朝陽桃花吐短水準異常資料分析

王松陽，翟麗娜，李彤霞，柯秋實，孔祥瑞

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

一直以來，斷層的快速錯動或巖體突然破裂會形成地震，而這被認為是一種自然現(xiàn)象。地震的發(fā)生常常最直接的伴生出斷層形變，這也是地殼應力場一種更為直觀、顯著的表現(xiàn)方式，而我們進行跨斷層短水準觀測、測量及計算分析，則是對斷層形變進行監(jiān)測的最有效的方法[1]。

地殼形變觀測中水準觀測采用大地測量的觀測技術要求，同時又對其觀測資料進行質(zhì)量評價，使其觀測資料更為連續(xù)可靠。但由于跨斷層形變測量標石多埋在地殼淺層區(qū)域，觀測資料的干擾因素較多，因此當觀測資料出現(xiàn)不同于以往形態(tài)時，首先排除干擾，提高觀測資料的可信度，是當前改善觀測質(zhì)量提高監(jiān)測預報能力的重要問題[2]。朝陽桃花吐短水準觀測自2015 年出現(xiàn)上升轉(zhuǎn)下降趨勢變化，而后2017年至2018 年持續(xù)兩年出現(xiàn)閉鎖現(xiàn)象，2018 年12 月開始，出現(xiàn)快速上升變化。自2018 年12月開始，1-3 測段持續(xù)出現(xiàn)加速上升變化，與鉆孔水位持續(xù)下降同步，截止到2019 年7 月4日，短水準上升幅度變化1.244mm（圖1），在該測項的持續(xù)趨勢性變化中出現(xiàn)上升變化，因此在我們進行地震分析預報工作時就要提取更為可靠和有效的前兆信息來做分析研究①遼寧省地震局監(jiān)測處.地震觀測資料評比辦法及管理細則匯編.沈陽：遼寧省地震局，2012.。本次朝陽地震臺SQ-70 型石英水平擺出現(xiàn)的短期異常，按照《形變學科觀測資料異常變化現(xiàn)場核實工作報告編寫要求（試行）》②中國地震局監(jiān)測預報司.形變學科觀測資料異常變化現(xiàn)場核實工作報告編寫要求（施行）.北京：中國地震局，2013.準則和中國地震局監(jiān)測預報司《地震前兆異常落實工作指南》的要求進行異常詳細排查與分析[3]。

圖1 桃花吐水準1-3 段水準和鉆孔水位對比曲線圖Fig.1 Comparison of the 1-3 segment leveling and hole water level

1 短水準場地背景資料

朝陽桃花吐短水準場地位于朝陽市北票縣桃花吐鄉(xiāng)小白腰村[4]，測線跨朝陽—北票斷裂（圖2），朝陽—北票斷裂是遼西地區(qū)一條主干斷裂，斷裂的總體走向為NE30°-35°，傾向NW。臺站附近斷層的走向為NE40°-50°，傾向NW，傾角67°，為逆沖斷層。地層出露為震旦系、侏羅系地層。震旦系地層為白云質(zhì)灰?guī)r，侏羅系地層為灰紫色、黃褐色礫巖及凝灰質(zhì)沙頁巖、砂巖和粉沙巖。

圖2 桃花吐短水準測站地理位置圖Fig.2 Geographic location of Taohuatu short leveling survey station

