馮建琴，董甲弟，程冬焱，呂 睿，郭林旺，李 軍，張聰聰

(1.山西省地震局臨汾中心地震臺(tái)，山西 臨汾 041000；2.山西省地震局，山西 太原 030021；

3.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

地傾斜觀測(cè)的目的是研究地殼形變垂直的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和固體潮汐的動(dòng)態(tài)變化，是地殼形變學(xué)科不可缺少的一個(gè)重要組成部分[1]。地傾斜觀測(cè)的連續(xù)記錄包含了大量與局部地殼介質(zhì)特性有關(guān)的信息[2-4]。隨著山西“十五”數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的建成，從北到南逐步形成太原、離石、昔陽(yáng)、臨汾數(shù)字前兆綜合觀測(cè)臺(tái)。文中試圖以不同臺(tái)站的水平擺觀測(cè)資料，分析安德裂亞諾夫群島7.0級(jí)地震、巴基斯坦7.8級(jí)地震的異常特征，為地震預(yù)測(cè)提供一定的參考依據(jù)。

1 山西水平擺觀測(cè)儀器概況

山西前兆臺(tái)網(wǎng)始建于上世紀(jì)70年代，形成于80年代末期?，F(xiàn)有地磁、地電、形變、流體4個(gè)學(xué)科，布設(shè)在9個(gè)省級(jí)專業(yè)臺(tái)站和8個(gè)地方流體臺(tái)。臨汾、太原、離石、昔陽(yáng)是山西數(shù)字前兆綜合觀測(cè)臺(tái)，均安裝SSQ-2I水平擺傾斜儀，水平擺觀測(cè)的對(duì)象是地平面與水平面之間夾角及其隨時(shí)間的變化，是研究固體潮地震前兆的重要手段之一。數(shù)字化水平擺于2008年1月(昔陽(yáng)臺(tái)2013年1月)正式開始觀測(cè)，采用分采樣記錄，至今已積累8年的連續(xù)觀測(cè)資料。通過(guò)對(duì)多年觀測(cè)資料的分析，發(fā)現(xiàn)臨汾、太原、離石、昔陽(yáng)地震臺(tái)站的水平擺在多次中強(qiáng)地震前有很好的映震性能。山西數(shù)字前兆觀測(cè)臺(tái)布設(shè)如第18頁(yè)圖1所示。

太原、臨汾、離石、昔陽(yáng)4個(gè)前兆綜合觀測(cè)臺(tái)設(shè)在山西省地震斷陷帶上，主要分布在太原盆地、臨汾盆地和部分隆起區(qū)，整個(gè)布局與山西地震地質(zhì)構(gòu)造背景一致，臺(tái)站周圍斷層分布較多。臨汾臺(tái)地處臨汾盆地西緣，構(gòu)造上位于臨汾凹陷內(nèi)的龍祠沉降中心，緊靠控制盆地西緣的羅云山山前斷裂。臺(tái)站形變觀測(cè)山洞山體為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r，距洞室150 m處羅云山斷裂在山前通過(guò)，該斷層為N40°E走向、傾向SE的正斷層；昔陽(yáng)地震臺(tái)地處太行山西麓、虎頭山北坡、贊黃隆起和西部沁水凹陷的過(guò)渡帶，沁水煤盆地的東北邊緣，以NNE向構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為主，臺(tái)站以北約380 m處有一長(zhǎng)約8 m(N38°E)的正斷層名為大寨斷裂，它屬于一組走向?yàn)镹20°E的燕行排列斷裂帶。沿?cái)嗔丫€有新生代的玄武巖出露，該臺(tái)是晉獲斷裂帶活動(dòng)帶的臺(tái)站之一。以上各臺(tái)站洞內(nèi)年溫差小于0.3 ℃，觀測(cè)條件均符合形變觀測(cè)規(guī)范要求。

