第４４卷㊀第１期２０２２年１月
地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报
C H I N A E A R T H Q U A K EE N G I N E E R I N GJ O U R N A L
V o l ．４４㊀N o ．１
J a n u a r y
,２０２２㊀㊀收稿日期:２０２０Ｇ０８Ｇ０７
冬天的作文㊀㊀基金项目：宁夏回族自治区重点研发计划重大(重点)项目(２０１８B F G ０２０１１)；宁夏地震局壳幔结构与孕震环境研究创新团队(C X ２０１９Ｇ３)；宁夏地震局地下流体监测与应用研究创新团队(C X ２０１９Ｇ２)；宁夏自然科学基金项目(２０２０A A C ０３４４２
)㊀㊀第一作者简介：王晓涛(１９９０－)
，男，宁夏灵武人，硕士，工程师，现主要从事地震地下流体及地震预报等方面的研究.E Ｇm a i l :２３２０８２８２７＠q q
．c o m .王晓涛，马禾青，崔瑾，等．汶川８．０级地震宁夏前兆异常回顾与同震响应特征分析[J ]．地震工程学报,２０２２,４４(１):１９２Ｇ２０２．D O I :１０．２００００/j
．１０００Ｇ０８４４．２０２００８０７００１WA N G X i a o t a o ,MA H e q i n g ,C U I J i n ,e t a l ．R e v i e wo f p r e c u r s o r a n o m a l i e s a n d c o s e i s m i c r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s i nN i n g
x i a a r Ｇe ab e f o r eW e n c h u a n M S ８．０e a r t h q u a k e [J ]．C h i n aE a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g J o u r n a l ,２０２２,４４(１):１９２Ｇ２０２．D O I :１０．２００００/j
．１０００Ｇ０８４４．２０２００８０７００１
汶川８．０级地震宁夏前兆异常回顾与
同震响应特征分析
王晓涛，马禾青，崔㊀瑾，李国斌，丁风和
(宁夏回族自治区地震局，宁夏银川７５０００１
)
摘要：对２００８年５月１２日四川汶川８．０级地震前宁夏地区出现的前兆观测异常进行回溯性分析,
从大地震的孕育范围与地震前兆的发展阶段分析认为这些观测异常可能与汶川８．０级地震有关.宁夏地区数字化流体与形变观测资料出现了不同程度的同震响应变化，对比分析其同震响应特征，结果显示宁夏地区前兆观测对汶川８．０级地震表现出南北分区特征.前兆观测异常的出现与同震响应变化的形态特征，反映出了汶川８．０级地震从孕震阶段到发震时刻宁夏地区的应力Ｇ应变状态的变化过程.
关键词：汶川８．０级地震；前兆异常；同震响应；宁夏地区中图分类号:P ３１５．７２㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:１０００Ｇ０８４４(２０２２)０１－０１９２－１１
D O I :１０．２００００/j
．１０００Ｇ０８４４．２０２００８０７００１R e v i e wo f p r e c u r s o r a n o m a l i e s a n d c o s e i s m i c r e s p
o n s e c h a r a c t e r i s t i c s i nN i n g
x i a a r e ab e f o r eW e n c h u a n M S ８．０e a r t h q
u a k e WA N G X i a o t a o ,MA H e q i n g ,C U I J i n ,L IG u o b i n ,D I N GF e n g
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x i a ,C h i n a )A b s t r a c t :T h i s p a p e r m a d ear e t r o s p e c t i v ea n a l y s i so nt h e p r e c u r s o r y o
b s e r v a t i o na n o m a l i e s i n N i n g x i a a r e ab e f o r et h e W e n
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r e e so f c o s e i s m i c r e s p o n s e c h a n g e s ．T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c o s e i s m i c r e s p o n s ew e r e c o m p a r e d a n d a n a l y z e d ,a n d t h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e p r e c u r s o r y o b s e r v a t i o no f t h e W e n c h u a n M S ８．０e a r t h q u a k e i nN i n g
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０㊀引言
２００８年５月１２日１４时２８分４秒发生了汶川８．０级地震，震中位于３１．０１ʎN,１０３．４２ʎE，是新中国成立以来震级最高㊁破坏最重㊁影响最大的地震之一.汶川地震后一些学者针对此次地震开展了大量研究工作，如对汶川地震前测震㊁流体㊁形变㊁电磁４大学科的异常进行了回顾分析[
１Ｇ２]，对震前可能的短临㊁中期和长期地震活动异常现象进行回溯性研究[３Ｇ５]，对地震引起的同震地下水响应与同震形变响应的特征及机理进行了研究[６Ｇ７].
