楊玲英 畢靈晶 楊 星 楊 祺※ 蔣 薇

1) 云南省地震局，云南昆明 650224

2) 云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，云南昆明 650551

引言

定點(diǎn)形變監(jiān)測(cè)是具有明確物理意義的地震前兆監(jiān)測(cè)手段之一，已有許多學(xué)者對(duì)定點(diǎn)形變的異常機(jī)理做過(guò)研究[1-6]。垂直擺作為一種周期短、采樣率高的定點(diǎn)形變類(lèi)地震前兆監(jiān)測(cè)儀器，它的地震前兆監(jiān)測(cè)意義是很明顯的。這種儀器在云南省投入地震前兆監(jiān)測(cè)已經(jīng)十幾年了，它的映震能力如何呢？值得仔細(xì)研究。

地震作為一種明確的地球物理事件，理論上來(lái)說(shuō)只要在監(jiān)控范圍內(nèi)，所有的地震前兆監(jiān)測(cè)儀器都會(huì)記錄到，但現(xiàn)實(shí)中卻不盡然。同震響應(yīng)是地震前兆儀器對(duì)已經(jīng)發(fā)生的地震的一種真實(shí)記錄，是寫(xiě)實(shí)版、放大版的“前兆”。地震前，地殼巖石圈的微破裂、應(yīng)力積累，前兆儀器能記錄到的往往只是蛛絲馬跡，是朦朧版、縮小版的前兆。研究某種前兆儀器的同震響應(yīng)特征、前兆反映特征，可為未來(lái)地震前兆監(jiān)測(cè)儀器的選擇、地震預(yù)測(cè)提供參考服務(wù)。本文利用震例總結(jié)分析方法，通過(guò)對(duì)云龍、云縣、永勝、通海等10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)垂直擺監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在云南省內(nèi)及周邊最近10年發(fā)生的51次中強(qiáng)地震的同震響應(yīng)、震前情況研究，總結(jié)出云南垂直擺的映震能力。

1 研究樣本選擇

垂直擺自“十五”項(xiàng)目期間在云南開(kāi)始投入觀測(cè)，后經(jīng)儀器更新改造項(xiàng)目、各地州提升監(jiān)控能力等一系列項(xiàng)目的不斷投入，至今已有VS、VP兩種型號(hào)14套儀器觀測(cè)過(guò)，永勝、楚雄的VS已經(jīng)停止觀測(cè)。目前仍在運(yùn)行的有12套儀器，分別是楚雄（VP）、云縣（VP）、云龍（VS、VP）、通海（VS、VP）、孟連（VS）、永勝（VP）、勐臘（VP）、個(gè)舊（VP）、巧家（VP）、昭通（VP），共10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，圖1為全省觀測(cè)點(diǎn)的分布情況。

圖1 云南省垂直擺傾斜觀測(cè)點(diǎn)分布圖Fig. 1 Distribution of vertical pendulum tilt observation points in Yunnan Province

本研究對(duì)云南全省在運(yùn)行的所有垂直擺儀器最近10年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都進(jìn)行了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的再處理，經(jīng)過(guò)前期數(shù)據(jù)處理的篩選，選取運(yùn)行率高、數(shù)據(jù)完整性好、數(shù)據(jù)正式進(jìn)入國(guó)家數(shù)據(jù)庫(kù)的云龍、云縣、永勝、通海監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為重點(diǎn)研究對(duì)象，前兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)使用的VP型號(hào)、采樣率為秒的垂直擺，后兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)使用的VS型號(hào)、采樣率為分鐘的垂直擺。選取它們也從地域上是有所考慮的，云龍地處云南省滇西偏北，位于紅河斷裂中段西側(cè)，在紅河斷裂與瀾滄江斷裂之間，更靠近瀾滄江斷裂。云縣主要受NNE向南汀河斷裂控制，對(duì)于監(jiān)測(cè)西部龍陵、芒市，南部耿馬、瀾滄，東南部思茅、普洱，東北部景東、景谷地區(qū)的地震活動(dòng)是不可缺少的。永勝位于麗江—寧蒗斷裂帶和賓川—程海斷裂帶之間的永勝盆地東緣山腳下，永勝盆地屬斷陷盆地，盆地西緣即程海斷裂北段，地處多條斷裂帶交匯處，歷史上的1515年曾發(fā)生Ⅹ度（7.5級(jí)）的大地震，該地區(qū)小震活動(dòng)頻繁，屬地震活躍區(qū)。云龍、云縣、永勝3個(gè)臺(tái)站對(duì)云南地震比較多的滇西北、滇西、滇西南能夠有較好的控制。通海地處NW向的曲江斷裂中段、NS向的小江斷裂南段，這兩條斷裂在通海附近交匯，斷裂構(gòu)造發(fā)育，地震活動(dòng)頻繁。云南著名的8條地震帶中的通海石屏地震帶和小江地震帶覆蓋其全境及周邊[7]。

