臨汾水平擺臨震前典型波動(dòng)異常研究*

荊紅亮 張仰輝 馬武剛 劉瑞春

1)山西省地震局臨汾中心地震臺(tái)，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(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，太原 030002

臨汾水平擺臨震前典型波動(dòng)異常研究*

荊紅亮1)張仰輝1)馬武剛2)劉瑞春3)

1)山西省地震局臨汾中心地震臺(tái)，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(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，太原 030002

對(duì)山西臨汾水平擺固體潮曲線形態(tài)在臨震前的典型畸變現(xiàn)象進(jìn)行分析，從時(shí)間、空間上對(duì)該類典型波動(dòng)異常在震前出現(xiàn)的概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)其形成的物理機(jī)制進(jìn)行了解釋。

水平擺;固體潮;典型波動(dòng);概率統(tǒng)計(jì);機(jī)理研究

1 引言

在形變觀測的原始記錄曲線中，地震前會(huì)出現(xiàn)較明顯的“形變前驅(qū)波”，而這種“前驅(qū)波”形態(tài)在傾斜觀測中主要表現(xiàn)為脈沖加粗型或長周期波動(dòng)型。山西臨汾臺(tái)水平擺接收遠(yuǎn)場形變波很明顯，能夠清晰記錄到國內(nèi)外大多數(shù)中強(qiáng)地震［1］，是一種理想的“傾斜拾震器”。由于水平擺工作頻帶較寬，其頻率響應(yīng)范圍為0～50 kHz，因此在大震前特別是一些遠(yuǎn)震前，臨汾臺(tái)水平擺曲線形態(tài)會(huì)呈現(xiàn)出鋸齒狀、臺(tái)階突跳或曲線連續(xù)擾動(dòng)等固體潮曲線畸變現(xiàn)象，其中單方向脈沖突跳現(xiàn)象在所有的畸變中尤為突出。

本文著重分析臨汾臺(tái)水平擺固體潮曲線在臨震前出現(xiàn)的這種畸變形態(tài)特征，對(duì)其形成的物理機(jī)制做了解釋，并對(duì)近幾年來地震前出現(xiàn)的這種特征進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果為地震預(yù)報(bào)特別是短臨預(yù)報(bào)提供了判定依據(jù)。

2 儀器簡介

臨汾臺(tái)水平擺觀測儀器為SSQ-Ⅱ型石英水平擺，是用于測量地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)引起地面水平向傾斜變化的一種高靈敏度儀器。在不考慮電路部分的情況下，水平擺的自振周期可以達(dá)到50 s左右［2］，實(shí)際工作中，可根據(jù)需要降低儀器靈敏度，即在安裝過程中，把擺的自振周期調(diào)到8 s左右，以保證觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，而不影響儀器的其他性能。

3 固體潮畸變機(jī)理與統(tǒng)計(jì)研究

臨汾臺(tái)水平擺對(duì)國內(nèi)外中強(qiáng)震都有著較好的同震效應(yīng)，在地震前常伴有速率加快、轉(zhuǎn)折、脈沖突跳、及鋸齒畸變等異?，F(xiàn)象，其中一種典型波動(dòng)——脈沖突跳現(xiàn)象最為突出。根據(jù)近幾年水平擺觀測資料總結(jié)研究，只要固體潮曲線形態(tài)出現(xiàn)脈沖突跳，后續(xù)一般都會(huì)有地震發(fā)生。該現(xiàn)象具有以下基本特征:震前正、負(fù)向脈沖都有可能出現(xiàn)，但是以負(fù)向脈沖居多，幅度較大，范圍在幾ms～50 ms，震前幾小時(shí)或者一天內(nèi)恢復(fù)平靜。這種情況主要反映在NS分量上，這可能與山西帶的特殊構(gòu)造有關(guān)。

3.1 典型圖像

對(duì)臨汾臺(tái)水平擺2008年1月—2011年6月全球M≥6.0地震資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于臨汾臺(tái)水平擺固體潮曲線形態(tài)在全球M≥6.0地震前出現(xiàn)這種典型波動(dòng)事件較多，故只針對(duì)部分具有明顯特征的震例進(jìn)行研究。

1)圖1為2008年1月9日我國西藏改則縣(32.5°N，85.2°E)的 6.9 級(jí)地震記錄曲線(震中距為2 436 km)。水平擺NS向觀測曲線在地震前近71小時(shí)(震前4天)出現(xiàn)向下矩形跳動(dòng)方波，其間伴有間歇性脈沖突跳現(xiàn)象，以向上突跳為主，突跳出現(xiàn)的方式為由大變小，在接近地震發(fā)生時(shí)幅度又逐漸變大，整個(gè)過程持續(xù)了37小時(shí)，震前34小時(shí)恢復(fù)平靜(圖2);EW分量無明顯變化。

