臨潭-宕昌斷裂3次中強地震活動與蘭州鉆孔傾斜觀測趨勢性變化特征分析

曾文浩 姜振海 翟瑋 王小娟

甘肅省地震局，蘭州市城關區東崗西路450號 730000

0 引言

臨潭-宕昌斷裂位于南北地震帶的北段，處于東昆侖與西秦嶺北緣2條深大斷裂構造轉換過渡帶，與迭部-白龍江、光蓋山-迭山、文縣-康縣-略陽、康縣-略陽、成縣盆地南緣、兩當-江洛、禮縣-羅家堡等多條規模較大的斷裂共同組成了該地區復雜的“家堡字型構造體系”（袁道陽，2003；袁道陽等，2004；鄭文俊等，2005），在構造上是應變積累和轉換過渡的重要位置。青藏高原的NE向擠壓作用，造就了甘東南地區從東昆侖斷裂向西秦嶺北緣斷裂逐漸轉換過渡的復雜構造系統，這是該地區新構造變形強烈、地震活動頻繁的重要原因（鄭文俊等，2013a、2013b）。鄭文俊等（2007a、2007b）對甘東南臨潭-宕昌斷裂新活動特征的研究認為，臨潭-宕昌斷裂主要由合作斷裂段、臨潭斷裂段和岷縣-宕昌斷裂段組成，其中合作斷裂段的北支活動性較弱，為早更新世或前第四紀活動斷裂，而南支活動不均勻，其最西端活動性較弱，為早中更新世活動，東端為晚更新世活動；臨潭斷裂段活動較強，其北支可能為全新世早期活動，活動性在整個斷裂帶中最強，其南支為早中更新世-晚更新世早期活動；岷縣-宕昌斷裂段的主支斷裂活動性較弱，斷裂段主要部分的活動為前第四紀，僅有少量地段呈現早更新世活動，其北緣的2條次級斷裂中最北邊的一條可能有第四紀晚期（全新世）活動的跡象，沿洮河的另一條最新活動時間應為早中更新世，而其最南端的斜接斷裂活動時間與主干斷裂一致，為第四紀早期或前第四紀。歷史上該區曾發生過3次強震，分別是839年岷縣 6.0～7.0級、1573年岷縣6.5級和1873年臨洮-岷縣6級地震。近年來，臨潭-宕昌斷裂附近又連續發生2003年11月13日岷縣-臨潭-卓尼5.2級、2004年9月7日岷縣-臨潭-卓尼5.0級和2013年7月22日岷縣-漳縣6.6級3次中強地震。在這3次中強地震期間，蘭州臺鉆孔傾斜觀測分別記錄到了不同程度的異常變化（姜振海等，2005、2006、2013），本文對該異常變化進行了分析，以探討蘭州臺鉆孔傾斜觀測與臨潭-宕昌斷裂活動之間的響應關系。

1 蘭州臺鉆孔傾斜觀測簡介

蘭州臺全稱蘭州觀象臺，地處青藏高原東北緣、祁連山地震帶與南北地震帶交匯部位附近，區內活動構造發育，地震活動頻度高，強度大。具體位置為蘭州東盆地鹽場堡以北、白塔山以東、黃河北岸Ⅲ級階地的后緣，階地基底由白堊紀棕色砂巖、砂礫巖夾薄層泥巖構成。

臨潭-宕昌斷裂西起合作以西，向SE經臨潭北、岷縣延伸至宕昌以南，長約250km，由數條規模不等、相互平行或斜列的次級斷裂組合而成。合作-岷縣間，該斷裂分為南、北2支，影響范圍為5～10km，在岷縣東南一帶，又歸并為一體，延至宕昌以南。總體呈NWW-NW向展布，傾向NE，傾角50°～70°。該斷層最近端距蘭州臺約150km，最遠端約300km。

