傾斜固體潮及其組合信息與強(qiáng)震響應(yīng)特征分析

蘇維剛，馬震，馮麗麗，趙玉紅，孫璽皓

（青海省地震局，青海西寧810001）

0 引 言

傾斜固體潮觀測(cè)是地殼形變觀測(cè)的重要手段之一，相關(guān)學(xué)者針對(duì)傾斜固體潮觀測(cè)資料做了大量的分析研究工作，WU 等[1]通過(guò)衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)算固體潮汐的滯后相位；RUOTSALAINEN[2]通過(guò)干涉式水位傾斜儀獲得的潮汐傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)與地球潮汐和4 個(gè)海洋潮汐載荷模型的組合模型進(jìn)行了對(duì)比分析。固體潮潮汐因子是某一分波實(shí)測(cè)潮汐幅度和理論潮汐幅度的比值，通過(guò)表征介質(zhì)彈性模量的變化，直接反映了受應(yīng)力、應(yīng)變作用的地殼介質(zhì)的彈性變化特征[3-4]。文獻(xiàn)［5-7］對(duì)潮汐因子的空間分布及地震前的異常變化特征做了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)地震通常在γ值出現(xiàn)異常后發(fā)生。吳翼麟等[8]提出了形變、應(yīng)變前兆信息的合成。文獻(xiàn)［9-10］發(fā)現(xiàn)地傾斜固體潮組合信息與地震有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。牛安福等[11]針對(duì)潮汐因子值提出了可用于定量描述異常程度的“異常指數(shù)”和異常檢驗(yàn)準(zhǔn)則。上述針對(duì)傾斜固體潮潮汐因子的研究為捕捉前兆信息提供了可能途徑。

青海省位于晚新生代構(gòu)造變形最強(qiáng)烈的青藏高原東北緣，屬于多震地區(qū)，對(duì)于傾斜固體潮信息映震效能檢驗(yàn)具有天然優(yōu)勢(shì)。2007 年數(shù)字前兆觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)建成并投入運(yùn)行，至今已積累了10 余年的傾斜觀測(cè)資料，但在前兆異常提取方面成果欠佳，部分測(cè)項(xiàng)雖在強(qiáng)震前出現(xiàn)異常，但因與對(duì)應(yīng)地震的間隔時(shí)間較長(zhǎng)，多在1 a 以上，跟蹤分析存在一定困難。大量?jī)A斜測(cè)項(xiàng)由于數(shù)據(jù)被干擾，經(jīng)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)折、階變等突變，給前兆異常的識(shí)別和提取帶來(lái)很大困難。固體潮潮汐因子是某一分波實(shí)測(cè)潮汐幅度和理論潮汐幅度的比值，受干擾程度小，異常出現(xiàn)時(shí)間與發(fā)震時(shí)間間隔較短。本文采用數(shù)據(jù)連續(xù)性較好、觀測(cè)質(zhì)量較優(yōu)的格爾木臺(tái)和湟源臺(tái)傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)傾斜固體潮及其組合信息與強(qiáng)震之間的響應(yīng)特征進(jìn)行分析和討論，以期獲取更多的短期前兆異常信息。