汶川地震虽已过去１０余年，前兆异常特征依旧是学者最为关注的问题.基于对中国震例和已有研究成果的总结，前人就汶川地震前的异常空间分布特征㊁时间进程特征以及不同震级对应的异常类型和异常震中距的讨论较多.地下流体方面，晏锐等[８]认为汶川地震前，在南北地震带上有４６项地下流体学科观测测项存在异常变化，而四川省内井水位出现异常的有攀枝花㊁会理和德阳三口井.程万正等[９]较全面地分析了汶川地震前四川地区的前兆异常，认为出现地下水位异常的井有４口，分别为蒲江㊁德阳㊁泸州和小金井.车用太等[１０]的研究表明，汶川地震前四川省境内的地下流体异常有９项，其中水位异常有川１１井㊁川０８井和川１３井３项.张立等[１１]分析了汶川地震前云南地区地下流体典型前兆异常，认为滇东北及邻区水富㊁渔洞两口井的水位异常与汶川地震的孕育及发生有关.张小涛等[１２]对汶川地震前兆异常的时空演化过程进行了力学分析.付虹等[１３]对汶川地震前云南地区显著前兆观测异常进行了分析.范雪芳等[１４]对汶川地震前典型流体中期前兆异常进行了初步研究.王小娟等[１５]对汶川地震地下流体异常进行了系统分析.断层形变方面，周硕愚等[１６]对汶川８．０级地震前断层形变异常与其他大震进行了比较研究.薄万举等[１７]对汶川８．０级地震的断层形变前兆进行了系统分析.朱航等[１８]对耿达短水准在汶川８．０级地震前后的观测资料进行了重新分析并否定了该异常与汶川地震的关系.陈长云等[１９]统计了汶川地震震前跨断层异常的空间分布，结果显
示震前数年内出现了一批跨断层形变趋势异常，中短期异常数量偏少，这些异常场地主要分布在鲜水河断裂带㊁龙门山断裂带㊁西秦岭构造区和祁连 海原 六盘山断裂带上，异常场地震中距最远达１１５０k m.宏观现象方面，许敦煌[２０]对汶川地震震区进行了２０余天
的现场调查，调查说明汶川地震前确实存在一定数量和领域宽广的宏观异常现象.严武建等[２１]对汶川８．０级地震前后陇南地区地震宏观异常进行了调查及分析.张小涛等[２２]对汶川地震前后出现的宏观异常现象进行了收集整理，对宏观异常的映震机理以及在地震预测可能发挥的作用等问题进行了讨论.
«中国震例»对汶川８．０级地震前四川省内及全国其他单位提出的主要前兆异常进行梳理，包括地下流体异常㊁定点形变异常㊁地磁地电异常[１].这些异常主要集中在四川㊁云南㊁甘肃㊁青海㊁陕西等区域.另外汶川８．０级地震的发生不仅导致震中及附近地区井水位发生变化，而且还引起中国大陆大范围的前兆测项的同震响应变化，较为显著的是井水位与形变观测的同震响应.前人对同震响应的研究大多集中在响应的特征及其机理解释等方面，如张昭栋等[２３]应用５口井井水位的震荡曲线计算了含水层的导水系数，并对导水系数和井水位对地震波的响应进行了统计研究，结果表明，水井含水层的导水系数越大井水位对地震波响应的幅度越大，响应的次数越多.刘成龙等[２４]对三峡井网地下水位对汶川地震响应的初步研究表明，灰岩岩溶承压含水层中的井水位同震响应幅度明显大于闪长岩裂隙含水层中的井；同样是闪长岩裂隙含水层，井Ｇ含水层系统导水系数大的井同震响应幅度较大.牛安
福等[６]通过研究形变同震响应的分布特征，给出面波响应延迟时间㊁响应幅度等与震中距及震级的关系.张创军等[２５]依据乾陵地震台数字化形变观测资料，系统探讨同震形变响应的物理特征.尹宝军等[２６]分析了汶川地震及其强余震引起的唐山井水位同震响应特征.
综上所述，不同研究者针对汶川８．０级地震的前兆异常㊁宏观异常及同震响应开展了多方面的研
３９１
第４４卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王晓涛，等：汶川８．０级地震宁夏前兆异常回顾与同震响应特征分析㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
究，为提高对汶川８．０级地震前兆的认识水平提供了参考.但迄今为止对于宁夏观测资料在汶川８．０级地震前与震时的变化缺乏系统的分析总结，因此本文拟全面总结汶川地震前宁夏境内出现的显著前兆观测资料变化，震时水位与形变出现的同震响应，并阐述这些变化与现象是否可能与汶川地震的孕育及发生有关.
