翟麗娜，賈曉東，孔祥瑞，李彤霞，邵媛媛（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

營口臺SQ-70模擬水平擺傾斜異常分析

翟麗娜，賈曉東，孔祥瑞，李彤霞，邵媛媛
（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

針對營口地震臺SQ-70模擬水平擺傾斜儀NS向分量自2015年4月出現(xiàn)的N傾加速打破年變異常變化形態(tài)，2016年5月對該項異常進行了認真落實。截止到2016年5月N傾幅度已達227ms，從儀器觀測穩(wěn)定性、降雨資料、周邊干擾情況調(diào)查等方面對資料異常變化進行了科學合理嚴謹?shù)姆治鲅芯?，結(jié)果顯示，該水平擺傾斜NS分量N傾加速異常變化真實可靠且信度較高，該儀器對局部應力場的敏感性較高，為捕捉地震前兆異常提供了可能。

水平擺傾斜；北傾加速；異常調(diào)查分析；營口地震臺

0 引言

營口地震臺SQ-70石英擺傾斜觀測自1980年觀測以來，該臺儀器運行狀態(tài)良好，多年觀測資料連續(xù)穩(wěn)定可靠。其測線日均值變化曲線存在明顯年變，每年7—8月達到最大值后出現(xiàn)N傾轉(zhuǎn)向S傾，12月至次年1月達到最低值后開始S傾轉(zhuǎn)向N傾，正常年變幅度達230×10-3～290×10-3角秒。2010年底，營口地震臺SQ-70石英擺傾斜儀NS分量S傾轉(zhuǎn)向N傾趨勢異常變化，打破以往正常年變形態(tài)。NS分量自2012至2014年每年年變幅度為250ms，2015年年變幅度為670ms，明顯高于2012至2014年年變幅度，截止到2016年5月N傾幅度高于往年平均水平，N傾異常幅度已達227ms，總體N傾異常變化幅度達1382×10-3角秒（圖1）。異常出現(xiàn)后對觀測各個環(huán)節(jié)進行檢查，認定異常真實可靠并對該異常進行分析研究[1-5]。結(jié)合1999年以來遼寧及周邊地區(qū)顯著地震發(fā)生前地震活動情況，分析探討營口SQ-70石英擺傾斜異常與小震活動關系，進一步提出石英擺傾斜異常對未來發(fā)生在遼寧及周邊地區(qū)地震的指示意義。

圖1 營口SQ-70水平擺傾斜整點值異常曲線圖Fig.1 Anomaly curves of Yingkou SQ-70 horizontal pendulum tilt hour value

1 區(qū)域地質(zhì)構造及歷史地震概況

營口地震臺位于營口大石橋市，臺址在地質(zhì)構造上屬于郯城—廬江斷裂帶的北延帶附近，出露基巖為晚侏羅紀粗?；◢弾r。該地區(qū)以哈大鐵路為界可分為東部山區(qū)和西部平原地區(qū)。東部山區(qū)屬于千山山系，山脈總體走向為北東向，山峰海拔高度多在300m以下，為低山構造剝蝕地形；西部地區(qū)是下遼河沖積平原，海拔高度多在20～50m之間。該地區(qū)出露的地層由西向東，西部平原區(qū)廣泛出露第四系沉積，沉積最大厚度可達450m；東部山區(qū)廣泛出露前震旦系遼河群變質(zhì)巖。該地區(qū)北東向斷裂構造發(fā)育，北西向次之。北東向斷裂由西向東依次是：高升—張家屯斷裂、臺安—大洼斷裂、大灣—二界溝斷裂、佟二堡—營口斷裂、金州—鞍山斷裂和青山懷—八里斷裂，北西西向構造帶分別是虎皮峪背斜、三道嶺—周家堡子東西擠壓帶和青花峪東西向斷裂帶（圖2）。

