上王地震臺SS-Y伸縮儀在中強震前的異常特征初步分析

趙杰 陳全智 張健 齊銀峰

摘 要：基于關中地區(qū)上王地震臺SS-Y伸縮儀觀測資料，本文利用日均值、矢量圖等分析方法，研究2015—2019年陜西省內(nèi)Ms（面波震級）≥5.0級和國內(nèi)外Ms≥6.5級的典型地震發(fā)震前形變資料所出現(xiàn)的短期和臨震異常變化，統(tǒng)計異常持續(xù)時間、異常結(jié)束至發(fā)震時間，歸納異常形態(tài)特點及類型等，得出地震前形態(tài)的變化規(guī)律。分析表明，上王地震臺SS-Y伸縮儀日均值形態(tài)異常對應短臨地震的效果較好，矢量圖異常對應中短期地震的效果較好。

關鍵詞：地應變;日均值;矢量分析;形態(tài)異常

中圖分類號：P315.63文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）17-0134-04

Preliminary Analysis of Abnormal Characteristics of SS-Y Extensometer

at Shangwang Seismic Station before Moderate and Strong Earthquakes

ZHAO Jie CHEN Quanzhi ZHANG Jian QI Yinfeng

（Baoji Central Seismological Station， Shaanxi Earthquake Administration，Baoji Shaanxi 721008）

Abstract： Based on the observation data of SS-Y extensometer at Shangwang Seismic Station in Guanzhong area， this paper uses analysis methods such as daily average value and vector diagram to study the short-term and imminent abnormal changes of deformation data before the occurrence of typical earthquakes with Ms （magnitude of surface wave）≥5.0 in Shaanxi Province and Ms≥6.5 at home and abroad from 2015 to 2019， and counts the duration of the anomaly， the time from the end of the anomaly to the occurrence of the earthquake， summarizes the characteristics and types of the anomaly， and draws the law of changes in the shape before the earthquake. The analysis shows that the anomaly of the daily mean value of the SS-Y extensometer at Shangwang Seismic Station has a better effect on short-term and imminent earthquakes， and the vector anomaly has a better effect on mid- and short-term earthquakes.

Keywords： ground strain;daily mean value;vector analysis;morphological abnormality

地形變是地殼運動狀態(tài)的直接反映，是最具特色的地球物理現(xiàn)象，它伴隨地震孕育和發(fā)生的全過程，國內(nèi)外多次中強地震前均觀測到地形變異常[1]。楊又陵等對形變觀測資料的研究做了大量工作，在前兆分析中，主要采用日均值、矢量圖以及一階差分等分析方法，對比以上分析方法，日均值和矢量圖在短臨地震分析預報方面的優(yōu)勢較為明顯[1]。本文對位于關中地區(qū)的上王地震臺2015—2019年SS-Y伸縮儀觀測資料進行系統(tǒng)整理，在分析和排除各類干擾的基礎上，對照中國地震臺網(wǎng)地震目錄，分析該臺觀測資料的日均值年變曲線、五日均值矢量圖，探討其異常與中強震的對應關系。

1 臺站基本情況

上王地震臺位于寶雞市陳倉區(qū)上王鄉(xiāng)趙家河村，為經(jīng)擴建改造后的戰(zhàn)備山洞，該山洞在虢鎮(zhèn)-固關北西向斷裂西側(cè)，距該斷裂1.5 km。臺基為印支期的斑狀黑云母花崗巖，巖性堅硬，比較完整，致密均勻。巖層傾角為20°左右。該構(gòu)造運動強烈，歷史上曾發(fā)生過岐山7級（公元前780年）地震和隴縣6級（1704年）地震，近20年來，該區(qū)中小地震活動頻繁。臺站10 km范圍內(nèi)無100萬m3以上的水庫，無深層抽水、注水井，無沖、壓設備作業(yè)場地，無輸變電站，無無線電發(fā)射臺。20 km范圍內(nèi)無采石廠，7 km附近的金陵河支流司川河最大洪水流量小于50 m3/s，亦屬季節(jié)性小河，洞室底面高于當?shù)刈罡吆樗缓妥罡叩叵滤幻妗?/p>

上王形變山洞是一等邊直角三角形山洞，進深為22 m，覆蓋約30 m，山洞整體穩(wěn)定。基巖為印支期的斑狀黑云母花崗巖，巖性堅硬，比較完整，致密均勻，植被較好。上王臺觀測儀器有DSQ水管儀和SS-Y伸縮儀，近些年觀測基礎信息未變更，觀測環(huán)境滿足要求。