1 研究區(qū)域環(huán)境概況

青藏高原東北緣地區(qū)是青藏板塊向大陸內(nèi)部擴(kuò)展的前緣部位，自晚新生代以來(lái)構(gòu)造變形十分強(qiáng)烈[12]。格爾木地震臺(tái)位于區(qū)內(nèi)柴達(dá)木盆地南部，屬典型高原內(nèi)陸盆地干旱氣候，多年平均降水量為42.42 mm，境內(nèi)主要有格爾木河，河流補(bǔ)給以地下水為主。區(qū)域內(nèi)的主要活動(dòng)斷裂有東昆侖斷裂帶和柴達(dá)木北緣斷裂帶，東昆侖斷裂帶是二級(jí)新構(gòu)造區(qū)的分界斷裂，以左旋走滑為主，由數(shù)條斜列的壓扭性斷層組成；柴達(dá)木北緣斷裂帶由一系列平行斷裂組成，以走滑運(yùn)動(dòng)為主，地貌上顯示左旋特征[13]。湟源地震臺(tái)地處日月山斷裂帶和拉脊山斷裂帶交匯復(fù)合處的北緣地段，屬于半濕潤(rùn)、半干旱大陸性氣候，多年平均降水量在400～600 mm，境內(nèi)有湟水和藥水河，主要以降水補(bǔ)給為主。其中熱水-日月山斷裂帶是在柴達(dá)木-祁連活動(dòng)地塊內(nèi)部發(fā)育的1 條NNW向逆-右旋走滑活動(dòng)斷裂帶，長(zhǎng)約183 km，是日月山地區(qū)晚新生代以來(lái)控制斷陷盆地及其發(fā)育的活動(dòng)斷裂[14]，拉脊山斷裂帶南北兩側(cè)分別為拉脊山北緣斷裂和拉脊山南緣斷裂，主要以右旋走滑為主[15]。

格爾木觀測(cè)洞室基巖為花崗巖，巖體裸露，水平擺傾斜儀型號(hào)為SSQ-2I。湟源臺(tái)臺(tái)基屬加里東期侵入巖、片麻狀黑云母花崗巖，鉆孔傾斜儀型號(hào)為CZB-2A，井孔14.20 m 以上為毛石碎石土，14.20 ～67 m 為花崗巖。

圖1 研究區(qū)域地質(zhì)概況Fig.1 The regional geological survey

2 計(jì)算方法

傾斜固體潮潮汐因子為實(shí)測(cè)潮汐振幅和理論潮汐振幅的比值[5，11]，而此值可以反映地殼在潮汐作用下形變場(chǎng)發(fā)生的微弱變化，通過(guò)計(jì)算潮汐因子可以獲知地震前地殼巖石彈性的變化[16]。

根據(jù)儀器觀測(cè)資料記錄，格爾木水平擺傾斜研究時(shí)段為 2007 年 7 月至 2016 年 9 月，湟源鉆孔傾斜研究時(shí)段為2013 年1 月至2017 年12 月。傾斜觀測(cè)資料主要受氣溫和氣壓的影響，據(jù)蘇維剛等[17]的研究，在月尺度上傾斜觀測(cè)與氣溫和氣壓均不相關(guān)，因此，計(jì)算中不考慮氣溫、氣壓的影響。以月為步長(zhǎng)，選取每月的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，剔除儀器故障和顯著干擾時(shí)段的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，通過(guò)維尼迪科夫調(diào)和分析方法[18]對(duì)傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析（計(jì)算時(shí)段內(nèi)各測(cè)項(xiàng)的數(shù)據(jù)連續(xù)率均在99%以上，個(gè)別月份的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)缺失3～10 個(gè)，對(duì)缺失月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接計(jì)算和插值后計(jì)算，得到的結(jié)果無(wú)明顯差異），獲得傾斜固體潮M2 波和O1 波的計(jì)算結(jié)果。通過(guò)M2 波和O1 波潮汐因子比值的時(shí)間序列，判斷出現(xiàn)的階變形變化是否由儀器格值變化引起[19]。

3 組合信息分析

在震源區(qū)，地殼在應(yīng)力應(yīng)變作用下發(fā)生變形，大量微破裂的形成改變了地殼介質(zhì)的各向異性，并隨變形的不斷加劇，剪切應(yīng)變出現(xiàn)異常，剪切應(yīng)變的持續(xù)作用致使其臨震前發(fā)生擴(kuò)容，使面膨脹因子出現(xiàn)異常。吳翼麟等[8]提出將傾斜固體潮潮汐因子γ 值的南北、東西兩方向進(jìn)行組合， 即以ΔγEW+ΔγNS表征面膨脹因子， 以ΔγEW-ΔγNS表征該位置的剪切應(yīng)變，以ΔγEW/ΔγNS表征介質(zhì)的各向異性。以年為時(shí)間窗，計(jì)算特征向量Δγi：

