數字化前兆低頻前驅波異常特征分析

李繼業(yè) 任建輝 張彥吉 孫鵬宇 孫強 武曉軍吳海波 胡濱生 孟令蕾 杜天嬌

1)哈爾濱市防震減災技術中心，哈爾濱市 世紀大道1號 150021

2)哈爾濱市通河地震臺，哈爾濱 150900

3)哈爾濱市阿城地震臺，哈爾濱 150321

4)哈爾濱市延壽地震臺，哈爾濱 150700

0 引言

“前驅波”是由日本地震學家金森博雄于1972年發(fā)現并命名的，他在震中距近萬千米的美國加州帕薩迪納地震臺長周期地震儀記錄中發(fā)現1960年智利8.3級地震前15分鐘，有震蕩周期為300～600s的長周期波，并將其命名為“前驅波”(Kanamori et al，1974)。

低頻前驅波的存在已被國內外越來越多的觀測資料所證實，且廣泛出現在重力、應變、地傾斜、水位及寬頻帶數字地震等多種觀測資料中。Kizawa(1972)在GS12型重力儀光電記錄上發(fā)現1964年3月28日美國阿拉斯加大地震和1964年6月16日日本新潟地震前3天，有一系列周期為300～600s的特殊脈動疊加在重力潮曲線上，并一直持續(xù)到大地震發(fā)生。自20世紀60年代以來，許多方法都觀測到了很多顯著的長周期信息，Monastersky(1994)的研究表明，已有107次淺源大地震前發(fā)生過低頻振動，即慢地震，并且有20次大地震是先從緩慢振動的起始段開始，然后才轉化為通常的高頻地震。(Jordan，1991)在地球固有振動的記錄中發(fā)現一種低頻定向慢前兆波，這種前兆波只在中深源大地震前出現，在淺源大地震前不出現。李世愚等(2002)介紹了前兆次聲波、礦井下低頻振動、沙土層超低頻形變、井水水位等在強震前超低頻事件的觀測證據，并通過實驗，研究了這種低頻振動的產生和傳播機理，認為微破裂的集結和斷層的起始破裂會出現超低頻脈沖。馮志生等(2003)分析了江蘇新沂臺地電阻率整點值觀測資料中的一種新變化——遠大震前驅波。陳德福(2006)分析了全國潮汐形變觀測記錄的14個震例中36個前驅波圖像的特點、形態(tài)、量級，總結了潮汐形變前驅波的時空特征，并指出形變前驅波具有前兆性、重現性、可靠性的特點。張淑亮等(2009)對2008年5月12日四川汶川8.0地震前山西地區(qū)前兆測項變化進行了分析，認為地震前兆主要以低頻前驅波為特征，其波動的優(yōu)勢周期為64～128min;異常點的展布方向與汶川地震主破裂方向一致;低頻前驅波出現的時間具有叢集性特點，主要集中在汶川 8級大震前一天的 14：00～16：00。

這些長周期信息有望對地震臨震預測研究起到積極的推動作用。目前，國內外對中強遠震前驅波的報道和研究較多，普遍認為是形變的遠場效應，由于遠場范圍較大，對發(fā)震地點的判別非常困難，直接影響了該方法的實效性和預測意義。本文通過對黑龍江及周邊中強地震前數字化低頻前驅波進行提取與分析，初步總結了近場區(qū)中強地震前驅波異常特征，旨在為進一步研究近場區(qū)短臨階段的地震前驅波現象積累經驗。

1 前驅波異常形態(tài)分析

觀測資料是地震科學賴以生存和發(fā)展的基礎，也是開展防震減災工作的主要依據，對前兆觀測數據干擾的排查及內在質量的評價是前驅波異常提取與分析的基礎，如果這個基礎不牢則對異?，F象的分析、異常指標的提取、異常機理的研究和前驅波異常經驗公式的統(tǒng)計等就會失真。因此，對黑龍江及鄰區(qū)數字化觀測資料噪聲干擾的排除和分析是進行地震預測研究的重要的基礎。多年的地下水微動態(tài)和地傾斜研究結果表明，井水位和豎直擺鉆孔傾斜對地殼應力-應變的響應頻域較寬，可記錄到地震波中的瑞雷波(10～20s)、潮汐波動(8～12h)、氣壓波動(幾小時至幾天)、風擾波動(數十分鐘)。除此之外，井水位和地傾斜觀測還受降雨效應(補給、荷載)、地下水開采和觀測儀器本身原因等干擾因素的影響(張淑亮等，2005;薄萬舉，2010)。因此，在研究水位、豎直擺傾斜前驅波異常與地震的對應關系時就必須排除非震源信息的干擾，尤其是氣壓、臺風等擾動信號。本文在大量的現場核實、形態(tài)對比分析、干擾分類提取、波動濾波分離、信號頻譜分析和查找噪聲干擾源等繁瑣工作的基礎上(具體提取過程工作量較大，圖件較多，由于篇幅關系，另文詳述，在此不再贅述)，排除了干擾噪聲，提取了黑龍江及鄰近地區(qū)3次中強地震前的5例水位、豎直擺傾斜低頻前驅波異常。

