臨汾臺VP型寬頻帶傾斜儀在2010年山西河津地震前的異常分析*

李 艷 高振強 張仰輝 李 軍 馮建琴 羅振東 馬武剛

1)山西省地震局臨汾中心地震臺，臨汾 041000

2)太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原 030025

3)山西省地震局夏縣中心地震臺，夏縣 044400

4)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

臨汾臺VP型寬頻帶傾斜儀在2010年山西河津地震前的異常分析*

李 艷1，2)高振強2，3)張仰輝1，2)李 軍1，2)馮建琴1，2)羅振東1，2)馬武剛4)

1)山西省地震局臨汾中心地震臺，臨汾 041000

2)太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原 030025

3)山西省地震局夏縣中心地震臺，夏縣 044400

4)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2010年1月24日河津M4.8地震前，臨汾臺VP型寬頻帶傾斜儀觀測到的異常變化為:1)震前1年曲線表現為典型的α、β、γ階段性異常形態;2)震前35天至震后7天觀測到慢地震過程;3)頻譜分析表明:震前1個月觀測信號在0.1、0.3、0.5 Hz頻段附近頻幅為明顯增大，震前當月在0.1～0.5 Hz頻段區間頻幅表現為增強;4)震前2個月加卸載響應比出現高、低值交替跳動，并隨主震的臨近響應比逐漸增大。

寬頻帶傾斜儀;河津地震;慢地震;頻譜異常;響應比

1 引言

形變觀測到的地震前兆是由地震孕育到破裂過程中地殼介質產生形變應變等力學特性變化的信息，地震前兆存在場兆和源兆之分，其中場兆與地震發生是一種間接關系，是大范圍內的異常現象;而源兆則主要是震源區及近源區出現的效應。顯然，源兆的捕捉對地震的預報極為有利。地傾斜觀測反映的是有限局部空間范圍內的微形變，可直接觀測到地殼介質的微動態變化，捕捉地殼介質破裂前的力學變化信息，比較適用于監測地震的中短和短臨階段的前兆(源兆)［1，2］。通過對臨汾臺 VP 型寬帶傾斜儀的觀測數據的分析發現，該序列資料清晰地反映了2010年1月24日河津地震孕育整個過程中地形變前兆異常的各個階段性變化特征。

2 寬帶傾斜儀異常曲線的階段性特征

2.1 寬帶傾斜儀映震能力概述

應用傅里葉快速變化方法(FFT)分析臨汾臺VP型寬頻帶傾斜儀和SSQ-2Ⅰ型石英擺傾斜儀在正常背景時的頻譜圖形。兩臺儀器布設于臨汾臺同一山洞的不同硐室中，計算時長為2009年9月4—10日。二者觀測的優勢頻率均在低頻端(鑒于篇幅所限，圖1僅給出0.1～0.5 Hz區間的頻率圖形)。由圖1可知，寬頻帶傾斜儀的頻譜幅度是石英擺的5～10倍，說明在上述頻段區間，前者所觀測的信號頻率帶寬明顯優于后者;2009年3月28日在山西原平發生M4.2地震，震中距臨汾臺約341 km，石英擺未記錄到任何同震變化信息(圖2(a))，寬帶擺則記錄到持續4分鐘的同震階變、階變最大幅度為4.4 ms(圖2(b));同年11月5日陜西高陵發生的M4.4地震，震中距臨汾臺約265 km，同樣石英擺未記錄到任何同震變化(圖2(c))，而寬帶擺記錄到持續9分鐘的同震階變、階變幅度為22.8 ms(圖2(d))。由此可見，寬帶傾斜儀觀測信號響應能力優于石英擺傾斜儀。至于兩儀器同分量記錄相位相反的差異性特征，筆者認為可能與擺的工作周期、動態范圍、頻帶響應等參數不同有關，如石英擺固有周期在14 s左右，寬帶擺為0.6 s，石英擺觀測頻帶范圍為 DC ～0.008 Hz，寬帶擺為 DC ～0.5 Hz［3］。

以上表明，臨汾臺VP型寬帶傾斜儀觀測頻率帶寬優于同臺的石英擺傾斜儀;對于300 km以內的中等地震記錄的響應能力前者亦明顯優于石英擺，說明寬頻帶傾斜儀能記錄到孕震區更精細、更豐富的地殼微形變［4］。

圖1 正常時段寬帶傾斜儀與石英擺傾斜儀觀測值頻譜對比Fig.1 Comparison of observation frequency spectrum between the broad frequency band tiltmeter and quartz pendulum tiltmeter in normal period

圖2 石英擺傾斜儀與寬帶傾斜儀的同震響應Fig.2 Coseismic response record curve of the quartz pendulum tiltmeter and broad frequency band tiltmeter

2.2 曲線異常的階段性特征

地震地形變存在著一個由繼承性(準線性勻速)運動→偏離繼承性運動(加速度)→發生地震→震后調整逐步回復到繼承性運動的過程。因此，當地形變時序出現由準線性至非線性的趨勢變化時，有可能是強震的中、短期前兆，即擴容形變學說的“α、β、γ”階段［5］。