桃花吐短水準2009 年12 月7 日前觀測儀器為光學水準儀Ni002，2009 年12 月后更換為DiNi03 數(shù)字化水準儀，2013 年7 月1 日因觀測場地受風擾較大而再次更換為光學水準儀Ni002。桃花吐水準觀測場地有記錄以來發(fā)生的最大地震是1997 年6 月5 日北票小塔子MS4.7級地震。自1970 年至2002 年6 月，距朝陽臺150km 范圍內(nèi)發(fā)生ML3.0 以上地震136 次，年均4 次；ML4.0 以上地震8 次。大部分ML4.9 級以上地震前朝陽臺前兆手段都有一些異常顯示。測線呈“L”型布設，測線有4 個測點，1 號點為普通基巖標志，深1.8m，有巖石出露，為鋼管基巖標；2 號點土層水準標志，深2.2m；3號點套管基巖標志，深12m；4 號點套管基巖標志，深11m。共分3 段，為別為1－2 測段近東西向長0.47km，設8 站，日觀測；2－3 測段近東西向長0.4km，設8 站，日觀測；3－4 測段近東西向長0.2km，設4 站，日觀測，在1、2號點間有輔助水位觀測。其中1-3 段橫跨斷層，遠處有斷層出露地表的痕跡，破碎帶最寬達80米。輔助觀測手段分別有：水位井深37.5m，專用觀測井，每日12 時觀測；直管地溫溫度表深0.8m，每日9 時觀測；降水量采用氣象用統(tǒng)一量雨筒逢雨雪日觀測。

桃花吐水準觀測場地附近為第四紀覆蓋。該場地比北票場地的斷層傾角相對陡立（表1）。自1988 年改為日觀測以來至2009 年，觀測精度較高，2010 年更換數(shù)字化水準儀后精度降低（數(shù)字化水準儀精度較光學水準儀精度低，重量輕，受風擾影響明顯），但仍滿足《規(guī)范》要求。3 號、4 號基巖點周邊土石開挖和煤渣堆積嚴重，對觀測尤其是4 號點穩(wěn)定性影響較大，與4 號點相關測段所反映的斷層活動信度降低（圖3 和表1、2）。

圖3 桃花吐水準觀測場地Fig.3 Taohuatu leveling observation site plan

表1 桃花吐短水準場地附近主要干擾源

表2 桃花吐短水準觀測場地更換儀器情況

2 異常分析

分析朝陽臺桃花吐水準觀測有較為穩(wěn)定的年變背景，2000 年下半年開始年變幅減小，且出現(xiàn)整體抬升性變化，表現(xiàn)為東盤相對西盤下降，這種變化形態(tài)一直持續(xù)至今。其間有幾次加速上升—恢復的短期變化，與內(nèi)蒙幾次地震在時間上有所對應，目前持續(xù)高值，但受更換儀器和周邊環(huán)境干擾的影響，觀測精度降低，信度降低。2017 年8 月16 日原觀測人員生病住院，數(shù)據(jù)有一個星期的斷測，而后更換觀測人員，于2018 年8 月23 日開始由新觀測人員進行觀測，數(shù)據(jù)的斷記及更換觀測人員對短期數(shù)據(jù)有一定影響，但數(shù)據(jù)趨勢性變化并未改變。自2018 年12 月開始，1-3 測段陸續(xù)出現(xiàn)加速上升變化，與鉆孔水位持續(xù)下降同步，截止到2019 年7 月4 日，短水準上升幅度變化1.244mm，下面對周邊外界環(huán)境、儀器自身運行等情況進行分析研究。

2.1 桃花吐短水準1-3 測段異常描述

朝陽桃花吐短水準觀測在2003 年巴林左旗和東烏珠地震前出現(xiàn)了2 年多的趨勢性破年變壓性變化且在震前出現(xiàn)快速上升，并在震前出現(xiàn)場地輔助水位快速下降短期異常。自2013 年10 月后1-3 測段跨斷層出現(xiàn)高值波動、破年變狀態(tài)，最大變化幅度可達1.83mm，該高值持續(xù)到2016 年6 月。2016 年朝陽M4.6 級地震后，其處于低值狀態(tài)，2017 年4 月開始出現(xiàn)持續(xù)加速上升狀態(tài)，而后7 月中旬加速下降，出現(xiàn)年變狀態(tài)。2018 年年變幅度較以往減少，而后出現(xiàn)1-3 測段加速上升與鉆孔水位持續(xù)下降同步，到2019 年7 月，短水準上升幅度變化1.244mm，鉆孔水位持續(xù)下降幅度0.968m（圖4）。