2 云龍、云縣、永勝、通海垂直擺監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在省內(nèi)及周邊中強(qiáng)地震的同震響應(yīng)特征

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2009—2018年10年間，在云南省內(nèi)及周邊共發(fā)生了51次ML≥5.0以上地震。根據(jù)吳翼麟[8]按現(xiàn)有臺(tái)站的實(shí)際觀測(cè)精度，形變監(jiān)測(cè)地震的能力半徑DJ與震級(jí)M的關(guān)系式為lgDJ=0.303(M+1.6)，分別計(jì)算51次地震中有多少次在云龍、云縣、永勝、通海、巧家這幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)控能力范圍內(nèi)，對(duì)落入范圍內(nèi)的地震進(jìn)行同震響應(yīng)特征、前兆異常特征研究。下面表1—表4中NS分量的響應(yīng)形態(tài)“階降”表示形變向南傾斜，“階升”表示形變向北傾斜；EW分量的響應(yīng)形態(tài)“階降”表示形變向西傾斜，“階升”表示形變向東傾斜；“波動(dòng)”表示沒(méi)有優(yōu)勢(shì)方向、有升有降。

2.1 云龍臺(tái)（VP）垂直擺監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的同震響應(yīng)特征

云龍臺(tái)VS型垂直擺是作為VP型的對(duì)比觀測(cè)使用，觀測(cè)數(shù)據(jù)不納入云南臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，其數(shù)據(jù)不做研究，本文只研究VP型垂直擺的觀測(cè)數(shù)據(jù)。云龍臺(tái)（VP）垂直擺2014年12月16日架設(shè)，2015年1月1日開(kāi)始正式記錄。數(shù)據(jù)完整率是100%，內(nèi)在質(zhì)量精度、潮汐因子、噪聲水平都在觀測(cè)質(zhì)量考核指標(biāo)的較高水平線上，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度高、可靠性好。兩分量格值分別是：ηNS=0.066 11×10-3″/mV，ηEW=0.052 88×10-3″/mV，而且年變化范圍穩(wěn)定在0.2%以?xún)?nèi)，符合觀測(cè)規(guī)范要求。在這4年多的時(shí)間中云南省內(nèi)及周邊共發(fā)生了11次M≥5.0的地震，根據(jù)形變監(jiān)測(cè)地震的能力半徑DJ與震級(jí)M的關(guān)系式計(jì)算，有3次地震不在云龍形變的監(jiān)控能力范圍內(nèi)，其余8次在監(jiān)控能力范圍內(nèi)，它們的同震響應(yīng)情況見(jiàn)表1。

表1 云南云龍地震臺(tái)形變的同震響應(yīng)特征Table1 Co-seismic response characteristics of deformation of Yunlong seismic station in Yunnan Province

從表1可看出： ① 在8次云龍垂直擺有監(jiān)控能力的地震中，每一次都有同震響應(yīng)，通過(guò)矢量合成得知，其中同震響應(yīng)變化量最大的是2017年11月18日發(fā)生的西藏林芝6.7級(jí)地震，最小的是2014年12月26日發(fā)生的緬甸5.0級(jí)地震； ② 同震響應(yīng)形態(tài)多以階降的形式出現(xiàn)； ③ 同震響應(yīng)率100%。

