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(tái)，山西 離石 033000；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

離石臺(tái)北武當(dāng)觀測(cè)站位于北武當(dāng)山腳下，四周均為農(nóng)田，無大型工礦企業(yè)，觀測(cè)環(huán)境受干擾較小。該地區(qū)屬于典型的花崗巖地貌，處在關(guān)帝山強(qiáng)烈隆起區(qū)域之內(nèi)，自新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)開始，該地區(qū)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)主要為向上抬升，斷塊內(nèi)部差異運(yùn)動(dòng)比較微弱，穩(wěn)定性高。在觀測(cè)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(jìn)一步提升觀測(cè)精度、擴(kuò)大觀測(cè)范圍，于2010年山洞搬遷時(shí)安裝了一批操作方便、精度較高的數(shù)字化定點(diǎn)形變觀測(cè)儀，主要包含應(yīng)變和傾斜觀測(cè)。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(jiān)測(cè)內(nèi)容包括斷裂帶、附近區(qū)域固體潮動(dòng)態(tài)變化和地殼表面形態(tài)變化。近年來，許多專家從不同層面對(duì)震例、觀測(cè)資料等進(jìn)行深入分析，圍繞山西帶有關(guān)的斷層形變研究也取得一些成果，為地震預(yù)測(cè)、震后趨勢(shì)判定提供了參考依據(jù)。

1 震前異常特征分析

文章參考近幾年臺(tái)站所記錄的信息資料，以臺(tái)站儀器工作日志為基礎(chǔ)，排除人為、氣象等一系列外在因素，總結(jié)歸納數(shù)字化觀測(cè)儀記錄的地震發(fā)生前的異常現(xiàn)象，并對(duì)其進(jìn)行分析研究。

1.1 短期趨勢(shì)轉(zhuǎn)折

在定點(diǎn)形變觀測(cè)過程中，短期趨勢(shì)轉(zhuǎn)折是一種出現(xiàn)頻率較高的異常形態(tài)，可能在一個(gè)方向產(chǎn)生，也可能同時(shí)在多個(gè)方向出現(xiàn)，有時(shí)向上突起、有時(shí)向下階變，并且出現(xiàn)的原因也非常復(fù)雜。經(jīng)過深入的研究與分析可知，一些短期趨勢(shì)轉(zhuǎn)折出現(xiàn)后，有時(shí)會(huì)對(duì)應(yīng)地震的發(fā)生。從某種意義上講，此種趨勢(shì)性變化同地震之間存在一定的關(guān)聯(lián)[1]。如，2012年12月29日，水平擺NS向加速南傾，30日轉(zhuǎn)向北傾，兩天之后北傾加速，同時(shí)EW向30日開始加速東傾，兩分量趨勢(shì)性變化持續(xù)7 d后，夏洛特皇后群島地區(qū)發(fā)生7.9級(jí)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(fā)生兩次7.0級(jí)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(dá)22.61 ms，是日變幅的2倍，之后緩慢北傾，轉(zhuǎn)折之后的第5天俄羅斯堪察加半島發(fā)生7.0級(jí)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(shì)看出，NS向5月8日由壓性轉(zhuǎn)為張性，加速上升，幅度達(dá)到448×10-10，漂移較大，4 d之后發(fā)生尼泊爾7.5級(jí)地震。

1.2 數(shù)據(jù)波動(dòng)

在正常數(shù)據(jù)記錄的條件下，固體潮曲線會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)波動(dòng)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為突跳、毛刺、加粗等。2011年1月14日，洛亞爾提群島發(fā)生7.1級(jí)地震，其中水平擺NS向在11日至13日曲線出現(xiàn)脈動(dòng)加粗直至發(fā)震，震后持續(xù)脈動(dòng)加粗(見第14頁圖5)。2012年12月7日日本本州東海岸遠(yuǎn)海發(fā)生7.6級(jí)地震，水平擺NS向在4日至6日曲線出現(xiàn)脈動(dòng)加粗直至發(fā)震，震后持續(xù)脈動(dòng)加粗。2014年4月2日智利北部海岸遠(yuǎn)海發(fā)生8.2級(jí)地震，震前12 h伸縮儀EW向出現(xiàn)脈動(dòng)加粗直至發(fā)震。2015年5月6日開始，伸縮儀EW向曲線脈動(dòng)加粗，直至12日尼泊爾發(fā)生7.5級(jí)地震(見圖6)。這種脈動(dòng)曲線便是極具代表性的震前異常特征圖像，與數(shù)字前兆觀測(cè)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(qū)7.9級(jí)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(fā)生兩次7.0級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(diǎn)形變觀測(cè)中，畸變也是一種常見的現(xiàn)象，產(chǎn)生原因復(fù)雜，受多方面因素影響，在一些特殊情況下，畸變產(chǎn)生后，會(huì)有地震發(fā)生。此類異常現(xiàn)象大都開始于地震發(fā)生前的10 d左右，并且一直持續(xù)到地震發(fā)生。但連續(xù)曲線趨勢(shì)變化幅度比較小，若通過預(yù)處理方式對(duì)這一系列畸變進(jìn)行校正處理，發(fā)現(xiàn)曲線固體潮的完整度比較高，日變形態(tài)也未遭到損壞，與此同時(shí)還伴隨著連續(xù)的較小突跳、脈沖、掉格等現(xiàn)象[2-3]。