圖4 水準1-3 段1995 年以來曲線圖Fig.4 1-3 segment leveling diagram since 1995

2.2 氣象因素分析

與水位輔助觀測結果對比，水準年變化周期與水位年變以及一些短期的變化形態(tài)呈負相關，如巴林左旗5.9 級地震前，水準觀測加速上升，表現(xiàn)為斷層東盤（下盤）相對下降，水位觀測呈同步加速下降，即斷層下盤下降時周邊區(qū)域呈張性變化，臨震前轉(zhuǎn)折。1995 年以來水位呈趨勢性下降，2005 年以后速率減緩，觀測井為10 多米的淺水井，主要反映基巖上面地表水的變化，不會對基巖測點的升降產(chǎn)生影響，從觀測結果也可看出水位趨勢變化與水準觀測結果沒有明顯的相關性。目前水位無巴林左旗前水位突降情況（圖4）。

因桃花吐觀測場地為觀測站，沒有輔助降雨資料，對其附近地區(qū)（朝陽市，距離20 公里）歷史降雨資料對比觀測曲線看，桃花吐短水準1-3 測段受降雨影響較小，且該地區(qū)屬干旱地區(qū)，每年降雨較少，1、3 號點均為基巖標石受降雨影響較小（圖5）。

圖5 朝陽地區(qū)降雨信息Fig.5 Rainfull information in Chaoyang

2.3 數(shù)字濾波處理和周期分析

針對石英擺數(shù)據(jù)變化，我們采用數(shù)字濾波進行處理和分析，首次采用三點線性平滑濾波方法對SQ-70 石英擺傾斜觀測的NS 和EW 分量進行處理和分析，從而提取出數(shù)據(jù)的長趨勢周期和年變周期變化（圖6）。

采用三點線性平滑濾波的數(shù)學模型如下：

通過公式（1）可以得到由平滑濾波計算方法提取到的趨勢項及周期項，進而分析異常趨勢特征、年變周期變化特征。通過分析可以看出，桃花吐短水準1-3 測項年變周期穩(wěn)定，圖像清晰顯示：自2015 年底開始，年變幅度增大，該現(xiàn)象持續(xù)至今，持續(xù)高值波動[5-6]（圖6）。

圖6 桃花吐短水準1-3 測線去年變及周期信息分析Fig.6 Taohuatu 1-3 segment short leveling eliminating yearly period and period analysis

2.4 觀測儀器對比分析

距離桃花吐短水準觀測場地最近的朝陽臺，有洞體應變、水管和石英擺傾斜、垂直擺傾斜形變觀測手段，SQ-70 型石英水平擺傾斜為“九五”觀測石英儀器，自1995 年開始觀測，NS 和EW 兩個分量2017 年出現(xiàn)NE 趨勢性變化，整體與桃花吐短水準的趨勢性變化相一致（圖7）。垂直擺傾斜2012 年開始投入到觀測運行，2016 年儀器更換擺墩，數(shù)據(jù)有一定調(diào)整后現(xiàn)已恢復穩(wěn)定工作狀態(tài)，與桃花吐水準同步變化不明顯（圖8）。