研究發(fā)現(xiàn)，在8次兩分量都有同震響應(yīng)的地震中，7次震前有固體潮畸變（圖2），其中6次地震固體潮畸變的形式是潮汐基本形態(tài)不變，但是在其上疊加著高頻振動(dòng)，比較典型的是2016年5月18日的洱源5.1級(jí)地震（圖2a）；其余1次地震的固體潮基本形態(tài)畸變，是2014年12月26日的緬甸5.0級(jí)地震（圖2b）。前兆異常響應(yīng)率87.5%。

圖2 云龍垂直擺前兆異常變化形態(tài)圖Fig.2 Precursory abnormal change pattern of Yunlong vertical pendulum

2.2 云縣臺(tái)（VP）垂直擺監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的同震響應(yīng)特征

云縣臺(tái)（VP）垂直擺自2012年10月1日開(kāi)始正式記錄，截止到2018年12月。數(shù)據(jù)平均完整率是92.8%，內(nèi)在質(zhì)量精度、潮汐因子、噪聲水平都在觀測(cè)質(zhì)量考核指標(biāo)的較高水平線上。兩分量格值分別是：ηNS=15.078 9×10-3″/mV，ηEW=9.675 6×10-3″/mV，而且年變化范圍基本穩(wěn)定在0.2%以?xún)?nèi)，符合觀測(cè)規(guī)范要求。在這6年多的時(shí)間中云南省內(nèi)及周邊共發(fā)生了33次M≥5.0的地震，根據(jù)形變監(jiān)測(cè)地震的能力半徑DJ與震級(jí)M的關(guān)系式計(jì)算，有5個(gè)地震不在云縣形變的監(jiān)控能力范圍內(nèi)，其余28個(gè)在監(jiān)控能力范圍內(nèi)，這28個(gè)地震都有同震響應(yīng)，它們的同震響應(yīng)情況見(jiàn)表2。

從表2可看出： ① 在28次云縣垂直擺有監(jiān)控能力的地震中，每一次都有同震響應(yīng)，通過(guò)矢量合成得知，其中同震響應(yīng)變化量最大的是2016年5月18日發(fā)生的洱源5.1級(jí)地震，最小的是2014年12月26日發(fā)生的緬甸5.0級(jí)地震； ② 同震響應(yīng)形態(tài)多以階降的形式出現(xiàn)； ③ 同震響應(yīng)率100%。

表2 云南云縣地震臺(tái)形變的同震響應(yīng)特征Table2 Co-seismic response characteristics of deformation of Yunxian seismic station in Yunnan Province

研究發(fā)現(xiàn)，在28次兩分量都有同震響應(yīng)的地震中，21次震前有固體潮畸變（圖3），其中20次地震固體潮畸變的形式是潮汐基本形態(tài)不變，但是在其上疊加著高頻振動(dòng)，比較典型的是2014年10月7日的景谷6.7級(jí)地震（圖3a）；其余1次地震的固體潮基本形態(tài)畸變，它是2013年3月3日的洱源5.8級(jí)地震（圖3b）。前兆異常響應(yīng)率65.6%。

圖3 云縣垂直擺前兆異常變化形態(tài)Fig. 3 Precursory abnormal change pattern of Yunxian vertical pendulum

2.3 永勝臺(tái)（VS）垂直擺監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的同震響應(yīng)特征

