龍巖臺(tái)傾斜儀三次震前異常差異分析*

陳傳昌，楊佩琴，鄭建志，張志鵬，吳慧敏

（1.南平地震臺(tái)，福建 南平 353000；2.龍巖地震臺(tái)，福建 龍巖 364000）

地震是孕育和發(fā)生在巖石圈內(nèi)的一種地球動(dòng)力學(xué)過程及事件。地震的形變隨時(shí)間演化，對(duì)應(yīng)的形變過程可以分為：震間形變、震前形變、同震形變和震后形變。

關(guān)于地震成因，不同專家學(xué)者有各種觀點(diǎn)。研究地震成因的最終目的是要由此進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地震前兆現(xiàn)象的本質(zhì)，從而提高地震預(yù)報(bào)的能力，因此在研究地震成因時(shí)必然要研究在震前震源地方和其附近的變動(dòng)是通過什么方式和前兆聯(lián)系起來的，這種變動(dòng)和未來地震的強(qiáng)度、地點(diǎn)以及發(fā)生時(shí)間是什么關(guān)系[1]。

地傾斜觀測(cè)主要目的是監(jiān)測(cè)區(qū)域地殼垂直方向的相對(duì)位移和固體潮汐的動(dòng)態(tài)變化。水平擺傾斜儀和垂直擺傾斜儀都是測(cè)量地傾斜變化的儀器。而震源機(jī)制解對(duì)于震源過程研究和地震預(yù)報(bào)研究具有重要意義，是研究現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的基礎(chǔ)資料之一。通過對(duì)地傾斜變化的研究，結(jié)合震源機(jī)制，可以嘗試分析地震發(fā)生的力學(xué)過程，推斷地震的主要成因[2]。

1 觀測(cè)點(diǎn)地質(zhì)背景和觀測(cè)儀器

龍巖地處閩粵贛交界，位于北緯 24°23′-26°02′、東經(jīng) 115°51′-117°44′之間?？刂票緟^(qū)域的主要構(gòu)造有華夏系、新華夏系和南嶺東西向構(gòu)造帶。有兩條地震構(gòu)造帶經(jīng)過，東南部有經(jīng)大田-漳平-龍巖洞進(jìn)入廣東大埔的政和-海豐構(gòu)造帶，西北部為經(jīng)寧化-長汀-武平進(jìn)入廣東河源的邵武-河源構(gòu)造帶。

龍巖地震臺(tái)位于龍巖市新羅城區(qū)北郊虎頭山的西側(cè)半山坡上。形變觀測(cè)儀器安裝在臺(tái)站東側(cè)的山洞內(nèi)，山洞所處山體東高西低，南高北低。山洞全長約100m，洞內(nèi)平均溫度原為19.8℃，2015 年在同個(gè)觀測(cè)室另外一個(gè)儀器墩上安裝gPhone 重力儀后，觀測(cè)室年平均溫升至20.38℃；正常工作狀態(tài)下，觀測(cè)室年溫差小于0.5℃，日溫差小于0.2℃。臺(tái)站東邊有一斷層，斷層呈NNE 走向，傾角80°；西邊為第四系覆蓋層，基巖為石英砂巖，節(jié)理發(fā)育，巖性破碎，地表風(fēng)化，覆蓋層較厚。見表1。

表1 傾斜觀測(cè)室基本情況

龍巖臺(tái)傾斜儀器安裝在新窿道內(nèi)的帶有防震槽的水泥墩上，儀器室面積約17m2。形變觀測(cè)始于1971 年12 月，儀器安裝在窿道內(nèi)。1985 年3 月開始用SQ-70型水平擺傾斜儀進(jìn)行觀測(cè)，2004 年停止觀測(cè)。2004 年2 月安裝啟用由湖北省武漢地震儀器廠生產(chǎn)的VS 型垂直擺傾斜儀，使用至今。本項(xiàng)目使用的傾斜觀測(cè)資料分別為：1990-2002 年SQ-70 型水平擺傾斜儀模擬記錄數(shù)據(jù)；2006-2018 年VS 型垂直擺傾斜儀數(shù)字化觀測(cè)數(shù)據(jù)。見表2。

表2 傾斜觀測(cè)儀器設(shè)備表

龍巖市屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。年平均氣溫18.7～21.0℃，平均降水量1031～1369mm，日照時(shí)數(shù)1804～2060h。全年氣候溫和，無霜期長，雨量充沛。龍巖臺(tái)地傾斜觀測(cè)受降雨影響比較大，因此在研究過程中同時(shí)要參考降雨資料。1990-2002 年,降雨資料參考龍巖氣象臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存在一定程度的不完整；2006-2018 年,使用本臺(tái)人工觀測(cè)的降雨量數(shù)據(jù)。

