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2023 年第 38 卷 第1期2023，38(1):0101-0109地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P许健生，吴琼，李丽，等 2023 2021 年 5 月 22 日玛多 MW7.4 级地震后气象异常的物理机制 地球物理学进展，38(1):0101-0109，doi:10 6038/pg2023GG0116XU JianSheng，WU Qiong，LI Li，et al 2023 Physical mechanism of meteorological anomalies after the Maduo MW7.4 earthquake Progress in Geophysics(in Chinese)，38(1):0101-0109，doi:106038/pg2023GG01162021 年 5 月 22 日玛多 MW7.4 级地震后气象异常的物理机制Physical mechanism of meteorological anomalies after the Maduo MW7.4earthquake许健生1，吴琼1，李丽1，张磊2XU JianSheng1，WU Qiong1，LI Li1，ZHANG Lei2收稿日期2022-06-10;修回日期2022-12-05投稿网址http:/www progeophys cn基金项目国家重大科学仪器设备开发专项(2016YFF0103400)和中国地震局 2022 年老科技工作者科研专项联合资助第一作者简介许健生，男，1954 年生，研究员，主要从事地震观测和震相分析工作 E-mail:13552812316163 com1 中国地震局地球物理研究所，北京1000812 甘肃省地震局，兰州7300001 Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China2 Earthquake Administration of Gansu Province，Lanzhou 730000，China摘要2021 年 5 月 22 日青海玛多 MW7.4 地震后数小时，在震中周边地区出现了气压快速上升、气温快速下降和甘肃景泰山区突降雨雪的气象异常 对青海德令哈等地震台的形变仪、水位仪、地震仪、气压计和温度计的记录作分析后发现:在此期间，在景泰附近地区3 种不同学科的观测仪器分别记录到了同震止滑震相XsQ、无震余滑震相 Xa 和震颤震相 Tp 该结果表明，在震中周边地块，震时发生了同震粘滑，在震后发生了余滑，在发生同震粘滑和震后余滑前后还伴有震颤现象根据粘滑和震颤的物理机制推测，这种气象异常可能是震时和震后，各台所处地块发生同震粘滑和震后余滑错动后，地下裂隙张开，气体溢出 导致气压上升、气温下降的结果 破坏性地震后的气象异常是值得关注的一种次生灾害关键词震颤;同震止滑;震后余滑;气象异常;玛多MW7.4 级地震中图分类号P315文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0116AbstractA few hours after the 2021-05-22MaduoMW7.4 earthquake，there was a rapid increase in airpressure，decrease in temperature and a sudden fall rainand snow in the Jingtai Mountain area of Gansu Provincearound theepicenteroftheearthquakeItisthemeteorological anomaly After analyzing the records of thedeformation meters，water level meters，seismometers，barometers and thermometers at Delingha seismic stationand other seismic stations in Qinghai Province and GansuProvince，co-seismicstopping-slipphaseXsQ，post-seismic slip phase Xa and tremor phase Tp during thisperiod have been recorded by three kinds of observationinstruments near Jingtai Mountain area The results showthat there is co-seismic stopping-slip process in theperiphery block of the epicenter when occurring main-shock，and there is post-seismic slip process after main-shock Co-seismic stopping-slip