2 異常特征分析

近年來(lái)，不少研究者發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)場(chǎng)前兆往往出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變變化反應(yīng)靈敏的特殊部位，稱為“應(yīng)力窗”“穴位”“敏感點(diǎn)”等，馬宗晉等曾應(yīng)用多應(yīng)力集中點(diǎn)和塊體整體活動(dòng)的觀點(diǎn)討論遠(yuǎn)場(chǎng)前兆問(wèn)題，利用數(shù)值模擬方法，研究震源區(qū)孕震過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變變化，發(fā)現(xiàn)孕震過(guò)程可能對(duì)場(chǎng)內(nèi)的某些特殊部位造成應(yīng)力狀態(tài)的大幅度變化，從而在這些部位可能出現(xiàn)遠(yuǎn)距離前兆[5]，臨汾綜合前兆地震臺(tái)可能處于此類敏感部位。本研究闡述侯馬形變臺(tái)對(duì)2013年8月31日安德裂亞諾夫群島7.0級(jí)、9月24日巴基斯坦7.8級(jí)地震的短臨異常，地震參數(shù)如第18頁(yè)表1所示。

圖1 山西數(shù)字前兆觀測(cè)臺(tái)站

表1 巴基斯坦、安德裂亞諾夫群島地震參數(shù)

2.1 兩次地震同震響應(yīng)特征

(1) 巴基斯坦7.8級(jí)地震。

短臨前兆異常是在區(qū)域構(gòu)造場(chǎng)的影響下，受震源應(yīng)力場(chǎng)及活動(dòng)構(gòu)造之間綜合作用的結(jié)果[6]。地震短臨階段時(shí)，位于孕震區(qū)臺(tái)站的形變突跳可能受到引潮力的觸發(fā)，但由于大地震的發(fā)生是斷層兩側(cè)體積相當(dāng)大的兩個(gè)塊體相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，發(fā)震斷層兩側(cè)塊體的形變或微動(dòng)形變，可能會(huì)牽動(dòng)相鄰塊體甚至更遠(yuǎn)處塊體某些敏感點(diǎn)部位的形變或微動(dòng)，這可能是巴基斯坦7.8級(jí)地震前臨汾臺(tái)、昔陽(yáng)臺(tái)水平擺突跳的一種解釋。

2013年9月24日19點(diǎn)29分發(fā)生的巴基斯坦7.8級(jí)地震，山西境內(nèi)的太原、臨汾、離石、昔陽(yáng)4個(gè)數(shù)字形變觀測(cè)臺(tái)站，均不同程度地記錄到典型的震前或震后的形變異常特征(見表2)。

由第19頁(yè)圖2可知，昔陽(yáng)臺(tái)水平擺EW向，在震前42小時(shí)出現(xiàn)成簇的單點(diǎn)數(shù)據(jù)突跳，向上階跳最大幅度為12 ms，震后曲線恢復(fù)正常；離石臺(tái)NS向震前52小時(shí)出現(xiàn)向上單點(diǎn)數(shù)據(jù)突跳，EW向48小時(shí)前向下階跳；臨汾臺(tái)EW向震前48小時(shí)，頻繁數(shù)據(jù)突跳，而后緩慢正常，呈尖刀狀，突跳最大幅度3 ms。

表2 巴基斯坦7.8級(jí)、安德裂亞諾夫群島7.0級(jí)地震的同震響應(yīng)特征

(2) 安德裂亞諾夫群島7.0級(jí)地震。

2013年8月安德裂亞諾夫群島7.0級(jí)地震，臨汾臺(tái)EW向震前2天，震后4天數(shù)據(jù)突跳，尖刀形呈鋸齒波；昔陽(yáng)臺(tái)震前17小時(shí)、震后1天成簇的單點(diǎn)數(shù)據(jù)突跳；離石臺(tái)震前12小時(shí)向下脈沖階跳，39小時(shí)前曲線高頻抖動(dòng)；太原臺(tái)震前5天、震后4天曲線高頻抖動(dòng)(見第19頁(yè)圖3)。

2.2 差分分析

地傾斜的一階差分值反映傾斜速率的變化，能描述震源區(qū)及周圍地區(qū)的巖石在主震發(fā)生前由微破裂或加速變形引起的突變異常[6]。通常以2倍中誤差為警戒線，超過(guò)2倍中誤差，視為異常，2013年9月24日巴基斯坦7.8級(jí)地震前后，臨汾臺(tái)、離石臺(tái)水平擺均超出2倍中誤差。