最吸引人的昵称１㊀汶川８．０级地震前宁夏地区显著前兆观测异常
本文重新分析处理了汶川地震前宁夏地区的所有前兆观测资料，并对震前提出的异常进行了再研究，并遵循«中国震例»给出的异常判定原则:(１)无人为或环境干扰(如观测仪器更换㊁环境改造㊁外界抽注
水等);(２)具有年动态变化特征;(３)测项效能评估为A㊁B类.
岳阳楼记译文汶川地震震中距离宁夏最北端约９８０k m，最南端约５４０k m.震前宁夏前兆观测资料出现过一些趋势变化，分别是红果子跨断层短水准㊁苏峪口跨断层短水准和海原甘盐池井水位，这些变化分别出现在宁夏的北㊁南部.这些异常与汶川地震是否有关是我们分析总结的重点.
宁夏地区的甘盐池井水位和跨断层水准资料分别于２００２年１１月与２００３年３月起出现了趋势性转折变化，排除人为干扰㊁环境干扰㊁仪器本身不稳定等因素造成异常变化的可能性外，并对以往强震前这些测项的观测资料变化情况进行了分析，综合认为这些异常变化与汶川８．０级地震有关，具体如下.１．１㊀跨断层短水准异常
红果子短水准场地位于石嘴山红果子沟附近，海拔１２２７m左右，场地横跨贺兰山东麓断裂带北段的红果子断层，该断层走向N N E，倾向S E，倾角７０ʎ，为全新世张扭性断层，年均变化速率为０．０８mm/a[２７].场区由８个基本水准点组成，形成１条测线和１个闭合测环，总长度１０４０m，其中测线和测环Ⅱ㊁Ⅴ测段与断层正交.图１(a)㊁(c)是红果
子
图１㊀宁夏红果子跨断层短水准场地观测曲线
F i g．１㊀T h e o b s e r v a t i o n c u r v e s o fH o n g g u o z i a c r o s sＧf a u l t s h o r t l e v e l i n g s i t e i nN i n g x i a
４９１㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２２年
短水准测线㊁测环第I I段１９８５ ２０１２年的原始观测曲线.红果子短水准场地观测资料具有冬春高㊁夏秋低的年变规律，并存在长趋势变化.自２００３年３月起，红果子测线与第Ⅱ测段观测资料均出现破年变变化，未出现正常的夏低冬高变化特征.原始观测数据年均值去除线性趋势曲线[图１(b)㊁(d)]显示，红果子测线与第Ⅱ测段观测年均值于２００３年加速转折下降且偏离均值线，汶川地震后恢复到正常动态.该现象在１９８７ １９８８年宁夏灵武２次５．５级地震和２０００年甘肃景泰５．９级地震前均出现过，汶川８．０级地震前的低值幅度更为显著且持续时间更长.
苏峪口短水准场地横跨贺兰山东麓断裂带中段苏峪口外断层，为全新世张扭性断层，年均变化速率为０．０６mm/a[２７]，场地布设一个闭合测环，总长度５４０m，其中测环Ⅱ㊁Ⅴ测段横跨断层，场地
跨距较小，变化量级不显著.图２(a)㊁(c)是苏峪口短水准场地第Ⅱ测段与第Ⅴ段１９８５ ２０１３年的原始观测曲线，观测资料具有冬春高㊁夏秋低的年变规律，并存在长趋势变化.同样自２００３年３月起，苏峪口第Ⅱ测段与第Ⅴ测段观测资料出现破年变变化，未出现正常的夏低冬高变化特征.原始观测数据年均值去除线性趋势曲线[图２(b)㊁(d)]显示，苏峪口第Ⅱ测段观测年均值于２００３年加速转折下降，第Ⅴ测段观测年均值加速转折上升，均偏离均值线，汶川地震后恢复到均值线附近.同样，该现象在１９８７ １９８８年宁夏灵武２次５．５级地震和２０００年景泰５．９级地震前出现过，汶川８．０级地震前的低值幅度更为显著且持续时间更长.
图２㊀宁夏苏峪口跨断层短水准场地观测曲线
未婚证明F i g．２㊀T h e o b s e r v a t i o n c u r v e s o f S u y u k o ua c r o s sＧf a u l t s h o r t l e v e l i n g s i t e i nN i n g x i a
㊀㊀上述两个场地的观测异常在«宁夏回族自治区２００５年度地震趋势研究报告»中提出，异常变化最终于２００９年恢复正常，即汶川地震发生之后.
