雙陽水管地傾斜觀測在松原地震前后的異常變化

唐春呈，鄭傳芳

（吉林省地震局，吉林 長春 130117）

0 引言

地震的孕育和發(fā)生是震源區(qū)和附近地殼應(yīng)變積累和快速釋放的過程［1］。大量震例研究表明，地震在孕育、發(fā)生及震后，地殼往往伴隨著大幅度形變［2］。地形變觀測是觀測地殼表面巖體形態(tài)變化［3］，能夠間接反映區(qū)域內(nèi)部的變形情況。松原地區(qū)地震活動(dòng)于2003年初開始不斷增強(qiáng)，2003年上半年就出現(xiàn)了70余次的小震群活動(dòng)［4-5］，2006年和2013年又發(fā)生了乾安—前郭M5.0和前郭M5.8震群活動(dòng)，反應(yīng)出該研究區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)已經(jīng)進(jìn)入活躍狀態(tài)。本文對雙陽水管地傾斜觀測在吉林前郭地震前的前兆異常變化情況進(jìn)行研究。

雙陽地震臺(tái)水管傾斜儀自觀測以來，由于處于重要構(gòu)造部位，觀測資料質(zhì)量高，對周邊中小地震具有一定的前兆異常反應(yīng)。2001至2014年，吉林省共發(fā)生了兩次M5.0以上地震活動(dòng)事件，兩次地震事件都發(fā)生在松原地區(qū)，距雙陽臺(tái)只有210 km，且雙陽臺(tái)水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)在這兩次震前均出現(xiàn)了明顯的異常變化。尤其是2013年前郭5.8級(jí)震群前出現(xiàn)的傾斜異常，經(jīng)過中國地震局學(xué)科組和吉林省地震局分析預(yù)報(bào)中心現(xiàn)場核實(shí)后，確認(rèn)為地震前兆異常。本文利用直觀的原始資料日均值和具有表征明確物理意義的地傾斜潮汐因子方法分析研究和總結(jié)，得出更加清晰的地震前后的異常認(rèn)識(shí)。

1 區(qū)域構(gòu)造背景和觀測概況

吉林雙陽臺(tái)站位于長春市雙陽區(qū)北山西側(cè)，西靠北東向伊通—舒蘭斷裂帶，在其它三個(gè)方向上也有次一級(jí)的北西向構(gòu)造，臺(tái)站恰好處于北東和北西向兩組構(gòu)造的交匯處，區(qū)域構(gòu)造比較復(fù)雜。傾斜觀測山洞進(jìn)深240 m，洞體無人工被覆，洞頂最厚覆蓋38米，表面具有完整植被，常年溫度在7.8℃，洞內(nèi)溫度年變幅小于0.5℃，濕度保持在92%左右。

臺(tái)站形變觀測室距山洞洞口44 m，水管傾斜儀安裝在人防山洞內(nèi)，臺(tái)基巖性為海西期花崗巖。東西基線長23.42 m，方位角為288.9°，南北基線長度為33.18 m，方位角為200.5°，跨北西向斷層。水管傾斜儀自安放以來，日觀測記錄固體潮清晰，具有較好的年變周期變化，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量處于全國前列水平。

2 震例及資料的選取

研究表明，地震發(fā)生前一般在距震中250km范圍內(nèi)的地傾斜觀測可以接收到一定的前兆信息［6］（圖1）。按照這一準(zhǔn)則，本次筆者挑選2001年至2014年間發(fā)生在吉林地區(qū)的兩次M≥5.0地震為研究對象，對震中在250 km以內(nèi)的雙陽水管傾斜進(jìn)行研究（表1）。

圖1 松原地震震中分布和臺(tái)站分布圖Fig.1 Epicenter and station distribution of Songyuan earthquakes