1.1 2008年內蒙古阿榮旗5.2級地震前延壽豎直擺傾斜前驅波

2008年6月10日內蒙古阿榮旗5.2級地震前10天，距離震中550km的延壽臺豎直擺傾斜出現固體潮汐畸變及擾動現象，NS向異常擾動主要集中在6月1日14時～3日8時，持續(xù)時間42h、最大幅值為0.0327″、最大周期32min，異常消失后174h發(fā)生內蒙古阿榮旗5.2級地震(圖1(a)、(b));EW向異常擾動主要集中在6月1日14時～3日11時，持續(xù)時間45h、最大幅值為0.0817″、最大周期48min，異常消失后171h發(fā)生內蒙古阿榮旗5.2級地震(圖 1(c)、(d))。

圖1 阿榮旗地震前豎直擺傾斜記錄到的前驅波

1.2 2009年吉林撫松4.6級地震前延壽臺豎直擺傾斜前驅波

2009年8月5日吉林撫松4.6級地震前17天，距離震中350km的延壽臺豎直擺傾斜出現固體潮汐畸變及擾動現象，NS向異常擾動主要集中在7月19日12時～21日23時，持續(xù)時間59h、最大幅值為0.0383″、最大周期46min，異常消失后357h發(fā)生吉林撫松4.6級地震(圖2(a)、(b));EW 向異常擾動主要集中在7月20日10時 ～21日18時，持續(xù)時間18h、最大幅值為0.0135″、最大周期53min，異常消失后362h發(fā)生吉林撫松4.6級地震(圖2(c)、(d))。

1.3 2008年內蒙古阿榮旗5.2級地震前延壽水位前驅波

2008年6月10日內蒙古阿榮旗5.2級地震前6天，距離震中550km的延壽臺水位同樣出現固體潮汐畸變及擾動現象，異常擾動主要集中在6月4日9時～14時、20時～5日9時、6日4～17時、22時～7日3時、7日9～14時和18時 ～8日11時，共出現6組，持續(xù)時間38h、最大幅值為32mm、最大周期15min，異常消失后52h發(fā)生內蒙古阿榮旗5.2級地震(圖 3(a)、(b))。

1.4 2009年吉林撫松4.6級地震前通河水位前驅波

2009年8月5日吉林撫松4.6級地震前15小時，距震中438km的通河臺水位出現固體潮汐畸變及擾動現象，異常擾動主要集中在8月5日5～7時、8～9時、11～12時、13～14時，共出現4組，持續(xù)時間5h、最大幅值為6mm、最大周期11min，異常消失后6h發(fā)生吉林撫松4.6級地震(圖4(a)、(b))。

圖2 撫松地震前豎直擺傾斜記錄到的前驅波

圖3 阿榮旗地震前水位記錄到的前驅波

1.5 2008年黑龍江龍江4.6級地震前通河臺水位前驅波

圖4 撫松地震前水位記錄到的前驅波

2008年7月7日黑龍江龍江4.6級地震前4天，距震中447km的通河臺水位出現固體潮汐畸變及擾動現象，異常擾動主要集中在7月3日20～23時和4日1～2時，共出現2組，持續(xù)時間5h、最大幅值為11mm、最大周期6min，異常消失后84h發(fā)生黑龍江龍江4.6級地震(圖 5(a)、(b))。