圖1 蘭州臺及臨潭-宕昌斷裂3次中強地震位置

CZB-1型豎直擺傾斜儀是河南省地震局研制生產的高精度井下傾斜儀。其工作原理是利用1個鉛錘擺來測定地面傾斜變化，即用細絲吊起1個重錘，由于地球重力作用，重錘必然指向地球質心，當地殼產生傾斜變化時，擺的支撐架隨著地面產生傾斜，重錘仍然保持垂直方向，與儀器外殼產生相對位移，由電容測微器直接測量、記錄并輸出位移產生的電信號（能分辨10－10m量級的變化），從而實現微小傾斜量的測量（中國地震局監測預報司，2008）。

2000年 5月蘭州觀象臺在1口廢棄的測震井中安裝了1套CZB-1型豎直擺傾斜儀，下井深度52m，基巖為泥質細砂巖，初始記錄方式為模擬記錄，2001年10月增加了數字記錄（“九五”模式），2012年起改為“十五”數字化記錄模式。儀器自安裝以來，未出現重大故障，未對其探頭進行過任何維修，僅在2012年更換過主機（由于數字記錄數據庫中的資料從2001年10月開始，故本文研究時段為2001年10月1日～2015年5月31日）。

2 調和分析

表1為 2002～2014年蘭州臺鉆孔傾斜觀測逐年潮汐因子和中誤差的統計。NS分量半日主波M2的潮汐因子為 0.6487～0.7213，2012年及以前的中誤差均小于0.0100；EW分量半日主波M2的潮汐因子分別為 0.2020～0.3198、0.6590～0.8057，除 2012、2013年以外，其他年份的中誤差均小于0.0100。查閱臺站工作日之后可見，蘭州臺的鉆孔傾斜儀探頭部分從未出現過故障，但主機部分故障較多，且不論NS還是EW分量，其潮汐因子每次大幅變化時均有儀器故障或檢修儀器的情況發生。如2013年8月NS分量出現故障，檢修后潮汐因子出現變化，由7月的0.7579到8月的1.1588再到9月的1.5206，隨后穩定在1.4000～1.5000之間。由此可以確認，雖然蘭州臺鉆孔傾斜觀測的潮汐因子變化較大，但穩定性較好，中誤差除個別年份外均小于0.0100，因此，蘭州鉆孔傾斜的觀測資料是可靠的。

表1 潮汐因子和中誤差

3 觀測資料漂移分析

由2001年10月1日～2015年5月31日蘭州臺鉆孔傾斜觀測的日均值曲線（圖2）可見，NS、EW分量均存在較嚴重的漂移現象。該漂移現象是由地殼的變化引起的，還是由儀器本身不穩定引起的？我們查看了儀器的安裝報告后發現，蘭州臺CZB-1型豎直擺傾斜儀在安裝時少裝了1個底座托盤，這是否是造成NS、EW分量長時間漂移的原因？本文將從以下幾個方面加以分析。

3.1 儀器的安裝結構

蘭州觀象臺CZB-1型豎直擺傾斜儀在安裝時由于井管變形，底座上的托環裝置無法安裝，造成約40kg重的儀器探頭只能由1根直徑8mm的定向螺釘來承受（圖3）。因此，定向螺釘在探頭的重壓下，會出現彎曲變形的現象，且該現象隨時間而變化，最終使得探頭向某一方向傾斜，并在觀測結果中形成了大幅度的漂移現象。

3.2 漂移方向、漂移量與定向螺釘方位角之間的關系

定向螺釘是橫擔在定向底座上的，其方位為北偏西64°。因此，在觀測記錄中隨著定向螺釘的彎曲變形，理論上EW分量應呈現向W漂移，NS分量應呈現向N漂移，實際觀測中，EW、NS分量的漂移情況恰與此相符。選取2000年7月31日的資料進行計算可知，EW分量漂移值為－45.3×10－3″，NS分量為 20.5×10－3″，漂移方向與正北方向的夾角為 63.1°，這與定向螺釘的方位角64°很接近。而在實際觀測中還包含這2個分量各自變化的趨勢，因此，可認為上述2個數據是相符的。

