李 艷 高振強(qiáng) 張仰輝 李 軍 馮建琴 羅振東 馬武剛

1)山西省地震局臨汾中心地震臺(tái)，臨汾 041000

2)太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站，太原 030025

3)山西省地震局夏縣中心地震臺(tái)，夏縣 044400

4)中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

臨汾臺(tái)VP型寬頻帶傾斜儀在2010年山西河津地震前的異常分析*

李 艷1，2)高振強(qiáng)2，3)張仰輝1，2)李 軍1，2)馮建琴1，2)羅振東1，2)馬武剛4)

1)山西省地震局臨汾中心地震臺(tái)，臨汾 041000

2)太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站，太原 030025

3)山西省地震局夏縣中心地震臺(tái)，夏縣 044400

4)中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2010年1月24日河津M4.8地震前，臨汾臺(tái)VP型寬頻帶傾斜儀觀(guān)測(cè)到的異常變化為:1)震前1年曲線(xiàn)表現(xiàn)為典型的α、β、γ階段性異常形態(tài);2)震前35天至震后7天觀(guān)測(cè)到慢地震過(guò)程;3)頻譜分析表明:震前1個(gè)月觀(guān)測(cè)信號(hào)在0.1、0.3、0.5 Hz頻段附近頻幅為明顯增大，震前當(dāng)月在0.1～0.5 Hz頻段區(qū)間頻幅表現(xiàn)為增強(qiáng);4)震前2個(gè)月加卸載響應(yīng)比出現(xiàn)高、低值交替跳動(dòng)，并隨主震的臨近響應(yīng)比逐漸增大。

寬頻帶傾斜儀;河津地震;慢地震;頻譜異常;響應(yīng)比

1 引言

形變觀(guān)測(cè)到的地震前兆是由地震孕育到破裂過(guò)程中地殼介質(zhì)產(chǎn)生形變應(yīng)變等力學(xué)特性變化的信息，地震前兆存在場(chǎng)兆和源兆之分，其中場(chǎng)兆與地震發(fā)生是一種間接關(guān)系，是大范圍內(nèi)的異?，F(xiàn)象;而源兆則主要是震源區(qū)及近源區(qū)出現(xiàn)的效應(yīng)。顯然，源兆的捕捉對(duì)地震的預(yù)報(bào)極為有利。地傾斜觀(guān)測(cè)反映的是有限局部空間范圍內(nèi)的微形變，可直接觀(guān)測(cè)到地殼介質(zhì)的微動(dòng)態(tài)變化，捕捉地殼介質(zhì)破裂前的力學(xué)變化信息，比較適用于監(jiān)測(cè)地震的中短和短臨階段的前兆(源兆)［1，2］。通過(guò)對(duì)臨汾臺(tái) VP 型寬帶傾斜儀的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，該序列資料清晰地反映了2010年1月24日河津地震孕育整個(gè)過(guò)程中地形變前兆異常的各個(gè)階段性變化特征。

2 寬帶傾斜儀異常曲線(xiàn)的階段性特征

2.1 寬帶傾斜儀映震能力概述

應(yīng)用傅里葉快速變化方法(FFT)分析臨汾臺(tái)VP型寬頻帶傾斜儀和SSQ-2Ⅰ型石英擺傾斜儀在正常背景時(shí)的頻譜圖形。兩臺(tái)儀器布設(shè)于臨汾臺(tái)同一山洞的不同硐室中，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為2009年9月4—10日。二者觀(guān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)頻率均在低頻端(鑒于篇幅所限，圖1僅給出0.1～0.5 Hz區(qū)間的頻率圖形)。由圖1可知，寬頻帶傾斜儀的頻譜幅度是石英擺的5～10倍，說(shuō)明在上述頻段區(qū)間，前者所觀(guān)測(cè)的信號(hào)頻率帶寬明顯優(yōu)于后者;2009年3月28日在山西原平發(fā)生M4.2地震，震中距臨汾臺(tái)約341 km，石英擺未記錄到任何同震變化信息(圖2(a))，寬帶擺則記錄到持續(xù)4分鐘的同震階變、階變最大幅度為4.4 ms(圖2(b));同年11月5日陜西高陵發(fā)生的M4.4地震，震中距臨汾臺(tái)約265 km，同樣石英擺未記錄到任何同震變化(圖2(c))，而寬帶擺記錄到持續(xù)9分鐘的同震階變、階變幅度為22.8 ms(圖2(d))。由此可見(jiàn)，寬帶傾斜儀觀(guān)測(cè)信號(hào)響應(yīng)能力優(yōu)于石英擺傾斜儀。至于兩儀器同分量記錄相位相反的差異性特征，筆者認(rèn)為可能與擺的工作周期、動(dòng)態(tài)范圍、頻帶響應(yīng)等參數(shù)不同有關(guān)，如石英擺固有周期在14 s左右，寬帶擺為0.6 s，石英擺觀(guān)測(cè)頻帶范圍為 DC ～0.008 Hz，寬帶擺為 DC ～0.5 Hz［3］。

