山西數(shù)字水平擺傾斜儀對安德裂亞諾夫群島7.0級、巴基斯坦7.8級地震的記錄特征分析

馮建琴，董甲弟，程冬焱，呂 睿，郭林旺，李 軍，張聰聰

(1.山西省地震局臨汾中心地震臺，山西 臨汾 041000；2.山西省地震局，山西 太原 030021；

3.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地傾斜觀測的目的是研究地殼形變垂直的相對運動和固體潮汐的動態(tài)變化，是地殼形變學(xué)科不可缺少的一個重要組成部分[1]。地傾斜觀測的連續(xù)記錄包含了大量與局部地殼介質(zhì)特性有關(guān)的信息[2-4]。隨著山西“十五”數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的建成，從北到南逐步形成太原、離石、昔陽、臨汾數(shù)字前兆綜合觀測臺。文中試圖以不同臺站的水平擺觀測資料，分析安德裂亞諾夫群島7.0級地震、巴基斯坦7.8級地震的異常特征，為地震預(yù)測提供一定的參考依據(jù)。

1 山西水平擺觀測儀器概況

山西前兆臺網(wǎng)始建于上世紀(jì)70年代，形成于80年代末期。現(xiàn)有地磁、地電、形變、流體4個學(xué)科，布設(shè)在9個省級專業(yè)臺站和8個地方流體臺。臨汾、太原、離石、昔陽是山西數(shù)字前兆綜合觀測臺，均安裝SSQ-2I水平擺傾斜儀，水平擺觀測的對象是地平面與水平面之間夾角及其隨時間的變化，是研究固體潮地震前兆的重要手段之一。數(shù)字化水平擺于2008年1月(昔陽臺2013年1月)正式開始觀測，采用分采樣記錄，至今已積累8年的連續(xù)觀測資料。通過對多年觀測資料的分析，發(fā)現(xiàn)臨汾、太原、離石、昔陽地震臺站的水平擺在多次中強地震前有很好的映震性能。山西數(shù)字前兆觀測臺布設(shè)如第18頁圖1所示。

太原、臨汾、離石、昔陽4個前兆綜合觀測臺設(shè)在山西省地震斷陷帶上，主要分布在太原盆地、臨汾盆地和部分隆起區(qū)，整個布局與山西地震地質(zhì)構(gòu)造背景一致，臺站周圍斷層分布較多。臨汾臺地處臨汾盆地西緣，構(gòu)造上位于臨汾凹陷內(nèi)的龍祠沉降中心，緊靠控制盆地西緣的羅云山山前斷裂。臺站形變觀測山洞山體為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r，距洞室150 m處羅云山斷裂在山前通過，該斷層為N40°E走向、傾向SE的正斷層；昔陽地震臺地處太行山西麓、虎頭山北坡、贊黃隆起和西部沁水凹陷的過渡帶，沁水煤盆地的東北邊緣，以NNE向構(gòu)造運動為主，臺站以北約380 m處有一長約8 m(N38°E)的正斷層名為大寨斷裂，它屬于一組走向為N20°E的燕行排列斷裂帶。沿斷裂線有新生代的玄武巖出露，該臺是晉獲斷裂帶活動帶的臺站之一。以上各臺站洞內(nèi)年溫差小于0.3 ℃，觀測條件均符合形變觀測規(guī)范要求。

2 異常特征分析

近年來，不少研究者發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)場前兆往往出現(xiàn)在對應(yīng)力、應(yīng)變變化反應(yīng)靈敏的特殊部位，稱為“應(yīng)力窗”“穴位”“敏感點”等，馬宗晉等曾應(yīng)用多應(yīng)力集中點和塊體整體活動的觀點討論遠(yuǎn)場前兆問題，利用數(shù)值模擬方法，研究震源區(qū)孕震過程中應(yīng)力應(yīng)變變化，發(fā)現(xiàn)孕震過程可能對場內(nèi)的某些特殊部位造成應(yīng)力狀態(tài)的大幅度變化，從而在這些部位可能出現(xiàn)遠(yuǎn)距離前兆[5]，臨汾綜合前兆地震臺可能處于此類敏感部位。本研究闡述侯馬形變臺對2013年8月31日安德裂亞諾夫群島7.0級、9月24日巴基斯坦7.8級地震的短臨異常，地震參數(shù)如第18頁表1所示。