两个测量场地跨越的断层为张扭性断层，因此跨断层测段(线)测量数据的正常变化趋势应当表现为继承性特征.以往的研究表明当数据出现逆继承性变化特征时往往意味着中强以上地震的孕育及发生[２７].汶川８．０级地震前红果子与苏峪口短水准
2023年五一调休几天５９１
第４４卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀王晓涛，等：汶川８．０级地震宁夏前兆异常回顾与同震响应特征分析㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
2020年中秋晚会节目单场地均出现了逆继承性变化现象，分析认为这两个场地的异常作为汶川地震前的长期趋势背景异常较为合理.
１．２㊀甘盐池井水位异常
海原甘盐池井位于宁夏海原县境内，构造上位于海原左旋走滑断裂内部的拉分盆地中，处在西华山北麓NW向活动性很强的大断裂带上.该井距离汶川地震震中约６６０k m.甘盐池井水位自观测至１９９９年年变动态规律性强，每年３月出现最低值,９月出现最高值，年变幅度１０c m左右，总体表现为趋势下降的年变形态(图３).２００２年１１月起甘盐池井水位出现趋势上升，年变形态完全被打破，直至２００７年５月之后恢复正常年动态变化.汶川地震发生在正常年变形态恢复后.甘盐池井水位２００２年１１月后的趋势性转折变化在«宁夏回族自治区２００４ ２００８年度地震趋势研究报告»中均列为异常.
图３㊀海原干盐池井水位日均值曲线
F i g．３㊀C u r v e o f d a i l y m e a nv a l u e o f
G a n y a n c h iw a t e r l e v e l i n
H a i y u a n
㊀㊀对海原甘盐池井原始水位观测资料进行梳理分析，结果显示该测项资料破年变持平和上升异常对青藏块体东北缘的６级以上地震有一定的对应关系.海原甘盐池井１９９０年年初水位变化打破年变规律,４月水位没有出现上升变化，当年４月距该井约４８０k m处发生了青海共和７．０级地震,１０月距该井约１６０k m处发生了甘肃景泰６．２级地震，震后恢复年变.１９９９年打破年变规律,２０００年水位有所恢复，在恢复过程中发生了２０００年６月甘肃景泰５．９级地震.该测项资料异常特征主要以破年变为主，异常出现后１年内发震.
陆明勇等[２８]的研究表明在地震孕育过程初期，构造应力缓慢增强将使岩体所含裂缝闭合，地壳发生变形，从而改变岩体的空隙率及相应的孔隙压力和渗透率，导致观测井水动力状态或条件的变化，由此引起地下流体长趋势动态异常变化，如地下水位.随着地震孕育的进行，构造应力缓慢增强并向未来震中聚集，从而造成在此过程中地下流体长趋势动态异常变化向震中迁移.按此理论甘盐池井水位自２００２年１１月起出现的趋势性转折变化符合地下水位异常空间分布规律特征，是汶川８．０级地震孕震期外围的长期趋势异常.
２㊀汶川８．０级地震宁夏前兆观测资料同震响应汶川地震时，宁夏前兆观测资料的同震响应较为显著，主要表现在流体和形变测项.其中地下水位共１８个测项,１００％出现同震变化；地下水化学共１８个数字化测项,１００％出现同震变化；形变学科共３０个测项,１００％出现同震变化.恢复时间不尽相同，最晚的于２００８年６月１ ２日恢复.本文对宁夏地区的数字化水位㊁形变等观测资料的同震响应特征进行了分析，详尽地描述了震时各测项的震中距㊁初动方向㊁最大响应幅度及响应形态等特征.２．１㊀数字化水位观测资料同震响应分析
宁夏地区流体观测资料对汶川８．０级地震较为突出的同震响应表现在井水位测项.地下水同震效应是地震波在传播路途中，沿途井孔含水层发生应变而引起的变化，一般以弹性形变为主.多年观测结果表明，宁夏地区８口井水位年动态背景平稳，地震波到达后，很快出现一个最大振幅的上下脉冲，其后水位持续上下振荡，在振荡过程伴随出现阶变.宁夏地区所有的数字化水位观测仪器均记录到了此次地震，井水位表现出了显著的同震响应及震后恢复特征(图４).其特征如下:(１)从初动方向来看，除了平罗１３６井与灵武大泉井水位初动方向为上外，其余井水位的初动方向为下.(２)各井水位的响应形态主要为上阶跃型㊁下阶跃型及振荡型.与初动方向类似.表现为上阶跃动态特征的井分别是平罗１３６井和灵武大泉井；表现为振荡型动态特征的井是中卫倪滩井；宁夏南部地区的４口井(海原甘盐
６９１㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２２年
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