山西臨汾中心地震臺數字化定點形變觀測異常與地震對應關系分析

郭國祥，張紅秀，郭林旺，劉國俊，邰垣東

（1.山西省地震局臨汾中心地震臺，山西 臨汾 041000；2.山西省地震局夏縣中心地震臺，山西 夏縣 044400；3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025）

0 引言

臨汾臺在“九五”“十五”項目中，相繼投入使用一批數字化定點形變觀測儀器，臺站定點形變觀測包括應變和傾斜觀測兩部分。應變觀測使用儀器為鉆孔體應變和伸縮儀，傾斜觀測使用儀器為VS型垂直擺傾斜儀、水管傾斜儀、SSQ－2I水平擺、VS型垂直擺。自觀測以來，不少學者對觀測資料和震例進行了分析和研究，得出了一些有益的認識［1－2］，與山西帶相關的斷層形變研究也取得一些成果［3－4］。臨汾形變觀測臺站四周均為農田，無大型工礦企業，干擾很小，觀測環境優越。儀器安裝在羅云山斷裂帶附近、紫金山山前斷裂帶中段，用來監測該斷裂帶及其周邊地區的地殼表面形態變化和固體潮的動態變化，為地震預測及震后趨勢判斷提供科學依據。

1 震前異常圖像類型

地殼形變與地震的孕育發生有著緊密的聯系，此方面已積累了許多成果。隨著數字化觀測儀器投入到地震觀測之中，克服了模擬記錄中的人為干擾因素，為地震分析預報提供了更加翔實的資料，使地震預報的依據更加真實可靠。各種地震前兆觀測資料是地震預報的基本依據，地震前兆異常的識別、提取是地震預報的前提。在實驗研究巖石破裂時，發現主破裂前往往存在應變擾動，即在長趨勢形變變化的背景上還有突升、突降或者類似于波的應變擾動［5］。在大地震之前，一些連續觀測的形變儀器能記錄到擾動或波動現象，其本質是否是地震短臨前兆反映？實踐表明，只有觀測并識別出可靠的地震前兆，正確判斷中短期前兆及識別地震孕育從中長期向中短期過渡的標志，才有可能對中強震做出中短期判定，進而進行短臨跟蹤預報。文章選取近幾年臺站所記錄的資料，對照臺站儀器工作日志進行認真的分析，排除氣象、人為等干擾因素的影響，初步總結出臺站所記錄的數字化地形變震前出現的幾種異常圖像。

1.1 短期趨勢轉折

短期趨勢轉折在定點形變觀測中是常出現的一種異常形態，有時在一個或多個方向出現，有時向下，有時向上突起，其出現的原因十分復雜，但通過詳細分析，發現有很大一部分短期趨勢轉折出現后，往往會發生一些地震。大幅度趨勢性變化圖像是臨汾臺記錄的地震前常見異常圖像之一，這種趨勢性變化，在某種程度上與未來震中方位有一定關聯。如，從水平擺2010年1月至3月變化趨勢曲線可以看出（見圖1），NS、EW 向漂移較大，NS向3個月漂移量達292.61ms，EW向漂移526.87ms。水平擺總體向東南方向漂移，NS向曲線升降幅度較大。NS、EW向在同一時間，均有3個速率異常時段，智利地震發生在第3速率異常時段。SSQ－2I石英擺記錄異常波形特征主要表現為轉向、加速上升、加速下降。

圖1 2010年1月至3月臨汾臺水平擺整點值曲線圖Fig.1 Integral hour value of horizontal pendulum tiltmeter at Linfen Station from January to March，2010

從垂直擺2010年3個月的變化趨勢圖看出（見圖2），固體潮曲線經過多次轉向加速后向東南方向傾斜，1月13日海地7.3級、1月24日山西河津4.8級、2月27日琉球7.2級和智利8.8級地震都發生在轉折和加速時段。2010年2月3日至5日，NS向南傾速率加大，3日4時觀測值為－265.23ms，5日4時觀測值－343.07ms，南傾77.84ms；2月5日至9日，再次轉向加速，北傾40.84ms，9日至20日恢復正常；21日轉向南傾，一直到27日發生琉球7.2、智利8.8級地震，地震之后繼續南傾；EW 向在5日轉向后，持續緩慢向東傾斜。5日測值279.56ms，27日測值693.98ms，22d內加速東傾414.42ms。

圖2 2010年1月至3月臨汾臺垂直擺整點值曲線圖Fig.2 Integral hour value of vertical pendulum tiltmeter at Linfen Station from January to March，2010

1.2 數據波動

在正常記錄的背景下，短期內出現數據波動（脈沖狀突跳、毛刺狀突跳脈動增粗及高頻）。2008年5月12日四川汶川發生8.0級特大地震時，NS向在9日、10日兩天內記錄曲線出現數次掉格、畸變現象，11日曲線NS向、EW向同步出現脈動加粗直至發震，震后持續脈動加粗（見圖3）。這種波浪形抖動圖像也屬于典型的震前異常特征圖像，此次地震出現的異常特征與數字前兆觀測地震異常短臨特征的初步研究［6］相吻合。