圖1 山西數(shù)字前兆觀測臺站

表1 巴基斯坦、安德裂亞諾夫群島地震參數(shù)

2.1 兩次地震同震響應(yīng)特征

(1) 巴基斯坦7.8級地震。

短臨前兆異常是在區(qū)域構(gòu)造場的影響下，受震源應(yīng)力場及活動構(gòu)造之間綜合作用的結(jié)果[6]。地震短臨階段時，位于孕震區(qū)臺站的形變突跳可能受到引潮力的觸發(fā)，但由于大地震的發(fā)生是斷層兩側(cè)體積相當(dāng)大的兩個塊體相對的運動，發(fā)震斷層兩側(cè)塊體的形變或微動形變，可能會牽動相鄰塊體甚至更遠(yuǎn)處塊體某些敏感點部位的形變或微動，這可能是巴基斯坦7.8級地震前臨汾臺、昔陽臺水平擺突跳的一種解釋。

2013年9月24日19點29分發(fā)生的巴基斯坦7.8級地震，山西境內(nèi)的太原、臨汾、離石、昔陽4個數(shù)字形變觀測臺站，均不同程度地記錄到典型的震前或震后的形變異常特征(見表2)。

由第19頁圖2可知，昔陽臺水平擺EW向，在震前42小時出現(xiàn)成簇的單點數(shù)據(jù)突跳，向上階跳最大幅度為12 ms，震后曲線恢復(fù)正常；離石臺NS向震前52小時出現(xiàn)向上單點數(shù)據(jù)突跳，EW向48小時前向下階跳；臨汾臺EW向震前48小時，頻繁數(shù)據(jù)突跳，而后緩慢正常，呈尖刀狀，突跳最大幅度3 ms。

表2 巴基斯坦7.8級、安德裂亞諾夫群島7.0級地震的同震響應(yīng)特征

(2) 安德裂亞諾夫群島7.0級地震。

2013年8月安德裂亞諾夫群島7.0級地震，臨汾臺EW向震前2天，震后4天數(shù)據(jù)突跳，尖刀形呈鋸齒波；昔陽臺震前17小時、震后1天成簇的單點數(shù)據(jù)突跳；離石臺震前12小時向下脈沖階跳，39小時前曲線高頻抖動；太原臺震前5天、震后4天曲線高頻抖動(見第19頁圖3)。

2.2 差分分析

地傾斜的一階差分值反映傾斜速率的變化，能描述震源區(qū)及周圍地區(qū)的巖石在主震發(fā)生前由微破裂或加速變形引起的突變異常[6]。通常以2倍中誤差為警戒線，超過2倍中誤差，視為異常，2013年9月24日巴基斯坦7.8級地震前后，臨汾臺、離石臺水平擺均超出2倍中誤差。

圖2 臨汾臺、昔陽臺、離石臺分鐘值異常曲線圖

圖3 臨汾臺、離石臺、太原臺、昔陽臺8月29—31日分鐘值曲線

2.3 潮汐因子分析

NS分量潮汐因子≥0.79，EW分量潮汐因子≥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[7-8]。通過對2013年8月至12月山西省水平擺資料的整點值數(shù)據(jù)，做潮汐變化TID分析，得出太原臺、離石臺、臨汾臺水平擺M2波潮汐因子異常突出較為明顯。太原臺M2波潮汐因子正常觀測值在0.5左右波動，離石臺水平擺M2波潮汐因子正常觀測值在0.41左右波動，臨汾臺在0.61左右波動，3個臺站從9月22日至10月28日潮汐因子最大變化為0.38、0.14、 0.03。期間發(fā)生9月24日巴基斯坦7.8級地震和11月9日山西朔州3.8級地震，多年記錄資料的分析表明，潮汐因子的變化很可能與近場地震有關(guān)，此觀點需今后更多的震例進(jìn)行驗證。