以上表明，臨汾臺(tái)VP型寬帶傾斜儀觀(guān)測(cè)頻率帶寬優(yōu)于同臺(tái)的石英擺傾斜儀;對(duì)于300 km以?xún)?nèi)的中等地震記錄的響應(yīng)能力前者亦明顯優(yōu)于石英擺，說(shuō)明寬頻帶傾斜儀能記錄到孕震區(qū)更精細(xì)、更豐富的地殼微形變［4］。

圖1 正常時(shí)段寬帶傾斜儀與石英擺傾斜儀觀(guān)測(cè)值頻譜對(duì)比Fig.1 Comparison of observation frequency spectrum between the broad frequency band tiltmeter and quartz pendulum tiltmeter in normal period

圖2 石英擺傾斜儀與寬帶傾斜儀的同震響應(yīng)Fig.2 Coseismic response record curve of the quartz pendulum tiltmeter and broad frequency band tiltmeter

2.2 曲線(xiàn)異常的階段性特征

地震地形變存在著一個(gè)由繼承性(準(zhǔn)線(xiàn)性勻速)運(yùn)動(dòng)→偏離繼承性運(yùn)動(dòng)(加速度)→發(fā)生地震→震后調(diào)整逐步回復(fù)到繼承性運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。因此，當(dāng)?shù)匦巫儠r(shí)序出現(xiàn)由準(zhǔn)線(xiàn)性至非線(xiàn)性的趨勢(shì)變化時(shí)，有可能是強(qiáng)震的中、短期前兆，即擴(kuò)容形變學(xué)說(shuō)的“α、β、γ”階段［5］。

臨汾臺(tái)VP型寬頻帶傾斜儀安裝于2008年9月中旬，經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)試、磨合，當(dāng)月底儀器已能記錄到清晰的固體潮。圖3是該傾斜儀SN分量在2010年1月24日山西河津M4.8地震前1年的日均值曲線(xiàn)，可將地震異常過(guò)程劃分為α、β、γ 3個(gè)階段。在2009年2、3月曲線(xiàn)呈正常的持平變化(α階段，準(zhǔn)線(xiàn)性形變)，從4月開(kāi)始突然轉(zhuǎn)為快速上升變化即β1階段，7月下旬至12月初轉(zhuǎn)為波動(dòng)變化的β2階段(β1和β2階段為震前非線(xiàn)性加速度形變)，12月5日后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折進(jìn)入加速下降的臨震預(yù)滑階段，即γ1階段，該階段還出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力降成分。2009年3月28日原平發(fā)生M4.2地震，山西帶進(jìn)入一個(gè)相對(duì)活躍時(shí)段，寬頻帶傾斜儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)即出現(xiàn)加速變化(β1階段)，即河津地震開(kāi)始進(jìn)入孕育階段。1月初在山西帶南部的陜西高陵又發(fā)生了一次M4.4地震，1個(gè)月后曲線(xiàn)進(jìn)入γ1階段，該階段曲線(xiàn)急速下降了15天，在12月20日轉(zhuǎn)為持平，1月后發(fā)震(圖3)。

圖3 河津地震前臨汾寬帶傾斜儀SN分量日均值曲線(xiàn)Fig.3 SN component average daily value curve of Linfen broad frequency band tiltmeter before Hejin earthquake

2.3 階躍擾動(dòng)(慢地震)現(xiàn)象的機(jī)理

地震前，震源區(qū)或近源區(qū)地殼介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生許多微小的錯(cuò)動(dòng)及裂縫，大量微錯(cuò)微裂的產(chǎn)生可以發(fā)生頻帶較寬的振動(dòng)，并且可以以波的形式向外發(fā)射，這種波既有高頻、中頻，也含有低頻［6］。

圖4是γ1以后階段曲線(xiàn)的放大圖。在2009年12月5日開(kāi)始的半個(gè)月時(shí)間內(nèi)，曲線(xiàn)急速下降幅度達(dá)330 ms，12月20日以后曲線(xiàn)轉(zhuǎn)為持平變化但出現(xiàn)連續(xù)的階躍擾動(dòng)現(xiàn)象，35天后距離臺(tái)站89 km南偏西方向的河津地區(qū)發(fā)生4.8級(jí)地震，地震后階躍擾動(dòng)現(xiàn)象持續(xù)7天后消失。圖5是放大的擾動(dòng)圖像，擾動(dòng)最多時(shí)1天出現(xiàn)7次，擾動(dòng)的最大幅度為25 ms，且每次擾動(dòng)都有尖銳的起始。為區(qū)別上述擾動(dòng)過(guò)程和蠕滑運(yùn)動(dòng)，筆者將類(lèi)似于圖5的形變異常圖像稱(chēng)之為“慢地震過(guò)程”。慢地震過(guò)程與蠕滑運(yùn)動(dòng)的根本差異在于［7］:

