山西離石中心地震臺洞體形變觀測異常分析

高翠珍，王曉霞，安凱杰，薛錦明，薛生瑞

(1.山西省地震局離石中心地震臺，山西 離石 033000；2.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

離石臺北武當觀測站位于北武當山腳下，四周均為農田，無大型工礦企業，觀測環境受干擾較小。該地區屬于典型的花崗巖地貌，處在關帝山強烈隆起區域之內，自新構造運動開始，該地區運動趨勢主要為向上抬升，斷塊內部差異運動比較微弱，穩定性高。在觀測洞室附近，劉家岔斷裂是與之距離最近的一條斷裂，在NE向1.6 km處。為進一步提升觀測精度、擴大觀測范圍，于2010年山洞搬遷時安裝了一批操作方便、精度較高的數字化定點形變觀測儀，主要包含應變和傾斜觀測。前者采用的儀器主要為伸縮儀，后者為水管傾斜儀、SSQ-2I石英水平擺傾斜儀。儀器監測內容包括斷裂帶、附近區域固體潮動態變化和地殼表面形態變化。近年來，許多專家從不同層面對震例、觀測資料等進行深入分析，圍繞山西帶有關的斷層形變研究也取得一些成果，為地震預測、震后趨勢判定提供了參考依據。

1 震前異常特征分析

文章參考近幾年臺站所記錄的信息資料，以臺站儀器工作日志為基礎，排除人為、氣象等一系列外在因素，總結歸納數字化觀測儀記錄的地震發生前的異常現象，并對其進行分析研究。

1.1 短期趨勢轉折

在定點形變觀測過程中，短期趨勢轉折是一種出現頻率較高的異常形態，可能在一個方向產生，也可能同時在多個方向出現，有時向上突起、有時向下階變，并且出現的原因也非常復雜。經過深入的研究與分析可知，一些短期趨勢轉折出現后，有時會對應地震的發生。從某種意義上講，此種趨勢性變化同地震之間存在一定的關聯[1]。如，2012年12月29日，水平擺NS向加速南傾，30日轉向北傾，兩天之后北傾加速，同時EW向30日開始加速東傾，兩分量趨勢性變化持續7 d后，夏洛特皇后群島地區發生7.9級地震(見第14頁圖1)。2011年8月20日水平擺NS向大幅階變，21日瓦努阿圖發生兩次7.0級地震(見第14頁圖2)。2016年1月26日至27日水平擺NS向加速南傾，幅度達22.61 ms，是日變幅的2倍，之后緩慢北傾，轉折之后的第5天俄羅斯堪察加半島發生7.0級地震(見第14頁圖3)。

由第14頁圖4伸縮儀2015年5月4日至11日曲線變化趨勢看出，NS向5月8日由壓性轉為張性，加速上升，幅度達到448×10-10，漂移較大，4 d之后發生尼泊爾7.5級地震。

1.2 數據波動

在正常數據記錄的條件下，固體潮曲線會產生數據波動現象，主要表現為突跳、毛刺、加粗等。2011年1月14日，洛亞爾提群島發生7.1級地震，其中水平擺NS向在11日至13日曲線出現脈動加粗直至發震，震后持續脈動加粗(見第14頁圖5)。2012年12月7日日本本州東海岸遠海發生7.6級地震，水平擺NS向在4日至6日曲線出現脈動加粗直至發震，震后持續脈動加粗。2014年4月2日智利北部海岸遠海發生8.2級地震，震前12 h伸縮儀EW向出現脈動加粗直至發震。2015年5月6日開始，伸縮儀EW向曲線脈動加粗，直至12日尼泊爾發生7.5級地震(見圖6)。這種脈動曲線便是極具代表性的震前異常特征圖像，與數字前兆觀測地震短臨異常特征具有極高的相似性。

圖1 2013年1月5日夏洛特皇后群島地區7.9級地震水平擺記錄曲線Fig.1 Observation curve of horizontal pendulum of MS 7.9 earthquake in Queen Charlotte Island area on January 5, 2013

圖2 2011年8月21日瓦努阿圖發生兩次7.0級地震水平擺記錄曲線Fig.2 Observation curve of horizontal pendulum of two MS 7.0 earthquakes occurred in Vanuatu on August 21, 2011

圖3 2016年1月30日俄羅斯堪察加半島7.0級地震水平擺記錄曲線Fig.3 NS direction recording curve of horizontal pendulum of MS 7.0 earthquake in Kamchatka Peninsula, Russia, on January 30, 2016

圖4 2015年5月12日尼泊爾7.5級地震伸縮儀記錄曲線Fig.4 NS direction recording curve of telescoping instrument of MS 7.5 earthquake in Nepal on May 12, 2015

圖5 2011年1月14日洛亞爾提群島7.1級地震水平擺記錄曲線Fig.5 NS direction recording curve of horizontal pendulum of MS 7.1 earthquake in Loyalty Islands, on January 14, 2011

