2022年1月8日门源M_%28S%296.9地震前德令哈钻孔应变异常特征.pdf

SEISMOLOGICAL AND GEOMAGNETICOBSERVATION AND RESEARCH第 44 卷 第 2 期2023 年 4 月Vol.44 No.2Apr.2023地 震 地 磁 观 测 与 研 究doi:10.3969/j.issn.1003-3246.2023.02.018第一作者简介：孙玺皓（1986），男，硕士，工程师，主要从事定点形变资料分析工作。E-mail：dzj_基金项目：玛多 7.4 级地震前后青海形变异常特征综合分析（项目编号：2022010218）；候选天文台址地震风险概率分析（项目编号：2019-ZJ-A10）本文收到日期：2022-04-072022年1月8日门源MS 6.9地震前 德令哈钻孔应变异常特征孙玺皓 马 震 苏维刚 胡维云（中国西宁 810001 青海省地震局）摘要 2022 年 1 月 8 日青海门源发生 MS 6.9 地震，1 月 23 日、3 月 26 日青海德令哈发生 MS 5.8、MS 6.0 震群型地震。调查发现，德令哈钻孔应变在多次地震发生前存在不同时间尺度的趋势转折变化，分析认为：德令哈钻孔应变在震前 5 年出现明显的背景性转折变化，在此背景下，此次门源 MS 6.9 地震前 4 个月，钻孔应变 S2、S3分量再次出现显著的中短期转折变化，且分量转折变化方向指向震中。通过震例回溯分析，认为德令哈钻孔应变趋势转折变化对青海北部 6 级及以上强震或 5 级成组地震具有较好的指示意义。关键词 门源 MS 6.9 地震；德令哈 MS 5.8、MS 6.0 震群；钻孔应变；趋势转折变化0 引言受到印度洋板块与欧亚板块碰撞相互推挤作用的影响，晚新生代以来青藏高原东北缘迅速抬升，构造变形强烈，区内分布多条第四纪活动的逆冲、走滑等深大断裂，以及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）。2022 年 1月 8 日青海门源发生 MS 6.9 地震（下文简称门源地震）（37.77 N，101.26 E），发震构造为冷龙岭断裂。震源机制反演结果显示，此次地震破裂面呈左旋走滑性质（韩立波，2022）。2022 年 1 月 23 日、3 月 26 日，在青海德令哈相继发生 MS 5.8（38.44 N，97.37 E）、MS 6.0（38.50 N，97.33 E）地震，且均为走滑型地震，发震构造可能是党河南山主峰断裂的次级断裂或隐伏断裂。地震的孕育和发生本质上是地壳应变积累和释放的过程。利用应变观测，可以准确记录地下应力的变化信息，且多次记录到大震前后的应变异常（邱泽华等，2004，2009；马震等，2016）。此次门源地震前，青海地球物理场观测存在 4 项定点形变异常，其中德令哈地震台（下文简称德令哈台）钻孔应变测项具有中短期异常特征，台站距门源 MS 6.9 地震及德令哈 MS 5.8、MS 6.0 地震震中分别为 430 km、120 km、127 km。文中对德令哈钻孔应变资料进行梳理，并着重对多次地震前钻孔应变异常特征进行分析，以便更好地认识异常变化形态及与多次地震的关系，提取异常指标，为区域后续中强地震预测提供判定依据。地震地磁观测与研究44 卷 1421 德令哈台钻孔应变观测概况柴达木断陷盆地内部发育一系列新生代高角度逆冲断裂，新构造活动迹象明显（Meng et al，2008），近年来沿活动断裂带地震活动频繁，台站周边相继发生了 2008 年海西 MS 6.3、2009 年海西 MS 6.4、2016 年门源 MS 6.4 等多次强震（图 1）。德令哈台位于该断陷盆地北缘（属荒漠半荒漠大陆气候，年降雨量约 100 mm），台基岩性为花岗岩，观测环境良好。德令哈台钻孔应变观测井深约 43.5 m，YRY-4 钻孔应变仪（下文简称 YRY-4 仪）于 2006年 9 月架设，数据采集器采样率为 1 次/s（苏维刚等，2021）。钻孔应变仪 4 个分量分别用S1、S2、S3、S4表示，其中 S1分量布设方位为 NE28，各分量依次相隔 45，见图 2(a)。钻孔应变整点值自洽分析结果 图 2(b)显示，自观测以来，S1+S3分量与 S2+S4分量数据变化形态较为一致，表明 YRY-4 仪测量精度和稳定性较高。受黑石山水库干扰影响，钻孔应变观测数据与该水库水位变化具有较好的相关性（马震等，2017；苏维刚等，2021）。