圖7 朝陽石英擺傾斜觀測曲線Fig.7 Curve of horizontal pendulum tiltmeter

圖8 朝陽地震臺垂直擺斜觀測曲線Fig.8 Curve of vertical pendulum tiltmeter

朝陽地震臺SQ-70 水平擺傾斜觀測2015年以后NS 分量轉(zhuǎn)為S 傾，EW 分量轉(zhuǎn)為W 傾趨勢的變化；2017 年初NS 分量出現(xiàn)N 傾趨勢性轉(zhuǎn)向和EW 分量E 傾的趨勢性轉(zhuǎn)向，到2018年年中兩方向趨勢性轉(zhuǎn)向完成；但自2018 年11 月開始NS 分量出現(xiàn)N 傾，該N 傾變化較往年年變變化發(fā)生的相對較早，而后12 月底該分量又恢復S 傾且該分量2019 年1 月15 日到2月15 日之間波動較大，自2019 年4 月15 日左右開始，出現(xiàn)大幅快速N 傾，持續(xù)到6 月19日左右，而后發(fā)生N 傾速度減緩，但總體來說從4 月到現(xiàn)在N 傾變化速率為歷年來最快一次。而EW 分量自2019 年1 月底開始出現(xiàn)E傾變化，該變化較往年早1-2 個月時間，而后曲線總體波動較大，與往年同時期形態(tài)有所差異，整體與桃花吐短水準的趨勢性變化相一致，進一步反映該地區(qū)地下介質(zhì)背景變化。

洞體應變和水管傾斜觀測儀為“十五”儀器，自2007 年開始運行（圖9、10）。從觀測曲線形態(tài)分析可知，2013 年以來洞體應變NS向出現(xiàn)持續(xù)張性變化且2017 年底年變張性速率較大，EW 向自2014 年底出現(xiàn)壓性轉(zhuǎn)向張性的趨勢變化，與SQ-70 石英擺傾斜存在準同步變化。洞體應變EW 分量和水管傾斜NS 和EW分別自2015 年開始出現(xiàn)趨勢性轉(zhuǎn)向，大體與水準變化形態(tài)較為一直。水管傾斜觀測，自運行以來觀測穩(wěn)定，主要受降雨、洞室溫度影響明顯，從觀測曲線形態(tài)看，2015 年趨勢性轉(zhuǎn)向與石英擺傾斜同步變化明顯，但近年以來的水管傾斜形態(tài)較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)短期同步變化。朝陽地震臺垂直擺傾斜觀測，自2012 年正式運行以來觀測穩(wěn)定，主要受降雨、洞室溫度影響明顯，從觀測曲線形態(tài)看，2016 年儀器更換擺墩，數(shù)據(jù)有一定調(diào)整后現(xiàn)已恢復穩(wěn)定工作狀態(tài)，與石英擺傾斜同步變化不明顯。

圖9 朝陽地震臺洞體應變觀測曲線Fig.9 Curve of cave strain observation

圖10 朝陽地震臺水管傾斜觀測曲線Fig.10 Curve of water pipe tiltmeter

3 結論與討論

通過對朝陽地區(qū)桃花吐短水準1-3 測段出現(xiàn)短期異常的分析可知其臨震異常是客觀存在的，2003 年8 月16 日巴林左旗M5.9 地震和2013 年科爾沁M5.3 地震震前都出現(xiàn)上升速率加快的高值異常是較為明顯的地震震前現(xiàn)象，是我們用來識別地震震前短臨前兆和短臨預測非常重要的參考指標[7-8]。

桃花吐短水準自1995 年開始觀測以來，2018 年12 月開始出現(xiàn)持續(xù)快速上升的現(xiàn)象，與鉆孔水位持續(xù)下降同步，截止到2019 年7 月4 日，短水準上升幅度變化1.244mm，鉆孔水位持續(xù)下降幅度0.968m，該變化與朝陽石英擺NS 分量短期快速N 傾趨勢性變化相一致，濾波分析及年變周期分析后得到該長趨勢異常下的短期數(shù)據(jù)變化為短期異常，結合地震活動性分析，認為北票—朝陽斷裂附近應力場變化增強，遼西地區(qū)存在發(fā)生地震的背景。后續(xù)需密切跟蹤朝陽地震臺桃花吐短水準1-3 測段數(shù)據(jù)后續(xù)變化情況的異常變化和遼蒙交界地區(qū)震情發(fā)展情況。

致謝：感謝朝陽地震臺各位同事的大力協(xié)助，提供更為詳實可靠的第一手資料！