圖6 2015年5月12日尼泊爾7.5級地震伸縮儀記錄曲線Fig.6 NS direction recording curve of telescoping instrument of MS 7.5 earthquake in Nepal, on May 12, 2015

1.3 固體潮畸變

定點形變觀測中，畸變也是一種常見的現象，產生原因復雜，受多方面因素影響，在一些特殊情況下，畸變產生后，會有地震發生。此類異常現象大都開始于地震發生前的10 d左右，并且一直持續到地震發生。但連續曲線趨勢變化幅度比較小，若通過預處理方式對這一系列畸變進行校正處理，發現曲線固體潮的完整度比較高，日變形態也未遭到損壞，與此同時還伴隨著連續的較小突跳、脈沖、掉格等現象[2-3]。

2013年4月10日至19日水平擺EW向持續出現明顯畸變、掉格現象，20日四川蘆山發生7.0級地震，震后恢復正常(見圖7)。2015年10月21日水平擺EW向出現畸變、掉格現象，持續5 d后，26日興都庫什地區發生7.8級地震，27日基本恢復正常(見圖8)。伸縮儀NE向自2015年5月4日起出現明顯畸變、掉格現象，持續至9日基本恢復正常，之后三天尼泊爾發生7.5級地震(見圖9)。2014年4月2日智利北部海岸遠海發生8.2級地震，伸縮儀NE向自4月1日起出現明顯脈動加粗、掉格現象，同時EW向也出現脈動加粗現象，震后逐漸恢復正常(見圖10)。以上現象出現時，均對儀器及環境等進行過排查，認為屬于地震前兆異常。

圖7 2013年4月20日四川廬山7.0級地震水平擺記錄曲線Fig.7 EW direction recording curve of horizontal pendulum of MS 7.0 earthquake in Lushan, Sichuan, on April 20,2013

圖8 2015年10月26日興都庫什地區發生7.8級地震水平擺記錄曲線Fig.8 EW direction recording curve of horizontal pendulum of MS 7.8 earthquake in Hingdukush area, on October 26,2015

圖9 2015年5月12日尼泊爾7.5級地震伸縮儀記錄曲線Fig.9 NS direction recording curve of telescoping instrument of MS 7.5 earthquake in Nepal on May 12, 2015

圖10 2014年4月2日智利北部海岸遠海8.2級地震伸縮儀記錄曲線Fig.10 NS direction recording curve of telescoping instrument for offshore MS 8.2 earthquake on the northern coast of Chile on April 2,2014

2 異常曲線與地震對應關系統計

通過對離石臺近幾年的資料排查分析，統計了全球MS>7.0、國內MS>6.0、山西MS>4.0的典型地震事件共66個。分析結果顯示，在地震發生前，石英水平擺傾斜儀、伸縮儀所記錄的圖形均存在明顯的異常，如波動、畸變、趨勢性轉折等；水平擺和伸縮儀均在國內外大震前異常明顯，對山西地區4.0

3 異常機理分析

地殼形變與地震孕育發生有著緊密的聯系，眾多專家也圍繞該方面展開大量研究。隨著地震觀測儀器的智能、準確，數字化觀測儀的應用不但有效解決了模擬記錄過程中的人為干擾因素，提高了預測準確度，同時還使地震分析預報得到完善。在地震預測過程中，地震前兆觀測資料是十分重要的參考依據，直接關系地震預測的準確性。只有通過科學合理的觀測方式識別地震前兆，才可以對地震做出全面、有效、精確的分析判定。

大量觀測事實和震例充分表明，在地震發生之前，的確會產生不同強烈程度的地殼形變。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，因臺站位置、所處地理環境、地貌特點等存在較大差異，所以不同地區的異常形態也各不相同。地震孕育過程中，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時，巖石斷開，地震就發生了。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，一部分連續觀測的形變儀器可以準確、及時、詳細地對異常現象進行記錄，實質上這正是地震來臨之前的預兆。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[3-4]。

表1 離石臺洞體形變觀測在震前異常圖像統計Table 1 Statistical analysis of anomalous image of cave deformation observation in Lishi station before Earthquake

4 結論與討論

通過對離石臺數字化定點形變觀測資料近6 a的數據與記錄進行深入、全面的研究分析可知，地震與數據異常現象存在密切關聯，大多數異常是在震前發生，并且在地震之后迅速恢復；出現前兆異常形態主要是固體潮曲線趨勢轉折、數據波動和畸變，且多數情況是3種形態的組合，固體潮分鐘值曲線上會有同步變化；水平擺和伸縮儀對國內外6級以上的地震出現不同程度的異常反映，水管儀表現不明顯。

由此可見，在地震發生前的確會產生強烈程度不同的地殼形變，表現在記錄曲線方面則是各種異常曲線[5]。但目前數字化記錄信息資料不足，再加上無特大地方震或者近震輔助證明，以及統計分析只限于離石臺觀測資料，這種異常對應關系在時間、空間、震級上的具體規律，以及同離石臺地理位置存在的關聯，不同形變儀器對同一地震異常反映的差異均無法給予明確定論，有待后期進一步深入探析。