其中，γi為第i月的潮汐因子值，為潮汐因子的年平均值。

4 傾斜固體潮特征分析

4.1 傾斜趨勢(shì)變化特征分析

如圖2 所示，格爾木傾斜NS 分量呈趨勢(shì)性南傾，且每年9 月左右南傾趨勢(shì)變緩，EW 分量具有明顯的年變特征，呈余弦式變化，峰值和谷值分別出現(xiàn)在12 月和6 月。根據(jù)青海省定點(diǎn)形變異常指標(biāo)結(jié)果，在震前一年左右，EW 分量出現(xiàn)破年變異常，可能對(duì)應(yīng)6 級(jí)以上地震。湟源鉆孔傾斜NS 分量除在2014 年4 月出現(xiàn)巨幅臺(tái)階，原因不明外，整體趨勢(shì)平穩(wěn)，EW 分量呈東傾變化趨勢(shì)。

圖2 格爾木和湟源傾斜趨勢(shì)變化特征Fig.2 The tilt trend features of Golmud and Huangyuan

4.2 傾斜固體潮潮汐因子特征分析

如圖3(a)和(c)所示，2007 年 7 月至 2008 年，格爾木傾斜固體潮γ 值成臺(tái)階狀變化，而在M2 波和O1波 γ 比值的時(shí)間序列中（見(jiàn)圖3（b）和（d）），臺(tái)階消失，因此認(rèn)為，該臺(tái)階是由格值變化造成的。但2007 年 7 月至 2008 年，γ 值的 NS 分量依然存在顯著變化（見(jiàn)圖3(b)），期間發(fā)生汶川8.0、海西6.3 級(jí)等強(qiáng)震，因此，考慮可能與地震的頻繁活動(dòng)有關(guān)。但由于儀器2007 年7 月才開(kāi)始運(yùn)行，尚未穩(wěn)定，可能存在儀器運(yùn)行不穩(wěn)定問(wèn)題，為此，在后續(xù)地震響應(yīng)分析中將2009 年1 月作為起始點(diǎn)。格爾木傾斜固體潮潮汐因子自2009 年以來(lái)總體變化較為穩(wěn)定，NS 和EW 分量的潮汐因子平均值分別為0.616 和0.691，均方差分別為0.033 7 和0.035 4，相對(duì)來(lái)看，自運(yùn)行以來(lái)EW 分量的潮汐因子比值離散程度一直較高。

湟源傾斜固體潮潮汐因子整體較為穩(wěn)定，NS 和EW 分量的潮汐因子平均值分別為0.449 和0.552，均方差分別為0.031 和0.015。另外，對(duì)比圖3 中的NS 分量和 EW 分量知，2016 年上半年，M2 波 NS 分量的潮汐因子值和潮汐因子比值變化相對(duì)較大。

5 傾斜固體潮及其組合信息與強(qiáng)震響應(yīng)特征分析

根據(jù)牛安福[20]對(duì)1990 年以來(lái)的地傾斜異常與地震關(guān)系的統(tǒng)計(jì)以及青海省定點(diǎn)形變指標(biāo)體系整理結(jié)果，在研究中選擇距研究臺(tái)站650 km 以?xún)?nèi)的6 級(jí)地震、1 500 km 以?xún)?nèi)的7 級(jí)地震和2 000 km 以?xún)?nèi)的8級(jí)以上地震，其中格爾木臺(tái)選擇2009 年1 月至2016年9 月期間的地震，湟源臺(tái)選擇2013 年1 月至2017年12 月期間的地震。參考全國(guó)Ms5.0 地震目錄。

5.1 潮汐因子與強(qiáng)震響應(yīng)關(guān)系分析

以Δγ 的一倍均方差為閾值線，超閾值則作為異常，統(tǒng)計(jì)Δγ 與地震響應(yīng)情況，發(fā)現(xiàn)：超閾值的Δγ 對(duì)6級(jí)以上強(qiáng)震響應(yīng)較為明顯（見(jiàn)表1）。其中格爾木傾斜NS 分量超閾值時(shí)段6 次，響應(yīng)地震4 次，異常報(bào)對(duì)率為67%，映震率為80%；傾斜EW 分量超閾值時(shí)段5 次，響應(yīng)地震5 次，異常報(bào)對(duì)率為100%，映震率為83%。湟源傾斜NS 分量超閾值時(shí)段4 次，響應(yīng)地震2 次，異常報(bào)對(duì)率為50%，映震率為40%；傾斜EW 分量超閾值時(shí)段2 次，響應(yīng)地震2 次，異常報(bào)對(duì)率為100%，映震率為40%。