800000-40000-80000-12000040000202120192017201520132011200920232007S1+S3S2+S4S2S3S1S4SNWE(a)(b)2845年份应变量/10-10图 1 研究区域活动断裂分布及历史地震Fig.1 Distribution of active faults and historical earthquakes in the study area92104 E100963640 N图 例地 震德令哈台断 裂 带昆中断裂昆仑山口江错断裂柴达木南缘断裂东昆仑断裂祁连山北缘断裂青海南山循化南山断裂日月山断裂三湖断裂昌马俄博断裂达坂山断裂冷龙岭断裂党河南山主峰断裂柴达木盆地北缘断裂大柴旦宗务隆山断裂托莱山断裂茫崖MS 5.3茫崖MS 5.8海西MS 6.4海西MS 6.3门源MS 6.9门源MS 6.4德令哈MS 5.8德令哈MS 6.0图 2 德令哈台钻孔应变仪分量布设及面应变相关性Fig.2 Component layout and surface strain correlation of borehole strain gauge at Delingha Seismic Station143第 2 期2 形变异常特征自观测以来，德令哈钻孔应变资料连续、完整、稳定、可靠。该资料长时间尺度内出现阶段性转折异常能够反映台站附近应力场发生变化，存在强震孕育过程，短时间尺度异常对强震发生的指示意义较为明确。在 2016 年门源 MS 6.4 地震和 2022 年门源 MS 6.9、德令哈 MS 5.8、MS 6.0 等地震发生前，德令哈钻孔应变均出现较为明显的异常变化，异常持续时间较短，统计结果见表 1。表 1 德令哈钻孔应变异常的震例统计Table 1 Statistics of earthquakes with abnormal borehole strain at Delingha Seismic Station异常分量钻孔应变异常统计对应震例震中距/km异常开始时间 异常结束时间特征性质S1-S32015-11-152015-12-30趋势转折短期2016 年门源 MS 6.4370S2-S42015-11-152015-12-30趋势转折短期2016 年门源 MS 6.4370S1-S32021-08-202021-11-15趋势转折短期2022 年门源 MS 6.9、德令哈 MS 5.8、MS 6.0340S2-S42021-08-202021-11-15趋势转折短期2022 年门源 MS 6.9、德令哈 MS 5.8、MS 6.0340S22021-08-202021-11-15趋势转折短期2022 年门源 MS 6.9、德令哈 MS 5.8、MS 6.0340S32021-08-202021-11-15趋势转折短期2022 年门源 MS 6.9、德令哈 MS 5.8、MS 6.03402.1 背景性异常2007 年以来，在黑石山水库干扰背景下，德令哈钻孔应变初始四分量呈较稳定的变化形态，在年尺度范围内呈周期性张压起伏变化趋势，具体表现为：每年 5 月至 9 月以压性变化为主，10 月至次年 4 月以张性变化为主（图 3）。2017 年初，钻孔应变 S1、S3分量同步出现压性变化。除德令哈钻孔应变出现背景性异常外，2018 年、2020 年格尔木钻孔应变和湟源钻孔应变相继出现趋势转折异常变化，压性增强，说明在青海北部地区存在区域应力调整过程。选取德令哈台 2007 年以来钻孔应变数据进行长趋势特征分析，结果发现，在 2008 2016 年青海北部海西 MS 6.3 等 3 次 6 级强震发生前，原始四分量未出现明显异常变化（图3）。利用整点值数据计算差应变 S1-S3、S2-S4，结果显示，在 2007 2021 年，德令哈钻孔应变 S1-S3分量共出现 3 次较为明显的压性变化时段：2007 2010 年：青海北部相继发生海西 MS 6.3、海西 MS 6.4 地震，震后数据变化形态转平；2016 2017 年：异常变化初期发生门源 MS 6.4 地震，2017 年恢复转平变化；2021 年 5 月，S1-S3分量出现压性变化，S2-S4分量同步呈张性变化，异常变化期间青海北部连续发生茫崖 MS 5.8、门源MS 6.9 及德令哈 MS 5.8、MS 6.0 震群型地震（图 4）。对比分析认为，此次门源地震前德令哈钻孔应变异常形态特征与门源 MS 6.4 和海西 MS 6.3、MS 6.4 地震前变化特征较为相似，其长趋势资料出现阶段性转折变化可能是青海北部 6 级强震或 5 级地震成组的背景性前兆异常。2.2 中短期异常此次门源地震前德令哈钻孔应变第 2、3 分量，即 S2、S3分量于 2021 年 8 月末出现转折变化，变化幅度分别为 3.8610-6、3.6610-6（图 3），YRY-4 仪分量布设显示，S2分量方位为 NE73，其转折变化方向指向震中（图 1，图 2）。差应变计算结果显示，S1-S3、S2-S4分量与原始分量同步出现转折变化，尤其 S1-S3分量变化速率较快，2 项差应变变化幅度分别为 5.7510-6、8.4610-6，该项异常持续近 3 个月，于 2021 年 11 月中旬开始孙玺皓等：2022 年 1 月 8 日门源 MS 6.9 地震前德令哈钻孔应变异常特征地震地磁观测与研究44 卷 144转折回返（图 4）。