圖4 臨汾臺、離石臺水平擺一階差分曲線圖

圖5 太原臺、離石臺、臨汾臺潮汐因子曲線圖

2.4 NaKal擬合檢驗分析

通過對2013年8月至12月山西水平擺資料的整點值數(shù)據(jù)做擬合檢驗分析，發(fā)現(xiàn)太原、離石、臨汾臺擬合方差、振幅因子、非潮汐擬合常數(shù)、非潮汐速率、非潮汐加速度均偏離正常值5倍以上，限于篇幅，僅以太原臺為例(見第20頁圖6)。

3 結(jié)論

(1) 經(jīng)核實，在巴基斯坦7.8級、安德裂亞諾夫群島7.0級地震異常期間，臨汾、太原、離石、昔陽臺水平擺的觀測儀器、觀測環(huán)境正常，無人為干擾。

圖6 太原臺水平擺NaKal擬合檢驗曲線

(2) 發(fā)生在不同地區(qū)的地震，同一臺站的水平擺記錄到相同的形變異常特征。通過水平擺對巴基斯坦7.8級地震、安德裂亞諾夫群島7.0級地震的分析，發(fā)現(xiàn)臨汾、昔陽臺水平擺在2次地震的同震形變中，記錄到相同的形變異常。

(3) 由于各臺的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地震的傳播路徑不同，導(dǎo)致發(fā)生在同一地區(qū)的地震，不同臺站的水平擺記錄到同震響應(yīng)形態(tài)各異。

(4) 異常具有單方向性。通常發(fā)生在遠(yuǎn)場7.0級以上地震的形變異常特征，體現(xiàn)在NS向，唯有9月24日巴基斯坦7.8級地震、8月31日安德裂亞諾夫群島7.0級地震的形變異常體現(xiàn)在EW向。

(5) 巴基斯坦7.8級地震的形變異常特征較為明顯，不僅顯示在水平擺原始圖像的分鐘值曲線上，而且顯示在差分、潮汐因子、擬合方差、振幅因子、非潮汐擬合常數(shù)、非潮汐速率、非潮汐加速度曲線上，安德裂亞諾夫群島7.0級地震的異常特征僅體現(xiàn)在原始曲線。

研究結(jié)論為初步分析，旨在表征山西數(shù)字化水平擺觀測資料在遠(yuǎn)場7.0級地震前記錄的異常變化，為今后判斷、識別同一地區(qū)地震提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張祖勝，李正媛，李 輝.地形變測量[M].北京：地震出版社，2008:12.

[2] 陳德福，聶 磊.液體靜力學(xué)水準(zhǔn)儀級其應(yīng)用[M].北京：地震出版社，2008.

[3] 李正媛，陳 鵬，林穗平，等.川強震震源區(qū)形變潮短臨變化特征[J].大地測量與地球動力學(xué)，2003(2):55-60.

[4] 楊又林，唐九安.烏什地震臺傾斜固體潮觀測與前兆異常[J].西北地震學(xué)報，2009,31(03):242-247.

[5] 孫其政.地震綜合分析預(yù)報方法[M].北京：地震出版社，1997：118-120.

[6] 王秀文，劉 魏，趙新平.山西中強地震前前兆異常特征及綜合預(yù)報指標(biāo)的研究[J].山西地震，1997(1-2)：36-45.

[7] 楊友陵，孫甲寧，高國英.新疆地傾斜地震短期異常特征研究[J].西北地震學(xué)報,2006,28(1):64-68.

[8] 馮建琴，吳艷霞，沈曉松.臨汾洞體擺數(shù)字傾斜儀在忻州五寨4.2級地震前的異常特征分析[J].大地測量與地球動力學(xué),2011,31(增刊):24-27.