2 資料的選取與研究思路

關中地區(qū)歷史上發(fā)生過多次中強地震，地震活動較為頻繁，預報分析發(fā)現(xiàn)，在近場發(fā)生4級左右地震及遠場發(fā)生6級以上地震前，洞體應變觀測儀器經(jīng)常會出現(xiàn)異常變化，具有很好的映震能力，其記錄的震前有異常情況頻率很高[1]。本文選取關中地區(qū)上王形變臺伸縮儀觀測資料，繪制該臺日均值年變曲線圖、矢量合成圖，分析SS-Y伸縮儀觀測資料震前的異常特征，異常時段主要界定在三個月至半年以內(nèi)。

據(jù)統(tǒng)計，2015—2019年以來，國內(nèi)外發(fā)生Ms≥6.5級地震43次，其中國內(nèi)發(fā)生6.5級以上地震19次，7.0級以上地震3次，即2015年11月14日東海海域7.3級地震、2017年8月8日四川九寨溝7.1級地震、2017年11月18日西藏米林7.0級地震。陜西發(fā)生3.5級以上地震8次，其中，2015年1月7日寧強發(fā)生4.0級地震后，2018年9月12日發(fā)生5.6級地震。本文選取陜西境內(nèi)及周邊Ms≥5.0級、國內(nèi)及國外Ms≥6.5級部分典型地震作為研究對象。

3 資料分析

3.1 日均值異常分析

日均值年變曲線圖分析能夠很好地消除潮汐變化和短期突變，是前兆分析中最常用的分析方法[2]。異常形式主要表現(xiàn)為：從多年的時序曲線上可以看到，絕大多數(shù)測項存在明顯的年周期變化[2-3]。地震前，由于局部地殼變形的影響，測值會出現(xiàn)畸變，即打破年變;有的臺項地震前年變幅度出現(xiàn)增大或減小，有的臺站的季節(jié)轉(zhuǎn)向偏離正常時間，這些日均值年變曲線改變正常形態(tài)，均屬異常[4]。

為了保證單臺資料的可靠性，本文選取2015—2019年上王地震臺SS-Y伸縮儀日均值年變曲線進行分析，如圖1所示?？偟膩碚f，從圖1可以看出，上王地震臺SS-Y伸縮儀日均值曲線年變規(guī)律呈現(xiàn)春季至秋季走高、冬季走低的形態(tài)。2015年6月中旬，上王地震臺SS-Y伸縮儀日均值曲線出現(xiàn)年變幅增大、加速北傾的現(xiàn)象。2016年，該臺伸縮儀日均值曲線夏季上升時間延后，且年變幅度較2015年放緩。2017年7月中旬開始，日均值曲線出現(xiàn)多次破年變的現(xiàn)象，表現(xiàn)為變化速率加大、階變鼓包。2018年8月初，上王地震臺SS-Y伸縮儀日均值曲線NS分量和EW分量同步出現(xiàn)加速上升，趨勢較強，從圖2可以看出，該階段存在明顯的破年變。2019年同2016年一樣，日均值曲線出現(xiàn)季節(jié)轉(zhuǎn)向上升，從2019年4月開始，NS分量和EW分量同步轉(zhuǎn)向上升。

本文按照中國地震臺網(wǎng)地震目錄對日均值曲線標注了地震信息，統(tǒng)計了發(fā)生典型地震后日均值曲線形態(tài)異常的類型和異常持續(xù)時間，如表1所示。以上日均值破年變異常出現(xiàn)后，均有對應地震發(fā)生，一般來說，地震發(fā)生在異常出現(xiàn)后的半個月至一個月。2015—2019年，上王地震臺SS-Y伸縮儀觀測資料連續(xù)、完整、可靠，無明顯外界干擾，因此日均值曲線的震前異常是可靠的。

經(jīng)分析，上王地震臺SS-Y伸縮儀日均值年變曲線震前異常主要表現(xiàn)為時序曲線走勢變化、年變幅度增大或者減小、季節(jié)轉(zhuǎn)向偏離正常時間。日均值曲線年變曲線圖是前兆分析中判別震前異常的主要標準之一，上王地震臺SS-Y伸縮儀日均值曲線對應短臨地震的效果較好，可以用于短臨地震時間要素的預測。

3.2 矢量分析法

地傾斜兩分量測值的矢量之和表示某一時刻地面相對起始位置的傾斜角，絕大多數(shù)形變觀測值具有較強的年變規(guī)律[3]。研究表明，SS-Y伸縮儀傾斜矢量的異常特征主要有轉(zhuǎn)向、拐彎、打結(jié)、加速或減速，根據(jù)持續(xù)時間和矢量圖形，可確定其為中期異?；蚨膛R異常[4-5]。通常，在觀測資料中，震前快速形變階段的識別有一定難度，因此，本文基于上王地震臺SS-Y伸縮儀五日均值繪制分量測值的矢量圖，有效排除干擾，從而識別異常。上王地震臺SS-Y伸縮儀的2015—2019年矢量合成圖如圖2所示。