圖5 龍江地震前水位記錄到的前驅波

2 前驅波異常特征分析

2.1 發(fā)震時間分析

統(tǒng)計表明，與慢地震有關的前驅波比前震更普遍，出現的時間主要集中在主震前7天內，從一部分中等地震到特大地震之前都已觀測到前驅波，這就說明大的脆性破裂之前，較小的緩慢破裂在自然界是存在的而且比較普遍。低頻前驅波主要表現為先出現、后消失、再地震。低頻前驅波一般出現在震前數小時至1周左右時間，具有典型的短臨時間預測指標意義。陳德福(2006)通過對29個省市區(qū)120多個臺站歸納出14個震例的36個潮汐形變波圖像，并將其統(tǒng)稱為潮汐形變前驅波圖像。對震級與潮汐形變前驅波震中距統(tǒng)計發(fā)現，前驅波震中距與震級似乎有較好的相關性，近似呈對數分布特征;異常出現時間從幾十分鐘至6.5天。其中，0.1～6.5天的占94%，1～6.5天的占19%，大于6.5天的僅占5%，即6.5天內發(fā)生地震的可能性最大。

通過對黑龍江及鄰區(qū)中強地震前數字化低頻前驅波異常分析發(fā)現：①2008年6月10日內蒙古阿榮旗5.2級地震前，延壽臺水位前驅波異常消失距離發(fā)震間隔僅為2天，延壽臺傾斜前驅波異常消失距離發(fā)震時間間隔僅為7天。②2008年7月7日黑龍江龍江4.6級地震前，通河臺水位前驅波異常消失距離發(fā)震間隔僅為4天。③2009年8月5日吉林撫松4.6級地震前，通河水臺位前驅波異常消失距離發(fā)震間隔只有2個小時，延壽臺傾斜前驅波異常消失距離發(fā)震間隔長達14天。本文分析發(fā)現，黑龍江及鄰區(qū)數字化前兆低頻前驅波異常等待時間較以往研究得到了擴展，短期有2個小時，中期有2～7天，最長不超過半個月，但優(yōu)勢等待時間在1周以內，占80%。

2.2 經驗公式分析

井水位前驅波現象不是氣壓、風、降雨等干擾因素的短期突變造成的，可能反映了大震前震源過程信息(張淑亮等，2005)。高金哲等(2005)通過對井水位在中強地震前長周期的異常波動現象的研究發(fā)現，前驅波異常起始時間與有效觀測距離分布范圍很廣，時間從幾分鐘至十幾天，很多強震前幾小時至十幾小時一般就可以記錄到井水位長周期異常波動變化，且主要集中在7天以內，占93%。牛安福(2003)通過總結1990年以來我國地震活躍地區(qū)地傾斜觀測臺站在一些地震前觀測到顯著的突變性傾斜現象，用最小二乘法擬合，給出了我國大陸地震前觀測到的地傾斜前兆持續(xù)時間與地震震級之間的統(tǒng)計關系式，發(fā)現異常持續(xù)時間越長，震級越大。其中，震級擬合平均誤差為0.35級。同時，采取震級與變形幅度間的一般性關系模型(羅灼禮，1980)進行擬合，最后得到傾斜異常幅度與地震震級及震中距的關系模型。其中，震級擬合的平均平方誤差為0.37級。本文在借鑒前人的工作基礎上，總結了前驅波異常信息(表1)，兼顧了不同學科記錄到的低頻前驅波特征，分學科建立了前驅波異常特征與地震三要素的統(tǒng)計經驗公式。

表1 前驅波異常信息

阿榮旗、龍江和撫松地震前水位前驅波最大異常幅度僅為32mm，周期均在15min以內，前驅波持續(xù)累積時長較短，阿榮旗地震前水位前驅波累積時長最長，也只有38h。異常結束后3天左右發(fā)生地震，震中距在600km范圍內。同時還發(fā)現水位前驅波異常具有如下特征：①振幅與震級、震中距關系不大;②異常持續(xù)時間與震級、震中距存在一定的正比關系;③震中距與震級存在一定的正比關系;④異常開始到發(fā)震時間與異常持續(xù)時間存在正比關系，與震中距、震級關系不大;⑤震級與異常持續(xù)時間和震中距存在一定的正比關系，即異常持續(xù)時間越長、震中距越遠，震級M相對越大;而異常持續(xù)時間越長，異常出現至發(fā)震時間也可能越長。根據以上特征，參照以往經驗，建立經驗公式