圖2 營口地震臺地理位置圖Fig.2 Geographic location of Yingkou Seismic Station

營口及周邊地區(qū)歷史上曾發(fā)生過多次中強地震，其中比較大的地震有：1859年9月19日營口市5?級地震，1885年4月7日營口市5?級地震和1940年8月5日蓋縣熊岳5?級地震。1975年2月4日在海城岔溝發(fā)生7.3級地震后，至今營口海城震區(qū)余震不斷、時有起伏，共發(fā)生地震24萬余次，其中4.0≤MS≤4.9地震58次；5.0≤MS≤5.9地震12次。此外，1999年11月29日,岫巖偏嶺5.4級地震也發(fā)生在該區(qū)域。

2 SQ-70水平擺觀測情況簡介

1979年建成定點形變觀測專用洞室，洞體巖石完整，山體與千山山系直接相連，山洞進深50m，全長90m，周圍無明顯干擾源（圖3、表1）。營口SQ-70型石英水平擺傾斜儀1986年6月開始投入觀測，2006年“十五”臺網(wǎng)改造后，增加安裝數(shù)字化觀測水平擺、洞體應變、水管傾斜儀、鉆孔分量應變儀和氣象三要素觀測。數(shù)據(jù)采集、傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣率為分鐘值，2008年1月正式運行。

圖3 營口地震臺山洞位置平面圖Fig.3 Plan of seismological cave site in Yingkou

表1 傾斜觀測山洞情況表

SQ-70石英水平擺儀器墩基為震旦系混合花崗巖，儀器在基巖巖墩上，檢查儀器測墩穩(wěn)定。根據(jù)對臺站周邊的調(diào)查分析，距本站南偏東約800m存在一礦石開采區(qū)A，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查該采石場2009年開采量較大，為3000～4000噸/日，2010年后開采量逐漸減少，至2013年開采量約為400～600噸/日，并維持較小開采量一段時間而后逐漸停產(chǎn)，目前已停工[6-8]。在臺站北偏東方向約1000m左右有新礦山B開采，日開采量約300～600噸（圖4、表2）。遠震同震響應是7級以上遠震對英擺傾斜的影響，主要表現(xiàn)為同震波動和固體潮畸變，北南測向尤為明顯，震后1～2天恢復，部分巨大地震會導致觀測儀器靠擺（圖5）。經(jīng)過對比分析，觀測儀器受大風、雷電氣象等因素干擾影響較小且影響時間短，以毛刺波動為主，但強降雨會對觀測儀器造成較為明顯的影響，并且影響時間較長，大概可持續(xù)1～2天，北南測項相比東西測項來說變化幅度大，影響尤為明顯。以2007—2015年降雨量與北南向觀測數(shù)據(jù)關系曲線可看出，強降雨會使觀測儀器加速北傾，1～2天后恢復（圖6）。

表2 營口地震臺附近礦石開采影響統(tǒng)計表

圖4 山洞附近礦山位置示意圖Fig.4 Diagram of the cave near the mine

圖5 遠震同震響應曲線Fig.5 Curves of teleseismic and coseismic response

圖6 降雨影響曲線Fig.6 Curves of rainfall influence

3 異常分析

分析營口臺SQ-70型石英水平擺破年變成因，主要從降雨、周邊觀測條件改變和孕震機理等方面進行了分析研究（圖1）。

3.1 石英擺傾斜儀破年變與采石場開采關系

根據(jù)營口臺附近的采石場每年開采量（表2）來看，位于臺站東南部位的采石場A從2009年以來開采量為每日3000～4000噸左右，對比數(shù)據(jù)變化曲線，可以看出2010年后開采量逐漸減少，至2012年日開采量減少為400～600噸，2012年年底后開始逐漸停產(chǎn)。位于臺站東北方位的礦山采石場B自2013年開始開采施工，日開采量低于300噸，2014年開始正式開采礦石，日開采量大約可達到300～600噸。綜合分析可知，礦石開采對石英擺觀測影響2009年最為明顯，2011年后因礦石開采量穩(wěn)定，對觀測影響不明顯。

