延壽地震臺豎直擺傾斜異常變化

段莉莉 李 昆

（中國黑龍江 150021 哈爾濱市防震減災(zāi)技術(shù)中心）

0 引言

地震的孕育發(fā)生需要能量積累及能量突然釋放兩大條件，地形變的長期形變、震前快速形變、震時(shí)突變及震后調(diào)整是發(fā)生中強(qiáng)地震的4個(gè)階段特征。本文利用傾斜觀測數(shù)據(jù)，給出了地震平靜期觀測手段的正常狀態(tài)，分析了地震前地殼形變微動(dòng)態(tài)特征及巖體發(fā)生變形與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，從而進(jìn)一步確定震前的形變異常。

CZB-1型豎直擺傾斜儀是一種測量地殼微量傾斜并記錄地球傾斜固體潮的儀器，安裝在數(shù)十米深的井孔底部，一定程度上避開了地表干擾。該儀器適應(yīng)性強(qiáng)，靈敏度高，穩(wěn)定性好。延壽地震臺位于依舒斷裂帶重要地段，受外界干擾小，傾斜與水位、氣壓不存在明顯相關(guān)性，并多次記錄到有價(jià)值的地震前兆異常信息，在傾斜兩分向異常指向與未來地震的關(guān)系上體現(xiàn)了較大優(yōu)勢。

1 臺站背景與資料

延壽地震臺（以下簡稱延壽臺）位于哈爾濱市延壽縣玉田鄉(xiāng)，臺基巖性為燕山期花崗巖，堅(jiān)硬完整。臺址周圍呈現(xiàn)花崗巖類構(gòu)造低山的地形地貌特征。延壽臺大地構(gòu)造位置屬興安嶺—內(nèi)蒙地槽褶皺、伊春—延壽地槽褶皺北段，延壽縣西部發(fā)育NNE向鐵力—尚志斷裂，貫穿東北的依蘭—舒蘭斷裂帶經(jīng)延壽縣向南延伸。

2004年12月，延壽臺安裝了CZB-1型豎直擺鉆孔傾斜儀（河南省地震局馬鴻鈞研制）。鉆孔井深71.6 m，井孔徑152 mm，井口至傳感器距離61 m，儀器受周圍干擾因素較少。由于設(shè)備安裝后需要一段時(shí)間才能逐步趨于穩(wěn)定，所以記錄中呈現(xiàn)EW分量向東漂移，NS分量向南漂移的正常背景特征。

2 研究資料及方法

2.1 研究資料

本文將延壽豎直擺傾斜2005年以來異常變化與應(yīng)震情況做統(tǒng)計(jì)對比，見表1與圖1。結(jié)合震例，能夠發(fā)現(xiàn)傾斜異常與4級以上地震的對應(yīng)關(guān)系較好。發(fā)震位置基本位于異常首次出現(xiàn)的指向上或者連續(xù)異常的最終指向上，有效震中距為350 km左右。由圖1可大致判斷延壽豎直擺傾斜的監(jiān)控范圍。

表1 延壽臺豎直擺傾斜異常應(yīng)震對比統(tǒng)計(jì)Table 1 The abnormal situation of contrast of tilting vertical pendulumin at Yanshou Seismic Station

圖1 與異常對應(yīng)的震中分布Fig.1 The epicenter distribution with the abnormal corresponding

2.2 研究方法

傾斜原始形態(tài)法。很多研究資料異常明顯，不需要用數(shù)學(xué)方法處理便能清楚識別異常，即原始形態(tài)法。通常會在原始分鐘值、整點(diǎn)值曲線上，或者矢量圖正常變化的基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)出明顯異常，體現(xiàn)為：加速、轉(zhuǎn)向、鼓包或擾動(dòng)等。從原始曲線看形態(tài)，也是發(fā)現(xiàn)固體潮畸變的重要途徑。

固體潮調(diào)和分析法。固體潮調(diào)和分析是前兆資料處理工作中常用的固體潮分析方法，它是指從總潮波中分離出若干分潮波的過程。對傾斜觀測資料逐日進(jìn)行檢查校對，分析月球潮汐半日波M2波的潮汐因子及其相位滯后在地震前后的變化過程?？梢允褂迷轮敌蛄谢蚧瑒?dòng)序列對資料進(jìn)行處理。