process and post-seismicslip process are accompanied by tremor phenomenaAccording to the physical mechanism of sticking-slip andtremor，this kind of meteorological anomaly may be causedby co-seismic stopping-slip and post-seismic slip of theblocks where the seismic stations are located，and by theopening of underground fissures and the escape of gas Itis the result of an increase air pressure and a decrease airtemperature The meteorological anomaly after destructiveearthquake is a secondary disaster worthy of attentionKeywordsTremor;Co-seismicstopping-slip;Post-seismic slip;Meteorological anomalies;The Maduo MW7.4earthquake地球物理学进展www progeophys cn2023，38(1)0引言对大地震前后气象异常与地震关系的认识，古已有之 据 西藏地震史料汇编(第一卷)(1982)记载，1833 年 8 月 26 日西藏聂拉木(28 3N，85 5E)8 级地震后，“连续发生强烈地震，并降大雪”该地震发生在夏天，即使在西藏地区，夏天降大雪也属异常气象 近代，马宗晋等(1982)对中国 19661976年间 9 大地震的研究表明，9 大地震发生前后均有不同程度的降水增多现象 2008 年 5 月 12 日汶川发生 MW7.9 级大地震，主震时震中区地面温度突然普遍下降 震后数小时，灾区普降大雨两日，形成了大面积山体坍塌、泥石流和道路堵塞等次生灾害，造成了巨大的人员伤亡和财产损失(Chen and Booth，2011;岳中琦，2013)图 1震中和台站位置Fig 1Distribution of earthquake epicenter and seismic stations根据中国数字地震仪台网(CENC)的测定结果，2021 年 5 月 22 日 02 时 04 分 11 秒(BJT)，在中国青海省玛多县(34 59N，98 34E，h=17 Km)，发生了 MW7.4 地震(震中及地震台站位置如图 1 所示)震后数小时，在震中周边地区出现了气压突然上升，气温突然下降的异常天气(见图 2 和图 3)其中距震中 500 多千米的甘肃省景泰县山区气压快速上升、气温快速下降，并突降雨雪为了研究玛多 MW7.4 地震与气象异常之间的关系，我们收集了震中周边地区 18 个地震台的形变仪、水位仪、地震仪、气压计和温度计的观测资料，拟对该地震与气象异常之间的物理机制和成因作初步探讨1观测结果讨论为了讨论问题方便，我们首先对文中使用的术语“同震止滑震相 XsQ”和“震后余滑震相 Xa”进行解释(1)同震止滑震相 XsQ:Byerlee and Summers(1975)在实验室内的岩石粘滑错动实验结果表明，对已存在断层的岩体加压，岩体破裂过程一般由数次粘滑过程构成 李普春等(2013)在实验室进行的岩石粘滑错动实验表明，粘滑错动过程一般可分为预滑、粘滑和止滑 3 个阶段，止滑过程可以激发出大振幅、长周期波动 许健生等(2019)的研究表明，地2012023，38(1)许健生，等:2021 年5 月22 日玛多 MW7.4 级地震后气象异常的物理机制(www progeophys cn)图 2气压计记录Fig 2The recordings on the barometers震的弹性破裂过程与粘滑错动过程同时进行，是粘滑错动和弹性破裂共同作用的结果，是一种“粘滑错动+弹性破裂”的机制 在震时岩石弹性破裂激发出高频破裂震相 P 和 S 的同时，地块粘滑错动也会激发出低频的同震粘滑错动震相 Xs 在震中区地块粘滑错动达到峰值时，对周边地块的推挤也达到峰值 周边地块开始“弹性回跳”，阻止震中区地块继续粘滑错动，进入止滑过程 止滑过程可以激发出大振幅、长周期的同震止滑震相 XsQ 和 Xs，XsQ 是勒夫型面波，水平位移优势 Xs 是瑞雷型面波，垂直位移优势，在长周期地震仪的垂直分向易被记录到 Xs 波的运动速度小于 XsQ，在水平分向的记录中，常叠加在大振幅的 XsQ 波中，不易被分辩 过去常把形变和水位等仪器记录到的这种波动笼统称为“同震响应”，没有深究其物理机制(2)震后余滑震相 Xa:已有的观测和研究表明(陈运泰等，1979;赵国光等，1981)，构造地震在破裂过程中只能释放地壳中的部分弹性应变能，对中地壳，特别是下地壳中流变位能释放很有限 下地壳中流变位能使地壳中、上部的剩余应力释放过程具有某种缓变或滞后的特征 例如唐山地震后，陈运泰等(1979)的研究发现震后相当长时间内有无震蠕动 