圖3 潮汐因子γ 值時(shí)序變化特征Fig.3 The temporal variation characteristics of tidal factors γ

如圖4 所示，超閾值的Δγ 對(duì)6 級(jí)以上強(qiáng)震響應(yīng)主要分為2 種，其中，第1 種響應(yīng)具有較好的中短期預(yù)報(bào)意義，格爾木EW 分量的響應(yīng)最明顯，主要表現(xiàn)為：在震前 3～7 個(gè)月，Δγ 超出閾值，之后 Δγ 不斷增大或減小，在地震發(fā)生當(dāng)月或次月Δγ 恢復(fù)正常，典型震例有玉樹(shù)7.1 級(jí)地震、蘆山7.0 級(jí)地震、于田7.3級(jí)地震、尼泊爾8.1 級(jí)地震和門(mén)源6.4 級(jí)地震。第2種響應(yīng)主要為同震響應(yīng)，在地震當(dāng)月Δγ 超出閾值，在地震發(fā)生次月恢復(fù)正常，典型震例有蘆山7.0 級(jí)地震、尼泊爾8.1 級(jí)地震和門(mén)源6.4 級(jí)地震。

5.2 組合信息與強(qiáng)震對(duì)應(yīng)關(guān)系分析

通過(guò)將傾斜固體潮潮汐因子2 個(gè)分量進(jìn)行組合，獲得剪切應(yīng)變、面膨脹因子以及介質(zhì)各向異性3種特征向量，以每個(gè)特征量的一倍均方差為閾值線，超閾值情況如圖5 所示，2 套儀器介質(zhì)各向異性超閾值時(shí)段均出現(xiàn)5 次（見(jiàn)圖5(c)和(f)），其中格爾木和湟源映震率分別為100%和40%。除尼泊爾8.1 級(jí)地震在震前9 個(gè)月出現(xiàn)介質(zhì)各向異性異常外，大多在震前4～5 個(gè)月出現(xiàn)異常。此外，總體來(lái)看，自2013年下半年開(kāi)始，2 套儀器所處區(qū)域的介質(zhì)各向異性均處于活躍期。

在震源區(qū)，隨地殼介質(zhì)的各向異性出現(xiàn)異常，變形加劇，剪切應(yīng)變亦出現(xiàn)異常，如圖5(a)和(d)所示，格爾木和湟源，剪切應(yīng)變超閾值時(shí)段分別出現(xiàn)5 次和2 次，映震率分別達(dá)80%和50%。剪切應(yīng)變?cè)谡鹎?～7 個(gè)月出現(xiàn)異常，在應(yīng)力應(yīng)變作用下，剪切應(yīng)變顯著增大，隨地震的不斷臨近，剪切應(yīng)變出現(xiàn)先增后減往復(fù)變化，臨震時(shí)發(fā)生擴(kuò)容，在震后1～5 個(gè)月恢復(fù)正常水平。面膨脹因子異常見(jiàn)圖5(b)和(e)。格爾木和湟源面膨脹因子超閾值時(shí)段分別出現(xiàn)5 次和3 次，映震率分別為40%和67%，在震前1 個(gè)月或震時(shí)，面膨脹因子顯著增大，在震后1 個(gè)月恢復(fù)正常水平。

表1 潮汐因子與6 級(jí)以上強(qiáng)震響應(yīng)情況統(tǒng)計(jì)Table 1 The response between tidal factors and the earthquake（M≥ 6）