3 典型震例分析

3.1 黑龍江林甸M 5.1地震與內(nèi)蒙古牙克石M 4.7地震

3.1.1 異常形態(tài)。2005年7月25日林甸M5.1地震與9月19日內(nèi)蒙古牙克石M4.7地震觀測曲線見圖2(a)。從圖2(a)可見，延壽臺兩分向正常的漂移狀態(tài)為EW向東漂，NS向南漂。2005年4月21日，EW向加速東漂、NS向反向北漂，異常指向?yàn)闁|北，漂移速率高于正常背景值2倍，至5月10日兩分向曲線形態(tài)逐步恢復(fù)正常。2005年7月初延壽傾斜數(shù)據(jù)再次出現(xiàn)EW向反向西漂、NS向加速南漂現(xiàn)象，異常指向由東北方向轉(zhuǎn)向西南方向。7月16日EW、NS分向逐步恢復(fù)到異常之前正常的漂移狀態(tài)。7月25日發(fā)生黑龍江林甸M5.1地震。震后曲線形態(tài)恢復(fù)正常。9月19日又發(fā)生了內(nèi)蒙古牙克石M4.7地震。兩次地震結(jié)束后，于9月25日傾斜兩分向再次出現(xiàn)了異常變化：東西向反向西漂，南北向加速南漂，并且異常幅度和速率也明顯增大。分析認(rèn)為，9月25日異常的出現(xiàn)，是林甸地震和牙克石地震的震后恢復(fù)階段，應(yīng)力集中到一定程度釋放過后，巖石松散程度加大，出現(xiàn)能量的再次快速釋放。由圖2(b)可見，地震前短臨和臨震階段均出現(xiàn)轉(zhuǎn)折打結(jié)的異?，F(xiàn)象。形變過程與地形變4個(gè)階段相吻合。

3.1.2 用固體潮調(diào)和分析提取異常。由于地殼內(nèi)應(yīng)變積累到一定程度，相應(yīng)的力學(xué)狀態(tài)就會發(fā)生改變，介質(zhì)物性同時(shí)發(fā)生變化，固體潮潮汐參數(shù)就會跟著變化。而當(dāng)介質(zhì)的力學(xué)狀態(tài)以及觀測環(huán)境都保持不變的時(shí)候，固體潮汐應(yīng)是一個(gè)不變的量（范桂英，2001）。本文用連續(xù)48小時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析主要是分析潮汐因子隨時(shí)間的變化，求出東西、南北兩個(gè)分向M2波的潮汐因子和相位差（圖3），運(yùn)算結(jié)果顯示，延壽傾斜的固體潮調(diào)和分析質(zhì)量較好，可用。在林甸M5.1地震和內(nèi)蒙古牙克石M4.7地震前，EW、NS分向潮汐因子同時(shí)出現(xiàn)低值異常（李繼業(yè)，2007）。

3.1.3 傾斜擾動(dòng)分析。很多震前都發(fā)生過傾斜擾動(dòng)現(xiàn)象，且明顯程度各不相同。這些震兆信息被不同于地震儀固有頻率特性的傾斜儀記錄到。傾斜擾動(dòng)從巖石力學(xué)方面來考慮，就是一種微破裂和粘滑現(xiàn)象。圖4可見，震前1—3個(gè)月NS向在時(shí)間和幅值上均不同程度的出現(xiàn)了擾動(dòng)異常。

3.2 吉林四平M 4.3地震和黑龍江安達(dá)M 4.5地震

3.2.1 原始形態(tài)。延壽豎直擺傾斜于2008年6月13日出現(xiàn)東西反向、南北加速現(xiàn)象，持續(xù)到7月26日后，東西南北兩分向再次發(fā)生了轉(zhuǎn)折異常；8月29日異常速率逐漸減小，到12月24日雙向在形態(tài)和速率上陸續(xù)恢復(fù)到震前正常的背景值[圖2(a)，圖2(b)]。2009年3月20日發(fā)生吉林四平M4.3地震，臺站距震中310 km；5月10日在黑龍江省安達(dá)市發(fā)生M4.5地震，臺站距震中270 km。很明顯，這次異常揭示了巖石破裂前，各個(gè)階段不同分向記錄到的形變過程，體現(xiàn)了應(yīng)力積累釋放、再度積累釋放的特點(diǎn)。