式中T為異常持續(xù)時間(h)，t為異常開始到發(fā)震時間，εmax為異常最大幅度，R為震中距。

阿榮旗和撫松地震前豎直擺傾斜前驅波異常最大波動幅值為0.01″～0.09″持續(xù)時間約50h，異常結束后7天發(fā)生阿榮旗地震，而撫松地震發(fā)生在異常結束后15天。兩次地震的震中距分別為550km和350km。同時還發(fā)現水位前驅波異常具有如下特征：①振幅與震級、震中距存在一定的正比關系;②異常持續(xù)時間與震級存在一定的反比關系;③震中距與震級存在一定的正比關系;④異常開始到發(fā)震時間與異常持續(xù)時間存在正比關系，與震級、振幅、震中距存在反比關系;⑤震級與異常幅度和震中距存在一定的正比關系，即異常幅度越大、震中距越遠，震級相對越大;而異常持續(xù)時間越長，異常出現至發(fā)震時間也可能越長。根據以上特征，參照以往經驗，建立經驗公式

式中T為異常持續(xù)時間(h)，t為異常結束后等待時間，εmax為異常最大幅度，R為震中距。

對黑龍江及鄰區(qū)中強地震前數字化低頻前驅波異常統(tǒng)計經驗公式進行了檢驗，檢驗效果分為很好、好、差和一般4個等級。很好是指震級誤差△M≤0.2、震中距誤差△R≤20km;實際發(fā)震時間在預測時間范圍內。好是指△M≤0.3、△R≤30km;實際發(fā)震時間與預測時間范圍相差2天內。差是指△M＞0.5、△R＞50km;實際發(fā)震時間與預測時間范圍相差3天以上。對于不滿足以上3個條件的檢驗效果，定義為一般。

表2 經驗公式檢驗效果表

在前驅波異常經驗公式檢驗中，震級、震中距和發(fā)震時間檢驗效果均較為理想(表2)，預測震級與實際震級偏差都在0.2級之間，尤其是豎直擺傾斜經驗公式預測阿榮旗地震震級與實際震級幾乎一致;預測震中距與實際震中距偏差很小，除水位經驗公式預測阿榮旗地震震中距為25km外，其它地震的震中距偏差均在20km范圍內，尤其是豎直擺傾斜經驗公式對阿榮旗地震預測震中距與實際震中距一致;實際發(fā)震時間也都在預測時間范圍內，且主要集中在所預測時間段的下限階段。

2.3 異常時段特征

以往的低頻前驅波觀測資料多是單臺或單手段記錄，對一種儀器記錄到的前驅波事件不能從其它臺站或者其它觀測手段進行佐證(張淑亮等，2011)。本文通過提取分析黑龍江及鄰區(qū)數字化低頻前驅波異常，發(fā)現3次中強地震前低頻前驅波異常優(yōu)勢等待時間為7天，優(yōu)勢震中距離為300～600km，優(yōu)勢手段為形變學科的豎直擺傾斜觀測和流體學科的水位觀測。前驅波異常與地震的關系都表現出“豎直擺傾斜異常出現-消失-水位異常出現-消失-發(fā)震-震后無異?！钡奶攸c，即先豎直擺傾斜出現前驅波異常，消失后水位出現前驅波異常，在水位前驅波異常消失后才發(fā)生地震。但3次地震前前驅波異常特性均不同，阿榮旗地震前，表現為同一個觀測臺站，不同測項異常;撫松地震前，表現為不同觀測臺站，不同測項異常;龍江地震前則表現為單臺單一測項異常，而且不同學科的異常形態(tài)也有明顯差異，形變表現為單組固體潮汐畸變異常，流體表現為多組間歇性脈沖異常。

圖6 6月1日～6月11日阿榮旗地震前豎直擺傾斜和水位前驅波異常時段

2008年6月10日內蒙古阿榮旗5.2級地震前，6月1日延壽臺豎直擺傾斜出現間歇性低頻前驅波異常，6月3日消失。6月4日延壽水臺位同樣出現間歇性低頻前驅波異常，6月8日消失。異常結束后2天，6月10日發(fā)生地震。根據前驅波異常出現的規(guī)律，形變先于流體，且均在地震發(fā)生前消失。

圖7 7月19日～8月6日撫松地震前豎直擺傾斜和水位前驅波時段異常

2008年8月5日吉林撫松4.6級地震前，7月19日延壽臺豎直擺出現間歇性低頻前驅波異常，22日消失。8月5日地震發(fā)生前4小時，通河臺水位出現間歇性低頻前驅波異常，異常消失后3小時發(fā)生地震。這一特征符合前驅波“豎直擺傾斜異常出現-消失-水位異常出現-消失-發(fā)震-震后無異常”的規(guī)律，而且形變先于流體，且均在地震發(fā)生前消失。

