汶川地震震源深度

汶川地震前后地球化學和地球物理異常

姓名：田仁仁飛飛

摘要摘要：5.12汶川地震造成了慘重的人員傷亡和巨大的財產損失，是地球深部

地質作用過程在淺部（地表）響應的直接后果。本文總結了汶川地震后，在地表

發現或觀測到的地球化學特征、地球物理特征，以期了解這些特征的變化規律，

為今后的中長期地震預報提供有參考價值的基礎資料。

1.引言

2008年5月12日14時28分，在青藏高原東緣龍門山地區發生了汶川8級

強烈地震，成為繼2001年11月14日昆侖山口西8.1級地震之后在中國大陸發

生的又一次強烈地震，造成了慘重的人員傷亡和巨大的財產損失。據中國地震局

汶川地震科學考察隊利用川西流動寬頻帶地震臺陣記錄到的近場地震波確定了

2008年汶川8.0級地震震源深度：18.660.49km。這是地球深部地質作用過程

在淺部響應，導致大量的地表破裂、房屋倒塌、交通和通訊中斷，從而造成了大

量的人員傷亡和巨大的經濟損失。

地震是地應力達到一定極限，從而地殼快速釋放能量，在釋放能量的過程中

會造成振動。釋放能量越大，振動越強烈，在地表的響應越明顯。此次汶川地震

發生后，大量的科研人通過實地考察、各地震臺站的資料收集，以及模擬實驗等

研究了汶川地震的產生機制，為今后類似地震的中伏旱天氣 長期預報提供了大量可供借鑒

資料。

2.汶川地震汶川地震前前后淺部地球化學特征

長期的觀測結果表明，氡等流體地球化學組分存在顯著的震前異常變化。雖

然汶川大地震發生前，未見有報道汶川地區的氡等地球化學異常，但是，大地震

發生后，很多科研工作者收集了四川、陜西、青海、寧夏、福建、江蘇等地震臺

站測量氡氣變化規律，可以較為明顯的發現在地震發生時刻及前后具有較大的異

常。

劉耀煒等（2009）通過觀測汶川地震后氡氣觀測值的變化，初步分析了汶

川地震氡觀測值震后效應的特征：認為氡射氣具有對地震波響應的特點，也提出

了研究地球化學組分變化與含水層動力過程的關系等問題。谷懿等（2009）運用

活動斷裂(帶)剖面上的土壤氡濃度測量，為地震后大成都地區活動斷裂的相對

活動性提供了科學評價依據。張世民等（2009）利用周至深井測量了氡氣、地溫、

水位等變化，通過初步分析認為汶川地震前，該臺氡氣觀測有一定的前兆顯示。

張昱等（2009）收集了甘肅地區、四川和青海部分地區的水氡資料，同樣認為

在汶川地震前有部分水氡測點的資料存在明顯的震前異常，而且變化時間早，持

續時間長，同步性很好。

從現有這些資料來看，無論是從水氡變化規律無論是從時間（年變化、月

變化，日變化），還是從地理位置（相對震中的距離），都有一定的異常顯示。

⑴

氡值的

氡值的隨隨

時間變化規律

時間變化規律

（a）年變化

（b）月變化

（c）日變化

圖1汶川地震前后水氡變化曲線

寧夏黑山嘴

江蘇蘇丹徒18井

從圖1中可以看出，地震前后，氡值的變化比較明顯的，具有一定的大

震前的指示性，特別是在（c）圖日變瑪麗英文怎么寫 化的氡值變化曲線上，發震時刻，曲線發

生了突跳，認為可以利用其做臨震預報是可行的。

⑵

震后

震后，，

斷裂帶上

斷裂帶上氡值的變化跑分最高的手機 規律

氡值的變化規律

氡值的變化規律

地震后，谷懿等人在汶川地震震區測量了幾條比較典型的斷裂帶上測量了氡

值的變化規律，結果表一。

表一

表一

斷裂剖面測量數據處理結果

斷裂剖面測量數據處理結果

圖

2

2各典型

各典型

各典型斷裂面上

斷裂面上

斷裂面上氡變化曲線氡變化曲線

從表1可以看出，在所測量的5個有效斷裂剖面中，北川斷裂剖面測量土壤

氡濃度的背景值最大,遠高于該地區非斷裂帶氡濃度計數值(30～50)；彭灌斷

裂帶上測量剖面背景值其次，也高于該地區非斷裂帶氡濃度背景值；新津—蒲

a.北川斷裂虹口

b.彭灌斷裂小漁洞剖面

c.彭灌斷裂中壩剖面

d.新津-蒲江斷裂剖面

江斷裂測量結果最低，與該地區非斷裂帶氡濃度背景值一致。說明大成都地區斷

裂受汶川地震的影響較大，且距地震震中越近，斷裂活動區域受構造運動影響越

大，地質活動越劇烈，其剖面土壤氡濃度測量背景值越大。

綜合圖2的測量結果，認為震后大成都地區斷裂活動相對比較穩定，大成都

地區斷裂帶的活動性處于中等或偏弱的水平，無活動性極強的斷裂。

3.