永勝臺(tái)（VS）垂直擺自2007年6月觀測(cè)至2018年11月停止，之后再次架設(shè)了VP、VS型垂直擺繼續(xù)觀測(cè)，本文選取VS型觀測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。永勝臺(tái)（VS）垂直擺2009年1月1日—2018年11月的觀測(cè)數(shù)據(jù)平均完整率是85.4%，數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量精度高、噪聲水平適中。兩分量格值分別是：ηNS=0.082 63×10-3″/mV，ηEW=0.090 67×10-3″/mV，而且年變化范圍基本穩(wěn)定在0.2%以?xún)?nèi)，符合觀測(cè)規(guī)范要求。在資料選取的這10年中，有13個(gè)月因?yàn)閮x器故障停測(cè)，其余時(shí)段內(nèi)在云南省內(nèi)及周邊共發(fā)生了37次M≥5.0的地震。根據(jù)形變監(jiān)測(cè)地震的能力半徑DJ與震級(jí)M的關(guān)系式計(jì)算，有2次地震不在永勝形變的監(jiān)控能力范圍內(nèi)，其余35次在監(jiān)控能力范圍內(nèi)，但2014年5月30日的盈江5.0級(jí)地震，因與前一次地震的發(fā)震時(shí)刻僅僅相差37 s，波形被前一次地震的S波覆蓋，無(wú)法識(shí)別震動(dòng)方向與持續(xù)時(shí)間；2016年5月18日發(fā)生的洱源5.1級(jí)地震，因?yàn)閮x器故障缺數(shù)，故這2次地震不做分析與統(tǒng)計(jì)，其余33次地震，它們的同震響應(yīng)情況見(jiàn)表3。

從表3可看出： ① 在33次永勝垂直擺有監(jiān)控能力的地震中，有31次地震有同震響應(yīng)，通過(guò)矢量合成得知，其中同震響應(yīng)變化量最大的是2014年10月7日發(fā)生的景谷6.7級(jí)地震，最小的是2010年1月1日發(fā)生的劍川5.1級(jí)地震； ② 同震響應(yīng)形態(tài)多以階降的形式出現(xiàn)，但是波動(dòng)的形式比其他觀測(cè)點(diǎn)偏多； ③ 同震響應(yīng)率93.9%。

表3 云南永勝地震臺(tái)形變的同震響應(yīng)特征Table 3 Co-seismic response characteristics of deformation of Yongsheng seismic station in Yunnan Province

研究發(fā)現(xiàn)，在31次兩分量都有同震響應(yīng)的地震中，13次震前有固體潮畸變（圖4）。其中6次地震固體潮畸變的形式是潮汐基本形態(tài)不變，但是在其上疊加著高頻振動(dòng)，比較典型的是2014年5月24日的盈江5.8級(jí)地震（圖4a）；其余7次固體潮汐基本形態(tài)變化，比較典型的是2010年2月25日的元謀5.5級(jí)地震（圖4b）。前兆異常響應(yīng)66.7%，比較顯著的特點(diǎn)是NS向的前兆異常響應(yīng)率明顯優(yōu)于EW向。

圖4 永勝垂直擺前兆異常變化形態(tài)Fig. 4 Precursory abnormal change pattern of Yongsheng vertical pendulum

2.4 通海臺(tái)（VS）垂直擺監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的同震響應(yīng)特征

通海臺(tái)（VS）垂直擺自2007年投入觀測(cè)至今，運(yùn)行良好，兩分量數(shù)據(jù)完整率達(dá)99%以上。兩分量格值分別是：ηNS=0.082 04×10-3″/mV，ηEW=0.071 88×10-3″/mV，而且年變化范圍基本穩(wěn)定在0.2%以?xún)?nèi)，觀測(cè)質(zhì)量在云南省內(nèi)同類(lèi)儀器中名列前茅。根據(jù)形變監(jiān)測(cè)地震的能力半徑DJ與震級(jí)M的關(guān)系計(jì)算，2009—2018年的10年間，在云南省內(nèi)及周邊共發(fā)生了51次M≥5.0的地震，有6次地震不在通海形變的監(jiān)控能力范圍內(nèi)，其余45次在監(jiān)控能力范圍內(nèi)[9]，它們的同震響應(yīng)情況見(jiàn)表4。

從表4可看出： ① 在45次通海形變有監(jiān)控能力的地震中，有3次地震沒(méi)有同震響應(yīng)，通過(guò)矢量合成得知同震響應(yīng)變化量最大的是2014年8月3日發(fā)生的魯?shù)?.5級(jí)地震，最小的是2013年2月19日發(fā)生的巧家5.3級(jí)地震； ② 同震響應(yīng)形態(tài)多以階變的形式出現(xiàn)，尤其是階降的形式； ③ 同震響應(yīng)率93.3%。