1)蠕滑運(yùn)動(dòng)不存在尖銳的起始，慢地震則最少有一次尖銳起始，且必然帶有沖壓性的特征;

2)蠕滑運(yùn)動(dòng)不存在彈性回跳分量或者應(yīng)力降成分，而慢地震則存在解鎖的過(guò)程(所謂解鎖，就是破裂);

3)蠕滑運(yùn)動(dòng)不可能出現(xiàn)超長(zhǎng)周期的自由振蕩分量。

圖5中曲線(xiàn)出現(xiàn)的多次階躍跳動(dòng)現(xiàn)象符合上述的前2項(xiàng)特征，另1月20—21日曲線(xiàn)明顯帶有超長(zhǎng)周期自由振蕩的性質(zhì)(固體潮形態(tài)清晰，其卓越周期約為8～10小時(shí))，所以將河津地震前35天、震后7天出現(xiàn)的連續(xù)階躍擾動(dòng)現(xiàn)象稱(chēng)之為“慢地震過(guò)程”，而這種包含有低頻異常信號(hào)的波動(dòng)現(xiàn)象被臨汾臺(tái)寬帶傾斜儀所記錄到。

因VP型寬帶傾斜儀頻帶響應(yīng)范圍是普通傾斜儀的20倍以上［8］，能記錄到普通傾斜儀無(wú)法記到的某些頻段域信號(hào)，這可能是臨汾臺(tái)其他2套傾斜儀(石英擺、垂直擺)沒(méi)有記到慢地震事件的主要原因［3］。

圖4 河津地震前臨汾寬帶傾斜儀SN分量整時(shí)值曲線(xiàn)(2009-12-01—2010-02-06)Fig.4 SN component integral point value curve of Linfen broad frequency band tiltmeter before Hejin earthquake(2009-12-01—2010-02-06)

圖5 河津地震前臨汾寬帶傾斜儀SN分量分鐘值曲線(xiàn)(2009-01-17—2010-01-28)Fig.5 SN component minute value curve of Linfen broad frequency band tiltmeter before Hejin earthquake(2009-01-17—2010-01-28)

3 頻譜異常分析

頻譜分析可以揭示在地形變信息頻域中各種信息變化的特性，從而識(shí)別震前存在的異常信息，即異常信號(hào)的周期信息。圖6為傅里葉快速變化頻譜方法計(jì)算結(jié)果(FFT分析)，圖6(a)、(b)、(c)分別是2009年11月、2009年12月及2010年1月1—23日寬帶擺傾斜儀SN向觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)頻譜分析結(jié)果。在圖6(a)中，各頻率域中的信號(hào)變化背景正常，變化幅度很小，沒(méi)有出現(xiàn)異常;而到了12月，在0.1、0.3、0.5 Hz頻段附近信號(hào)頻幅值出現(xiàn)了明顯增大(圖6(b));進(jìn)入2010年1月即24日河津地震前，0.1～0.5 Hz頻段區(qū)間頻幅呈增強(qiáng)趨勢(shì)(圖6(c))。說(shuō)明在河津4.8級(jí)地震前，寬帶擺傾斜儀在上述頻段內(nèi)記錄到了明顯的異常信息，而與寬帶擺安裝在同一山洞內(nèi)的石英擺傾斜儀和垂直擺傾斜儀，經(jīng)FFT分析并未提取到異常信號(hào)。

圖6 河津地震前寬帶傾斜儀頻譜Fig.6 Frequency spectrum curve of broad frequency band tiltmeter before Hejin earthquake

4 加卸載響應(yīng)比異常

地震的孕育與發(fā)生是一個(gè)非線(xiàn)性系統(tǒng)的失穩(wěn)過(guò)程，在臨近失穩(wěn)時(shí)加載與卸載的響應(yīng)是不同的，理論上加載響應(yīng)遠(yuǎn)大于卸載響應(yīng)，因此加卸載響應(yīng)比值反映了孕震系統(tǒng)的失穩(wěn)程度。如圖7，2009年7月中旬至8月上旬出現(xiàn)的高值異常可能與11月5日高陵4.4級(jí)地震有關(guān);11月下旬開(kāi)始響應(yīng)比值連續(xù)出現(xiàn)高、低值交替變化，并且隨著河津主震的臨近響應(yīng)比值越來(lái)越大，真實(shí)地反映了4.8級(jí)孕震系統(tǒng)破裂前的失穩(wěn)狀態(tài)，河津地震后響應(yīng)比值即恢復(fù)正常。