由此认为，德令哈台钻孔应变 2021 年 8 月以来出现的转折变化为门源MS 6.9、德令哈 MS 5.8、MS 6.0 震群型地震的中短期前兆异常。图 3 德令哈钻孔应变观测时序曲线Fig.3 Time series curve of Delingha borehole strain图 4 德令哈钻孔应变观测差应变时序曲线Fig.4 Time series curve of the shearing strain of Delingha borehole strain年份-120000-80000-40000040000-200000-10000001000002000003000002007200920112013S1-S3S2-S420152017201920212023200720092011201320152017201920212023应变量/10-10应变量/10-10门源MS 6.9门源MS 6.9德令哈MS 5.8德令哈MS 5.8茫崖MS 5.8茫崖MS 5.8德令哈MS 6.0德令哈MS 6.0海西MS 6.3海西MS 6.4门源MS 6.4-80000-60000-40000-20000020000应变量/10-10-200000-1000000100000200000-80000-4000004000080000-200000-1000000100000年份200720092011201320152017201920212023S1(a)门源MS 6.9德令哈MS 5.8德令哈MS 6.0海西MS 6.3海西MS 6.4门源MS 6.4应变量/10-10应变量/10-10应变量/10-10应变量/10-10-200000-1000000100000200000-80000-4000004000080000-200000-1000000100000年份200720092011201320152017201920212023200720092011S1S2S3S4201320152017201920212023200720092011201320152017201920212023200720092011201320152017201920212023(a)(b)(c)(d)门源MS 6.9门源MS 6.9门源MS 6.9门源MS 6.9德令哈MS 5.8德令哈MS 5.8德令哈MS 5.8德令哈MS 5.8德令哈MS 6.0德令哈MS 6.0德令哈MS 6.0德令哈MS 6.0海西MS 6.3海西MS 6.4海西MS 6.3海西MS 6.4海西MS 6.3海西MS 6.4海西MS 6.3海西MS 6.4门源MS 6.4门源MS 6.4应变量/10-10应变量/10-10-200000-1000000100000200000-80000-4000004000080000-200000-1000000100000年份200720092011201320152017201920212023200720092011S1S2S3S4201320152017201920212023200720092011201320152017201920212023200720092011201320152017201920212023(a)(b)(c)(d)门源MS 6.9门源MS 6.9门源MS 6.9门源MS 6.9德令哈MS 5.8德令哈MS 德令哈MS 5.8德令哈MS 5.8德令哈MS 6.0德令哈MS 6.0德令哈MS 6.0德令哈MS 6.0海西MS 6.3海西MS 6.4海西MS 6.3海西MS 6.4海西MS 6.3海西MS 6.4海西MS 6.3海西MS 6.4门源MS 6.4门源MS 6.4门源MS 6.4应变量/10-10-200000-1000000100000年份S4200720092011201320152017201920212023(d)门源MS 6.9德令哈MS 5.8德令哈MS 6.0海西MS 6.3海西MS 6.4门源MS 6.4145第 2 期梳理资料发现，2015 年 11 月中旬差应变 S1-S3、S2 -S4同步出现“V”字型转折变化，且持续 1.5 个月，于 2016 年 1 月初恢复正常变化形态（图 5，图 6），后于 1 月 21 日发生门源 MS 6.4 地震。差应变出现异常期间，原始分量变化并不突出。分析认为，此次变化为2016 年门源 MS 6.4 地震短临前兆异常的可能性较大。-80000-60000-40000-20000020000应变量/10-100102030405060708091011122015年2016年2017年2018年2019年2020年2021年2022年门源MS 6.9德令哈MS 5.8德令哈MS 6.0S1-S3图 5 德令哈钻孔应变分量差应变逐年变化 Fig.5 Annual comparison of components of Delingha borehole strain月份-40000040000800000102030405060708091011122015年2016年2017年2018年2019年2020年2021年2022年 应变量/10-10门源MS 6.9德令哈MS 5.8德令哈MS 6.0S2-S43 预测指标检验众所周知，地震预报能力评分值越大，预报效果越好。