汶川地震

汶川地震前前后淺部地球物理特征

到目前為止，通過觀測地球物理異常特征，對地震進行中長期預報、短震、

臨震預報研究工作，雖然沒有取得突破性成果，但是，地球物理異常特征也被大

家公認為能夠為地震預報和監測提供有利的科學依據。目前，世界各國都有地震

監測臺站，其中，觀測的主要的參數就有地球物理異常特征（包括重、磁、電、

震），這些物理特征都是地球深部地質作用過程在淺部的直接響應結果。

本文簡要總結了汶川地震前后，部分臺站觀測到的重力異常、磁異常、電阻

率異常和地震波變化異常等特征。

⑴汶川地震前后汶川地震前后，，重力異常變化規律

王謙身等(2008)根據重力資料給了四川西部成都盆地、龍門山、松潘等地地

殼厚度，并根據重力均衡理論分析了重力均衡與汶川地震的相關性。張季生等

(2009)分析了龍門山及鄰區重力異常與汶川地震的關系。申重陽等(2009)利用流

動重力觀測數據，分析了汶川地震震區區域重力場動態變化特征和孕震機理。韋

進等(2009)收集了汶川地震震前成都臺的重力資料，分析了重力的高頻擾動。謝

汝一等(2009)分析了汶川地震前后冀魯豫地區重力場變化規律的。

圖3理論均衡地殼厚度D的分布5圖4龍門山及鄰區局部重力異常水平梯度圖6

由圖3可見,在四川盆地地區,D值為40～42km左右;到綿竹以西的龍門

山、九頂山地區D值急劇增大到50多km，并一直延續到西部馬爾康一帶,而在

邛崍山地帶及西南部山地的31.2N,102.9E和30.6N,102.2E兩地,甚至達

到近60km之多。由D值等值線的分布特征可見,在四川盆地西緣龍門山系一帶,

呈現近北東向的高梯度帶(3.5～4km/10′)，在汶川地區最高達7～8km/10′,

并與龍門山斷裂帶系走向基本一致。

重力異常水平梯度是反映重力場沿水平方向變化大小的物理量．從龍門山

地區局部重力異常水平梯度圖(圖4)可看出，龍門山重力梯度帶主體走向為北東

35，在天全南分為兩個分支。不同地段的重力變化大小不同，在都江堰附近，

重力梯度帶寬度最大為80km(以大于1.0mGal／km來計算)，重力水平梯度變化

最大，達到2.4mGal／km。而在邛崍康定之間和平武以南,重力梯度帶寬度只有

30～40km左右，重力水平梯度變化最大只有1.0～1.2mGa數學素材 l／km。龍門山重力

梯度帶平面特征較為復雜，說明龍門山構造帶的深部結構比較復雜，在主干斷裂

附近存在一些局部斷裂。

a.2008-02—2008-01單位:10-8ms-2b.2008-05-19—2008-05-11單位:10-8ms-2

圖5冀魯豫測網重力變化等值線圖

對比圖5，地震前（a）和地震后（b）可知：汶川地震前幾個月,重力場呈現

出有序的變化:與相鄰期相比,最大的下降量達4310-8ms-2;與起始期相比,最大的

下降量達10910-8ms-2。震后重力場為普遍性的恢復性上升變化。

⑵

汶川地震前后

汶川地震前后，，磁

異常

異常變化規律變化規律

通過前人的研究，認為磁異常與地震具有一定的相關性。這里的磁異常通常

指兩個方面，一是地磁異常，二是電離層的擾動形成的磁異常。張季生等(2009)

