臨汾臺峒體擺數(shù)字傾斜儀在忻州五寨4.2級地震前的異常特征分析*

馮建琴 吳艷霞 沈曉松 鄧建梅 董甲弟

(1)山西省地震局臨汾中心地震臺，臨汾 041000 2)中國地震局地震研究所，武漢 430071 3)太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外觀測站，太原 030025 4)山西省地震局太原基準地震臺，太原 030025 5)蘇州市地安地震安全評估科技有限公司，蘇州215128)

臨汾臺峒體擺數(shù)字傾斜儀在忻州五寨4.2級地震前的異常特征分析*

馮建琴1，3)吳艷霞2)沈曉松3，4)鄧建梅5)董甲弟1，3)

(1)山西省地震局臨汾中心地震臺，臨汾 041000 2)中國地震局地震研究所，武漢 430071 3)太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外觀測站，太原 030025 4)山西省地震局太原基準地震臺，太原 030025 5)蘇州市地安地震安全評估科技有限公司，蘇州215128)

2011年3月7日忻州五寨4.2級地震前，位于震中西南方向326.8 km外的臨汾臺的數(shù)字化峒體觀測儀器，其記錄曲線圖出現(xiàn)了不同程度的突變、階變、抖動現(xiàn)象。其中，SSQ-2I石英擺、VP1、VP2寬帶傾斜儀的短臨異常現(xiàn)象較為明顯。通過分析發(fā)現(xiàn)：SSQ-2I石英擺、VP1寬帶擺、VP2寬帶傾斜儀對近場地震有很好的映震性能，當(dāng)石英擺NS分量潮汐因子≥0.79、EW分量潮汐因子≥0.39時，中國境內(nèi)可能會發(fā)生7.0級以上地震，山西地區(qū)則有可能發(fā)生4.0級以上地震。VP1寬帶擺、VP2寬帶傾斜儀對近場地震的映震性能優(yōu)于石英擺。

突變;階變;短臨異常;矢量圖;潮汐因子

1 引言

地震短臨預(yù)報是地震科學(xué)研究的難題之一，盡管國內(nèi)外地震學(xué)者開展了大量工作，但實質(zhì)性進展不大。因此，深入地震孕育過程研究、探索地震短臨預(yù)報新方法是一項富有挑戰(zhàn)而艱巨的任務(wù)［1-4］。本文將利用臨汾臺2011年1～3月SSQ-2I石英擺、VS垂直擺、VP1、VP2寬帶傾斜儀數(shù)字化觀測資料，用常規(guī)分析方法對2011年3月7日忻州五寨4.2級地震前的異常進行分析。

2 臺站概況及儀器情況

龍祠臺觀測山洞始建于1978年4月，山洞總長130.7 m，主巷道長76.8 m，寬1.6 m，高2.0 m。洞頂覆蓋層厚度32～39 m，儀器墩為完整的灰?guī)r經(jīng)鑿磨平整，以水泥漿與基巖黏結(jié)，四周設(shè)有防震槽。洞內(nèi)年溫度變化幅度小于 0.5℃，日變幅度小于0.03℃，濕度小于80%，山洞周邊沒有明顯的干擾源。內(nèi)有10個支洞，洞體呈“U”字形?；鶐r為中奧陶系馬家溝組灰?guī)r，洞內(nèi)放置有擺式傾斜儀、鉆孔應(yīng)變、磁電觀測等十多種前兆觀測儀器。SSQ2數(shù)字石英擺傾斜儀、VS垂直擺傾斜儀已積累了3年多的觀測資料，VP1、VP2寬帶傾斜儀也已積累1年多的觀測資料。

SSQ-2I型數(shù)字化傾斜儀是采用石英擺系接收地面傾斜信號;VS垂直擺傾斜儀用于測量地球內(nèi)部運動引起的地面的傾斜變化;VP1、VP2寬帶傾斜儀是在VS型垂直擺傾斜儀的基礎(chǔ)上改進而成，頻帶寬度比其他形變儀器的寬度提高20倍以上，頻帶寬度為2秒至1年［5］，SSQ-2I石英擺、VS垂直擺采用分采樣記錄，VP1、VP2型寬頻帶傾斜儀采用秒采樣記錄。