另外大震后，震源周边地块的物理状态也会有很大变化，如地块边界松动、局部形成可滑移空间等也为地块继续发生粘滑错动创造了条件，形成无弹性破裂的无震滑动，这种无震滑动可激发出震后余滑震相 Xa1.1同震止滑震相 XsQ 的观测结果讨论图 4 给出了震中周边地区，青海省德令哈等 11个地震台形变仪观测到的同震止滑震相 XsQ，震中距范围在 319.7 620.9 km 间 由图 4 可见，XsQ 震相在不同台、不同类型形变仪的记录特征基本相同，都是快速偏离 0 点的“阶跃型”波形 因各台快速偏离 0 点的时间与 XsQ 波到时基本一致，故把 XsQ 波看作是推动各台所在地块发生粘滑错动的力源 图4 选出的是各台阶跃幅度比较突出的分向，可见各台阶跃幅度比较突出的分向不完全一致，但多数台站是东西分向的阶跃幅度比较突出 说明在 XsQ 波的激发下，各台所在地块粘滑错动方向主要是东西方向，与景泰及周边地块所在的西域地块区运动方301地球物理学进展www progeophys cn2023，38(1)图 3温度计记录Fig 3The recordings on the thermometers向一致(张培震等，2003)图 5 给出了震中周边地区，甘肃省临夏等 4 个地震台水位仪观测到的同震止滑震相 XsQ，震中距范围在 471.4 620.9 km 间 由图 5 可见，XsQ 震相在不同台站水位仪的记录特征基本相同，都是偏离0 点的“阶跃型”波形，但水位升降特征不同 其中甘肃省英鸽等 3 个台的水位上升，临夏台的水位下降说明在 XsQ 波的作用下，英鸽等 3 个台所处地块被挤压，块体体积缩小，地块内的空隙减小，挤压了含水层内的水，使地表含水层的水位上升 而临夏台所在地块被拉伸，地块体积膨胀，地块内的空隙增大，吸纳了地表含水层内的水，使地表含水层的水位下降各台水位变化速率各不相同，其中甘肃省横梁台水位变化较快，英鸽台水位变化较慢 地下水位变化的快慢应该与探测点附近地块粘滑的速度相关若地块缓慢滑动，地下水位则缓慢变化 若地块粘滑较快，地下水位变化则较快1.2震后余滑震相 Xa 的观测结果讨论由图 6 可见，临夏等 7 个台的形变仪在震后5 8 个小时内“准同步”的记录到了震后余滑震相Xa，震中距范围在 471.4 620.9 km 间 震后余滑震相 Xa 的波形特征和同震止滑震相 XsQ 的波形特征基本一样，都是偏离 0 点的“阶跃型”波形 但震后余滑震相与同震止滑震相的激发源不同，同震止滑震相是 XsQ 波激发各台所在地块发生的粘滑错动，发生粘滑错动的时间与 XsQ 波到各台的时间一致而震后余滑震相则是剩余应力驱动各台所在地块发生的粘滑错动 根据颗粒物理原理(陆坤权等，2012)，由于各台所在地块尺度不等，形状不同 各台所在地块相当于不同尺度的不均匀离散颗粒体系 在震后剩余应力的驱动之下，这些尺度不等，形状不同的地块会发生粘滑错动 因为各地块间是以力链形式来传递剩余应力，使各地块逐次产生运动因此，不同地块发生余滑错动的时间肯定不同 但在同一震后剩余应力场的作用下，在相近时间段内会“准同步”的发生余滑错动 另从赵国光等(1981)给出的同震滑动时间函数和震后余滑时间函数也可见这两者之间的不同:4012023，38(1)许健生，等:2021 年5 月22 日玛多 MW7.4 级地震后气象异常的物理机制(www progeophys cn)图 4XsQ 震相在形变仪上的记录Fig 4The recordings of XsQ phase on the deformation instrumentsU(t)=UCOH(t)，(1)U(t)=B(1 e t/t1)H(t)，(2)式中 UCO表示地震的平均错距;t 是发震时刻;H(t)是海维赛单位阶跃函数:H(t)=0但 t 01但 t0，(3)其中 B 和 t1是两个待定常数根据中国数字地震仪台网给出的地震目录，在记录到震后余滑震相 Xa 的时间段内，玛多及附近地区没有发生 3 级以上地震 另外临夏等 7 个台记录到 Xa 震相的时间无运动学规律，而各台记录到同震止滑震相 XsQ 的时间遵从 XsQ 波的运动学规律 因此，Xa 震相由附近小地震激发的可能性较小，很可能是玛多 MW7.4 地震后，在剩余应力作用下，各台所在地块发生了“准同步”震后余滑错动的结果501地球物理学进展www progeophys cn2023，38(1)图 5XsQ 震相在水位仪上的记录Fig 5The recordings of XsQ phase on the water level instruments图 6Xa 震相记录Fig 6The recordings of Xa phase6012023，38(1)许健生，等:2021 年5 月22 日玛多 MW7.4 级地震后气象异常的物理机制(www progeophys cn)图 7Tp 震相记录图(b)中的大彩色方块是图(a)中同色小彩色方块的局部放大Fig 7The recordings of Tp phaseThe large color block in fig(b)is a partial enlargement of the small color block in the same color in fig(a)1.3震颤震相 Tp 的观测结果讨论由图 