圖7 臨汾寬帶傾斜儀SN分量加卸載響應(yīng)比曲線(xiàn)(2009-02—2010-02)Fig.7 SN component load-unload response ratio curve of Linfen broad frequency band tiltmeter(2009-02—2010-02)

5 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)臨汾臺(tái)VP型寬帶傾斜儀在2010年1月河津M4.8地震前觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論:

1)該序列資料清晰地反映了河津地震孕育過(guò)程中地形變的中、短臨期不同階段的變化特征，即典型的“α、β、γ”變化圖像。

2)震前35天至震后7天觀(guān)測(cè)到慢地震過(guò)程。

3)頻譜分析表明，地震前1個(gè)月觀(guān)測(cè)信號(hào)的0.1、0.3、0.5 Hz頻段附近幅度增大，震前當(dāng)月 0.1～0.5 Hz區(qū)間頻段幅度增大。

4)加卸載響應(yīng)比在河津地震前2月出現(xiàn)顯著的高、低值交替變化，說(shuō)明孕震區(qū)已進(jìn)入失穩(wěn)的臨界變化狀態(tài)，且隨著發(fā)生主震時(shí)間的逼近，響應(yīng)比值逐漸增大，地震后響應(yīng)比值恢復(fù)正常。

1 張雁濱，等.地殼介質(zhì)微形變異常與強(qiáng)震短臨前兆［J］.地震學(xué)報(bào)，2002，24(1):103 －108.

2 李正媛，等.川滇強(qiáng)震震源區(qū)形變潮汐短臨變化特征［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2003，(2):55－60.

3 高振強(qiáng)，等.臨汾臺(tái)擺式傾斜儀平行觀(guān)測(cè)的差異性特征及其觀(guān)測(cè)布局建議［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，(增刊Ⅱ):22－26.

4 李艷，高振強(qiáng)，程冬焱.山西臨汾臺(tái)寬頻帶傾斜儀映震能力淺析［J］.山西地震，2012(1):7－10.

5 梅世蓉，等.中國(guó)地震預(yù)報(bào)概況［M］.北京:地震出版社，1993.

6 郭增建，秦保燕.震源物理［M］.北京:地震出版社，1979.

7 陳立軍.禾青井動(dòng)水位對(duì)斷層蠕動(dòng)與慢地震過(guò)程的響應(yīng)初析［J］.華南地震，1997，17(2):40 －44.

8 馬武剛，等.新型寬頻帶垂直擺儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.測(cè)繪信息與工程，2010，35(5):28 －29.

ANOMALY ANALYSIS OF VP TYPE BROAD FREQUENCY BAND TILTMETER AT LINFEN SEISMOSTATION BEFORE SHANXI HEJIN EARTHQUAKE

Li Yan1，2)，Gao Zhenqiang2，3)，Zhang Yanghui，Li Jun1，2)，F(xiàn)eng Jianqin1，2)，Luo Zhendong1，2)and Ma Wugang4)
1)Linfen Central Seismostation，Earthquake Administration of Shanxi Province，Linfen 041000
2)Taiyuan State Observatory of Continental Rift Valley Dynamics，Taiyuan 030025
3)Xiaxian Central Seismostation，Earthquake Administration of Shanxi Province，Xiaxian 044400
4)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan430071

On the basis of the observation data of VP type broad frequency band tiltmeter in Linfen seimmostation，the overall elaborate change process of seismogenic system before Hejin M4.8 earthquake was recorded:1)one year before the earthquake，the curve had the performance of α、β、γ stage anomaly form;2)The slow earthquakes were recorded from 35 days before and 7 days after the earthquake;3)Frequency spectrum analysis showed:one month before the earthquake，the amplitude magnified obviously in frequency range of 0.1，0.3 and 0.5 Hz，in the month of the earthquake occurring，the amplitude strengthened in frequency range of 0.1 －0.5 Hz;4)Two months before the earthquake，the load-unload response ratio appeared the high and low level fluctuation，and the load-unload response ratio figure was increscent with arrival of the earthquake.

broad frequency band tiltmeter;Hejin earthquake;slow earthquake;frequency spectrum anomaly;response ratio

P315.6

A

1671-5942(2013)Supp.(Ⅱ)-0024-04

2012-02-20

2011年山西省地震局科研項(xiàng)目(SBK－1118);山西省自然科學(xué)基金(2011011027)

李艷，女，1971年生，工程師，主要從事臺(tái)站前兆監(jiān)測(cè)及分析工作.E－mail:liyan0725@126.com