分析了龍門山及鄰區地磁異常與汶川地震的關系。張建國等(2009)利用我國地磁

觀測臺網每天的子夜均值資料,運用高性能計算技術,建立了中國大陸地磁場動

態演化模型。利用該模型,研究了2008年5月12日汶川810級地震前后中國大

陸地磁異常場動態演化。張學民等(2009)研究分析了在汶川地震前出現的地面電

磁與電離層中觀測到的中、短臨電磁異常特征。丁躍軍等(2009)分析了四川金河

臺、劍閣臺和河南鄭州二砂臺的電磁波曲線變化特征，認為與電磁波的變化與汶

川地震有關。

圖6

龍門山及鄰區局

龍門山及鄰區局航空磁

航空磁

航空磁異常異常6圖7

龍門山及鄰區局

龍門山及鄰區局磁力化極異常圖磁力化極異常圖6

以龍門山構造帶為界，西部為弱負異常區，異常強度為-25～-75nT，異常

弱且平穩(見圖6)。在龍門山構造帶青川一汶川一都江堰為負異常區，走向為北

東向，長約200km，異常最小值為-280nT左右。在都江堰附近出現局部正異常

與彭灌變質雜巖體中基性巖脈有關。都江堰以南一成都一邛崍為負異常區，該異

常強度最小值為-200nT左右。天全附近的局部正異常與寶興一雅斯德雜巖體中

的變質中基性巖體有關。龍門山構造帶以東，萬源一南充一樂山武隆磁場區以高

值正異常為主，異常強度達550nT，呈帶狀或塊狀分布，其展布方向主要為北

東向。在其東北部出現走向為北東向的負異常，其最小值為-280nT，推測為該

高值正異常的伴生異常。從衛星磁異常圖可看出，該異常為全國最強的衛星磁異

常.由龍門山及鄰區航空磁力化極異常圖(圖3)可以看出，地震主要發生在青川～

汶川一都江堰一帶的負異常區。在都江堰以南一成都一邛崍一帶的負異常區，沒

有地震發生。

(e)5月6日;(f)5月10日(g)5月12日;(h)5月20日

圖8汶川地震前汶川地震前、、后中國大陸地磁異常場等值線變化圖

從圖1可以看出:汶川地震前的5月6日,汶川地區地磁場正異常區范圍很

小、較穩定,5月10日,正異常區范圍再次擴大,5月12日異常區恢復正常,汶川

地震發生。震后一個月時間,汶川地區正異常區較小且穩定。這恰好遵循了“平

靜→異常→短時平靜→發震→平靜”的地震孕育、發展和發生的規律。

除了地磁異常外，電磁異常在汶川地震前后也有一定的變化規律。

圖8利用GPS和電離層測高儀得到的TEC和foF2曲線

利用全球定位系統GPS的雙頻發射可以確定兩個頻率的GPS信號在電離層

介質中傳播的總時延量之差,在一級近似條件下,由這一時延差可以反演得到整個

射線路徑上電離層的總電子含量(TEC)汶川地震前收集到了瀘州(LUZH)GPS測

點反演得到的TEC觀測資料(圖8中后三張圖中小方框散點為觀測值,虛線為上

下四分位線,中間細實線為中位線)，可以看到該測點TEC總體在1～5日日變幅

度比較大,而6、7日日變幅相對減弱了40%左右,10～12日變化幅度與1～6日

相當。同時在這段時間內有兩個明顯的日變幅增大的現象分別出現在3日和9

日,增加幅度接近100%。與Kp指數等進行對比,3、4日的TEC增加可能與一

系列電離層亞暴有關,而9日的快速增加可能與汶川地震孕育過程對電離層產生

的擾動有關。電離層垂向探測儀垂直向上發射頻率隨時間變化的無線電脈沖,然

后在同一地點接收這些脈沖在電離層的反射信號,測量出電波傳播往返的傳遞時

延,從而獲得反射高度與頻率的關系曲線,得到頻高圖或垂測電離圖。根據國際的

統一規定,垂直探測站從頻高圖度量出E、F1、F2和Es層的臨界頻率和最小虛

高等參數,通過適當的換算可從頻高圖得出電子密度隨高度的分布。在此收集了

重慶和昆明臺測高儀的foF2資料,與瀘州TEC繪制在同一張圖中(如圖8所

示)，結果顯示這兩個臺的F2層臨界頻率的變化特圖片的英語 征基本與瀘州TEC一致,顯示

了3日和9日的快速增加,6～7日幅度減弱的現象,在空間電磁狀態穩的情況下

(Dst≥-10;Kp<3說明電磁環境平靜)，6日以后異常現象應該與汶川地震有

關。

圖9

四川劍閣臺電磁分鐘時序圖

四川劍閣臺電磁分鐘時序圖（（距主震區100km）)