7 可见，临夏等 5 个台的地震仪在震后数小时内，相继记录到了一些高于正常噪声背景的震颤波形 由图 7a 可见，Tp 震相是间歇性地“成丛”出现 每一“丛”波列持续时间长短不等 多数 Tp 震相往往首尾相连，不易分辨初动 在个别 Tp 震相“丛”中有时候可以细分出若干单一 Tp 波列，单一 Tp 波列多由数个振动周期构成 由图 7b 可见，各台记录的单一 Tp 震相波形差别较大 但共同特征是每个Tp 震相波形均表现为一种弱起始，逐渐变强的波动，达到峰值后又逐渐衰减，单个波形呈“纺锤形”在地震仪三分向记录上也分辨不出是纵波性质的振动还是横波性质的振动，波形不同于岩石弹性破裂后的振动波形，没有地震和爆破激发出的纵波和横波震相，整个波列形态类似于地震波中的导波震相Lg 据此推测，Tp 震相的生成机理可能与 Lg 波的生成机理类似，是一种波动能量被“拘留”在某个波导“通道”内的导波(许健生等，2014)震后的剩余应力挤压或拉伸震源周边地块，会使地块内新旧裂隙贯通而形成“通道”若被挤压或拉伸的地块内富含流体或气体，气体在不同宽度和长度的“通道”内流动或溢出时，势必会激发出不同频率的震颤震相 Tp(许健生等，2021)Tp 波列持续时间长短、强弱除了与构造应力挤压或拉伸的强弱有关，还应该与地下气体充裕程度有关 在地下气体多的地块应该比地下气体少的地块更容易观测到 Tp 震相，Tp 波列持续时间也应该更长一些2震后气象异常的物理机制马宗晋等(1982)对中国 19661976 年间 9 大地震的研究表明，9 大地震发生前后均有不同程度的降水增多现象 郭增建等(1989)认为，震后气象701地球物理学进展www progeophys cn2023，38(1)异常的物理机制可能是震时和震后大范围构造运动加剧，使地下热水(气)从裂缝、孔隙和泉眼中溢出，进入大气低层后，引起了降水2008 年 5 月 12 日汶川 M 8.0 级地震后，岳中琦(2013)等的调查研究表明，在地震前后，四川盆地油气田的天然气体体积和压强有巨大的增大和增多现象 主震后一小段时间内，在震中附近，紫坪铺水库的水还在巨浪翻涌 据此认为，汶川地震是地壳深部海量高密度、高压甲烷气突然喷出的结果 并认为，震时喷出的高密度和高压强气体体积膨胀，快速降压，就一定要吸热，可使得震区地面温度突然降低 造成了主震当天晚上，龙门山极震区和周边大范围内有中到大雨，局部地方有暴雨，一直到 5 月 14日晚，降雨才停止(Chen and Booth，2011;岳中琦，2013)我们认为，同震粘滑和震后余滑活动也是构造运动的一种形式 同震粘滑和震后余滑后，在地块内和边缘会产生很多裂隙，将地下气体通过裂隙排入大气层 进入大气层的气体快速绝热膨胀吸收了大量的空气热能，造成地面空气温度的快速降低 进入大气层的气体与积雨云结合，势必会引起降水 因此，同震粘滑和震后余滑引起降水的充分条件是放气地块上空有积雨云存在，必要条件是发生同震粘滑和震后余滑的地块内有丰富的气体被排出 天地耦合，多因素共同作用，才可能发生与同震粘滑和震后余滑相关的降温和降水3对景泰山区震后气象异常成因的推测根据上述观测结果和震后气象异常的物理机制，在景泰山区我们可以看到这样一个物理过程，即在 2021 年 5 月 22 日 2 时 4 分 11 秒玛多 MW7.4 地震时和震后，在景泰及周边地块发生了同震粘滑和震后余滑 同震粘滑和震后余滑地块的运动方向主要是东西方向，与景泰及周边地块所在的西域地块区运动方向一致(张培震等，2003)同震粘滑和震后余滑导致景泰及周边地块内和边缘的裂隙张开，深部气体溢出 这些气体进入大气层后，快速绝热膨胀吸收了大量的空气热能，造成了景泰及周边地块的地面温度从 5 月 22 日 04 时起快速降低 在景泰山区，进入大气层的冷空气与积雨云结合，在地势较高的山区引起降水和降雪 溢出的气体可能类似于汶川地震时溢出的气体，是无色、无味、无毒且比重较轻的甲烷气 因甲烷气比空气轻，可高升，同氧气发生化学反应可生成液态水(岳中琦，2013)，推测这可能是景泰山区震后突降雨雪，气象异常的成因4结论和建议文中所举观测结果表明，震时和震后，在震中周边地块上会发生同震粘滑和震后余滑活动 同震粘滑和震后余滑活动会使地块内产生很多裂隙，将地下气体通过裂隙排入大气层 地下气体进入大气层后，快速绝热膨胀吸收了大量的空气热能，造成地面空气温度的快速降低 进入大气层的气体与积雨云结合，会引起震后突降雨雪的气象异常 震后气象异常引起的次生灾害，会给人民生命财产带来一定的损失，值得进一步关注 但目前在我国地震监测系统监测地下气体活动的观测点稀少，仪器也多是小时采样，甚至日采样的仪器，不能完整地监测到同震粘滑和震后余滑引起的地下气体释放过程 因此，我们建议加强地下气体的观测和研究，用秒采样的气体观测仪器加密组网观测，捕捉同震粘滑和震后余滑引起的地下气体溢出量和组分变化 不仅有助于研判震后气象异常引起的次生灾害，对提高异常气象预测水平也有一定作用致谢文中的数据转换和震相标注均由黑龙江省地震局和跃时高级工程师提供的CDSN 地震台站分析软件 完成，在此深表谢意eferencesByerlee J D，Summers 1975 Stable 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