圖7 礦山地震波形曲線Fig.7 Curves of the mine seismic waveform

此外，經(jīng)過多次溝通得知采石場每當進行采石工作時就會進行巖石爆破，工作很頻繁，經(jīng)查工作日志和地震波形曲線（圖7），與其他形變觀測對比分析，認為營口地震臺附近的采石場A、B不存在對SQ-70型石英水平擺傾斜的短期異常影響情況。

3.2 氣象因素的調(diào)查

2015年7月SQ-70石英擺NS向受降雨影響顯著（圖6），而降雨量采集器2015年3—8月出現(xiàn)故障問題，收集氣象資料表明：2015年7月29日臺站所屬地區(qū)出現(xiàn)強降雨天氣，降雨量達到207mm，接近今年來同期最大降雨量。但據(jù)近五年營口臺氣象資料，2012年8月4日有216mm的強降雨過程，但SQ-70石英擺傾斜NS向無明顯的加速異常變化（圖8），說明降雨對石英擺傾斜變化影響不大。

圖8 營口地震臺SQ-70水平擺NS向與降雨對比曲線Fig.8 Comparison with NS of horizontal and rainfall

3.3 固體潮汐分析

固體潮潮汐因子是表征觀測場地的介質(zhì)彈性參數(shù)，其變化反映地殼介質(zhì)的物性變化。潮汐因子分析計算方法的物理意義清晰，異常容易識別，是當前形變預報領域中的重要方法。應用Mapsis軟件對SQ-70石英擺傾斜和SSQ-2型水管傾斜儀整點值數(shù)據(jù)進行Nakai擬合檢驗、潮汐變化分析、去潮汐零漂分析等計算，結(jié)果顯示SQ-70石英擺整點值原始曲線能夠記錄清晰的固體潮汐曲線，與SSQ-2型數(shù)字化水平擺和理論固體潮汐曲線對比，具有很好的固體潮曲線一致性，表明儀器觀測是真實、有效、穩(wěn)定的（圖9）。

圖9 SQ-70、SSQ-2、理論固體潮汐對比Fig.9 Theoretical solid tidal contrast between SQ-70 and SSQ-2

計算1995年以來營口臺SQ-70石英擺NS、EW兩分量潮汐因子參數(shù)（M2波、O1波和半日波）。如圖10所示，石英擺傾斜NS、EW向潮汐因子M2波曲線自2010年中旬至2011年初波動幅值與前幾年相比幅度較大，同時段EW 向O1波也出現(xiàn)相同變化，而后，石英擺傾斜NS向開始出現(xiàn)趨勢性N傾，而且幅度逐年加大，但石英擺傾斜NS、EW 向的M2波、O1波和半日波都較穩(wěn)定，說明了這一趨勢性異常的真實性。 SQ-70石英擺傾斜短期NS向北傾幅值變大，反映了營口及周邊地區(qū)震情的加劇。

圖10 SQ-70水平擺傾斜潮汐因子變化曲線Fig.10 Variation curves of SQ-70 horizontal pendulum tilt tide factor

3.4 數(shù)字濾波處理和周期分析

利用三點線性平滑濾波對SQ-70石英擺NS向和SSQ-2型水平擺NS向進行分析，提取長趨勢周期和年變周期變化（圖11）。

采用三點線性平滑濾波的數(shù)學模型如下：

應用平滑濾波方法提取趨勢項和周期項分析異常趨勢變化特征和年變周期變化特征，結(jié)果顯示：兩套觀測儀器均具有很好的年周期變化，并在2012年前后具有同步的年變幅度減小變化特征；兩套儀器NS向均在2011年前后出現(xiàn)準同步趨勢轉(zhuǎn)向變化， NS向自2014年9月出現(xiàn)明顯趨勢N傾，未形成正常年變轉(zhuǎn)向S傾動態(tài)變化，EW向自2014年4月后出現(xiàn)了打破多年趨勢性的W傾變化，有轉(zhuǎn)向E傾趨勢。分析結(jié)果表明，模擬觀測石英擺和數(shù)字化觀測水平擺觀測結(jié)果具有很好的一致性，目前的異常變化并不是SQ-70石英擺儀器個體變化所引起的[8-10]。