3.2.2 用固體潮調(diào)和分析提取異常方法同上，對2008年到2009年6月底的原始整點(diǎn)值觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行固體潮調(diào)和分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)低值異常比較明顯。異常持續(xù)時(shí)間比較長，恢復(fù)后2個(gè)月陸續(xù)發(fā)震。由圖5可見，M2波潮汐因子的低值變化，反映了地震前地殼介質(zhì)對引潮力響應(yīng)的彈性狀態(tài)。

圖2 典型震例的觀測曲線（a）林甸、牙克石地震原始曲線；(b)林甸、牙克石地震矢量；（c）四平、安達(dá)地震原始曲線；(d)四平、安達(dá)地震矢量；（e）雞東地震原始曲線；(f)雞東地震石矢量Fig.2 The observation curve of typical seismic events

圖3 林甸地震和牙克石地震潮汐因子Fig.3 The tidal factor figure of Lindian earthquake and Yakeshi earthquake

圖4 2005年林甸地震前傾斜擾動(dòng)Fig.4 The tilt disturbance before Lindian earthquake in 2005

圖5 四平、安達(dá)地震潮汐因子Fig.5 The tidal factor figure of Siping earthquake and Anda earthquake

3.2.3 固體潮畸變中強(qiáng)震前，巖石破裂，地殼形變受震源區(qū)應(yīng)力增強(qiáng)的影響開始進(jìn)入失穩(wěn)階段，因此選取合適的計(jì)算長度，并選擇合適的處理方法，有利于提取潮汐參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，并可以突出短期異常變化信息（張晶，2003）。經(jīng)過對整點(diǎn)值以五日為一組的仔細(xì)核查，發(fā)現(xiàn)在地震前3個(gè)月以內(nèi)，有明顯的固體潮畸變現(xiàn)象出現(xiàn)，NS向的反應(yīng)程度優(yōu)于EW向。尤其臨震前1個(gè)月內(nèi)，固體潮畸變更加明顯（圖6）。

圖6 四平、安達(dá)地震傾斜固體潮畸變(a)2009年2月12日—20日；(b)2009年3月1日—7日；(c)2009年3月16日—20日；(d)2009年4月13日—20日Fig.6 The distortion of the tidal tilt of Siping earthquake and Anda earthquake

3.3 黑龍江雞東縣M 4.1地震

2009年8月18日，延壽豎直擺再次出現(xiàn)南北向反向、東西向加速異常，持續(xù)到11月11日，異常速率減緩，12月19日發(fā)生雞東縣M4.1地震，震中距220 km[圖2(a)]。兩分向在4個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)的加速及轉(zhuǎn)折現(xiàn)象清晰可見[圖2(b)]。

盡管雞東地震前傾斜出現(xiàn)明顯的加速轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，但在地震發(fā)生前后，均未發(fā)現(xiàn)固體潮畸變等異?，F(xiàn)象，潮汐因子計(jì)算結(jié)果正常。雞東位于延壽臺東部，位于南北河—勃利斷裂帶和依舒斷裂帶交匯處以西，而沿依舒斷裂帶有多次地震發(fā)生，是一條第四紀(jì)以來仍具有強(qiáng)裂活動(dòng)的斷裂?？梢?，不是每個(gè)地震前都會看到固體潮異常變化，可能與地震的大小、發(fā)震方向、位置、類型、所處地震構(gòu)造環(huán)境密切相關(guān)。