2.4 異常差異特征

分析發(fā)現，水位和豎直擺傾斜前驅波異常均在地震前半個月出現，為臨震異常;異常形態(tài)多為擾動、固體潮畸變，異常幅度相對較小;前驅波異常的優(yōu)勢接收方位都為臺站西向;接收前驅波地震震級下限均為4.6。前驅波異常在黑龍江地區(qū)存在這些共性特征的同時，也存在著明顯的差異性。在異常形態(tài)上，豎直擺傾斜前驅波以固體潮畸變形態(tài)為主，水位前驅波多為擾動形態(tài);豎直擺傾斜前驅波異常臺站距離震中一般為350～550km，水位前驅波異常臺站距離震中略遠，但也集中在450～550km的近場區(qū)范圍內。在異常持續(xù)時間上，豎直擺傾斜前驅波異常持續(xù)時間相對較長，為2～3天，水位前驅波異常持續(xù)時間次之，一般為幾小時至2天以內。在異常等待時間上，豎直擺傾斜前驅波一般在異常結束后半個月發(fā)震，水位前驅波在異常結束后1周內發(fā)震。在異常出現時間上，鉆孔傾斜觀測記錄的前驅波早于井水位觀測記錄的前驅波，二者在出現時間上明顯不同步，這主要是因為地殼形變與地下水位前驅波異常都是在地震孕育過程中斷層破裂前的預滑移或預擴展中產生的低頻波，是震前由于應力-應變變化而導致的能量釋放，鉆孔傾斜以更直觀的物理量，先于水位捕捉到這種應力-應變的變化。牛安福(2003)研究地震短臨前兆異常時間特征發(fā)現，變形前兆往往發(fā)生在地下流體之前。車用太等(2006)通過一系列理論、實驗與觀測分析，明確提出：地下水微動態(tài)形成可分為兩種過程：巖土力學過程與水動力學過程，巖土力學過程指含水層巖土受力作用發(fā)生地殼變形破壞，并由此引起孔隙壓力變化的過程。可見，地殼形變與地下水的前兆異常之間具有某種直接的成因聯系，形變傾斜變化是巖石受到應力作用后的變形反映，流體水位變化是在巖石受應力后含水層孔隙壓力發(fā)生改變而產生的次生現象，這也表明形變學科對地震應力-應變的反映最為直接，而流體學科次之。

3 前驅波異常指標分析

根據趙根模等(2001)的統(tǒng)計，前驅波有效觀測距離為40～8000km，小于2000km的占81%;擁有前驅波的主震震級范圍很寬，一般5級以上地震都有前驅波記錄，但以大地震為主;從主震P波到達前至震前數十天都有地震前驅波出現的記錄，有一列波動的，也有多列間續(xù)波動的，7天內發(fā)震可能性占93%;地震前驅波可持續(xù)(或間續(xù))幾十個小時，甚至數十天，說明其震源的活動過程是快于蠕滑、慢于地震的持續(xù)(或間續(xù))中速構造運動，是以應力調整單元為主釋放源的慢地震過程，其波源在未來主震震源附近。黑龍江及鄰區(qū)中強地震前一個月內可能出現前驅波異常(并在震前消失)，形態(tài)多為擾動和固體潮畸變，并可能伴有不同測項的異常出現。通過本文分析，前驅波異常指標可以概括為以下幾個方面。

(1)時間指標。在數字化低頻前驅波異常持續(xù)時間上，形變異常為2～3天，流體異常次之，一般為幾小時至2天內;一般在形變異常結束后一個月內有發(fā)震可能，在流體異常結束一周內有發(fā)震可能;如果形變和流體都出現異常，則流體異常結束后3天內存在發(fā)生地震的可能，最短為3小時。如果單手段(僅豎直擺傾斜)出現異常，則在異常期間可能發(fā)震，最短時間為異常出現幾小時內。

(2)空間指標。從形變和流體學科接收到前驅波的臺站位置和實際地震空間分布看，對前驅波接收較為敏感的區(qū)域為黑龍江西部，尤其是臺站西北部350～550km。這一點可能跟黑龍江地區(qū)西部地震活動性較東部地區(qū)活躍，可總結的震例相對較多有關，在此僅供參考。