圖2 臨汾臺(tái)、昔陽(yáng)臺(tái)、離石臺(tái)分鐘值異常曲線圖

圖3 臨汾臺(tái)、離石臺(tái)、太原臺(tái)、昔陽(yáng)臺(tái)8月29—31日分鐘值曲線

2.3 潮汐因子分析

NS分量潮汐因子≥0.79，EW分量潮汐因子≥0.39時(shí)，則可能會(huì)在中國(guó)境內(nèi)發(fā)生7.0級(jí)以上地震，山西地區(qū)發(fā)生4.0級(jí)以上地震[7-8]。通過(guò)對(duì)2013年8月至12月山西省水平擺資料的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，做潮汐變化TID分析，得出太原臺(tái)、離石臺(tái)、臨汾臺(tái)水平擺M2波潮汐因子異常突出較為明顯。太原臺(tái)M2波潮汐因子正常觀測(cè)值在0.5左右波動(dòng)，離石臺(tái)水平擺M2波潮汐因子正常觀測(cè)值在0.41左右波動(dòng)，臨汾臺(tái)在0.61左右波動(dòng)，3個(gè)臺(tái)站從9月22日至10月28日潮汐因子最大變化為0.38、0.14、 0.03。期間發(fā)生9月24日巴基斯坦7.8級(jí)地震和11月9日山西朔州3.8級(jí)地震，多年記錄資料的分析表明，潮汐因子的變化很可能與近場(chǎng)地震有關(guān)，此觀點(diǎn)需今后更多的震例進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 臨汾臺(tái)、離石臺(tái)水平擺一階差分曲線圖

圖5 太原臺(tái)、離石臺(tái)、臨汾臺(tái)潮汐因子曲線圖

2.4 NaKal擬合檢驗(yàn)分析

通過(guò)對(duì)2013年8月至12月山西水平擺資料的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)做擬合檢驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)太原、離石、臨汾臺(tái)擬合方差、振幅因子、非潮汐擬合常數(shù)、非潮汐速率、非潮汐加速度均偏離正常值5倍以上，限于篇幅，僅以太原臺(tái)為例(見第20頁(yè)圖6)。

3 結(jié)論

(1) 經(jīng)核實(shí)，在巴基斯坦7.8級(jí)、安德裂亞諾夫群島7.0級(jí)地震異常期間，臨汾、太原、離石、昔陽(yáng)臺(tái)水平擺的觀測(cè)儀器、觀測(cè)環(huán)境正常，無(wú)人為干擾。

圖6 太原臺(tái)水平擺NaKal擬合檢驗(yàn)曲線

(2) 發(fā)生在不同地區(qū)的地震，同一臺(tái)站的水平擺記錄到相同的形變異常特征。通過(guò)水平擺對(duì)巴基斯坦7.8級(jí)地震、安德裂亞諾夫群島7.0級(jí)地震的分析，發(fā)現(xiàn)臨汾、昔陽(yáng)臺(tái)水平擺在2次地震的同震形變中，記錄到相同的形變異常。

(3) 由于各臺(tái)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地震的傳播路徑不同，導(dǎo)致發(fā)生在同一地區(qū)的地震，不同臺(tái)站的水平擺記錄到同震響應(yīng)形態(tài)各異。

(4) 異常具有單方向性。通常發(fā)生在遠(yuǎn)場(chǎng)7.0級(jí)以上地震的形變異常特征，體現(xiàn)在NS向，唯有9月24日巴基斯坦7.8級(jí)地震、8月31日安德裂亞諾夫群島7.0級(jí)地震的形變異常體現(xiàn)在EW向。

(5) 巴基斯坦7.8級(jí)地震的形變異常特征較為明顯，不僅顯示在水平擺原始圖像的分鐘值曲線上，而且顯示在差分、潮汐因子、擬合方差、振幅因子、非潮汐擬合常數(shù)、非潮汐速率、非潮汐加速度曲線上，安德裂亞諾夫群島7.0級(jí)地震的異常特征僅體現(xiàn)在原始曲線。

研究結(jié)論為初步分析，旨在表征山西數(shù)字化水平擺觀測(cè)資料在遠(yuǎn)場(chǎng)7.0級(jí)地震前記錄的異常變化，為今后判斷、識(shí)別同一地區(qū)地震提供參考。

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