山西臨汾中心地震臺數(shù)字化定點(diǎn)形變觀測異常與地震對應(yīng)關(guān)系分析

郭國祥，張紅秀，郭林旺，劉國俊，邰垣東

（1.山西省地震局臨汾中心地震臺，山西 臨汾 041000；2.山西省地震局夏縣中心地震臺，山西 夏縣 044400；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

臨汾臺在“九五”“十五”項目中，相繼投入使用一批數(shù)字化定點(diǎn)形變觀測儀器，臺站定點(diǎn)形變觀測包括應(yīng)變和傾斜觀測兩部分。應(yīng)變觀測使用儀器為鉆孔體應(yīng)變和伸縮儀，傾斜觀測使用儀器為VS型垂直擺傾斜儀、水管傾斜儀、SSQ－2I水平擺、VS型垂直擺。自觀測以來，不少學(xué)者對觀測資料和震例進(jìn)行了分析和研究，得出了一些有益的認(rèn)識［1－2］，與山西帶相關(guān)的斷層形變研究也取得一些成果［3－4］。臨汾形變觀測臺站四周均為農(nóng)田，無大型工礦企業(yè)，干擾很小，觀測環(huán)境優(yōu)越。儀器安裝在羅云山斷裂帶附近、紫金山山前斷裂帶中段，用來監(jiān)測該斷裂帶及其周邊地區(qū)的地殼表面形態(tài)變化和固體潮的動態(tài)變化，為地震預(yù)測及震后趨勢判斷提供科學(xué)依據(jù)。

1 震前異常圖像類型

地殼形變與地震的孕育發(fā)生有著緊密的聯(lián)系，此方面已積累了許多成果。隨著數(shù)字化觀測儀器投入到地震觀測之中，克服了模擬記錄中的人為干擾因素，為地震分析預(yù)報提供了更加翔實的資料，使地震預(yù)報的依據(jù)更加真實可靠。各種地震前兆觀測資料是地震預(yù)報的基本依據(jù)，地震前兆異常的識別、提取是地震預(yù)報的前提。在實驗研究巖石破裂時，發(fā)現(xiàn)主破裂前往往存在應(yīng)變擾動，即在長趨勢形變變化的背景上還有突升、突降或者類似于波的應(yīng)變擾動［5］。在大地震之前，一些連續(xù)觀測的形變儀器能記錄到擾動或波動現(xiàn)象，其本質(zhì)是否是地震短臨前兆反映？實踐表明，只有觀測并識別出可靠的地震前兆，正確判斷中短期前兆及識別地震孕育從中長期向中短期過渡的標(biāo)志，才有可能對中強(qiáng)震做出中短期判定，進(jìn)而進(jìn)行短臨跟蹤預(yù)報。文章選取近幾年臺站所記錄的資料，對照臺站儀器工作日志進(jìn)行認(rèn)真的分析，排除氣象、人為等干擾因素的影響，初步總結(jié)出臺站所記錄的數(shù)字化地形變震前出現(xiàn)的幾種異常圖像。

1.1 短期趨勢轉(zhuǎn)折

短期趨勢轉(zhuǎn)折在定點(diǎn)形變觀測中是常出現(xiàn)的一種異常形態(tài)，有時在一個或多個方向出現(xiàn)，有時向下，有時向上突起，其出現(xiàn)的原因十分復(fù)雜，但通過詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)有很大一部分短期趨勢轉(zhuǎn)折出現(xiàn)后，往往會發(fā)生一些地震。大幅度趨勢性變化圖像是臨汾臺記錄的地震前常見異常圖像之一，這種趨勢性變化，在某種程度上與未來震中方位有一定關(guān)聯(lián)。如，從水平擺2010年1月至3月變化趨勢曲線可以看出（見圖1），NS、EW 向漂移較大，NS向3個月漂移量達(dá)292.61ms，EW向漂移526.87ms。水平擺總體向東南方向漂移，NS向曲線升降幅度較大。NS、EW向在同一時間，均有3個速率異常時段，智利地震發(fā)生在第3速率異常時段。SSQ－2I石英擺記錄異常波形特征主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向、加速上升、加速下降。

