山西昔陽(yáng)3.0級(jí)地震前后石英水平擺異常特征分析

呂永青，宮靜芝，宋志英，王振江

(1.山西省地震局昔陽(yáng)地震臺(tái)，山西 昔陽(yáng) 045300；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

多年的觀測(cè)實(shí)踐和前人的研究證明，地殼形變異常與地震有直接的關(guān)系，地傾斜觀測(cè)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中發(fā)揮著重要作用。利用形變手段，尤其是連續(xù)觀測(cè)的地傾斜及固體潮水平分量可用于地震預(yù)報(bào)研究。昔陽(yáng)地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱昔陽(yáng)臺(tái))SSQ-2I數(shù)字化石英擺傾斜儀安裝于2010年10月，是昔陽(yáng)臺(tái)實(shí)施臺(tái)站優(yōu)化改造后安裝的一套數(shù)字化儀器，是一種可監(jiān)測(cè)地殼形變的高靈敏度儀器，投入觀測(cè)后產(chǎn)出的觀測(cè)資料精度高、連續(xù)、可靠，能較真實(shí)地反映地傾斜的變化。該文著重對(duì)2016年11月4日昔陽(yáng)發(fā)生的M3.0地震前后水平擺數(shù)據(jù)的變化特征進(jìn)行分析、研究，以找出兩者間的關(guān)系。

1 臺(tái)站及觀測(cè)系統(tǒng)概況

1.1 昔陽(yáng)臺(tái)石英水平擺測(cè)點(diǎn)地質(zhì)構(gòu)造

昔陽(yáng)臺(tái)定點(diǎn)形變觀測(cè)地處山西地震帶的東南，靠近山西斷裂帶和晉獲斷裂帶的交叉點(diǎn)，東距太行山前大斷裂地震帶約110 km，西距山西斷裂帶約120 km。位于山西斷陷帶以東的太行山斷塊隆起區(qū)，臺(tái)址一帶出露的地層主要有奧陶系下統(tǒng)含燧石結(jié)核的白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖；奧陶系中統(tǒng)泥灰?guī)r、灰色石灰?guī)r；石灰系上統(tǒng)砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖及煤層；新生界第四系的中更新統(tǒng)離石黃土和上更新統(tǒng)馬蘭黃土?；鶐r構(gòu)造上位于其東部贊皇隆起和南部沁水凹陷的過(guò)渡地帶，沁水煤盆地東北邊緣，以北北東向構(gòu)造為主，同時(shí)存在北南向和北東向構(gòu)造。臺(tái)址以北約380 m處為大寨斷層，走向N38°E，傾向NW，傾角70°，長(zhǎng)8 km，沿?cái)鄬泳€有新生代玄武巖出露。大寨斷層屬晉獲斷裂帶，晉獲斷裂帶全長(zhǎng)330 km，最新活動(dòng)時(shí)代為中更新世。

1.2 昔陽(yáng)臺(tái)石英擺傾斜儀觀測(cè)系統(tǒng)介紹

昔陽(yáng)臺(tái)形變觀測(cè)山洞于1971年12月底建成，1972年4月金屬水平擺傾斜儀安裝并投入觀測(cè)，2008年4月對(duì)觀測(cè)山洞進(jìn)行改造，金屬水平擺傾斜儀停測(cè)，2010年10月安裝SSQ-2I石英水平擺傾斜儀并投入試運(yùn)行,2012年7月試運(yùn)行階段結(jié)束，觀測(cè)數(shù)據(jù)并入中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)中心系統(tǒng)。儀器安裝后的固有傾角值NS測(cè)向?yàn)?.132 86″，EW測(cè)向?yàn)?.127 76″；擺體直角邊距離NS測(cè)向?yàn)?28.5 mm，EW測(cè)向?yàn)?30 mm。

2 石英水平擺觀測(cè)在平遙3.6級(jí)地震前后的變化特征分析

昔陽(yáng)臺(tái)石英水平擺投入觀測(cè)以來(lái)，發(fā)生的地方震較少，對(duì)2014年4月發(fā)生的平遙M3.6地震的震前觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在震前異常。

2014年3月15日23時(shí)，昔陽(yáng)臺(tái)水平擺數(shù)據(jù)出現(xiàn)向西南方向的階躍式加速傾斜變化，兩測(cè)項(xiàng)開始變化時(shí)間一致，至16日3時(shí)左右，南北向數(shù)據(jù)下降24.8 ms左右，東西向下降105.2 ms左右(見第16頁(yè)圖1)。4月4日在臺(tái)站西南方向直線距離約137 km的平遙縣發(fā)生M3.6地震。在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常變化后，臺(tái)站開展異常核實(shí)的相關(guān)工作，排除環(huán)境變化和儀器自身原因等影響因素[1]，認(rèn)為此次數(shù)據(jù)變化可能是平遙地震的震前異常。

圖1 2014年平遙3.6級(jí)地震前昔陽(yáng)臺(tái)石英水平擺變化曲線Fig.1 Variation of quartz horizontal pendulum at Xiyang station before the Pingyao M3.6 earthquake in 2014

3 昔陽(yáng)M3.0地震前后水平擺觀測(cè)變化特征分析

3.1 原始數(shù)據(jù)變化形態(tài)

由2016年11月1日至10日的整點(diǎn)值曲線圖2看出，NS向和EW向在震前均有一個(gè)緩慢上升的過(guò)程，在震前數(shù)小時(shí)均發(fā)生轉(zhuǎn)折，NS向的變化幅度比EW向稍大。11月4日地震后，兩測(cè)向同步加速傾斜，NS向向北，EW向向東。