3 異常特征分析

3.1 日均值異常分析

臨汾臺石英擺NS分量正常年變，通常是每年11—12月份較大速率向北傾斜，次年1—2月轉(zhuǎn)向南傾，3—4月再次轉(zhuǎn)向北傾。2011年1—3月的年變曲線，變化趨勢與往年一致，只是背景值發(fā)生方向的改變，與往年同期相比，NS分量高值低于往年高值，EW分量高值高于往年高值(圖1(a));垂直擺年變曲線，趨勢性向東北方向傾斜。2011年1—3月變化趨勢與往年沒什么不同。背景值逐年增高，變化趨勢持續(xù)向東北方向傾斜(圖1(b))。

3.2 異常分析

VP1寬帶傾斜儀的NS分量在震前2天加速轉(zhuǎn)向，由南傾轉(zhuǎn)為北傾。臨震前4小時48分曲線抖動變粗并伴有向上單脈沖、向上的階變(圖2(a)); EW分量在忻州4.2級地震前，出現(xiàn)4次階變，且隨著地震的臨近，階變幅度逐漸變小，階變幅度由40.7 ms逐漸遞減到1.27 ms，發(fā)震后曲線恢復(fù)正常(圖2 (b))。寬帶傾斜儀隨著忻州地震的發(fā)生，階變幅度由強變?nèi)酢?/p>

VP2寬帶傾斜儀，在2011年3月7日忻州4.2級地震前，NS分量在臨震前5小時，記錄線抖動變粗并伴有單脈沖出現(xiàn)，震前56分向下階變16 ms (圖2(c));EW分量在臨震前出現(xiàn)兩次向上階變，且隨著地震的臨近，階變幅度逐漸增大，第一次階變幅度為6.9 ms，第二次畸變幅度為100 ms(圖2 (d))。震后兩分量曲線恢復(fù)正常。

3.3 日均值矢量異常

圖1 臨汾臺水平擺、垂直擺年變曲線Fig.1 Annual curves of the horizontal and vertical pendulum at Linfen station

SSQ-2I型石英擺傾斜儀。石英擺傾斜儀在3月7日忻州五寨4.2級地震前，出現(xiàn)2次短臨異常，前6天向下階變的幅度為8 ms，前2天曲線轉(zhuǎn)向并發(fā)生形似桃嘴狀畸變，恢復(fù)正常水平1天后發(fā)震。雖然沒有記錄到地震波形，但在地震時記錄線條脈動變粗(圖3(a))。通過多年觀測資料的震例分析，記錄遠場中強地震的同震效應(yīng)優(yōu)于垂直擺，唯有這次忻州4.2級地震，垂直擺記錄到的同震效應(yīng)波形而水平擺沒有記錄到同震效應(yīng)波形。

圖2 臨汾臺VP1寬帶傾斜儀、VP2寬帶垂直擺秒采樣異常曲線Fig.2 Abnormal curves of VP1 broadband tiltmeter，VP2 broadband vertical pendulum sampled by second at Linfen seismostation

VS垂直擺傾斜儀。垂直擺傾斜儀NS分量在忻州3月7日地震發(fā)生前7天，發(fā)生曲線抖動變粗，震后曲線仍然抖動，持續(xù)2天曲線才恢復(fù)正常。記錄的忻州地震波形特殊，形似脈沖狀突跳，NS分量記錄的地震幅度是EW分量的幾十倍(圖3(b))。