圖1 2010年1月至3月臨汾臺水平擺整點(diǎn)值曲線圖Fig.1 Integral hour value of horizontal pendulum tiltmeter at Linfen Station from January to March，2010

從垂直擺2010年3個月的變化趨勢圖看出（見圖2），固體潮曲線經(jīng)過多次轉(zhuǎn)向加速后向東南方向傾斜，1月13日海地7.3級、1月24日山西河津4.8級、2月27日琉球7.2級和智利8.8級地震都發(fā)生在轉(zhuǎn)折和加速時段。2010年2月3日至5日，NS向南傾速率加大，3日4時觀測值為－265.23ms，5日4時觀測值－343.07ms，南傾77.84ms；2月5日至9日，再次轉(zhuǎn)向加速，北傾40.84ms，9日至20日恢復(fù)正常；21日轉(zhuǎn)向南傾，一直到27日發(fā)生琉球7.2、智利8.8級地震，地震之后繼續(xù)南傾；EW 向在5日轉(zhuǎn)向后，持續(xù)緩慢向東傾斜。5日測值279.56ms，27日測值693.98ms，22d內(nèi)加速東傾414.42ms。

圖2 2010年1月至3月臨汾臺垂直擺整點(diǎn)值曲線圖Fig.2 Integral hour value of vertical pendulum tiltmeter at Linfen Station from January to March，2010

1.2 數(shù)據(jù)波動

在正常記錄的背景下，短期內(nèi)出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動（脈沖狀突跳、毛刺狀突跳脈動增粗及高頻）。2008年5月12日四川汶川發(fā)生8.0級特大地震時，NS向在9日、10日兩天內(nèi)記錄曲線出現(xiàn)數(shù)次掉格、畸變現(xiàn)象，11日曲線NS向、EW向同步出現(xiàn)脈動加粗直至發(fā)震，震后持續(xù)脈動加粗（見圖3）。這種波浪形抖動圖像也屬于典型的震前異常特征圖像，此次地震出現(xiàn)的異常特征與數(shù)字前兆觀測地震異常短臨特征的初步研究［6］相吻合。

圖3 2008年5月12日汶川8.0級地震水平擺記錄曲線Fig.3 Record of horizontal pendulum tiltmeter for the May 12th，2008Wenchuan M8.0earthquake

1.3 階變

階變在定點(diǎn)形變中也常出現(xiàn)，大多原因不明，其中有部分階變后面會發(fā)生地震。山西運(yùn)城河津3.7級地震前一周，水平擺表現(xiàn)為趨勢性NE傾斜，震前24小時NS向分鐘值曲線出現(xiàn)明顯的蠕滑型臺階圖像，即2011年1月14日12時20分至13時16分形成蠕滑臺階，幅度值達(dá)到26.8ms，15日4時19分至6時13分蠕滑臺階幅度為10.76ms；EW 向從5日保持持續(xù)向東傾斜，至13日16時30分，東傾幅度達(dá)到400ms，之后轉(zhuǎn)向西傾中，于15日發(fā)震（見圖4）。

圖4 2011年1月15日山西河津3.7級地震前水平擺記錄曲線Fig.4 Record of horizontal pendulum tiltmeter before the Jan.15th，2011Hejin M3.7earthquake

2 異常圖像與地震對應(yīng)關(guān)系統(tǒng)計

對全球Ms＞7.0、中國境內(nèi)Ms＞6.0以及山西省內(nèi)Ms＞4.0的84個地震事件進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，臨汾臺各形變儀器在震前3d～7d原始記錄圖有明顯的異常顯示（見表1、表2）。異常類型常見有趨勢性轉(zhuǎn)折、大幅度趨勢傾斜、高頻毛刺抖動、階變、波動、脈沖波動等。研究發(fā)現(xiàn)，對于某一地震事件，震前異常并不具有單一性，往往是多種異常的組合，充分說明地震異常的復(fù)雜性。