臨汾臺VP型寬頻帶傾斜儀安裝于2008年9月中旬，經過短暫的調試、磨合，當月底儀器已能記錄到清晰的固體潮。圖3是該傾斜儀SN分量在2010年1月24日山西河津M4.8地震前1年的日均值曲線，可將地震異常過程劃分為α、β、γ 3個階段。在2009年2、3月曲線呈正常的持平變化(α階段，準線性形變)，從4月開始突然轉為快速上升變化即β1階段，7月下旬至12月初轉為波動變化的β2階段(β1和β2階段為震前非線性加速度形變)，12月5日后出現轉折進入加速下降的臨震預滑階段，即γ1階段，該階段還出現了明顯的應力降成分。2009年3月28日原平發生M4.2地震，山西帶進入一個相對活躍時段，寬頻帶傾斜儀觀測數據即出現加速變化(β1階段)，即河津地震開始進入孕育階段。1月初在山西帶南部的陜西高陵又發生了一次M4.4地震，1個月后曲線進入γ1階段，該階段曲線急速下降了15天，在12月20日轉為持平，1月后發震(圖3)。

圖3 河津地震前臨汾寬帶傾斜儀SN分量日均值曲線Fig.3 SN component average daily value curve of Linfen broad frequency band tiltmeter before Hejin earthquake

2.3 階躍擾動(慢地震)現象的機理

地震前，震源區或近源區地殼介質會產生許多微小的錯動及裂縫，大量微錯微裂的產生可以發生頻帶較寬的振動，并且可以以波的形式向外發射，這種波既有高頻、中頻，也含有低頻［6］。

圖4是γ1以后階段曲線的放大圖。在2009年12月5日開始的半個月時間內，曲線急速下降幅度達330 ms，12月20日以后曲線轉為持平變化但出現連續的階躍擾動現象，35天后距離臺站89 km南偏西方向的河津地區發生4.8級地震，地震后階躍擾動現象持續7天后消失。圖5是放大的擾動圖像，擾動最多時1天出現7次，擾動的最大幅度為25 ms，且每次擾動都有尖銳的起始。為區別上述擾動過程和蠕滑運動，筆者將類似于圖5的形變異常圖像稱之為“慢地震過程”。慢地震過程與蠕滑運動的根本差異在于［7］:

1)蠕滑運動不存在尖銳的起始，慢地震則最少有一次尖銳起始，且必然帶有沖壓性的特征;

2)蠕滑運動不存在彈性回跳分量或者應力降成分，而慢地震則存在解鎖的過程(所謂解鎖，就是破裂);

3)蠕滑運動不可能出現超長周期的自由振蕩分量。

圖5中曲線出現的多次階躍跳動現象符合上述的前2項特征，另1月20—21日曲線明顯帶有超長周期自由振蕩的性質(固體潮形態清晰，其卓越周期約為8～10小時)，所以將河津地震前35天、震后7天出現的連續階躍擾動現象稱之為“慢地震過程”，而這種包含有低頻異常信號的波動現象被臨汾臺寬帶傾斜儀所記錄到。

因VP型寬帶傾斜儀頻帶響應范圍是普通傾斜儀的20倍以上［8］，能記錄到普通傾斜儀無法記到的某些頻段域信號，這可能是臨汾臺其他2套傾斜儀(石英擺、垂直擺)沒有記到慢地震事件的主要原因［3］。

圖4 河津地震前臨汾寬帶傾斜儀SN分量整時值曲線(2009-12-01—2010-02-06)Fig.4 SN component integral point value curve of Linfen broad frequency band tiltmeter before Hejin earthquake(2009-12-01—2010-02-06)

圖5 河津地震前臨汾寬帶傾斜儀SN分量分鐘值曲線(2009-01-17—2010-01-28)Fig.5 SN component minute value curve of Linfen broad frequency band tiltmeter before Hejin earthquake(2009-01-17—2010-01-28)

3 頻譜異常分析

頻譜分析可以揭示在地形變信息頻域中各種信息變化的特性，從而識別震前存在的異常信息，即異常信號的周期信息。圖6為傅里葉快速變化頻譜方法計算結果(FFT分析)，圖6(a)、(b)、(c)分別是2009年11月、2009年12月及2010年1月1—23日寬帶擺傾斜儀SN向觀測數據頻譜分析結果。在圖6(a)中，各頻率域中的信號變化背景正常，變化幅度很小，沒有出現異常;而到了12月，在0.1、0.3、0.5 Hz頻段附近信號頻幅值出現了明顯增大(圖6(b));進入2010年1月即24日河津地震前，0.1～0.5 Hz頻段區間頻幅呈增強趨勢(圖6(c))。說明在河津4.8級地震前，寬帶擺傾斜儀在上述頻段內記錄到了明顯的異常信息，而與寬帶擺安裝在同一山洞內的石英擺傾斜儀和垂直擺傾斜儀，經FFT分析并未提取到異常信號。