表4 云南通海地震臺(tái)形變的同震響應(yīng)特征Table 4 Co-seismic response characteristics of deformation of Tonghai seismic station in Yunnan Province

研究發(fā)現(xiàn)，在39次兩分量都有同震響應(yīng)的地震中，31次震前有固體潮畸變（圖5），2次地震固體潮畸變的形式是潮汐基本形態(tài)不變，但是在其上疊加著高頻振動(dòng)，比較典型的是2014年10月7日的景谷6.7級(jí)地震（圖5a）；其余29次變化形式是固體潮汐的基本形態(tài)變化，比較典型的是2009年7月9日的姚安6.3級(jí)地震（圖5b）。前兆異常響應(yīng)率79.5%，比較顯著的特點(diǎn)是NS、EW向的前兆異常響應(yīng)都比較好，一些震級(jí)比較?。ǖ陀?.0級(jí)）的地震也有固體潮汐畸變。

圖5 通海垂直擺前兆異常變化形態(tài)Fig. 5 Precursory abnormal change pattern of Tonghai vertical pendulum

續(xù)表4

3 云南垂直擺全部測(cè)點(diǎn)的映震情況

為全面掌握垂直擺這一測(cè)項(xiàng)在云南的映震情況，對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的同震響應(yīng)、震前異常響應(yīng)都利用震例總結(jié)的方法進(jìn)行了研究（表5），表中的前兆異常響應(yīng)率是排除了儀器、環(huán)境、人為、氣候干擾因素后計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表5 云南垂直擺所有測(cè)點(diǎn)映震情況統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of earthquake reflection at all measuring points of vertical pendulum in Yunnan Province

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)云南10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的10套不同型號(hào)垂直擺觀測(cè)儀器數(shù)據(jù)的研究，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

（1）云南垂直擺每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果都有同震響應(yīng)，但是響應(yīng)率差異很大，與各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)完整率成正相關(guān)關(guān)系。一般情況下，完整率高，同震響應(yīng)率也高。全省最高的是云龍測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)完整率100%，同震響應(yīng)率100%；最低的是昭通的測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)完整率27.4%，同震響應(yīng)率11.8%。

（2）云南垂直擺各測(cè)點(diǎn)的同震響應(yīng)的矢量合成結(jié)果大小與震級(jí)、震中距基本成正相關(guān)關(guān)系，個(gè)別測(cè)點(diǎn)受斷裂帶、地質(zhì)條件影響。

（3）云南垂直擺各測(cè)點(diǎn)的同震響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間與震級(jí)、震中距成弱相關(guān)關(guān)系。

（4）云南垂直擺各測(cè)點(diǎn)的同震響應(yīng)形態(tài)90%以上以“階降”形式出現(xiàn)。

（5）云南垂直擺各測(cè)點(diǎn)的前兆異常響應(yīng)率差異很大，前兆異常響應(yīng)率與各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)完整率成正相關(guān)關(guān)系，各測(cè)點(diǎn)前兆異常響應(yīng)率受儀器工作狀態(tài)、觀測(cè)環(huán)境影響大。

（6）VP型垂直擺儀器前兆異常響應(yīng)形態(tài)多以“固體潮基本形態(tài)不變，但在固體潮上疊加有密集的高頻振動(dòng)成分”的形式出現(xiàn)。VS型垂直擺儀器前兆異常響應(yīng)形態(tài)多以“固體潮基本形態(tài)不光滑、畸形”的形式出現(xiàn)，此差異與兩種儀器的采樣率不同相關(guān)。

利用震例總結(jié)的方式來(lái)尋找云南垂直擺這類(lèi)儀器的同震響應(yīng)、前兆異常響應(yīng)特征、規(guī)律，能為以后的地震前兆監(jiān)測(cè)儀器選型、地震預(yù)測(cè)服務(wù)提供參考。無(wú)論哪種類(lèi)型的地震前兆監(jiān)測(cè)儀器，其觀測(cè)數(shù)據(jù)受影響因素很多，值得更深入、細(xì)致的研究。

續(xù)表 5