表1 洞體擺原始記錄圖在震前3d～7d的圖像異常統(tǒng)計Table.1 Anomaly statistics of raw record of cavity pendulum in 3～7days before earthquake

表2 應(yīng)變儀原始記錄圖震前3d～7d的圖像異常統(tǒng)計Table.2 Anomaly statistics of raw record of strain gauge in 3～7days before earthquake

3 認(rèn)識與思考

大量的觀測事實和震例表明，地震前確實存在地殼形變。地殼形變從時間上劃分為長期背景異常、中期異常和短臨異常；在空間上，由于各臺站（點(diǎn)）所在的位置、地質(zhì)環(huán)境各不相同，使得各地的異常形態(tài)和量級也不盡相同。在地震的孕育過程中，隨著地應(yīng)力的不斷加強(qiáng)，必然會引起孕震體及其附近環(huán)境發(fā)生物理、化學(xué)變化，由于地應(yīng)力的不斷增強(qiáng)，也必然會引起孕震體及其附近首先產(chǎn)生微小破裂和變形，當(dāng)?shù)貞?yīng)力增強(qiáng)到導(dǎo)體巖石不能承受的時候，巖石斷開，地震也就發(fā)生了。這些首先發(fā)生的微小破裂和變形，反過來又對孕震環(huán)境施加影響，因而就造成在記錄曲線上出現(xiàn)了各種不同的異常圖像，這就是為什么在地震發(fā)生之前，能夠記錄到地形變異常的重要原因。通過上述總結(jié)可以看出，前兆異常形態(tài)主要是震蕩擾動，其次是分鐘值固體潮曲線畸變，然后是階躍，多數(shù)是3種形態(tài)的組合，固體潮畸變伴隨震蕩擾動、階躍后，出現(xiàn)震蕩動。形變異常方向與震中方向有一定聯(lián)系，若震中在觀測臺站以北或以南，則分量圖上北南向異常比東西向明顯，異常幅度比較大；否則，東西向異常較大。從時間上看，異常多在震前幾個小時或3～7d之內(nèi)，不同的儀器，分鐘值曲線上會有同步變化［7］。從地震震級上來看，震前出現(xiàn)地形變異常的情況多集中在3級以上的近震和地方震，而3級以下的地震則很少見到。3級以下小震記錄不到震前異常變化，很可能是由于震級太小，異常形態(tài)微小，因而儀器記錄不到。通過對臨汾臺地形變數(shù)字化資料異常形態(tài)的研究，可以看出地形變異常與地震確有一定的對應(yīng)關(guān)系，但由于所掌握的數(shù)字化記錄資料有限，加之沒有較大的近震和地方震加以佐證，這種對應(yīng)關(guān)系準(zhǔn)確到何種程度，目前尚不能定論。

［1］顧國華，胡惠民，胡思勇.唐山大震前大灰廠和?？谟_站的地殼形變異常［J］.地殼形變與地震，1982，Z（4）：56－64.

［2］程萬正，官致君，蘇 琴，等.汶川Ms8.0地震前四川地區(qū)前兆異常及其統(tǒng)計分析［J］.地震學(xué)報，2011，33（3）：304－318.

［3］薄萬舉.形變異常與干擾關(guān)系的再認(rèn)識［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2010，30（1）：5－8.

［4］薄萬舉，華彩虹.地形變強(qiáng)震前兆指標(biāo)探討［J］.地震，2001，21（1）：25－31.

［5］王賢仁，盧艷青.傾斜擾動與短臨地震預(yù)報［J］.地震研究，2002，25（1）：20－24.

［6］田 山，汪翠枝，李君英，等.數(shù)字前兆觀測地震異常短I臨特征的初步研究［J］.地震地磁觀測與研究，2009，30（2）：57－67.

［7］張紅秀，郭林旺，羅振東.山西臨汾中心地震臺地傾斜模擬與數(shù)字化觀測資料的對比分析［J］.山西地震，2009（4）：15－17.