圖11 SQ-70與SSQ-2水平擺傾斜NS向數(shù)據(jù)濾波和周期分析Fig.11 The NS of SQ-70 and SSQ-2 horizontal pendulum tilt data filtering and period analysis

3.5 儀器對比分析

營口地震臺洞體應變和水管傾斜觀測自2007年正式運行以來觀測穩(wěn)定，兩者主要受降雨、洞室溫度影響明顯。從觀測曲線形態(tài)看，2013年以來洞體應變NS向和EW向均有壓性轉(zhuǎn)向張性的趨勢變化，與SQ-70石英擺傾斜和SSQ-2型水平擺存在準同步變化（圖12）；水管傾斜觀測自2013—2015年臺站升級改造以及儀器維修對數(shù)據(jù)干擾較大，從觀測曲線形態(tài)看，與石英擺傾斜同步變化不明顯（圖13）。同山洞兩臺形變觀測儀與SQ-70石英擺傾斜儀同時段都發(fā)生趨勢性變化，說明該地區(qū)及其周邊地區(qū)區(qū)域應力場有所活動，該儀器短期變化作為地震前兆異常的可能性較大。

圖12 洞體應變觀測曲線Fig.12 Curves of cave deforation observation

圖13 水管傾斜觀測曲線Fig.13 Curves of water tube tilt meter observation

3.6 典型震例

1999年7月份開始，營口SQ-70石英擺傾斜儀NS向記錄年變幅明顯增大，9月27日EW向由正常年變E傾方向突然轉(zhuǎn)為W傾，且速率很快，截至10月14日W傾變化幅度最大值達40ms左右，此后方向又轉(zhuǎn)平，11月28日發(fā)生岫巖地震，震后異常逐漸恢復。此外，NS向分量于9月20日亦有突然轉(zhuǎn)向南傾速率變化異常，通過對NS向（圖14、15）和EW向（圖16、17）兩測向原始曲線做卡爾曼濾波和α-β-γ濾波處理，異常情況更加直觀清晰。該儀器映震效果好，該測項已成為典型前兆異常震例。

4 結(jié)論與討論

水平擺傾斜儀是用于測量地球內(nèi)部運動引起地面水平向傾斜變化的一種高靈敏度儀器，研究地殼形變垂直方向的相對運動和固體潮汐的動態(tài)變化，水平擺觀測是進行地震前兆觀測的重要手段之一。營口臺SQ-70石英水平擺臨震異常是客觀存在的，1999年岫巖地震震前異常明顯，它是判斷地震前奏，識別地震短臨前兆及短臨預測的一個重要參考指標。

營口臺SQ-70石英擺傾斜儀NS向2010年底出現(xiàn)明顯S傾轉(zhuǎn)向N傾趨勢性異常變化，并持續(xù)，異常變化已將近2000ms；EW向2012年年變形態(tài)明顯異于往年，并有持續(xù)E傾加速，異常變化幅度將近750ms。在此趨勢性背景異常下，2015年8月出現(xiàn)了加速N傾的短期變化，至2016年該異常動態(tài)持續(xù)發(fā)展，綜合現(xiàn)場核實等分析認為，NS分量持續(xù)N傾并加速的異常變化排除人為干擾、儀器老化、降雨干擾以及外界環(huán)境變化等原因，NS分量異常變化真實可靠且信度較高，該儀器觀測對局部應力場的敏感性較高，為捕捉地震前兆異常提供了可能，后續(xù)需密切跟蹤該項異常變化情況。