表1 雙陽臺(tái)周邊2次地震（震群）震例

本次研究采用雙陽臺(tái)DSP型水管傾斜儀自數(shù)字化觀測以來的2001年至2017年的觀測資料。原始曲線采用日均值，地傾斜固體潮潮汐因子采用Mapsis中的Venedikov調(diào)和分析處理軟件提取M2波的振幅因子，在數(shù)據(jù)收集整理的過程中，對受到儀器故障、人為干擾、地震等影響以及出現(xiàn)短缺和中斷的數(shù)據(jù)，嚴(yán)格按照規(guī)范用“999999”替換和拼接，同時(shí)誤差不超過0.01，從而保證所用數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性［7］。

3 日均值觀測曲線異常特征

本次筆者收集了2001年至2017年的吉林雙陽水管南北測項(xiàng)和東西測項(xiàng)的日均值數(shù)據(jù)。從觀測曲線可以看出（圖2），南北測項(xiàng)日均值曲線正常變化動(dòng)態(tài)呈趨勢北傾變化，但在吉林乾安M5.0和前郭M5.8地震發(fā)生1～2年前，原本的趨勢北傾變化被打破，觀測曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折南傾變化。如2001年至2004年北南測項(xiàng)觀測曲線呈上升北傾變化，在2006年吉林乾安5.0級(jí)地震發(fā)生前一年，即2005年5月南北測項(xiàng)開始出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折南傾變化，同時(shí)年變幅度也明顯小于往年（2005年年變幅為43 ms，往年變幅均值為78.6 ms），持續(xù)南傾變化過程中在2006年3月發(fā)生乾安M5.0地震，南傾變化于震后2年（2008年） 基本恢復(fù)；2008年年初至2011年，曲線呈正常的北傾趨勢變化，但在2012年1月再次開始出現(xiàn)年變幅減小變化（2012年變幅為41 ms，之前四年年變幅均值為79 ms），2013年10月發(fā)生了前郭M5.8地震，震后2年（2015年12月）開始恢復(fù)上升。雖然北南測項(xiàng)在兩次地震前均出現(xiàn)比較明顯的異常變化，但東西測項(xiàng)日均值曲線卻在這2次地震前后沒有出現(xiàn)明顯的異常變化。研究表明，中強(qiáng)地震發(fā)生前存在大范圍的斷層活動(dòng)平均速率增加的情況［8］，同時(shí)在相同應(yīng)力情況下，斷層活動(dòng)平均速率明顯大于周邊完整塊體［9］，結(jié)合吉林地區(qū)地傾斜觀測點(diǎn)地震特征，此兩次震前雙陽水管傾斜出現(xiàn)的以南北測項(xiàng)為主，東西測項(xiàng)為輔的異常是合理的。

圖2 雙陽水管日均值變化曲線Fig.2 Changing curves of Shuangyang water tube daily average value

4 調(diào)和分析

大量研究結(jié)果表明，潮汐觀測會(huì)伴隨著地殼介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)的改變而改變，表現(xiàn)為潮汐參數(shù)偏離背景值以及非穩(wěn)定擾動(dòng)［10］。筆者應(yīng)用Mapsis中的Venedikov調(diào)和分析處理軟件對雙陽水管數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，每月計(jì)算1個(gè)M2波的振幅因子，得出2001年至2014年雙陽水管兩測項(xiàng)的潮汐因子曲線（圖3）。由于該儀器觀測資料質(zhì)量很高，M2波的振幅因子中誤差均小于0.01，所以振幅因子曲線信度很高。以曲線在二倍均方差內(nèi)為正常值，SN正常值范圍在0.5648～0.5816之間，EW正常值范圍在0.6190～0.6384之間。SN在地震前后的2005年、2007年、2012年、2013年和2014年均出現(xiàn)超過二倍均方差的情況，EW方向除2011年和2012年出現(xiàn)儀器缽體破裂引起的斷記造成固體潮振幅因子不穩(wěn)定外，其它時(shí)段沒有這種明顯變化。

圖3 2001年至2014年雙陽水管兩項(xiàng)的潮汐因子曲線Fig.3 The tide factor curve of Shuangyang water tube tilt鄄meter from 2001 to 2014

