空区属于变形幅度小或异常变化不显著的区域(图9)． 形变异常“空区”是临近强地震前出现的一种重要的前兆分布现象． 周硕愚等(1997)利用精密水准复测结果和跨断层资料， 研究了唐山地震前震源区域形变场的演化， 并验证了形变空区与地震活动区及断层闭锁区域间的联系． 牛安福等(1999)利用F检验方法， 研究了1996年2月3日丽江M_S7.0地震前后异常强度的分布， 提出了异常强度空区， 并研究了形变“空区”内外地震活动性的差异． 芦山地震前观测到的变形空区明显受到台站布局及观测手段多样性的影响， 这里展示的只是一个大致的分布．

图  9  芦山M_S7.0地震前的形变异常分布及形变异常“空区”红色矩形表示芦山地震前形变变化较大或异常显著的场地，虚线椭圆表示形变异常“空区”，红色实心圆表示2012年以来研究区域内发生的M_S5.5以上地震， 黑色三角形、 矩形分别表示连续形变观测台站和断层观测场地， 红色线、 绿色线分别表示断层及河流分布

Figure  9.  The deformation anomaly distribution showing the deformation weak area (denoted by dashed ellipse) Red rectangles denote the sites with significant deformation changes or anomalies, the red circles denote the M_S≥5.5 earthquakes since 2012, respectively; black triangles and rectangles denote continuous deformation observation stations and cross fault observation sites, the red and blue lines show the faults and rivers

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GPS资料也验证了芦山M_S7.0地震前形变空区的存在． 利用GPS陆态网络和中国地震局地震预测研究所汶川地震科考GPS站2010年6月30日—2013年2月20日数据， 以东部稳定基准计算获得了各站的水平位移年速率， 依据其速率大小也可勾画出运动速率较小的台站所在的区域(图10)． 该区域内， 靠近震中最近的LS05和LS06台站距离震中17 km左右． 其水平位移年速率较周围台站是最小的， 垂直位移速率也具有相近的特征．

图  10  芦山M_S7.0地震震中区域水平位移年速率分布虚线椭圆表示水平运动速率较低的区域

Figure  10.  Annual velocities of horizontal displacements in the epicentral area of Lushan earthquake The dashed ellipse delineates the area with lower horizontal movement velocities

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比较图9与图10， 尽管给出的两个形变“空区”在形态和范围上有所差别， 但基本上都反映出近震源区域是变形速率最小、 异常最少的区域．

4.   结论

对芦山M_S7.0地震前多种形变观测数据的分析表明， 强地震前近场与远场形变变化的特征具有显著的差别． 沿鲜水河断裂带一些跨断层基线自2013年1月开始的短期加速变化, 及沿安宁河、 则木河断裂带个别场地的跨断层水准基线自2010年4月出现的巨幅异常等与芦山地震在异常持续时间和发震构造上具有一定的联系． 这些突出的形变异常主要分布在芦山地震的外围区域. 在靠近震中附近的鲜水河、 龙门山和安宁河3条主要断裂围成的三叉口地区， 连续形变(倾斜、 应变、 重力)及断层水准和蠕变观测临震前均未有显著的异常变化， GPS水平、 垂直位移年速率最小， 是形变变化或形变异常分布的“空区”． 其中， 近震源区域附近台站的倾斜、 重力年变化幅度震前2—3年不是增大， 而是减小．

芦山M_S7.0地震前各种形变资料的分析结果与构造活动引起的变形场也有较大的差别， 甚至也有悖于常规意义上对“以场求源”， 即在近震源区域捕捉失稳变化预报地震思路的理解， 但这种结果可能体现了强地震应变积累与地震释放之间矛盾的交替(吴翼麟， 1990)， 即通过大变形释放地震能量， 通过小变形积累起大的地震应变．

芦山M_S7.0地震前观测到的形变前兆现象特征与汶川M_S8.0地震等震前的前兆现象较为接近(Johnston et al, 1990; Linde et al, 1992; Bilham, 2005; Amoruso,Crescentini, 2010； 牛安福等, 2012). 因此， 芦山M_S7.0地震前近震源区域观测到的连续形变观测前兆为认识与强地震孕育有关的变形过程及开展地震预报研究等提供了新的思路.