矢量異常多為矢量曲線以不正常轉(zhuǎn)向、拐彎、加速和打結(jié)為主要特征。石英擺傾斜儀2011年1月1日開始較大速率向西南方向傾斜，1月17日與2月1日矢量曲線出現(xiàn)第二次打結(jié)后，多次轉(zhuǎn)向、拐彎，3月7日發(fā)生山西忻州4.2級地震(圖3(c))，從出現(xiàn)異常到發(fā)震歷經(jīng)了66天;垂直擺以-3.59 ms/d的速率緩慢向東南方向傾斜，2月1日轉(zhuǎn)向打結(jié)后，繼續(xù)向東南方向漂移，直到發(fā)生3月7日忻州4.2級地震發(fā)生(圖3(d))。

圖3 (a)石英擺傾斜儀畸變曲線圖、(b)臨汾臺垂直擺同震效應(yīng)、(c)臨汾臺石英擺日均值矢量圖、(d)垂直擺日均值矢量圖Fig.3 (a)Distortion of quartz tiltmeter，(b)co-seismic effects of vertical pendulum，(c)daily mean vector graph of the quartz pendulum at Linfen station and(d)daily mean vector graph of the vertical pendulum at Linfen station

3.4 一階差分曲線分析

石英擺傾斜儀NS分量于2010年7月以較大速率向南傾斜。為了更加明顯地體現(xiàn)異常的變化形態(tài)，用基于GLS的地震分析預(yù)報軟件系統(tǒng)軟件［4］，做2008-01—2011-03月石英擺日均值曲線的差分曲線圖，用日均值一階差分法求出2008-01—2011-03月的平均值，以2倍中誤差作為警戒值，超過2倍中誤差時視為異常。從圖4可以看出，在山西多次發(fā)生4.0級左右的地震，一階差分曲線的中誤差多次超過警戒值?；境室灰粚?yīng)關(guān)系。在2011年3月初，中誤差已超過警戒線的10倍(圖4(a))，之后發(fā)生2011年1月15日河津3.6級、3月7日忻州4.2級地震。EW分量日均值一階差分曲線的異常特征，在負方向上比較明顯，在1月15日河津3.6級、3月7日忻州4.2級地震前，中誤差在負方向超過10倍的警戒線(圖4(b))。

圖4 臨汾臺水平擺日均值一階差分曲線Fig.4 Difference curves’of one order of the daily mean values of the horizontal pendulum of Linfen station

3.5 潮汐因子分析

臨汾石英擺NS分量潮汐因子在0.50～0.79間波動，EW分量潮汐因子在-0.50～0.39間波動，當(dāng)NS分量潮汐因子≥0.79、EW分量潮汐因≥0.39時，則可能會在中國境內(nèi)發(fā)生7.0級以上地震，山西地區(qū)發(fā)生4.0級以上地震(圖5)。

圖5 臨汾臺日均值石英擺振幅因子Fig.5 Daily mean value of amplitude factors of the quartz pendulum at Linfen station

4 討論與結(jié)論

1)臨汾臺SSQ-2I石英擺傾斜儀、VS垂直擺傾斜儀自2008年正式數(shù)字化觀測以來，觀測資料連續(xù)、完整、可靠;VP1、VP寬帶傾斜儀器性能穩(wěn)定，記錄的固體潮汐清晰完整。3月7日忻州五寨4.0級地震前，臨汾洞體擺原始記錄曲線多次出現(xiàn)階變、畸變、脈動變粗，經(jīng)核實該資料異常期間，觀測環(huán)境無變化，觀測儀器正常，非人為干擾，表現(xiàn)出很好的映震性能。

2)石英擺傾斜儀能觀測到遠場的中強地震的前驅(qū)波，前驅(qū)波出現(xiàn)的時間一般在震前數(shù)小時至7天左右，具有明顯的重復(fù)性［6］。通過對多年記錄資料的分析，其記錄遠場中強地震的映震性能優(yōu)于垂直擺。

3)垂直擺傾斜記錄遠場7.0以上地震的震前形變，2～7天內(nèi)脈動變粗、畸變、加速。記錄近場327 km范圍內(nèi)4.0～5.0級地震的臨震異常，垂直擺同震效應(yīng)波幅度優(yōu)于石英擺。