圖2 昔陽(yáng)3.0級(jí)地震前后石英水平擺整點(diǎn)值曲線Fig.2 Hour values of quartz-horizontal pendulum around the Xiyang M3.0 earthquake

3.2 濾波和差分分析

時(shí)間信號(hào)表面上反映物理量的大小隨時(shí)間的變化規(guī)律，只能直觀反映該物理量的部分信息，很多重要的信息蘊(yùn)含在其內(nèi)部[2]。濾波是對(duì)信號(hào)最基本的處理，通過(guò)濾除信號(hào)中的噪聲，將信號(hào)變成易于識(shí)別的形式，提取其特征參數(shù)等。

對(duì)2016年11月1日至10日水平擺整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行三點(diǎn)線性濾波分析發(fā)現(xiàn)，在昔陽(yáng)M3.0地震前48 h左右，兩測(cè)向均出現(xiàn)一定的高值異常。震后，濾波值恢復(fù)正常(見圖3)。

圖3 石英水平擺整點(diǎn)值及三點(diǎn)線性濾波圖Fig.3 Three-point linear filtering of hour values recorded by the quartz-horizontal pendulum

3.3 頻譜分析

地震前兆數(shù)據(jù)處理屬于廣義地球物理反演，是在地面上進(jìn)行觀測(cè)，希望得到圖像隨時(shí)間的變化[3]。地震前兆信息對(duì)固體潮觀測(cè)頻率段信息的干擾形式主要有兩種：一是對(duì)信息模量的干擾，使其增大或減??；二是對(duì)觀測(cè)信息總頻率域的干擾，導(dǎo)致固體潮觀測(cè)信息的正常頻率域發(fā)生變化，出現(xiàn)一些非潮汐頻率段的信息-前兆性特征頻譜[4]。所研究的觀測(cè)儀器SSQ-2I水平擺傾斜儀使用低通濾波器，允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過(guò)，抑制高頻分量或干擾和噪聲，具有準(zhǔn)確度高、動(dòng)態(tài)范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)快速傅里葉變換得到地震前兆振幅譜[5]，分析昔陽(yáng)M3.0地震前后石英水平擺傾斜儀前兆信號(hào)中包含的諧波分量，確定主要影響因素及頻率，獲得時(shí)域測(cè)量中未得到的信息。

在振幅譜分析中，選用11月1日至10日的石英水平擺傾斜分鐘值數(shù)據(jù)， NS向的結(jié)果顯示振幅譜中存在 1個(gè)變化幅度大的波動(dòng)，為單峰值形態(tài)，頻率為23×10-3Hz(見圖4a)；EW向分析結(jié)果顯示振幅譜中存在 1個(gè)變化幅度大的波動(dòng)，為單峰值形態(tài)，頻率為15×10-3Hz(見圖4b)；地震序列最大余震或震群主震發(fā)生后，譜振幅相關(guān)系數(shù)處于平均值水平并保持穩(wěn)定[6]，隨后地震活動(dòng)逐漸趨于平靜。對(duì)比分析后的數(shù)據(jù)看出，昔陽(yáng)臺(tái)石英水平擺傾斜儀在昔陽(yáng)M3.0地震前存在變化幅度較大的波動(dòng)，兩個(gè)分量出現(xiàn)的波動(dòng)時(shí)間接近。

圖4 昔陽(yáng)臺(tái)石英水平擺傾斜NS、EW向分鐘值頻譜圖Fig.4 Spectrum of minute values in the NS and EW direction of quartz horizontal pendulum tiltmeter at Xiyang station

4 結(jié)論與討論

(1) 昔陽(yáng)臺(tái)SSQ-2I石英水平擺傾斜儀在地方震前可以捕捉到一定量級(jí)的前兆信息，但由于前兆異常情況復(fù)雜，提取和判別較困難。

(2) 昔陽(yáng)臺(tái)水平擺NS向和EW向2016年11月1日至10日的原始觀測(cè)值在昔陽(yáng)M3.0地震前均出現(xiàn)上升過(guò)程，并在震前數(shù)小時(shí)分別出現(xiàn)轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。

(3) 通過(guò)對(duì)2016年11月1日至10日的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行三點(diǎn)線性濾波分析，在昔陽(yáng)M3.0地震前的11月2日兩個(gè)測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)高值異常。

(4) 選用11月1日至10日的石英水平擺傾斜NS、EW向分鐘值數(shù)據(jù)，通過(guò)快速傅里葉變換得到地震前兆振幅譜數(shù)據(jù)表明，昔陽(yáng)M3.0地震前存在變化幅度較大的波動(dòng)，兩個(gè)分量出現(xiàn)的時(shí)間較為接近。

(5) 根據(jù)上述研究，所得結(jié)論可嘗試應(yīng)用于昔陽(yáng)地方震的短臨異常判別。

由于該儀器自觀測(cè)以來(lái)記錄的地方震較少，還需通過(guò)積累震例來(lái)研究驗(yàn)證震前數(shù)據(jù)變化幅度與地震發(fā)生的時(shí)、空、強(qiáng)之間的關(guān)系。希望通過(guò)此途徑對(duì)震前前兆異常和地震的關(guān)系進(jìn)行定量研究，并嘗試把結(jié)果應(yīng)用于地震預(yù)報(bào)研究。