圖9的1通道反映巖石擠壓脈沖,圖中a線段表示擠壓持續存在,時間長且量值

很大。出現了3個臺階,第一個臺階15mV,第二個臺階35mV,第三個臺階在2008

年5月3日達到了50mV(約2.5nT)。2通道反映巖石破碎脈沖,b線段表示2008

年3月中旬振幅相對減小且一直存在。3通道為輔助觀察通道,從曲線可以看出,

外界干擾很小。

圖10鄭州二砂臺2008年5月6日—5月16

日電磁波時序圖

日電磁波時序圖（（距主震區1000km）

圖10的通道反映巖石擠壓脈沖,2008年5月6日左右產生電磁異常突跳;2008

年5月10號左右又出現異常階躍。先后共出現兩個臺階,第一個臺階大于140

mV,第二個臺階達到40mV(約2nT)。2通道反映巖石破碎脈沖,從波形信息來

看,巖石破碎期從2008年5月2日開始到2008年5月7日止,之后達到了相對平

衡,出現了異常平靜。3通道為輔助觀察通道,從曲線可以看出,5月12日前后基

本無變化。

⑶

汶川地震前后

汶川地震前后，，電阻率變化規律

通過前人大量研究認為：大地震引起的地電阻率異常的原因，可表現為兩種

形式，一種主要由震源區作用引起的近震中臺站異常變化，另一種則為大范圍區

域應力場與震源區共同作用引起的較遠區域的臺站異常變化，并且隨著離震源區

的距離增加而影響減小。關華平等（2008）和張學民等（2009）利用四川及鄰近

地區的地電阻率觀測，分析了汶川8.0級地震前后的地電阻率異常現象。認為地

電阻率異常的方向性及臺站空間分布特征反映了異常信息與構造走向及地震孕

育機制之間的密切關系。

圖11地電阻率中長期趨勢異常變化曲線

從圖11中可以明顯看到，郫縣觀測臺兩個測向都存在規則的年變化，NE

向變化相對更為穩定，而NW向電阻率在雨季經常出現快速上升和突降的變化。

2000—2008年NE向電阻率可以分為三個變化階段，2000—2003年初電阻率

年變幅度相當，平均形態沒有明顯的上升或下降。2003年臺站改造使用數字化

觀測儀器，兩個測向都有一個明顯的抬升，電阻率整體增加，但一直到2005年

底，年變形態沒有大的改變。最后一個階段，從2006年開始，在年變高值沒

有恢復的情況下加速下降，2007年年變消失，2008年初達到最小值，然后開始

轉折回升，2008年5月12日汶川地震發生在曲線的恢復過程中。整個異常在

NE向非常明顯，2006年以來的下降幅度達到7.2%，NW向沒有類似的現象

出現。位于鮮水河斷裂帶附近的四川西部的甘孜觀測臺(震中距330km)也觀測

到趨勢下降異常，異常同樣起始于2006年，持續了2年多的時間，EW向下

降幅度為4.5%，SN向下降幅度為3.3%,但該臺年變規律沒有被打破，是疊

加在年變上的趨勢下降。距震中310km的四川冕寧觀測臺EW向測項，自2007

年5月初開始下降，至震前下降幅度達22%，但該臺背景變化不是很穩定，階

變時有發生，所以如此大幅度的下降異常可能并不完全與汶川地震有關。位于甘

肅的武都觀測臺，距汶川震中290km，NW向測項從2006年8月開始至地

震前出現趨勢上升，上升幅度為2.5%。

⑷

汶川地震前后

汶川地震前后，，地震波變化規律

地震發生時，其能力將以地震波的形式傳播出去，從而造成地下、地表破壞。

作為地震監測的主要手段之一的地震波，往往不是直接監測常規的P波，S波，

面波等地震波，而是測量地脈動、振動加速度等等。楊立明（2009）選取武都、

文縣、迭部等地震臺汶川地震前后的連續的地脈動波形記錄，進行分析，認為地

脈動波形記錄的頻譜與汶川地震及其余震有一定的相關性。于海英等（2009）收

集了汶川地震發震時刻全國各地部分臺站的加速度值，對其進行研究，分析汶川

大地震強震動特性。

圖12汶川地震前武都地震臺整點觀測序列傅里葉譜

由圖12可以看出，5月1日00時至5月8日09時，傅氏譜的振幅值在4

左右波動，5月11日13時以后幅度值則隨時間單調增大。實際上，開始增大

的時間大致在5月10日19時左右。同時，可以看出，隨著汶川地震時間逼近，

譜振幅峰值存在向

0.15Hz頻段附近偏移的特征。求取圖1所示每一時

