馮建琴，楊 靜，張聰聰，李 軍，李 艷，沈曉松

(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.山西省地震局太原基準(zhǔn)地震臺(tái)，山西 太原 030025；4.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

我國(guó)是全球地震多發(fā)的國(guó)家之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年至2017年發(fā)生過(guò)幾次Ms≥7.0以上地震。其中，新疆于田在2008年3月21日、2014年2月12日分別發(fā)生兩次7.3級(jí)地震;2008年5月12日四川汶川8.0級(jí)、2013年4月20四川廬山7.0級(jí)地震、2017年8月8日四川九寨溝7.0級(jí)地震。一個(gè)地震前兆場(chǎng)能夠影響多大范圍，很多學(xué)者研究認(rèn)為，7級(jí)以上強(qiáng)震突變點(diǎn)距震中的距離可達(dá)到1 000 km[1]。九寨溝7.0級(jí)地震前，山西地區(qū)的侯馬水管、神池、沁源分量鉆孔應(yīng)變儀，均記錄到明顯的前兆異常。在異常出現(xiàn)期間，觀測(cè)儀器、觀測(cè)環(huán)境正常，無(wú)人為干擾，初步判定為地震前兆異常。其他形變臺(tái)站的同類儀器在九寨溝地震前未記錄到明顯的前兆異常，認(rèn)為與各臺(tái)站(點(diǎn))所處的位置、地質(zhì)環(huán)境不同有關(guān)。隨著數(shù)字化定點(diǎn)形變資料的不斷積累和深入研究，發(fā)現(xiàn)山西定點(diǎn)形變觀測(cè)儀器多次記錄到中強(qiáng)地震的前兆異常現(xiàn)象，包括趨勢(shì)性異常、中短期異常和短臨異常[2-6]。

1 形變異常及特征

山西地區(qū)定點(diǎn)形變資料的突變主要出現(xiàn)在中強(qiáng)地震前的短臨階段，表現(xiàn)為震前幾天到幾十天速率快速增大和方向突變，可能多次出現(xiàn)又消失，隨著地震的臨近，異常顯示為幅度更大的、持續(xù)時(shí)間更短的突變[7]。長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，山西洞體形變對(duì)于國(guó)內(nèi)強(qiáng)遠(yuǎn)地震的短臨異常，通常在遠(yuǎn)離震中區(qū)域有較好的映震性能[8]。

文章對(duì)九寨溝7.0級(jí)地震前山西地區(qū)的定點(diǎn)形變資料做分析研究，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常的臺(tái)站有3個(gè)，共計(jì)7個(gè)測(cè)項(xiàng)：侯馬臺(tái)水管儀NS、EW分量，鉆孔分量應(yīng)變儀的沁源臺(tái)EW、NE、NW分量和神池臺(tái)NE、NW分量。3個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在震前均出現(xiàn)較明顯的異常變化，均位于震中的東北方向。(見圖1)。

圖1 斷裂、形變臺(tái)站和地震分布圖Fig.1 Distribution map of faults, deformation stations and earthquakes

1.1 侯馬臺(tái)水管儀資料分析

侯馬臺(tái)屬臨汾中心地震臺(tái)的一個(gè)子臺(tái)，有水管傾斜儀、洞體應(yīng)變儀2套形變觀測(cè)儀器，地處臨汾盆地南緣與峨眉臺(tái)地的交界地帶。峨眉臺(tái)地北緣斷裂帶的紫金山山前斷裂下盤，臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境較好，周邊無(wú)明顯的環(huán)境干擾。侯馬水管儀NS分量正常年變曲線在每年的1月下旬或2月初北傾至5月，5至11月達(dá)到最高值，在高值位置波動(dòng)，11月下旬至次年的1月底南傾；EW向在每年的2至5月東傾，6至12月在高值位置緩慢波動(dòng)，12月至次年2月西傾。(見圖2)。

圖2 侯馬臺(tái)水管儀日均值曲線圖Fig.2 Graph of daily mean value of water pipe tiltmeter in Houma station