圖1 2008-01-09日臨汾臺(tái)水平擺NS分量分鐘值曲線Fig.1 Minute value curves of NS component of horizontal pendulum at Linfen station in 2008-01-09

2)圖3為2008年2月25日印尼蘇門答臘7.6級(jí)地震記錄曲線(震中距為4 478 km)。水平擺NS向觀測曲線在地震前近90小時(shí)出現(xiàn)向上、向下脈沖突跳，24日開始曲線呈現(xiàn)出幅度較弱的向下脈沖突跳，持續(xù)時(shí)間近5個(gè)小時(shí)，25日出現(xiàn)第3次突跳現(xiàn)象(圖4)，潮汐曲線形態(tài)完全變形呈單點(diǎn)或者多點(diǎn)突跳，最大變化幅度為47 ms，幅度由小到大，持續(xù)時(shí)間為498分鐘;EW分量無明顯變化。

3)圖5為2008年3月21日新疆于田縣7.3級(jí)地震記錄曲線(震中距為2 674 km)。水平擺NS分量觀測曲線在地震前3月19日04:40曲線出現(xiàn)明顯抖動(dòng)向下突跳，持續(xù)時(shí)間為8小時(shí)50分(圖6)，最大變化幅度為45 ms，而后潮汐曲線形態(tài)恢復(fù)正常變化，至地震發(fā)生;EW分量無明顯變化。

圖2 2008-01-06—08日臨汾臺(tái)水平擺NS分量分鐘值曲線Fig.2 Minute value curves of NS component of horizontal pendulum at Linfen station in 2008-01-06—08

圖3 2008-02-22—25日臨汾臺(tái)水平擺NS分量分鐘值曲線Fig.3 Minute value curves of NS component of horizontal pendulum at Linfen station in 2008-02-22—25

圖4 2008-02-25日臨汾臺(tái)水平擺NS分量分鐘值曲線Fig.4 Minute value curves of NS component of horizontal pendulum at Linfen station in 2008-02-25

圖5 2008-03-19—21日臨汾臺(tái)水平擺NS分量分鐘值曲線Fig.5 Minute value curves of NS component of horizontal pendulum at Linfen station in 2008-03-19—21

4)圖7為2011年6月23日日本本州東海岸附近海域7.2級(jí)地震的記錄曲線(震中距為2 745 km)。水平擺NS分量觀測曲線在地震前6月20日小時(shí)出現(xiàn)間歇性向下脈沖突跳，幅度由大變小，最大幅度為46 ms，20、21日這種突跳現(xiàn)象比較明顯，22日只出現(xiàn)一次單點(diǎn)突跳，基本恢復(fù)平靜;EW分量無明顯變化。

5)2010年10月2—11日臨汾臺(tái)水平擺NS分量潮汐形態(tài)無明顯變化，只是在曲線上疊加了一部分向下大幅度高頻突跳信號(hào)(圖8)，最大幅度達(dá)到56 ms，無遠(yuǎn)震與之相對(duì)應(yīng)，經(jīng)查證認(rèn)為是2010年13號(hào)臺(tái)風(fēng)影響所致。

圖6 2008-03-19日臨汾臺(tái)水平擺NS分量分鐘值曲線Fig.6 Minute value curves of NS component of horizontal pendulum at Linfen station in 2008-03-19

圖7 2011-06-20—23日臨汾臺(tái)水平擺NS分量分鐘值曲線Fig.7 Minute value curves of NS component of horizontal pendulum at Linfen station in 2011-06-20—23

圖8 2010-10-02—11日臨汾臺(tái)水平擺NS分量分鐘值曲線Fig.8 Minute value curves of NS component of horizontal pendulum at Linfen station in 2010-10-02—11

3.2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

2008年1月—2011年6月全球共發(fā)生6.0級(jí)以上地震121次，臨汾臺(tái)水平擺水平擺固體潮曲線出現(xiàn)典型波動(dòng)61次，其中可以確定的全球M≥6.0地震前固體潮曲線出現(xiàn)畸變現(xiàn)象為39次，中國地震臺(tái)網(wǎng)中心未發(fā)布地震10次，臺(tái)風(fēng)引起水平擺出現(xiàn)波動(dòng)干擾9次，3例波動(dòng)異常并無臺(tái)風(fēng)效應(yīng)也無地震發(fā)生。