2013年4月10日至19日水平擺EW向持續(xù)出現(xiàn)明顯畸變、掉格現(xiàn)象，20日四川蘆山發(fā)生7.0級(jí)地震，震后恢復(fù)正常(見圖7)。2015年10月21日水平擺EW向出現(xiàn)畸變、掉格現(xiàn)象，持續(xù)5 d后，26日興都庫什地區(qū)發(fā)生7.8級(jí)地震，27日基本恢復(fù)正常(見圖8)。伸縮儀NE向自2015年5月4日起出現(xiàn)明顯畸變、掉格現(xiàn)象，持續(xù)至9日基本恢復(fù)正常，之后三天尼泊爾發(fā)生7.5級(jí)地震(見圖9)。2014年4月2日智利北部海岸遠(yuǎn)海發(fā)生8.2級(jí)地震，伸縮儀NE向自4月1日起出現(xiàn)明顯脈動(dòng)加粗、掉格現(xiàn)象，同時(shí)EW向也出現(xiàn)脈動(dòng)加粗現(xiàn)象，震后逐漸恢復(fù)正常(見圖10)。以上現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，均對(duì)儀器及環(huán)境等進(jìn)行過排查，認(rèn)為屬于地震前兆異常。

圖7 2013年4月20日四川廬山7.0級(jí)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(qū)發(fā)生7.8級(jí)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(jí)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(yuǎn)海8.2級(jí)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(duì)應(yīng)關(guān)系統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)離石臺(tái)近幾年的資料排查分析，統(tǒng)計(jì)了全球MS>7.0、國內(nèi)MS>6.0、山西MS>4.0的典型地震事件共66個(gè)。分析結(jié)果顯示，在地震發(fā)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(dòng)、畸變、趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折等；水平擺和伸縮儀均在國內(nèi)外大震前異常明顯，對(duì)山西地區(qū)4.0

3 異常機(jī)理分析

地殼形變與地震孕育發(fā)生有著緊密的聯(lián)系，眾多專家也圍繞該方面展開大量研究。隨著地震觀測(cè)儀器的智能、準(zhǔn)確，數(shù)字化觀測(cè)儀的應(yīng)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(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，同時(shí)還使地震分析預(yù)報(bào)得到完善。在地震預(yù)測(cè)過程中，地震前兆觀測(cè)資料是十分重要的參考依據(jù)，直接關(guān)系地震預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。只有通過科學(xué)合理的觀測(cè)方式識(shí)別地震前兆，才可以對(duì)地震做出全面、有效、精確的分析判定。

大量觀測(cè)事實(shí)和震例充分表明，在地震發(fā)生之前，的確會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)烈程度的地殼形變。地殼形變從時(shí)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(tái)站位置、所處地理環(huán)境、地貌特點(diǎn)等存在較大差異，所以不同地區(qū)的異常形態(tài)也各不相同。地震孕育過程中，隨著地應(yīng)力的不斷加強(qiáng)，必然會(huì)引起孕震體及其附近環(huán)境發(fā)生物理、化學(xué)變化，由于地應(yīng)力的不斷增強(qiáng)，也必然會(huì)引起孕震體及其附近首先產(chǎn)生微小破裂和變形，當(dāng)?shù)貞?yīng)力增強(qiáng)到導(dǎo)體巖石不能承受時(shí)，巖石斷開，地震就發(fā)生了。這些首先發(fā)生的微小破裂和變形，反過來又對(duì)孕震環(huán)境施加影響，因而就造成在記錄曲線上出現(xiàn)了各種不同的異常圖像，一部分連續(xù)觀測(cè)的形變儀器可以準(zhǔn)確、及時(shí)、詳細(xì)地對(duì)異常現(xiàn)象進(jìn)行記錄，實(shí)質(zhì)上這正是地震來臨之前的預(yù)兆。這就是為什么在地震發(fā)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(tái)洞體形變觀測(cè)在震前異常圖像統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical analysis of anomalous image of cave deformation observation in Lishi station before Earthquake

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)離石臺(tái)數(shù)字化定點(diǎn)形變觀測(cè)資料近6 a的數(shù)據(jù)與記錄進(jìn)行深入、全面的研究分析可知，地震與數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象存在密切關(guān)聯(lián)，大多數(shù)異常是在震前發(fā)生，并且在地震之后迅速恢復(fù)；出現(xiàn)前兆異常形態(tài)主要是固體潮曲線趨勢(shì)轉(zhuǎn)折、數(shù)據(jù)波動(dòng)和畸變，且多數(shù)情況是3種形態(tài)的組合，固體潮分鐘值曲線上會(huì)有同步變化；水平擺和伸縮儀對(duì)國內(nèi)外6級(jí)以上的地震出現(xiàn)不同程度的異常反映，水管儀表現(xiàn)不明顯。

由此可見，在地震發(fā)生前的確會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈程度不同的地殼形變，表現(xiàn)在記錄曲線方面則是各種異常曲線[5]。但目前數(shù)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(tǒng)計(jì)分析只限于離石臺(tái)觀測(cè)資料，這種異常對(duì)應(yīng)關(guān)系在時(shí)間、空間、震級(jí)上的具體規(guī)律，以及同離石臺(tái)地理位置存在的關(guān)聯(lián)，不同形變儀器對(duì)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(jìn)一步深入探析。