(3)強度指標。水位前驅波異常持續(xù)時間與震級存在一定的正比關系，異常持續(xù)時間越長，震級越大;豎直擺傾斜前驅波異常最大幅度似乎與主震震級存在一定的正比關系，異常幅度越大，震級越大。雖然個別震例不顯著，但整體來看，統(tǒng)計規(guī)律較為明顯。記錄到流體前驅波異常的震級下限為4.6，其中異常持續(xù)時間大于30小時，相應震級可能在5.0以上，而異常持續(xù)時間小于30h，相應震級可能為4.6～5.0;記錄到形變前驅波異常的震級下限亦為4.6，其中豎直擺傾斜最大異常幅度大于0.05″，相應震級可能在5.0以上，而最大異常幅度小于0.05″，相應震級可能為4.6～5.0。

4 前驅波異常機理分析

很多專家、學者對前驅波的前兆意義給予充分肯定(陳運泰等，1979;馮德益等，1984;Dieterich，1992;Rice，1993;李世愚等，2000;吳忠良，2001;車用太等，2002)。大量理論與實驗研究表明，在地震破裂成核過程中或孕震系統(tǒng)進入非線性的臨界狀態(tài)階段，會涌現出許多較容易觀測到的暫態(tài)信號。前驅波可能就是這種信號，是震源在成核過程中發(fā)射出來的一種低頻波，是在大的快速破裂發(fā)生前，孕震斷層面斷層盤有一緩慢的運動，發(fā)射出長周期波;震前地殼內的長周期波可能由斷層預滑或斷裂預擴展產生的，其周期一般為幾十秒至幾小時，粘滑前的預滑與破裂前斷裂的預擴展可能是產生長周期波的原因;震前短臨階段的亞臨界擴展不僅激發(fā)長周期波(前驅波)，而且也常誘發(fā)小震事件。

低頻前驅波與傳統(tǒng)的靜力學前兆模式不同，簡單理解就是地震前一段時間內出現的前兆波動信號，屬于波動力學的范疇。深入理解就是一種暫態(tài)信號，是在震源成核過程中發(fā)射出的一種低頻波。初步認定前驅波來源于斷層脆韌轉換帶慢地震過程或斷層脆性層的預位移啟動過程，是半脆性層慢破裂激發(fā)的低頻前兆慢地震波，一旦啟動，很容易直接發(fā)展成構造地震。研究結果表明，隨著破裂的集結，破裂尺度越來越大，輻射出的波的周期也越來越長。低頻前驅波一般都是在震前幾天接收到，是目前已發(fā)現的可重復性最強、可靠性最大的短臨前兆異常信息。

通過本文分析和借鑒前人總結，要想記錄到有價值的數字化前兆低頻前驅波應該具備3個基本條件。

(1)要有寬頻帶、高靈敏度、高精度、高采樣率和分辨率的傳感器系統(tǒng)。粘滑前的預滑與破裂前斷裂的預擴展可能會產生長周期波，即前驅波，故前驅波是一種彈性波，可以被低頻接收器記錄到。沒有有效的觀測儀器，就無法記錄到包含地球物理信息的有效數據。大地震前低頻前驅波信號很容易被系統(tǒng)噪聲和環(huán)境干擾所淹沒，近場區(qū)中強地震前低頻前驅波就更加微弱，給分析和研究工作帶來極大難度，這就要求前驅波記錄儀器具有一定的帶寬及較高的靈敏度，并具有較高的采樣率和分辨率，滿足這些參數的前兆觀測設備是低頻波記錄的基礎觀測條件。