圖2 2001年10月1日～2015年5月31日蘭州CZB觀測曲線

3.3 實際觀測中的現象

由于儀器未安裝底座脫環，探頭在無托環支撐的狀態下，僅能依靠定向螺釘及定向底座壁（螺釘對面部分）的摩擦力來穩定，穩定性較差，一旦出現滑動，在實際觀測中就會出現階躍現象。而在實際觀測曲線中確實發現存在著一定的階躍現象，其階躍方向恰好與漂移方向相反，這也與以上的分析相符。

圖3 蘭州CZB-1型傾斜儀探頭安裝示意圖

綜上所述可認定，該儀器存在因安裝造成的零點漂移。因此，在資料分析時，需剔除該零點漂移。我們選用了拋物線函數Y＝a＋bT＋cT2對觀測值進行趨勢擬合，得到蘭州臺鉆孔傾斜觀測曲線的殘差時間序列（圖2）。

4 趨勢性變化特征分析

根據世界各國大量地形變觀測所歸納出的地震地形變演化過程與巖石破裂實驗、地震發生物理模式和非線性動力學等的演釋結論大致能互相印證，可認為其在一定程度上概括了地震地形變自然現象的某些共性——在地震孕育的長、中、短（臨）各個物理階段，地形變都具有各不相同的鮮明特征。這說明我們有可能通過對地形變的時空動態監測，來探究地震的長、中、短（臨）前兆。

4.1 中長趨勢變化

研究表明，地震地形變存在著由繼承性（準線性勻速）運動→偏離繼承性（加速度）運動→發生地震→震后調整逐步回復到繼承性運動的過程（中國地震局監測預報司，2008）。那么，蘭州臺鉆孔傾斜觀測是否記錄到了該過程？我們由圖2的擬合殘差曲線可見，這3次地震均發生在NS分量的高值區間及EW分量的下降趨勢中。為了更清楚地說明上述運動過程，詳細地分析2004～2013年變化趨勢后發現，NS分量在2004年5.0級地震之后呈下降趨勢（震后調整），2006年開始轉入水平變化趨勢（繼承性運動），2010年出現轉折變為上升趨勢（偏離繼承性運動），2013年發生6.6級地震；EW分量在2004年5.0級地震之后呈下降趨勢（震后調整），2006年開始轉入上升變化趨勢（繼承性運動），2010年出現轉折變為輕微下降趨勢（偏離繼承性運動），2013年發生6.6級地震。因此，蘭州臺鉆孔傾斜觀測能夠記錄到發生在臨潭-宕昌斷裂上的中強地震地形變的整個運動過程，可以為地震預測研究提供可信的資料。

4.2 中短趨勢變化

為了更清楚地分析地震前的中短期變化，我們截取2002年1月1日～2004年12月31日、2011年1月1日～2013年12月31日的數據，并根據前述對漂移的分析結果，對觀測數據進行趨勢擬合，結果見圖4、5。

圖4 2002～2004年蘭州臺CZB剔除漂移后的觀測曲線

圖5 2011～2013年蘭州臺CZB剔除漂移后的觀測曲線

由于2004年5.0級地震發生在2003年5.2級地震之后1年以內，且發生在同一地點，因此，認為5.0級地震是5.2級地震的強余震。故在分析中短期變化趨勢時，主要針對2003年5.2級地震和2013年6.6級地震。

由圖4可見，2003年5.2級地震前EW分量在2003年1月出現了1個明顯的轉折，由上升轉變為下降，2003年2月初NS分量同步出現轉折，由下降轉變為上升，2003年10月EW、NS分量同時再次出現轉折，EW由下降轉為上升，NS由上升轉為下降，隨后發生地震。這說明在5.2級地震前存在明顯的中短期趨勢性變化異常，即2003年1、10月 EW、NS分量同步出現轉折異常，且變化趨勢反向。