地震预报能力评分值用 R 表示，自然概率背景值用 R0表示。R 值理论计算公式如下 TTNNbcR11=（1）式中，c 为有震报准率，b 为预报占时率，N1为地震报对次数，N 为应预报地震总次数，T1为预报占用时间，T 为预报研究总时间（马宏生等，2004；吴平静等，2012）。应用趋势转折分析法计算德令哈钻孔应变异常测项 R 值。结果显示，R=0.92，R0=0.71，可见 R R0，表明该测项能够通过地震预报检验，最佳预测天数为 220 天。综合分析认为，德令哈钻孔应变在 2 次门源地震前出现转折变化，均为在持续背景性孙玺皓等：2022 年 1 月 8 日门源 MS 6.9 地震前德令哈钻孔应变异常特征地震地磁观测与研究44 卷 146异常基础上于震前出现的中短期地球物理场异常（表 1）。基于此类震例，未来应重点关注德令哈钻孔应变异常恢复后短期内青海北部 6 级强震发生的危险性。4 结论2022 年门源 MS 6.9 地震是应力调整过程中应变能积累超过冷龙岭断裂介质极限引发的强震，分析此次震前德令哈钻孔应变观测数据异常特征，得出以下结论：门源 MS 6.9地震前，德令哈钻孔应变原始分量异常变化较为明显，S2分量转折变化方向指向震中；此次差应变异常变化幅度较大，持续时间较短，且与原始分量变化具有同步性，认为该转折变化是门源 MS 6.9、德令哈 MS 5.8、MS 6.0 震群型地震发生前的中短期异常；德令哈钻孔应变长中短期异常，对青海北部 6 级强震或 5 级成组地震判定具有较好的指示作用。参考文献韩立波.2022 年青海门源 MS 6.9 地震震源机制解 J.地震科学进展，2022，52（2）：49-54.马宏生，刘杰，吴昊，等.基于 R 值评分的年度地震预报能力评价 J.地震，2004，24（2）：31-37.马震，苏维刚.2016 年青海门源 6.4 级地震前青海定点形变异常 J.地震研究，2016，39（Z1）：112-116.马震，马茹莹，苏维刚.德令哈地震台分量钻孔应变干扰分析 J.地震地磁观测与研究，2017，38（4）：147-152.邱泽华，石耀霖.国外钻孔应变观测的发展现状 J.地震学报，2004，26（Z1）：162-168.邱泽华，阚宝祥，唐磊.四分量钻孔应变观测资料的换算和使用 J.地震，2009，29（4）：83-89.沈旭章，周元泽，张元生，等.青藏高原东北缘地壳结构变化的地球动力学意义 J.地球物理学进展，2013，28（5）：2 273-2 282.苏维刚，马茹莹，马震，等.钻孔应变的干扰源及其干扰机制的多方法分析 J.大地测量与地球动力学，2021，41（8）：871-876.吴平静，马莉，赵树贤.预报能力评分 R 值的应用 J.国际地震动态，2012，（10）：30-32.袁道阳.青藏高原东北缘晚新生代以来的构造变形特征与时空演化 D.北京：中国地震局地质研究所，2003：19-21.周民都，吕太乙，张元生，等.青藏高原东北缘地质构造背景及地壳结构研究 J.地震学报，2000，22（6）：645-653.Meng Q R,Fang X.Cenozoic tectonic development of the Qaidam Basin in the northeastern Tibetan PlateauM/Burchfiel B 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again 4 months before the Menyuan MS 6.9 earthquake,and the changing direction indicated by these components was basically consistent with the direction of the epicenter.In addition,through the retrospective analysis of earthquake cases,the turning trend of the Delingha borehole has a good indicative significance for earthquakes of magnitude 6 or above or earthquakes of magnitude 5 or above in groups in northern Qinghai.Keywords：Menyuan MS 6.9 earthquake，Delingha MS 5.8,MS 6.0 earthquakes，borehole strain，trend-turning change