3.4 吉林乾安與前郭縣交界5級地震群

2013年初延壽豎直擺調(diào)零裝置出現(xiàn)問題，設(shè)備維修后再次進(jìn)入試運(yùn)行階段。雖然年變中斷，但是每日潮汐記錄仍然樂觀。2013年10月初，我們發(fā)現(xiàn)固體潮出現(xiàn)了明顯的擾動(dòng)和畸變，尤其是10月20日至月底，擾動(dòng)越來越明顯（圖7），10月31日在吉林乾安縣與前郭縣交界處發(fā)生M5.5和M5.0地震，震中距330 km。地震之后，擾動(dòng)并未停止，11月上旬?dāng)_動(dòng)間斷性出現(xiàn)，到11月10日前后傾斜擾動(dòng)加劇，20日前后頻率逐步減弱，11月22日和23日分別發(fā)生乾安縣M5.3和M5.8地震后，傾斜觀測數(shù)據(jù)逐步恢復(fù)正常。

任意選取10月31日乾安地震前后5日固體潮數(shù)據(jù)，將無震階段、震前一個(gè)月、震前一周、震后恢復(fù)的固體潮進(jìn)行對比觀察，發(fā)現(xiàn)：延壽地震臺在無震正常狀態(tài)下固體潮形態(tài)規(guī)則飽滿，且大小潮期間清晰可辨；發(fā)震前一個(gè)月和發(fā)震前一周的固體潮曲線，畸變明顯，越靠近發(fā)震時(shí)間越清晰可見（圖8），而發(fā)震之后，固體潮形態(tài)逐漸恢復(fù)正常。

圖7 乾安地震前傾斜擾動(dòng)異常(a)2013年10月14日—15日；(b)2013年10月20日—31日；(c)2013年11月1日—10日；(d)2013年11月11日—23日Fig.7 The abnormal of the tilt disturbance before Qian′an earthquake

圖8 乾安地震前固體潮正常值與異常值對比(a)無異常前(2012年1月8日—12日)；(b)發(fā)震前一個(gè)月(2013年10月4日—8日)；(c)發(fā)震前一周（2013年10月22日—26日）；(d)發(fā)震后(2014年6月1日—5日)Fig.8 Comparison of the tidal normal and abnormal value before Qian′an earthquake

4 討論

（1）本文基于地震孕育發(fā)生的兩大條件以及地形變4個(gè)階段的理論，運(yùn)用延壽臺傾斜數(shù)據(jù)，驗(yàn)證地震前地殼巖石彈性變化，表明延壽臺傾斜數(shù)據(jù)能夠有效記錄到連續(xù)緩變的、來自地球內(nèi)部的地形變信息。

（2）運(yùn)用整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行固體潮調(diào)和分析，分析M2波潮汐因子及其相位滯后因子在地震前后的變化過程，發(fā)現(xiàn)低值異常明顯，方法可行。綜合來講，傾斜固體潮兩日調(diào)和分析是研究固體潮汐異常與中強(qiáng)地震關(guān)系的一種有效方法。

（3）地震前兆孕育過程是復(fù)雜的非彈性過程，尤其是震前微破裂的發(fā)育，使地殼巖石應(yīng)力發(fā)生調(diào)整，形成地面傾斜，引發(fā)傾斜數(shù)據(jù)異常變化（劉鴻斌，2013）。而從短期預(yù)測角度來看，不是每一次傾斜突變后都伴隨地震。由于潮汐觀測受區(qū)域構(gòu)造背景的差異性、地震孕育過程復(fù)雜性以及巖石介質(zhì)各向異性等的影響，統(tǒng)計(jì)傾斜前兆異常與震級的對應(yīng)關(guān)系需要積累大量震例資料和經(jīng)驗(yàn)（牛安福，2003）。

（4）科學(xué)研究需要互相可比的觀測數(shù)據(jù)。加大現(xiàn)有地震臺網(wǎng)密度，優(yōu)化地震臺網(wǎng)布局是目前急需解決的問題。同一地點(diǎn)的不同類型、不同工作周期或不同阻尼常數(shù)的地傾斜觀測儀器，頻率響應(yīng)稍有不同，獲得的地震前兆信息也會有所不同。由此建議：同一臺站增設(shè)不同型號傾斜儀配套觀測，或者同一臺站在不同井口增設(shè)相同設(shè)備并行觀測，滿足觀測可比性和一致性要求。

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