2 龍巖臺(tái)傾斜觀測(cè)資料情況

長期、連續(xù)的觀測(cè)資料可以發(fā)現(xiàn)普遍規(guī)律，這是正常變化。尋找正常變化規(guī)律是為了發(fā)現(xiàn)不符合以往規(guī)律的變化現(xiàn)象，因此，正常的變化規(guī)律是凸顯異常變化的背景。觀測(cè)資料積累的時(shí)間越長，變化規(guī)律越清晰。

在日常觀測(cè)工作中，需要積累一定時(shí)間尺度的觀測(cè)資料，研究、明確儀器特性帶來的變化部分，以建立合理、科學(xué)的區(qū)域地傾斜變化模式。這個(gè)模式包含了降水、溫度、氣壓等外界環(huán)境影響下的潮汐變化規(guī)律。

2.1 兩套傾斜儀長期變化趨勢(shì)差異

地傾斜觀測(cè)的零漂主要是用來衡量觀測(cè)儀器及其基墩穩(wěn)定程度或地殼繼承性新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。在同一個(gè)基墩進(jìn)行的地傾斜觀測(cè)，不同儀器的變化趨勢(shì)差異主要體現(xiàn)了儀器零漂的差異。不同的傾斜觀測(cè)儀器可能會(huì)表現(xiàn)完全不同的變化趨勢(shì)（圖1）。龍巖臺(tái)SQ-70 水平擺傾斜儀和VS 垂直擺傾斜儀的差異主要體現(xiàn)為NS向長期變化趨勢(shì)明顯不一致，由圖1，水平擺傾斜儀NS 向表現(xiàn)為長期趨勢(shì)向下，垂直擺傾斜儀NS 向表現(xiàn)為長期趨勢(shì)向上。兩套儀器的EW 向長期趨勢(shì)均為向上，斜率有差異。

圖1 兩套傾斜儀時(shí)序曲線圖

2.2 傾斜觀測(cè)受降雨干擾

孔隙度大、易滲透的砂巖臺(tái)基，降雨干擾突出。龍巖屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，雨水充沛且集中。龍巖臺(tái)傾斜觀測(cè)受降雨影響較為顯著，水平擺傾斜儀和垂直擺傾斜儀的年變規(guī)律與降雨的相關(guān)關(guān)系基本一致，均表現(xiàn)為EW 向與降雨呈正相關(guān)，NS 向與降雨呈負(fù)相關(guān)的特征（圖2）。如果把降雨因素當(dāng)做一個(gè)加卸載的變量，不論降雨對(duì)于傾斜觀測(cè)的影響途徑是載荷改變或者是基巖孔隙變化產(chǎn)生的沉降，都屬于構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)變化。也就是說，兩套傾斜儀器基本一致地反映了測(cè)點(diǎn)區(qū)域地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)變化。這說明，兩套傾斜儀器在長期變化趨勢(shì)的差異主要是由于儀器的零漂差異引起的，除此以外的變化成分基本反映了觀測(cè)點(diǎn)區(qū)域地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的情況，既包括構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的地殼傾斜變化，也包括降雨干擾引起的測(cè)點(diǎn)基巖沉降和載荷增減等。

圖2 兩套傾斜儀與降雨的相關(guān)關(guān)系

因1990-2002 年的降雨數(shù)據(jù)主要來源于氣象部門的觀測(cè)數(shù)據(jù)，不夠完整，也不能完全反映龍巖臺(tái)傾斜測(cè)點(diǎn)區(qū)域降水的具體情況，因此僅作為參考。2006-2018年的降雨數(shù)據(jù)，由龍巖臺(tái)觀測(cè)所得，如實(shí)反映了測(cè)點(diǎn)區(qū)域降水的詳細(xì)過程。

在研究中發(fā)現(xiàn)[3]，對(duì)垂直擺觀測(cè)資料造成影響的降雨模式主要有三種：（1）一定時(shí)間段內(nèi)的連續(xù)強(qiáng)降雨；（2）單日雨量不大，持續(xù)時(shí)間長；（3）短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)降雨。短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)降雨，引起觀測(cè)數(shù)據(jù)短時(shí)波動(dòng)，不影響觀測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。對(duì)2007-2014 年的觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析垂直擺兩分量變化與降雨的相關(guān)關(guān)系（表 3）。

從表3 及圖3 可以看出，除了2008 年、2009 年，其他年份降雨與垂直擺兩分量變化的相關(guān)性基本一致，變化時(shí)間略有滯后；量級(jí)有差異，這可能與降雨的具體過程有關(guān)系，需要另行深入研究。

圖3 降雨量與垂直擺異常變化量柱狀圖（2007-2014）

表3 降雨量與垂直擺異常變化量統(tǒng)計(jì)（2007-2014）

3 傾斜觀測(cè)三次異常變化

3.1 傾斜觀測(cè)三次異常變化特點(diǎn)