6 總結(jié)與討論

青藏高原受印度板塊持續(xù)北向推擠，使其東北緣形成NE 向的擠壓應(yīng)力，并在青藏高原形成多處應(yīng)變集中區(qū)，通過(guò)GPS 站點(diǎn)數(shù)據(jù)模擬速度場(chǎng)并計(jì)算應(yīng)變率場(chǎng)，顯示格爾木臺(tái)站所處的西昆侖斷裂帶地區(qū)為應(yīng)變率高值區(qū)，且以近東西向?yàn)橹鱗21-22]。從潮汐因子時(shí)序變化特征中發(fā)現(xiàn)，自?xún)x器運(yùn)行以來(lái)，格爾木EW 分量潮汐因子比值的離散程度一直較NS 分量的高。這一結(jié)果與前人的研究結(jié)論一致。2016年上半年，湟源NS 分量潮汐因子比值變化較大，而在門(mén)源地震前，湟源傾斜NS 分量加速北傾，震后轉(zhuǎn)折南傾，半年左右后復(fù)原，二者也具有較好的一致性。綜合分析表明，傾斜潮汐因子比值的離散程度對(duì)所處區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)和方向具有較好的指示意義。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，格爾木傾斜EW 分量異常報(bào)對(duì)率達(dá)到100%，映震率達(dá)到83%，說(shuō)明高離散程度的傾斜分量，即介質(zhì)彈性不穩(wěn)定的傾斜分量，在受到6 級(jí)以上強(qiáng)震的應(yīng)力觸發(fā)時(shí)，可能具有更加敏感的響應(yīng)。而在3 種特征量與6 級(jí)以上強(qiáng)震的響應(yīng)分析中發(fā)現(xiàn)，處于不同區(qū)域的2 套傾斜，其潮汐因子組合信息對(duì)于強(qiáng)震的響應(yīng)情況并不相同，其原因可能與測(cè)項(xiàng)所處區(qū)域的構(gòu)造活動(dòng)特征有關(guān)。

圖4 潮汐因子與6 級(jí)以上強(qiáng)震響應(yīng)特征Fig.4 The response characteristics between tidal factors and the earthquake（M≥6）

圖5 組合信息與6 級(jí)以上強(qiáng)震響應(yīng)特征Fig.5 The response characteristics between combination information and the earthquake（Ms≥ 6）

通過(guò)梳理格爾木水平擺傾斜和湟源鉆孔傾斜固體潮及其組合信息特征，并結(jié)合研究區(qū)域的強(qiáng)震分析和討論，得到以下結(jié)論：

6.1 2 套傾斜潮汐因子值的離散程度相當(dāng)，但M2波和O1 波潮汐因子比值的離散程度不同，這種差異對(duì)所處區(qū)域的應(yīng)力水平和方向具有較好的指示意義，高離散度的傾斜分量在受到6 級(jí)以上強(qiáng)震的應(yīng)力觸發(fā)時(shí)，可能具有更加敏感的響應(yīng)。

6.2 傾斜潮汐因子與6 級(jí)地震響應(yīng)較好，平均響應(yīng)率達(dá)79.25%，具有預(yù)報(bào)意義的響應(yīng)次數(shù)占地震總數(shù)的38.25%，主要可分為2 種響應(yīng)，第1 種具有較好的中短期預(yù)報(bào)意義，在震前3～7 個(gè)月，Δγ 值超出閾值；第2 種為同震響應(yīng)，在地震發(fā)生當(dāng)月，Δγ 值超出閾值。

6.3 在潮汐因子組合信息中，介質(zhì)各向異性主要在震前4～5 個(gè)月出現(xiàn)異常，當(dāng)震級(jí)超過(guò)8 級(jí)時(shí)，出現(xiàn)異常的時(shí)間更早，剪切應(yīng)變?cè)谡鹎?～7 個(gè)月出現(xiàn)異常，在震后1～5 個(gè)月逐漸恢復(fù)正常水平，面膨脹因子在震前1 個(gè)月或震時(shí)顯著增大，震后恢復(fù)正常。處于不同區(qū)域的2 套傾斜潮汐因子，其組合信息對(duì)于強(qiáng)震的響應(yīng)率并不相同。