由圖5可見，2013年6.6級地震前NS分量在2013年4～5月間出現了急速下降的趨勢性變化，同時EW分量出現了急速上升的趨勢性變化，在急速變化回穩后發生了6.6級地震。該異常變化與2003年5.2級地震前的異常變化有部分相同之處，即NS、EW分量同步出現轉折現象，并發生反向加速異常變化。因此，我們認為蘭州臺鉆孔傾斜觀測能夠記錄到臨潭-宕昌斷裂上中強地震前的中短期趨勢性異常變化，且異常特征可能為NS、EW分量同步出現轉折且發生反向異常變化。

4.3 短臨趨勢變化

在破壞性地震的主震之前，地殼往往會發生許多不同速度和規模的破裂。根據破裂速度的不同可將地震分為：地震、慢地震、靜地震和蠕滑。而地形變連續觀測可望記錄到慢地震、靜地震和蠕滑。那么蘭州臺鉆孔傾斜觀測是否記錄到了這些變化呢？我們通過對3次地震前半年時段的分鐘值原始數據及其小波分析的結果進行研究，并未發現較為明顯的異常變化。因此，蘭州臺鉆孔傾斜觀測對臨潭-宕昌斷裂上中強地震前的臨震異常無明顯反映。

5 結論與討論

（1）通過分析2001年10月～2015年5月蘭州臺鉆孔傾斜觀測資料的長趨勢變化發現，蘭州臺鉆孔傾斜觀測存在長期趨勢的零漂。通過對儀器安裝和觀測資料變化的分析認為，該零漂是由儀器安裝時未安裝底座托盤所致，且漂移現象可利用拋物線函數Y＝a＋bT＋cT2進行消除。

（2）2003年5.2級、2013年6.6級地震前，蘭州臺鉆孔傾斜觀測的NS、EW分量均出現了較為明顯且異常特征基本相同的異常變化，即在地震前均出現了2次轉折變化，且在這2次轉折之間的是方向相反的加速異常變化。由此可見，蘭州臺鉆孔傾斜觀測可能為臨潭-宕昌斷裂帶上中強地震的預測提供判定依據。

（3）由姜振海等（2005、2013）的研究可知，2003年5.2級地震前，蘭州十里店臺（距蘭州臺10km左右）的FSQ水管傾斜儀、SSY-Ⅱ石英伸縮儀的矢量圖均出現了打結現象，且SSY-Ⅱ石英伸縮儀的年變趨勢也有一定的異常變化；2013年6.6級地震前，蘭州十里店臺的DSQ水管傾斜、SSY洞體應變和SSY-Ⅱ洞體應變的日均值均出現了不同程度的異常變化。這些同期異常進一步說明了蘭州地區的地殼變化受臨潭-宕昌斷裂帶的影響較大，蘭州地區的地形變觀測資料可能為臨潭-宕昌斷裂帶上中強地震的預測提供判定依據。

（4）由呂品姬等（2010）的研究可知，傾斜前兆異常中震中距與震級間的統計關系為，當MS＞7.0時，震中距應不大于 400km；當 6.0≤MS≤6.9時，震中距應不大于 300km；當 5.0≤MS≤5.9時，地震觀測臺站間距應不大于200km，當4.0≤MS≤4.9時，地震觀測臺站間距應不大于100km。而2003年11月13日岷縣-臨潭-卓尼5.2級、2004年9月7日岷縣-臨潭-卓尼5.0級、2013年7月22日岷縣-漳縣6.6級等3次中強地震的震中距分別為150、160、178km，這進一步印證了傾斜前兆異常中震中距與震級間的統計關系。

（5）由蘭州臺鉆孔傾斜觀測的原始曲線和殘差序列均明顯可見，2013年岷縣-漳縣6.6級地震之后NS、EW分量均出現了大幅度的異常變化，該異常變化是什么原因所致還需進一步研究。

（6）2015年4月以后蘭州臺鉆孔傾斜觀測NS、EW分量又達到高值，且EW分量開始出現下降趨勢。因此，建議關注NS、EW 2個分量的速率變化情況，若發現NS、EW分量出現方向相反的同步加速異常變化，則需要進行短臨跟蹤，以監測臨潭-宕昌斷裂帶上可能的中強地震活動。