圖6 河津地震前寬帶傾斜儀頻譜Fig.6 Frequency spectrum curve of broad frequency band tiltmeter before Hejin earthquake

4 加卸載響應比異常

地震的孕育與發生是一個非線性系統的失穩過程，在臨近失穩時加載與卸載的響應是不同的，理論上加載響應遠大于卸載響應，因此加卸載響應比值反映了孕震系統的失穩程度。如圖7，2009年7月中旬至8月上旬出現的高值異常可能與11月5日高陵4.4級地震有關;11月下旬開始響應比值連續出現高、低值交替變化，并且隨著河津主震的臨近響應比值越來越大，真實地反映了4.8級孕震系統破裂前的失穩狀態，河津地震后響應比值即恢復正常。

圖7 臨汾寬帶傾斜儀SN分量加卸載響應比曲線(2009-02—2010-02)Fig.7 SN component load-unload response ratio curve of Linfen broad frequency band tiltmeter(2009-02—2010-02)

5 結論與討論

通過對臨汾臺VP型寬帶傾斜儀在2010年1月河津M4.8地震前觀測數據分析，得到以下結論:

1)該序列資料清晰地反映了河津地震孕育過程中地形變的中、短臨期不同階段的變化特征，即典型的“α、β、γ”變化圖像。

2)震前35天至震后7天觀測到慢地震過程。

3)頻譜分析表明，地震前1個月觀測信號的0.1、0.3、0.5 Hz頻段附近幅度增大，震前當月 0.1～0.5 Hz區間頻段幅度增大。

4)加卸載響應比在河津地震前2月出現顯著的高、低值交替變化，說明孕震區已進入失穩的臨界變化狀態，且隨著發生主震時間的逼近，響應比值逐漸增大，地震后響應比值恢復正常。

1 張雁濱，等.地殼介質微形變異常與強震短臨前兆［J］.地震學報，2002，24(1):103 －108.

2 李正媛，等.川滇強震震源區形變潮汐短臨變化特征［J］.大地測量與地球動力學，2003，(2):55－60.

3 高振強，等.臨汾臺擺式傾斜儀平行觀測的差異性特征及其觀測布局建議［J］.大地測量與地球動力學，2010，(增刊Ⅱ):22－26.

4 李艷，高振強，程冬焱.山西臨汾臺寬頻帶傾斜儀映震能力淺析［J］.山西地震，2012(1):7－10.

5 梅世蓉，等.中國地震預報概況［M］.北京:地震出版社，1993.

6 郭增建，秦保燕.震源物理［M］.北京:地震出版社，1979.

7 陳立軍.禾青井動水位對斷層蠕動與慢地震過程的響應初析［J］.華南地震，1997，17(2):40 －44.

8 馬武剛，等.新型寬頻帶垂直擺儀的設計及應用［J］.測繪信息與工程，2010，35(5):28 －29.

ANOMALY ANALYSIS OF VP TYPE BROAD FREQUENCY BAND TILTMETER AT LINFEN SEISMOSTATION BEFORE SHANXI HEJIN EARTHQUAKE

Li Yan1，2)，Gao Zhenqiang2，3)，Zhang Yanghui，Li Jun1，2)，Feng Jianqin1，2)，Luo Zhendong1，2)and Ma Wugang4)
1)Linfen Central Seismostation，Earthquake Administration of Shanxi Province，Linfen 041000
2)Taiyuan State Observatory of Continental Rift Valley Dynamics，Taiyuan 030025
3)Xiaxian Central Seismostation，Earthquake Administration of Shanxi Province，Xiaxian 044400
4)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan430071

On the basis of the observation data of VP type broad frequency band tiltmeter in Linfen seimmostation，the overall elaborate change process of seismogenic system before Hejin M4.8 earthquake was recorded:1)one year before the earthquake，the curve had the performance of α、β、γ stage anomaly form;2)The slow earthquakes were recorded from 35 days before and 7 days after the earthquake;3)Frequency spectrum analysis showed:one month before the earthquake，the amplitude magnified obviously in frequency range of 0.1，0.3 and 0.5 Hz，in the month of the earthquake occurring，the amplitude strengthened in frequency range of 0.1 －0.5 Hz;4)Two months before the earthquake，the load-unload response ratio appeared the high and low level fluctuation，and the load-unload response ratio figure was increscent with arrival of the earthquake.

broad frequency band tiltmeter;Hejin earthquake;slow earthquake;frequency spectrum anomaly;response ratio

P315.6

A

1671-5942(2013)Supp.(Ⅱ)-0024-04

2012-02-20

2011年山西省地震局科研項目(SBK－1118);山西省自然科學基金(2011011027)

李艷，女，1971年生，工程師，主要從事臺站前兆監測及分析工作.E－mail:liyan0725@126.com