圖3 2008年5月12日汶川8.0級地震水平擺記錄曲線Fig.3 Record of horizontal pendulum tiltmeter for the May 12th，2008Wenchuan M8.0earthquake

1.3 階變

階變在定點形變中也常出現，大多原因不明，其中有部分階變后面會發生地震。山西運城河津3.7級地震前一周，水平擺表現為趨勢性NE傾斜，震前24小時NS向分鐘值曲線出現明顯的蠕滑型臺階圖像，即2011年1月14日12時20分至13時16分形成蠕滑臺階，幅度值達到26.8ms，15日4時19分至6時13分蠕滑臺階幅度為10.76ms；EW 向從5日保持持續向東傾斜，至13日16時30分，東傾幅度達到400ms，之后轉向西傾中，于15日發震（見圖4）。

圖4 2011年1月15日山西河津3.7級地震前水平擺記錄曲線Fig.4 Record of horizontal pendulum tiltmeter before the Jan.15th，2011Hejin M3.7earthquake

2 異常圖像與地震對應關系統計

對全球Ms＞7.0、中國境內Ms＞6.0以及山西省內Ms＞4.0的84個地震事件進行統計分析，結果發現，臨汾臺各形變儀器在震前3d～7d原始記錄圖有明顯的異常顯示（見表1、表2）。異常類型常見有趨勢性轉折、大幅度趨勢傾斜、高頻毛刺抖動、階變、波動、脈沖波動等。研究發現，對于某一地震事件，震前異常并不具有單一性，往往是多種異常的組合，充分說明地震異常的復雜性。

表1 洞體擺原始記錄圖在震前3d～7d的圖像異常統計Table.1 Anomaly statistics of raw record of cavity pendulum in 3～7days before earthquake

表2 應變儀原始記錄圖震前3d～7d的圖像異常統計Table.2 Anomaly statistics of raw record of strain gauge in 3～7days before earthquake

3 認識與思考

大量的觀測事實和震例表明，地震前確實存在地殼形變。地殼形變從時間上劃分為長期背景異常、中期異常和短臨異常；在空間上，由于各臺站（點）所在的位置、地質環境各不相同，使得各地的異常形態和量級也不盡相同。在地震的孕育過程中，隨著地應力的不斷加強，必然會引起孕震體及其附近環境發生物理、化學變化，由于地應力的不斷增強，也必然會引起孕震體及其附近首先產生微小破裂和變形，當地應力增強到導體巖石不能承受的時候，巖石斷開，地震也就發生了。這些首先發生的微小破裂和變形，反過來又對孕震環境施加影響，因而就造成在記錄曲線上出現了各種不同的異常圖像，這就是為什么在地震發生之前，能夠記錄到地形變異常的重要原因。通過上述總結可以看出，前兆異常形態主要是震蕩擾動，其次是分鐘值固體潮曲線畸變，然后是階躍，多數是3種形態的組合，固體潮畸變伴隨震蕩擾動、階躍后，出現震蕩動。形變異常方向與震中方向有一定聯系，若震中在觀測臺站以北或以南，則分量圖上北南向異常比東西向明顯，異常幅度比較大；否則，東西向異常較大。從時間上看，異常多在震前幾個小時或3～7d之內，不同的儀器，分鐘值曲線上會有同步變化［7］。從地震震級上來看，震前出現地形變異常的情況多集中在3級以上的近震和地方震，而3級以下的地震則很少見到。3級以下小震記錄不到震前異常變化，很可能是由于震級太小，異常形態微小，因而儀器記錄不到。通過對臨汾臺地形變數字化資料異常形態的研究，可以看出地形變異常與地震確有一定的對應關系，但由于所掌握的數字化記錄資料有限，加之沒有較大的近震和地方震加以佐證，這種對應關系準確到何種程度，目前尚不能定論。

［1］顧國華，胡惠民，胡思勇.唐山大震前大灰廠和牛口峪臺站的地殼形變異常［J］.地殼形變與地震，1982，Z（4）：56－64.

［2］程萬正，官致君，蘇 琴，等.汶川Ms8.0地震前四川地區前兆異常及其統計分析［J］.地震學報，2011，33（3）：304－318.

［3］薄萬舉.形變異常與干擾關系的再認識［J］.大地測量與地球動力學，2010，30（1）：5－8.

［4］薄萬舉，華彩虹.地形變強震前兆指標探討［J］.地震，2001，21（1）：25－31.

［5］王賢仁，盧艷青.傾斜擾動與短臨地震預報［J］.地震研究，2002，25（1）：20－24.

［6］田 山，汪翠枝，李君英，等.數字前兆觀測地震異常短I臨特征的初步研究［J］.地震地磁觀測與研究，2009，30（2）：57－67.

［7］張紅秀，郭林旺，羅振東.山西臨汾中心地震臺地傾斜模擬與數字化觀測資料的對比分析［J］.山西地震，2009（4）：15－17.