四川九寨溝7.0級、新疆精河6.6級地震山西定點形變異常分析

馮建琴，楊 靜，張聰聰，李 軍，李 艷，沈曉松

(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.山西省地震局太原基準地震臺，山西 太原 030025；4.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

我國是全球地震多發(fā)的國家之一，據(jù)統(tǒng)計，2008年至2017年發(fā)生過幾次Ms≥7.0以上地震。其中，新疆于田在2008年3月21日、2014年2月12日分別發(fā)生兩次7.3級地震;2008年5月12日四川汶川8.0級、2013年4月20四川廬山7.0級地震、2017年8月8日四川九寨溝7.0級地震。一個地震前兆場能夠影響多大范圍，很多學(xué)者研究認為，7級以上強震突變點距震中的距離可達到1 000 km[1]。九寨溝7.0級地震前，山西地區(qū)的侯馬水管、神池、沁源分量鉆孔應(yīng)變儀，均記錄到明顯的前兆異常。在異常出現(xiàn)期間，觀測儀器、觀測環(huán)境正常，無人為干擾，初步判定為地震前兆異常。其他形變臺站的同類儀器在九寨溝地震前未記錄到明顯的前兆異常，認為與各臺站(點)所處的位置、地質(zhì)環(huán)境不同有關(guān)。隨著數(shù)字化定點形變資料的不斷積累和深入研究，發(fā)現(xiàn)山西定點形變觀測儀器多次記錄到中強地震的前兆異?，F(xiàn)象，包括趨勢性異常、中短期異常和短臨異常[2-6]。

1 形變異常及特征

山西地區(qū)定點形變資料的突變主要出現(xiàn)在中強地震前的短臨階段，表現(xiàn)為震前幾天到幾十天速率快速增大和方向突變，可能多次出現(xiàn)又消失，隨著地震的臨近，異常顯示為幅度更大的、持續(xù)時間更短的突變[7]。長期觀測發(fā)現(xiàn)，山西洞體形變對于國內(nèi)強遠地震的短臨異常，通常在遠離震中區(qū)域有較好的映震性能[8]。

文章對九寨溝7.0級地震前山西地區(qū)的定點形變資料做分析研究，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常的臺站有3個，共計7個測項：侯馬臺水管儀NS、EW分量，鉆孔分量應(yīng)變儀的沁源臺EW、NE、NW分量和神池臺NE、NW分量。3個臺站的觀測數(shù)據(jù)，在震前均出現(xiàn)較明顯的異常變化，均位于震中的東北方向。(見圖1)。

圖1 斷裂、形變臺站和地震分布圖Fig.1 Distribution map of faults, deformation stations and earthquakes

1.1 侯馬臺水管儀資料分析

侯馬臺屬臨汾中心地震臺的一個子臺，有水管傾斜儀、洞體應(yīng)變儀2套形變觀測儀器，地處臨汾盆地南緣與峨眉臺地的交界地帶。峨眉臺地北緣斷裂帶的紫金山山前斷裂下盤，臺站觀測環(huán)境較好，周邊無明顯的環(huán)境干擾。侯馬水管儀NS分量正常年變曲線在每年的1月下旬或2月初北傾至5月，5至11月達到最高值，在高值位置波動，11月下旬至次年的1月底南傾；EW向在每年的2至5月東傾，6至12月在高值位置緩慢波動，12月至次年2月西傾。(見圖2)。

圖2 侯馬臺水管儀日均值曲線圖Fig.2 Graph of daily mean value of water pipe tiltmeter in Houma station

侯馬臺水管儀NS向觀測曲線于2017年2月27日至3月21日出現(xiàn)破年變轉(zhuǎn)折南傾，震前8月5日19時至6日17時16分觀測曲線加速南傾,最大變化幅度達31.1 ms；EW向2017年7月19日至30日轉(zhuǎn)折加速西傾，最大變化幅度29.2 ms，EW分量在震前20 d出現(xiàn)轉(zhuǎn)折、加速異常(見圖3)。該水管儀NS、EW分量變化出現(xiàn)時，臺站周邊無干擾，儀器工作正常。兩分量觀測數(shù)據(jù)恢復(fù)至原變化趨勢時，8月8日發(fā)生了四川九寨溝7.0級地震、8月9日新疆精河6.6級地震。此次異常變化與2014年2月12日新疆于田7.3地震前的異常相似，異常信度較高。

1.2 沁源臺資料分析

沁源臺地處山西中南部，是隸屬山西長治的一個子臺，有YRY-4分量鉆孔應(yīng)變儀。臺站位于長治市沁源縣交口鎮(zhèn)仁義村，臺站周邊有人居住，建有養(yǎng)殖場，抽水時有明顯的階跳干擾，除此之外，周邊環(huán)境無其他的干擾因素，觀測資料穩(wěn)定可靠。EW、NE、NW分量整點值曲線在2017年7月27-30日出現(xiàn)同步轉(zhuǎn)折前兆異常，于7月31日開始回返，恢復(fù)至正常變化趨勢時發(fā)震(見圖4、第31頁圖5和圖6)；同時段各分量日均值差值、日均值差分曲線在7月27日至8月2日均出現(xiàn)超過2倍中誤差的異常變化。此次異常是該觀測資料自2015年以來的首次異常，當時臺站周邊無干擾，儀器工作正常。