段0.1～0.3Hz頻段內幅度值包絡線的極大值，作為該時段的頻率幅度值，得

到頻率幅度值變化的時間過程如圖13所示。

圖13汶川地震前武都地震臺整點觀測序列傅里葉譜0.1～0.3Hz頻段振幅變化時間進程

由圖13可以看出，在汶川地震發生時刻，振幅頻譜包絡達到了極大值。

圖149月12日武都5.5

級地震前四川臺網

級地震前四川臺網、、甘肅臺網部分臺站0.1～0.3Hz頻段振幅歸一化計算結果

由圖14可見，歸一化計算結果較為清晰的表明了該次地震前甘肅臺網、四

川臺網的變化過程，表現出距離震中近的臺站出現的時間早，幅度大，距離震中

遠的臺站出現的晚，幅度小，具有一定的方向性等特征。

地面運動加速度大小和強震動持續時間長短直接決定了地震的破壞力，汶川

地震獲得的大量強震動數據可以用來更好地確定宏觀震中，為震害評估和救災提

供依據。

圖15汶川8.0級地震峰值加速度分布

圖15是汶川地震加速度分布圖，(a)、(b)、(c)分別為東西、南北、豎向

分量峰值加速度分圖，它們能夠較好地描繪震害的分布情況。較大的加速度峰值

沿發震斷層分布，集中在靠近斷層的狹長區相同斷層距的上盤峰值加速度值明顯

高于下盤值，且衰減緩慢;發震斷層破裂前方的地震動加速度峰值大，上下盤效

應和方向性效應較明顯。

4.

4.結語

結語

結語

地球深部地質作用過程在淺部的響應形式是多種多樣的，除了以上討論的地

球化學異常和地球物理異常外，還有地表破裂，滑坡、泥石流等地質現象。這里

討論的只是冰山一角。本文以汶川地震為實例，幾乎概括了國內學者對汶川地震

前后地球化學和地球物理異常研究的最新成果，是具有較好參考價值的基礎資

料。

參考文獻

參考文獻

1.劉耀煒,任宏微.汶川8.0級地震氡觀測值震后效應特征初步分析[J].地震，2009,29(1)：

121-131

2.谷懿,葛良全,王廣西等.汶川地震震后大成都地區斷裂帶活動性氡氣測量分析評價[J].工程

地質學報,2009,17(3):296-300

3.張世民,方煒,舒優良等.汶川地震前周至深井觀測數據的異常特征[J].防災科技學院學

報,2009,11(1)：20-27

4.張昱,劉小鳳,常千軍.汶川地震的異常及其震后效應特征分析[J].高原地震，2009,21(3):22-27

5.王謙身,滕吉文,張永謙.龍門山斷裂系及鄰區地殼重力均衡效應與汶川地震[J].地球物理學

進展，2008,23(6):1664-1670

6.張季生，高銳，曾令森等。龍門山及鄰區重、磁異常特征及與地震關系的研究[J]。地球物

理學報，2009，52(2)：572～57

7.韋進,郝洪濤,康開軒等.汶川地震前成都臺重力的高頻擾動[J].大地測量與地球動力

學,2009,29(增刊):15-團員年度總結 24

8.申重陽，李輝，孫少安等。重力場動態變化與汶川Ms8。0地震孕育過程[J].地球物理學報，

2009，52(1O)：2547~255

9.謝汝一，李清林，秦建增等.汶川8.0級地震前后冀魯豫地區重力場變化研究[J].大地測量

與地球動力學,2009,29(1):27-30

10.張建國，劉曉燦，唐庭梅等.汶川地震前后中國大陸地磁場動態演化特征初步研究[J].地震

研究,2009,32(3):231-235

11.張學民，丁鑒海，申旭輝等.汶川8級地震前電磁擾動與電磁立體監測體系[J].電波科學學

報,2009,24(1):1-8

12.丁躍軍.汶川地震與電磁擾動現象[J].國際地震動態，2009，367(7):8-18

13.關華平,張學民李美.汶川地震前的地電阻率異常分析[J].國際地震動態,2008,30(11):144

14.張學民,李美,關華平.汶川8.0級地震前的地電阻率異常分析[J].地震,2009,29(1):108-115

15.楊立明.汶川地震臨震地脈動記錄特殊頻率波動現象及其重現性初步研究[J].國際地震動

態,2009,361(1):14-19

16.于海英,王棟,楊永強.汶川8.0級地震強震動加速度記錄的初步分析[J].地震工程與工程振

動,2009,29(1):1-13