4)VP1、VP2寬帶傾斜儀能記錄到近場地震在幾小時之內(nèi)的短臨異常。這兩種擺體儀器的頻帶寬度為2 s到無窮大，比同類儀器大20倍，同時記錄地震的幅度也比同類儀器大10～20倍。

5)VP2寬帶垂直擺記錄近場地震方向比較明確。寬帶傾斜儀在忻州地震發(fā)生時EW分量異常較為明顯，向上階變100 ms，初步認定地殼向東運動，NS分量向下階變，地殼向南運動，地震時兩方向同時向上階變，初步分析地震發(fā)生在臨汾臺的東北方向。

VP1寬帶垂直擺在忻州地震前的異常特征：臨震階變幅度變小，兩方向異常都較為突出，轉(zhuǎn)向后北傾，階變后東傾，初步認定3月7日震中在臨汾臺東北方向。

6)由于突變性變形點分布具有非均勻性特征，以及儀器性能及原理的不同，導(dǎo)致了臨汾臺4種洞擺體傾斜儀記錄地震的形變異常形態(tài)和速率各不相同。

7)3月7日忻州4.2地震，可能屬于慢地震。由VP1、VP2寬帶傾斜儀短臨異常的特征和階變方向的變化，可以推知地殼向東北方向運動。

1 陳德福，李正嬡，李曉軍.地傾斜短臨前兆信息特征［J］.地殼形變與地震，1993，(增刊2)：47-54.

2 羅灼禮.震源應(yīng)力場、形變場和傾斜場［J］.地震學(xué)報，1980，2(2)：169-184.

3 周克昌，吳翼麟.由同震階躍應(yīng)用反演方法研究震源機制［J］.地殼形變與地震，1990，(1)：1-8.

4 陳遠忠，等.基于GLS的地震分析預(yù)報系統(tǒng)［M］.四川：成都地圖出版社，2002.

5 胡國慶，等.VS型垂直擺傾斜儀的原理及設(shè)計［R］.武漢：中國地震局地震研究所，2000.

6 高振強，等.山西臨汾中心臺石英擺傾斜儀前驅(qū)波特征分析［J］.山西地震，2009，4(2)：1-6.

ANALYSIS OF ANOMALIES OF DIGITAL CAVE TILTMETER AT LINFEN STATION REFLEETING THE WUZHAI M4.2 EARTHQUAKE，XINZHOU

Feng Jianqin1，3)，Wu Yanxia2)，Shen Xiaosong3，4)，Deng Jianmei5)and Dong Jiadi1，3)

(1)Linfen Central Seismostation，Earthquake Administration of Shanxi Province，Lingfen 041000 2)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 3)National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan，Taiyuan 030025 4)Taiyuan Seismostation of Shanxi Province，Taiyuan 030025 5)Peaceful Earthquake Security Evaluation Science and Technology Limited Company，Suzhou215128)

Before the Xinzhou Wuzai 4.2 earthqauke on March 7，2011，the record curves of the digital cave tiltmeters at the Linfen station which is of 326.8 km away from the epicenter had abrupt change，step change and dithers.In which the short-impending anomaly of SSQ-2I quartz pendulum，broadband tiltmeters VP1，VP2 were more evident.Through the analysis of these anomalies we can see that these tiltmeters above mentinaed all have good performance reflecting near-field earthquake that when the tidal factor of quartz pendulum in NS direction is over 0.79，in EW over 0.39，there may oceur earthquake of over M7.0 in China，or M4.0 in Shanxi area.By the way，the reflecting performance to near-field earthquake of the broadband tiltmeter are better than that of quartz tiltmeter.

abrupt change;step change;short imminent anomalies;vector diagram;tidal factor

1671-5942(2011)Supp.-0024-04

2011-04-23

山西省地震局項目(20382)

馮建琴，女，1964年生，工程師，主要從事臺站前兆監(jiān)測及分析工作.E-mail：jq4018273@163.com

P315.72+6

A