(2)要具備寬頻帶、承壓性、封閉性較好的觀測井孔系統(tǒng)。由于地下水的普遍性、流動性與難壓縮性，它形成一個封閉的承壓系統(tǒng)時，井水位變化就能客觀、靈敏地反映地殼的應變狀念(汪成民等，1981)。對于封閉良好的承壓含水層來說，井-含水層系統(tǒng)相當于高靈敏度的體應變儀(Bodvarsson，1970;張昭棟等，1988、2000)。同時，水位連通性好能給低頻前驅波的傳播提供最佳通道，也是井水位在強地震前記錄前驅波的必要條件(張淑亮等，2003)。延壽臺和通河臺豎直擺傾斜、水位觀測儀器就具備這樣的條件。安裝在井下的傾斜儀、水位儀與特殊構造部位的觀測井孔共同組成一個天然的地震計，它能夠記錄到固體潮汐及地震發(fā)生前的異常信息和地震發(fā)生時的同震響應，這個天然的地震計也就具有自身的觀測帶寬和響應頻率。根據波在固體介質中傳播的一般規(guī)律，波的傳播特征與波的頻率有關，強震前產生的低頻波更容易傳播到遠距離，對于中等地震前產生的低頻波自然也可以在近場區(qū)出現，因此這種由斷層預滑或斷裂預擴展產生的應變波便會被部分在方向和頻段上與其響應的鉆孔傾斜儀捕捉到，于是延壽臺鉆孔傾斜就觀測到了中強地震前低頻前驅波異常。由于這個天然的地震計是由傾斜儀、水位儀和觀測井孔共同組成，把同樣的傾斜儀、水位儀，安裝在不同深度的井孔和構造位置，觀測不同層位的含水層。因此，即便是天然地震計其響應頻率也不盡相同，自然對低頻前驅波的響應特征亦存在明顯差異。

(3)要記錄到強震前長周期波，就必須找到合適的條件使記錄位置處于低頻傳播的最佳通道(唐林波等，2002)構造的特殊部位上，即前兆敏感點。黑龍江及鄰區(qū)中強地震發(fā)生的主動力源來自西太平洋板塊向西的俯沖，并且該地區(qū)位于西太平洋板塊俯沖帶前緣的上方。依舒斷裂帶是郯-廬斷裂向北延伸的部分，是黑龍江省東部地區(qū)地震活動的控震構造帶，由于長期受太平洋板塊俯沖力和侵入巖活動的作用，其下部邊緣(興凱湖-布列亞山地塊)已侵入太平洋板塊，成為環(huán)太平洋板塊陸緣構造域的一部分。該斷裂上的地震活動最能反映西太平洋板塊對東北塊體的作用。馮德益等(1984)認為，由斷裂預擴展產生的長周期形變波在距斷裂端部一定距離處才明顯形成。因此，在黑龍江及鄰區(qū)具備基本的構造環(huán)境和天然條件來開展低頻前驅波的研究。

5 討論與結論

(1)本文在大量的噪聲和干擾排查工作的基礎上，提取和分析了黑龍江地區(qū)3次中強地震前5例水位、豎直擺傾斜數字化低頻前驅波異常圖像，總結了低頻前驅波異常的形態(tài)、特征和指標，初步統(tǒng)計了經驗公式，探討了前驅波異常機理，尤其是近場區(qū)中強地震前數字化低頻前驅波特征。

(2)本文探討了近場區(qū)形變、流體低頻前驅波異常特征。通過分析發(fā)現，低頻前驅波異常主要特征為出現-消失-發(fā)震，出現時間為震前數小時至半個月，等待優(yōu)勢時間為7天，為臨震異常;異常形態(tài)多為擾動、固體潮畸變，異常幅度相對較小;優(yōu)勢震中距離為300～600km，前驅波優(yōu)勢接收方位為臺站西部;接收前驅波的地震震級下限均為4.6;優(yōu)勢觀測手段為豎直擺傾斜和水位觀測。這些特征為探索低頻前驅波在黑龍江地區(qū)中強地震短臨預測指標提供了幫助。

(3)低頻前驅波震級下限和異常等待時間得到了擴展。目前，本文已從4.6級中強地震的觀測記錄中提取出了不同測項的低頻前驅波異常，擴展了低頻前驅波映震震級的下限。我國地震工作者所揭示的低頻前驅波主要出現震前數小時至7天左右時間，美國、俄羅斯、日本等國學者所發(fā)現的低頻前驅波信號主要出現在震前數分鐘至一個半小時左右的時間段內。本文發(fā)現，前驅波異常等待時間短者2小時，中期有2～7天，長期不超過半個月。在此基礎上，分析了前驅波異常的出現時間、持續(xù)時間、等待時間以及最大幅度和地震震級、震中距之間的關系，統(tǒng)計了經驗公式，并進行了檢驗，取得比較滿意的效果。

綜上所述，黑龍江及鄰區(qū)中強地震前半個月內存在低頻前驅波異常，并在震后消失。由此我們受到啟發(fā)，即前驅波作為一種前兆方法的觀測研究，可能為黑龍江及鄰區(qū)這樣以孤立型為主的中強地震的預報探索一條新途徑。