龍巖臺(tái)傾斜觀測(cè)1990 年以來出現(xiàn)過三次比較大幅度的異常變化（表4、圖4）。這三次異常變化有幾個(gè)特點(diǎn)：

表4 龍巖臺(tái)傾斜三次異常變化

圖4 龍巖臺(tái)傾斜三次異常時(shí)序曲線

（1）變化量巨大。兩套儀器三次異常表現(xiàn)顯著，幅度大。與降雨量相關(guān)的最大變化，北南分量和東西分量均為千ms 數(shù)量級(jí)，而異常變化量達(dá)數(shù)倍甚至十倍之多。

（2）持續(xù)時(shí)間長。兩套儀器三次異常持續(xù)時(shí)間長，三次異常變化最長的持續(xù)超過一年，最短的持續(xù)71 天。

（3）完全背離正常變化規(guī)律。在無降雨影響的時(shí)間段異常變化，與降雨量的相關(guān)性被改變。

3.2 近場區(qū)主要斷裂及地形地貌

龍巖臺(tái)傾斜測(cè)點(diǎn)近場區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要有北北東-北東向斷裂和南北向斷裂，其次有東西向斷裂和北西向斷裂（圖5）。

圖5 龍巖臺(tái)傾斜測(cè)點(diǎn)近場區(qū)主要斷裂

3.2.1 北北東-北東向斷裂

（1）蘇坂-黃坑斷裂帶（f4）：主要由兩條斷裂構(gòu)成，斷裂走向不一，為北東10-50°，傾向南東或北西。沿?cái)嗔褞r石破碎，巖層產(chǎn)狀凌亂。

（2）白沙-雁石斷裂帶（f5）：斷裂走向北東 20-45°，傾向南東或北西，傾角60-75°。

3.2.2 南北向斷裂

主要為龍門-培豐斷裂帶（f9）：走向北東 10°，傾向北西，傾角80°，由多條近于平行的斷面組成破碎帶。

3.2.3 東西向斷裂

主要為小池-巖山斷裂帶（f10）：斷裂帶延伸約29公里，由一系列小斷層組成，走向近東西，多數(shù)傾向北，傾角大于65°。

此外，龍巖臺(tái)測(cè)點(diǎn)東南面有永福-和溪斷裂，這是北東向政和-海豐斷裂帶在龍巖區(qū)域內(nèi)的主干斷裂，斷裂走向北北東15-30°，多數(shù)傾向北西，傾角50-80°。

3.3 三次傾斜異常變化相關(guān)的地震事件

構(gòu)造應(yīng)力場是斷裂活動(dòng)與發(fā)生地震的基本原因,地震震源機(jī)制解結(jié)果可反映地震震源區(qū)附近的應(yīng)力狀態(tài)。在龍巖臺(tái)測(cè)點(diǎn)三次異常出現(xiàn)前后，龍巖周邊區(qū)域發(fā)生數(shù)次M4.5 級(jí)左右地震。根據(jù)地震發(fā)生時(shí)間與傾斜異常持續(xù)時(shí)間，其中三次地震與傾斜異常存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系（表5），這三次地震均發(fā)生在龍巖臺(tái)傾斜異常結(jié)束后或者異常持續(xù)過程中（圖4）。在異常出現(xiàn)之前的地震，與異常也可能存在一定關(guān)聯(lián)，但是不具有預(yù)報(bào)意義，在此不做分析。

表5 相關(guān)地震事件信息及震源機(jī)制解[3]

（1）1992 年 11.26 連城賴源 5.0 級(jí)地震和 1997 年05.31 永安西南5.2 級(jí)地震發(fā)生的地質(zhì)構(gòu)造背景基本一致，均位于北東向政和-海豐活動(dòng)構(gòu)造帶中段的西北側(cè)；地震的等震線橢圓長軸呈北東稍偏北，說明地震與北東向斷裂的活動(dòng)有密切關(guān)系[4]。從震源機(jī)制解看出，這兩次地震P 軸方位北西292°和326°，發(fā)震構(gòu)造的應(yīng)力場與東南沿海南東東-北西西的區(qū)域應(yīng)力場基本一致。

龍巖臺(tái)傾斜測(cè)點(diǎn)與兩次地震震中的距離分別為45km 和56km，龍巖臺(tái)東南面有永福-和溪斷裂，這是北東向政和-海豐斷裂帶在龍巖區(qū)域內(nèi)的主干斷裂。

1992 年11.26 連城賴源5.0 級(jí)地震前，龍巖臺(tái)傾斜東西分量異常持續(xù)約530 天，表現(xiàn)為持續(xù)下降，下降幅度達(dá)19437ms，異常結(jié)束11 個(gè)月后發(fā)生地震。