圖3 侯馬臺水管儀2017年7至8月分鐘值曲線Fig.3 Minute value curve of water pipe tiltmeter in Houma station from July to August 2017

圖4 沁源臺鉆孔分量儀2017年7至8月整點值曲線Fig.4 Integer point curve of drilling component instrument in Qinyuan station from July to August 2017

1.3 神池臺資料分析

神池臺安裝有YRY-4分量鉆孔應(yīng)變儀、井水位、氣壓輔助觀測及防雷隔離電源和信號光纖防雷設(shè)備。觀測項目于2012年9月3日安裝，16日開始試運行，2015年7月由省地震局管理移交到大同中心地震臺，投入正式運行。神池臺位于山西北部忻州市神池縣大嚴備鄉(xiāng)大羊泉村西600 m，臺基巖為石灰?guī)r，臺站觀測環(huán)境良好，無交通和抽水等人為干擾，觀測儀器運行正常。該臺為無人值守臺，運用太陽能供電，采用無線通訊數(shù)據(jù)傳輸方式，自2015年7月正式運行以來，積累了近2 a的資料。2017年8月8日四川九寨溝7.0級地震前，該臺EW、NE分量7月26日至8月2日出現(xiàn)同步轉(zhuǎn)折，通過7-8月日均值差分分析發(fā)現(xiàn)，神池臺差分異常能量、差分異常頻次累加序列均在震前7～22 d出現(xiàn)超過2倍中誤差現(xiàn)象(見圖7、圖8)。在時間上與沁源臺分量應(yīng)變儀數(shù)據(jù)變化有準同步性。該臺資料連續(xù)完整，儀器運行穩(wěn)定，周邊無明顯干擾源。此次異常變化與九寨溝7.0級地震發(fā)生較為吻合，判斷為九寨溝地震的短臨異常。

圖5 沁源臺鉆孔分量儀2017年7至8月日均差值曲線Fig.5 Daily average difference curve of drilling component instrument in Qinyuan station from July to August 2017

圖6 沁源臺鉆孔分量儀2017年7至8月日均值差分曲線Fig.6 Daily mean difference curve of drilling component instrument in Qinyuan station from July to August 2017

2 前兆異常特征分析

近年來，侯馬水管儀、沁源臺和神池臺分量應(yīng)變儀觀測具有穩(wěn)定的年變動態(tài)。水管儀傾斜資料最為顯著的異常變化是在震前3 d短時間內(nèi)加速轉(zhuǎn)向。此次異常變化與2014年2月12日新疆于田7.3級地震前的異常相似，只是異常的分量不同。侯馬水管儀異常信度較高，體現(xiàn)在YRY鉆孔分量應(yīng)變儀顯著異常變化在震前7 d張壓交替轉(zhuǎn)折，2017年九寨溝7.0級地震前，以上3項資料均有較可靠的地震前兆異常，均存在時間同步和形態(tài)類似的特征(見第32頁表1)，異常信度較高。

圖7 神池臺鉆孔分量儀2017年6至8月分鐘值曲線圖Fig.7 Minute value curve of drilling component instrument in Shenchi station from June to August 2017

圖8 神池臺鉆孔分量儀2017年7至8月日均值差分曲線Fig.8 Daily mean difference curve of drilling component instrument in Shenchi station from July to August 2017

3 結(jié)論

(1) 通過對山西地區(qū)定點形變資料的分析發(fā)現(xiàn)，九寨溝7.0級地震前山西地區(qū)有3個形變臺站(侯馬、神池、沁源)共7個測項出現(xiàn)了顯著的地震前兆異常。其中侯馬臺距離震中最近約746 km，神池臺距離震中最遠約993 km，表明此次九寨溝地震遠場效應(yīng)較為明顯。

(2) 三臺站形變儀器各測項短臨異常的時間同步，形態(tài)相似，均為趨勢性轉(zhuǎn)折。侯馬水管儀異常開始時間為震前6個月，NS分量于2017年2月至3月出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)折異常，震前3 d出現(xiàn)明顯的短臨異常，持續(xù)時間僅1 d左右；沁源臺和神池臺YRY鉆孔分量應(yīng)變儀出現(xiàn)的為短臨趨勢轉(zhuǎn)折異常，日均值差分曲線、差分能量異常，兩臺項異常時間較一致。

表1 九寨溝7.0級地震前山西地區(qū)定點形變異常匯總Table 1 Summary of fixed-point deformation anomalies in Shanxi before Jiuzhaigou M 7.0 earthquake

(3) 地震前兆異常一般出現(xiàn)在指向震中的分量，侯馬水管儀NS分量異常較為突出，與震中方位一致。