雙陽水管地傾斜觀測在松原地震前后的異常變化

唐春呈，鄭傳芳

（吉林省地震局，吉林 長春 130117）

0 引言

地震的孕育和發生是震源區和附近地殼應變積累和快速釋放的過程［1］。大量震例研究表明，地震在孕育、發生及震后，地殼往往伴隨著大幅度形變［2］。地形變觀測是觀測地殼表面巖體形態變化［3］，能夠間接反映區域內部的變形情況。松原地區地震活動于2003年初開始不斷增強，2003年上半年就出現了70余次的小震群活動［4-5］，2006年和2013年又發生了乾安—前郭M5.0和前郭M5.8震群活動，反應出該研究區域內地震活動已經進入活躍狀態。本文對雙陽水管地傾斜觀測在吉林前郭地震前的前兆異常變化情況進行研究。

雙陽地震臺水管傾斜儀自觀測以來，由于處于重要構造部位，觀測資料質量高，對周邊中小地震具有一定的前兆異常反應。2001至2014年，吉林省共發生了兩次M5.0以上地震活動事件，兩次地震事件都發生在松原地區，距雙陽臺只有210 km，且雙陽臺水管傾斜儀觀測數據在這兩次震前均出現了明顯的異常變化。尤其是2013年前郭5.8級震群前出現的傾斜異常，經過中國地震局學科組和吉林省地震局分析預報中心現場核實后，確認為地震前兆異常。本文利用直觀的原始資料日均值和具有表征明確物理意義的地傾斜潮汐因子方法分析研究和總結，得出更加清晰的地震前后的異常認識。

1 區域構造背景和觀測概況

吉林雙陽臺站位于長春市雙陽區北山西側，西靠北東向伊通—舒蘭斷裂帶，在其它三個方向上也有次一級的北西向構造，臺站恰好處于北東和北西向兩組構造的交匯處，區域構造比較復雜。傾斜觀測山洞進深240 m，洞體無人工被覆，洞頂最厚覆蓋38米，表面具有完整植被，常年溫度在7.8℃，洞內溫度年變幅小于0.5℃，濕度保持在92%左右。

臺站形變觀測室距山洞洞口44 m，水管傾斜儀安裝在人防山洞內，臺基巖性為海西期花崗巖。東西基線長23.42 m，方位角為288.9°，南北基線長度為33.18 m，方位角為200.5°，跨北西向斷層。水管傾斜儀自安放以來，日觀測記錄固體潮清晰，具有較好的年變周期變化，觀測數據質量處于全國前列水平。

2 震例及資料的選取

研究表明，地震發生前一般在距震中250km范圍內的地傾斜觀測可以接收到一定的前兆信息［6］（圖1）。按照這一準則，本次筆者挑選2001年至2014年間發生在吉林地區的兩次M≥5.0地震為研究對象，對震中在250 km以內的雙陽水管傾斜進行研究（表1）。

圖1 松原地震震中分布和臺站分布圖Fig.1 Epicenter and station distribution of Songyuan earthquakes

表1 雙陽臺周邊2次地震（震群）震例

本次研究采用雙陽臺DSP型水管傾斜儀自數字化觀測以來的2001年至2017年的觀測資料。原始曲線采用日均值，地傾斜固體潮潮汐因子采用Mapsis中的Venedikov調和分析處理軟件提取M2波的振幅因子，在數據收集整理的過程中，對受到儀器故障、人為干擾、地震等影響以及出現短缺和中斷的數據，嚴格按照規范用“999999”替換和拼接，同時誤差不超過0.01，從而保證所用數據的可靠性和真實性［7］。

3 日均值觀測曲線異常特征

本次筆者收集了2001年至2017年的吉林雙陽水管南北測項和東西測項的日均值數據。從觀測曲線可以看出（圖2），南北測項日均值曲線正常變化動態呈趨勢北傾變化，但在吉林乾安M5.0和前郭M5.8地震發生1～2年前，原本的趨勢北傾變化被打破，觀測曲線出現轉折南傾變化。如2001年至2004年北南測項觀測曲線呈上升北傾變化，在2006年吉林乾安5.0級地震發生前一年，即2005年5月南北測項開始出現了轉折南傾變化，同時年變幅度也明顯小于往年（2005年年變幅為43 ms，往年變幅均值為78.6 ms），持續南傾變化過程中在2006年3月發生乾安M5.0地震，南傾變化于震后2年（2008年） 基本恢復；2008年年初至2011年，曲線呈正常的北傾趨勢變化，但在2012年1月再次開始出現年變幅減小變化（2012年變幅為41 ms，之前四年年變幅均值為79 ms），2013年10月發生了前郭M5.8地震，震后2年（2015年12月）開始恢復上升。雖然北南測項在兩次地震前均出現比較明顯的異常變化，但東西測項日均值曲線卻在這2次地震前后沒有出現明顯的異常變化。研究表明，中強地震發生前存在大范圍的斷層活動平均速率增加的情況［8］，同時在相同應力情況下，斷層活動平均速率明顯大于周邊完整塊體［9］，結合吉林地區地傾斜觀測點地震特征，此兩次震前雙陽水管傾斜出現的以南北測項為主，東西測項為輔的異常是合理的。