1997 年05.31 永安西南5.2 級(jí)地震前，龍巖臺(tái)傾斜東西分量異常持續(xù)約71 天，表現(xiàn)為急劇下降，下降幅度達(dá)14094ms，期間有較大降雨干擾，北南分量表現(xiàn)與降雨負(fù)相關(guān)，東西分量沒有表現(xiàn)出跟降雨的相關(guān)性。異常結(jié)束13 個(gè)月后發(fā)生地震。

同樣的地震地質(zhì)背景，震中位置相差無幾，震源機(jī)制略有差異，龍巖臺(tái)傾斜異常表現(xiàn)有相似，也有差異：EW 分量有顯著異常，NS 分量無顯著異常；持續(xù)時(shí)間和異常幅度與地震強(qiáng)度沒有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。不過有一點(diǎn)需要提出來探討，正常情況下，東西分量與降雨正相關(guān)，在降雨影響下東西分量本應(yīng)該向東傾，但是在區(qū)域應(yīng)力場作用下，東西分量持續(xù)西傾，抵消了降雨影響。從另外一個(gè)角度來看，東西分量的異常還應(yīng)該加上被降雨影響消耗的那部分。

（2）2008 年 07.05 長泰 ML4.7 級(jí)地震發(fā)生于福建省長泰縣，本次地震發(fā)震構(gòu)造處于長樂-詔安斷裂帶中南段，附近有北西向九龍江斷裂帶。在北東向與北西向斷裂交匯的構(gòu)造部位，有溫泉出露，反映出第四紀(jì)以來具有一定活動(dòng)性，占主導(dǎo)地位的是北西向與北東向斷裂。該區(qū)域歷史上曾發(fā)生多次中強(qiáng)地震，其中1185 年6 月8 日漳州6.5 級(jí)地震為福建地區(qū)陸地上記錄到的最大地震。該次地震震源機(jī)制解為斜滑斷層，主壓應(yīng)力軸方向?yàn)榻鼥|西向[5]。

龍巖臺(tái)測(cè)點(diǎn)與本次地震震中相距約100km，與漳州分別位于政和-海豐斷裂帶兩側(cè)。在本次地震前約9個(gè)月開始，龍巖臺(tái)傾斜北南分量持續(xù)北傾，在地震發(fā)生后大約5 個(gè)月才結(jié)束。異常幅度達(dá)41724ms。東西分量沒有顯著異常表現(xiàn)。期間有強(qiáng)降雨影響，東西分量反映正常，表現(xiàn)為與降雨正相關(guān)，北南分量沒有表現(xiàn)出與降雨的相關(guān)性。

對(duì)原始觀測(cè)資料復(fù)盤的結(jié)果來看，異常幅度巨大。不過，在異常持續(xù)過程中，由于對(duì)儀器是否正常存疑，進(jìn)行過多次儀器的檢修、調(diào)試。這可能在一定程度上干擾儀器的異常變化。

4 結(jié)論

（1）龍巖臺(tái)傾斜三次異常變化，有兩次異常表現(xiàn)相似，對(duì)應(yīng)同樣的地震地質(zhì)背景；另外一次異常表現(xiàn)則完全不同。這可能反映了地殼構(gòu)造之間的關(guān)聯(lián)性，經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地殼結(jié)構(gòu)已經(jīng)是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的“多米諾骨牌”，應(yīng)力、應(yīng)變的傳遞路徑交疊曲折，地震前兆異常表現(xiàn)千變?nèi)f化。這也是地震預(yù)報(bào)的難度所在。

（2）儀器故障的辨識(shí)存在問題。異常的判斷要基于儀器正常運(yùn)行的基礎(chǔ)做出。三次異常出現(xiàn)的過程中，無一不是當(dāng)作儀器故障處理的，反復(fù)處理均未能解決問題，在異常結(jié)束后“不藥而愈”，自行恢復(fù)正常。這就需要在儀器出現(xiàn)異常變化的時(shí)候，能夠進(jìn)行儀器運(yùn)行狀態(tài)的鑒定，比如儀器比測(cè)或者有多套儀器同時(shí)運(yùn)行。

（3）降雨可以看作加卸載的因子，由傾斜儀器對(duì)降雨干擾的反應(yīng)，可以判斷儀器是否能夠?qū)Φ貧?gòu)造變化做出相應(yīng)的表現(xiàn)。

地震前兆異常的發(fā)現(xiàn)基于長期、連續(xù)、穩(wěn)定的觀測(cè)資料積累，抽絲剝繭地尋找正常變化規(guī)律是為了發(fā)現(xiàn)不符合以往規(guī)律的異常變化表現(xiàn)，這其中就包含了地震前兆異常。經(jīng)驗(yàn)源自于日積月累的日常觀測(cè)，這是地震分析預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。