在以后繼續(xù)對營口地震臺目前使用的SQ-70石英水平擺進行實驗性分析，檢測分析儀器工作狀態(tài)的改變可能引起的變化；針對石英水平擺模擬觀測儀器靠擺現(xiàn)象進行相應的儀器調(diào)零工作，具體情況進行分析來排除對數(shù)據(jù)的影響，使異常信度更高。

圖14 水平擺NS向原始數(shù)據(jù)和卡爾曼濾波處理Fig.14 The original data and Kalman filtering processing of the NS horizontal pendulum

圖15 水平擺NS向原始數(shù)據(jù)和α-β-γ濾波處理Fig.15 The original data and α-β-γ filter processing of the horizontal pendulum

圖16 水平擺EW向原始數(shù)據(jù)和卡爾曼濾波處理Fig.16 The original data and Kalman filtering processing of the EW horizontal pendulum

圖17 水平擺EW向原始數(shù)據(jù)和α-β-γ濾波處理Fig.17 The original data and α-β-γ filter processing of the EW horizontal pendulum

[1] 遼寧省地震局監(jiān)測處. 地震觀測資料評比辦法及管理細則匯編，2012.

[2] 中國地震局監(jiān)測預報司. 地震前兆異常落實工作指南.北京: 地震出版社，2000.

[3] 遼寧省地震局. 遼寧省地震監(jiān)測志. 北京: 地震出版社，2004.

[4] 中國地震局監(jiān)測預報司.形變學科觀測資料異常變化現(xiàn)場核實工作報告編寫要求（施行）， 2013.

[5] 閆偉，牛安福，陳國琴. 不規(guī)則載荷影響地表近場垂向位移和傾斜觀測的定量計算[J].中國地震， 2015， 31（2）: 297-307.

[6] 翟麗娜， 賈曉東，孔祥瑞，等.遼寧地區(qū)重力場動態(tài)變化特征分析[J]. 防災減災學報，2016，2（32）: 10-14.

[7] 牛安福. 地傾斜變化的突變性欲地震關系的研究[J]. 地震學報， 2003， 25（4）: 441- 445.

[8] 牛安福， 張凌空， 閆偉， 等. 汶川地震前南北地震帶中北段地形變變化特征研究[J]. 地震， 2009， 29（1）: 100-107.

[9] 牛安福， 張凌空，閆偉，等. 汶川地震近震源區(qū)地形變短期前兆現(xiàn)象的解析[J]. 地震， 2012， 32（2）: 52-61.

[10] 張雁濱， 蔣駿， 李勝樂， 等. 滇西地區(qū)強震與形變異常的前兆特征[J]. 地震研究， 2004， 27（2）: 119-123.

Analysis of Acceleration Incline to North Direction of SQ-70 Simulates Hrizontal Pendulum Tilt-meter at Yingkou Seismic Station

ZHAI Li-na, JIA Xiao-dong , KONG Xiang-rui, LI Tong-xia, SHAO Yuan-yuan
（Earthquake Administration of Liaoning Province，Liaoning Shenyang 110034，China）

The abnormality of the annual variation of the NS component of the horizontal tilt pendulum from Yingkou Seismic Station where SQ-70 was analyzed in April 2015. The anomaly has been seriously implemented in May 2016. The N tilt has reached 227ms until May 2016, from the observation stability of the instrument, rainfall data, the surrounding interference investigation and other aspects of the abnormal changes in the scientific and rational analysis of rigorous research, the results showed that the horizontal pendulum inclination NS component N (subscript N) was the most important factor for the anomalous change of the data. The sensitivity of the instrument to the local stress field provided the possibility of capturing the precursory anomalies of the earthquakes which was reliable.

horizontal pendulum tilt-meter; accelerated incline to north direction; abnormal investigation; Yingkou Seismic Station

P315.2

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.001

地震星火計劃項目（XH14014Y）；中國地震局2017年度震情跟蹤青年課題（2017010223）

2017-02-12

2017-04-16

翟麗娜（1986-），女，吉林省長春市人，碩士研究生，工程師，現(xiàn)主要從事地殼形變與地震預測方面的研究工作。