圖2 雙陽水管日均值變化曲線Fig.2 Changing curves of Shuangyang water tube daily average value

4 調和分析

大量研究結果表明，潮汐觀測會伴隨著地殼介質應力狀態的改變而改變，表現為潮汐參數偏離背景值以及非穩定擾動［10］。筆者應用Mapsis中的Venedikov調和分析處理軟件對雙陽水管數據進行處理，每月計算1個M2波的振幅因子，得出2001年至2014年雙陽水管兩測項的潮汐因子曲線（圖3）。由于該儀器觀測資料質量很高，M2波的振幅因子中誤差均小于0.01，所以振幅因子曲線信度很高。以曲線在二倍均方差內為正常值，SN正常值范圍在0.5648～0.5816之間，EW正常值范圍在0.6190～0.6384之間。SN在地震前后的2005年、2007年、2012年、2013年和2014年均出現超過二倍均方差的情況，EW方向除2011年和2012年出現儀器缽體破裂引起的斷記造成固體潮振幅因子不穩定外，其它時段沒有這種明顯變化。

圖3 2001年至2014年雙陽水管兩項的潮汐因子曲線Fig.3 The tide factor curve of Shuangyang water tube tilt鄄meter from 2001 to 2014

從（圖3） 可以看出，如果以超過2倍均方差為異常衡量標準，在松原地區的這2次地震事件中的異常特征具有如下特點：（1）NS方向地傾斜固體潮振幅因子曲線在兩次地震前后異常變化明顯，EW方向則沒有明顯的異常變化；（2）異常形態上以振幅因子在震前震后波動不穩定多點超過2倍均方差為主；（3） NS向水管跨越斷層，異常明顯突出。研究表明，固體潮振幅因子變化受斷層彈性參數、臺站相對斷層的距離和方位影響［11］，因此固體潮振幅因子異常除與震源區地下介質變化有關外，還與出現異常的觀測儀器所跨越的巖體完整性有關。本次研究為了更好的分析地震發生震前60天雙陽水管固體潮汐因子的變化情況，筆者選取窗口為30天，步長為10天的滑動平均法，計算2013年固體潮振幅因子（表2、3） 繪制兩項2013年潮汐因子曲線（圖4），以便突出2013年前郭5.8級震群的異常。從圖4可以看出，南北測項進入2013年以來潮汐因子曲線呈持續下降變化，9月1日至10月1日曲線轉折上升的情況，最大值為0.5701，之后到11月1日開始勻速下降，在下降的過程中發生前郭M5.8震群活動。之后在11月到12月末潮汐因子也出現了一定程度的上升情況，最高值為0.5742。東西測項曲線比較平穩，但是在9月份也出現了高值，雖然不如南北方向上升幅度明顯，也是在全年度的最高值。與東西測項相比較，跨斷層的南北測項異常更突出。

圖4 雙陽水管兩項2013年潮汐因子曲線圖Fig.4 The tide factor of Shuangyang water tube tilt鄄meter curve on 2013

以上分析進一步說明了固體潮振幅因子異常除與震源區地下介質變化有關外，還與出現異常的觀測儀器所跨越的巖體完整性有關。

表2 前郭5.8級震群前后雙陽水管南北向調和分析結果（2013年9—11月）

表3 前郭5.8級震群前后雙陽水管東西向調和分析結果（2013年9—11月）

5 結論

2006年乾安—前郭M5.0級地震和2013年前郭M5.8級震群是吉林省前兆臺網建設以來，在省內發生的最顯著的2次地震事件。雙陽臺水管儀是全國觀測質量很高的地傾斜儀，同時也是這2次地震事件震中距最近的形變臺。因此，本文的分析研究結果將為松原震區未來的震情趨勢研判提供參考依據。通過前文對雙陽水管傾斜的異常分析，可以得出如下結論：

（1） 原始觀測曲線能夠更直觀真實反映觀測信息，固體潮振幅因子反映地下介質變化，物理意義明確，因此，采用方法是恰當的。

（2） 通過這兩種方法的分析表明，地震前后異常是明顯的，這兩種方法分析顯示的異常時間基本相同，震前1～2年出現異常，震后1～2年恢復。原始曲線異常主要呈現趨勢性下降（或年變幅度減小），地傾斜固體潮振幅因子曲線異常呈現波動幅度加大，多點超過2倍均方差。

（3） 雙陽水管的南北和東西2個方向對比表明：跨越斷層的南北方向異常明顯，東西方向幾乎沒有顯示，跨越不完整巖體的水管儀器更能反映地下應力的變化。