觀察發(fā)現(xiàn)，SS-Y伸縮儀觀測資料五日均值矢量合成圖多處出現(xiàn)不規(guī)律的拐彎、打結(jié)等現(xiàn)象。本文重點關注幾處較為典型的異常過程，例如，2015年12月7日，塔吉克斯坦發(fā)生7.5級地震，與之對應的是2015年10月底SS-Y伸縮儀矢量圖明顯開始出現(xiàn)異常拐彎現(xiàn)象。2016年2月18日開始，SS-Y伸縮儀矢量圖出現(xiàn)轉(zhuǎn)向，然后連續(xù)拐彎并且走勢加速異常，隨后，2016年5月31日我國東海釣魚島海域發(fā)生6.6級地震，此次矢量曲線異常明顯，持續(xù)時間長。11月中旬出現(xiàn)短暫轉(zhuǎn)彎加速后，2016年11月25日新疆阿克陶發(fā)生6.9級地震。2017年8月8日國內(nèi)發(fā)生破壞性地震——四川九寨溝7.1級地震，從圖2可以發(fā)現(xiàn)，該地震發(fā)生前，SS-Y伸縮儀矢量圖自2017自4月底開始，先是出現(xiàn)不規(guī)律轉(zhuǎn)向加速，隨后有多次打結(jié)現(xiàn)象，持續(xù)約2個月。2018年9月12日，陜西省發(fā)生近些年最大的一次地震—寧強5.6級地震，從圖2可以發(fā)現(xiàn)，該地震發(fā)生前，SS-Y伸縮儀矢量圖自2018自6月底開始，先是出現(xiàn)不規(guī)律加速，隨后有多次打結(jié)現(xiàn)象，持續(xù)約2個月。由表2可以看出，上王臺SS-Y伸縮儀矢量圖曲線發(fā)生異常轉(zhuǎn)向、拐彎或打結(jié)等現(xiàn)象后，15～30 d發(fā)生地震的頻率較多，異常發(fā)生60 d左右，對應發(fā)生地震的次數(shù)少;矢量異常持續(xù)時間大多為30～60 d，對應地震一般發(fā)生在矢量異常結(jié)束后的15～60 d;此外，發(fā)生地震的震級與異常持續(xù)時間無必然聯(lián)系。

通過上王地震臺SS-Y伸縮儀矢量圖分析可知，總體來說，矢量圖出現(xiàn)不規(guī)律的轉(zhuǎn)向、打結(jié)或走勢異常等現(xiàn)象，與地震對應關系較好;出現(xiàn)矢量異常后，15～30 d發(fā)生地震的頻率較高，異常發(fā)生60 d左右，對應發(fā)生地震次數(shù)少;矢量異常持續(xù)時間大多為30～60 d，對應地震一般發(fā)生在矢量異常結(jié)束后的15～60 d;SS-Y伸縮儀矢量圖異常持續(xù)時間和地震震級大小無必然聯(lián)系。所以，上王地震臺SS-Y伸縮儀矢量合成圖異常特征可以很好地用于判斷地震發(fā)生時間。

4 結(jié)論

本文通過繪制上王地震臺SS-Y伸縮儀觀測資料日均值年變曲線圖、矢量合成圖，結(jié)合中國地震臺網(wǎng)地震目錄，分析日均值年變曲線破年變異常、矢量合成圖異常與地震對應的關系。研究發(fā)現(xiàn)，SS-Y伸縮儀觀測資料日均值曲線圖震前異常主要表現(xiàn)為時序曲線走勢變化、年變幅度增大或者減小、季節(jié)轉(zhuǎn)向偏離正常時間。日均值曲線年變曲線圖是前兆分析中判別震前異常的主要標準之一，上王地震臺SS-Y伸縮儀日均值曲線對應短臨地震的效果較好，可以用于短臨地震時間要素的預測。另外，SS-Y伸縮儀觀測資料矢量圖出現(xiàn)持續(xù)的不規(guī)律轉(zhuǎn)向、打結(jié)或走勢異常后，多有5.0級以上地震發(fā)生，發(fā)生時間為15～60 d;矢量異常持續(xù)時間大多為30～60 d，對應地震一般發(fā)生在矢量異常結(jié)束后的15～60 d，可以用于中短期地震時間要素的預測;發(fā)生地震的震級大小與矢量異常持續(xù)時間無必然聯(lián)系。

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