從（圖3） 可以看出，如果以超過2倍均方差為異常衡量標(biāo)準(zhǔn)，在松原地區(qū)的這2次地震事件中的異常特征具有如下特點(diǎn)：（1）NS方向地傾斜固體潮振幅因子曲線在兩次地震前后異常變化明顯，EW方向則沒有明顯的異常變化；（2）異常形態(tài)上以振幅因子在震前震后波動(dòng)不穩(wěn)定多點(diǎn)超過2倍均方差為主；（3） NS向水管跨越斷層，異常明顯突出。研究表明，固體潮振幅因子變化受斷層彈性參數(shù)、臺(tái)站相對斷層的距離和方位影響［11］，因此固體潮振幅因子異常除與震源區(qū)地下介質(zhì)變化有關(guān)外，還與出現(xiàn)異常的觀測儀器所跨越的巖體完整性有關(guān)。本次研究為了更好的分析地震發(fā)生震前60天雙陽水管固體潮汐因子的變化情況，筆者選取窗口為30天，步長為10天的滑動(dòng)平均法，計(jì)算2013年固體潮振幅因子（表2、3） 繪制兩項(xiàng)2013年潮汐因子曲線（圖4），以便突出2013年前郭5.8級(jí)震群的異常。從圖4可以看出，南北測項(xiàng)進(jìn)入2013年以來潮汐因子曲線呈持續(xù)下降變化，9月1日至10月1日曲線轉(zhuǎn)折上升的情況，最大值為0.5701，之后到11月1日開始勻速下降，在下降的過程中發(fā)生前郭M5.8震群活動(dòng)。之后在11月到12月末潮汐因子也出現(xiàn)了一定程度的上升情況，最高值為0.5742。東西測項(xiàng)曲線比較平穩(wěn)，但是在9月份也出現(xiàn)了高值，雖然不如南北方向上升幅度明顯，也是在全年度的最高值。與東西測項(xiàng)相比較，跨斷層的南北測項(xiàng)異常更突出。

圖4 雙陽水管兩項(xiàng)2013年潮汐因子曲線圖Fig.4 The tide factor of Shuangyang water tube tilt鄄meter curve on 2013

以上分析進(jìn)一步說明了固體潮振幅因子異常除與震源區(qū)地下介質(zhì)變化有關(guān)外，還與出現(xiàn)異常的觀測儀器所跨越的巖體完整性有關(guān)。

表2 前郭5.8級(jí)震群前后雙陽水管南北向調(diào)和分析結(jié)果（2013年9—11月）

表3 前郭5.8級(jí)震群前后雙陽水管東西向調(diào)和分析結(jié)果（2013年9—11月）

5 結(jié)論

2006年乾安—前郭M5.0級(jí)地震和2013年前郭M5.8級(jí)震群是吉林省前兆臺(tái)網(wǎng)建設(shè)以來，在省內(nèi)發(fā)生的最顯著的2次地震事件。雙陽臺(tái)水管儀是全國觀測質(zhì)量很高的地傾斜儀，同時(shí)也是這2次地震事件震中距最近的形變臺(tái)。因此，本文的分析研究結(jié)果將為松原震區(qū)未來的震情趨勢研判提供參考依據(jù)。通過前文對雙陽水管傾斜的異常分析，可以得出如下結(jié)論：

（1） 原始觀測曲線能夠更直觀真實(shí)反映觀測信息，固體潮振幅因子反映地下介質(zhì)變化，物理意義明確，因此，采用方法是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

（2） 通過這兩種方法的分析表明，地震前后異常是明顯的，這兩種方法分析顯示的異常時(shí)間基本相同，震前1～2年出現(xiàn)異常，震后1～2年恢復(fù)。原始曲線異常主要呈現(xiàn)趨勢性下降（或年變幅度減?。貎A斜固體潮振幅因子曲線異常呈現(xiàn)波動(dòng)幅度加大，多點(diǎn)超過2倍均方差。

（3） 雙陽水管的南北和東西2個(gè)方向?qū)Ρ缺砻鳎嚎缭綌鄬拥哪媳狈较虍惓Ｃ黠@，東西方向幾乎沒有顯示，跨越不完整巖體的水管儀器更能反映地下應(yīng)力的變化。