以中國地震臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的地震信息為準(zhǔn)，臨汾臺(tái)水平擺震前出現(xiàn)典型波動(dòng)異常的概率為32%。我國境內(nèi)出現(xiàn)了6次，其中西藏地震3次，新疆地震1次，青海地震1次，臺(tái)灣地震1次。從震例統(tǒng)計(jì)可知:

1)震例包括 M4.8 ～9.0，其中 M≥6.0 的地震約占80.3%，M≥7.0的地震約占52.4%，大小地震都有可能出現(xiàn)這種脈沖突跳，但總體來說還是以大地震為主。

2)典型波動(dòng)超前出現(xiàn)時(shí)間分布很寬，其中發(fā)生在震前0～7天內(nèi)的占89.7%，1～7天的占87.2%，大于7天的占10.3%。一般前驅(qū)波出現(xiàn)后7天內(nèi)發(fā)生地震的可能性最大。

3)有效距離很寬，從目前震例來看，距臺(tái)站89～17 500 km的范圍內(nèi)臨汾臺(tái)水平擺都可以捕捉到典型波動(dòng)事件，其中距離大于3 000 km的占74.4%，距離小于3 000 km的占25.6%，距離在2 000 km內(nèi)占10.3%，從以上數(shù)據(jù)來看該典型波動(dòng)出現(xiàn)后，3 000 km以外發(fā)生地震的可能性較大。

4)距離小于100 km，前驅(qū)波的超前時(shí)間為13天。如果觀測儀器已監(jiān)測到該事件，而且延續(xù)時(shí)間較長一直未發(fā)生大震，經(jīng)查并無氣象等其他干擾因素影響，觀測環(huán)境也無變化，則可能表示臺(tái)站及周圍區(qū)域發(fā)生中強(qiáng)地震的可能性較大。

為什么臨汾臺(tái)水平擺會(huì)清晰記錄到幾千千米以外的臺(tái)風(fēng)干擾訊號(hào)?根據(jù)文獻(xiàn)［3］“臺(tái)風(fēng)可以產(chǎn)生一種傳播很遠(yuǎn)的次聲波，它是一種周期在4～8秒，近似正弦的振動(dòng)。在距離一、二千千米處，它的聲壓一般有幾微巴數(shù)量級(jí)”，8秒左右周期的水平擺正好處在臺(tái)風(fēng)所產(chǎn)生的次聲波的優(yōu)越周期上，擺的自振周期與次聲波的某一頻率相吻合時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，因此水平擺能夠清晰記錄到臺(tái)風(fēng)干擾訊號(hào)，可以通過調(diào)節(jié)儀器自振周期，來避開這一周期的干擾。

4 結(jié)論

臨汾臺(tái)水平擺臨震前異常波動(dòng)是客觀存在的，它是大震的前奏，可以作為識(shí)別地震短臨前兆及短臨預(yù)測的一個(gè)重要參考指標(biāo)，根據(jù)其出現(xiàn)的時(shí)間以及動(dòng)態(tài)分布特征，確定是否進(jìn)入短臨異常階段，并判定地震發(fā)生的震級(jí)大小，結(jié)合其他觀測手段的異常變化情況進(jìn)而確定地震的有效距離。

1 荊紅亮，等.山西臨汾臺(tái)數(shù)字?jǐn)[傾斜資料對(duì)比研究分析［J］.山西地震，2009，(4):24 －27.

2 呂寵吾.洞體儀器的自振周期［A］.中國地球物理2010——中國地球物理學(xué)會(huì)第二十六屆年會(huì)、中國地震學(xué)會(huì)第十三次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集［C］.2010，777－778.

3 屠焰，趙樹卿.奇異的次聲［M］.北京:科學(xué)出版社，1979.

ABNORMAL STUDY ON IMPENDING TYPICAL FLUCTUATIONS OF LINFEN HORIZONTAL PENDULUM

Jing Hongliang1)，Zhang Yanghui1)，Ma Wugang2)and Liu Ruichun3)
1)Linfen Central Seismostation of Earthquake Administration of Shanxi Province，Linfen 041000
2)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
3)National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan，Taiyuan030002

The typical distortion phenomenon of earth tidal curve from horizontal pendulum at Linfen seismostation before the earthquakes is analyzed，the probability of typical fluctuation appearance before the earthquakes is calculated in both space and time，the physical mechanism of the typical abnormal events is explained.The analysis results can be a preliminary judgement condition of earthquake.

horizontal pendulum;earth tide;typical fluctuation;probability statistics;mechanism study

P315.725

A

1671-5942(2013)Supp.(Ⅱ)-0028-03

2013-01-03

山西省地震局2011年科研項(xiàng)目

荊紅亮，女，1975年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榈卣鹎罢子^測資料的異常分析.E－mail:jhl－1@163.com