侯馬臺(tái)水管儀NS向觀測(cè)曲線于2017年2月27日至3月21日出現(xiàn)破年變轉(zhuǎn)折南傾，震前8月5日19時(shí)至6日17時(shí)16分觀測(cè)曲線加速南傾,最大變化幅度達(dá)31.1 ms；EW向2017年7月19日至30日轉(zhuǎn)折加速西傾，最大變化幅度29.2 ms，EW分量在震前20 d出現(xiàn)轉(zhuǎn)折、加速異常(見圖3)。該水管儀NS、EW分量變化出現(xiàn)時(shí)，臺(tái)站周邊無(wú)干擾，儀器工作正常。兩分量觀測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)至原變化趨勢(shì)時(shí)，8月8日發(fā)生了四川九寨溝7.0級(jí)地震、8月9日新疆精河6.6級(jí)地震。此次異常變化與2014年2月12日新疆于田7.3地震前的異常相似，異常信度較高。

1.2 沁源臺(tái)資料分析

沁源臺(tái)地處山西中南部，是隸屬山西長(zhǎng)治的一個(gè)子臺(tái)，有YRY-4分量鉆孔應(yīng)變儀。臺(tái)站位于長(zhǎng)治市沁源縣交口鎮(zhèn)仁義村，臺(tái)站周邊有人居住，建有養(yǎng)殖場(chǎng)，抽水時(shí)有明顯的階跳干擾，除此之外，周邊環(huán)境無(wú)其他的干擾因素，觀測(cè)資料穩(wěn)定可靠。EW、NE、NW分量整點(diǎn)值曲線在2017年7月27-30日出現(xiàn)同步轉(zhuǎn)折前兆異常，于7月31日開始回返，恢復(fù)至正常變化趨勢(shì)時(shí)發(fā)震(見圖4、第31頁(yè)圖5和圖6)；同時(shí)段各分量日均值差值、日均值差分曲線在7月27日至8月2日均出現(xiàn)超過(guò)2倍中誤差的異常變化。此次異常是該觀測(cè)資料自2015年以來(lái)的首次異常，當(dāng)時(shí)臺(tái)站周邊無(wú)干擾，儀器工作正常。

圖3 侯馬臺(tái)水管儀2017年7至8月分鐘值曲線Fig.3 Minute value curve of water pipe tiltmeter in Houma station from July to August 2017

圖4 沁源臺(tái)鉆孔分量?jī)x2017年7至8月整點(diǎn)值曲線Fig.4 Integer point curve of drilling component instrument in Qinyuan station from July to August 2017

1.3 神池臺(tái)資料分析

神池臺(tái)安裝有YRY-4分量鉆孔應(yīng)變儀、井水位、氣壓輔助觀測(cè)及防雷隔離電源和信號(hào)光纖防雷設(shè)備。觀測(cè)項(xiàng)目于2012年9月3日安裝，16日開始試運(yùn)行，2015年7月由省地震局管理移交到大同中心地震臺(tái)，投入正式運(yùn)行。神池臺(tái)位于山西北部忻州市神池縣大嚴(yán)備鄉(xiāng)大羊泉村西600 m，臺(tái)基巖為石灰?guī)r，臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境良好，無(wú)交通和抽水等人為干擾，觀測(cè)儀器運(yùn)行正常。該臺(tái)為無(wú)人值守臺(tái)，運(yùn)用太陽(yáng)能供電，采用無(wú)線通訊數(shù)據(jù)傳輸方式，自2015年7月正式運(yùn)行以來(lái)，積累了近2 a的資料。2017年8月8日四川九寨溝7.0級(jí)地震前，該臺(tái)EW、NE分量7月26日至8月2日出現(xiàn)同步轉(zhuǎn)折，通過(guò)7-8月日均值差分分析發(fā)現(xiàn)，神池臺(tái)差分異常能量、差分異常頻次累加序列均在震前7～22 d出現(xiàn)超過(guò)2倍中誤差現(xiàn)象(見圖7、圖8)。在時(shí)間上與沁源臺(tái)分量應(yīng)變儀數(shù)據(jù)變化有準(zhǔn)同步性。該臺(tái)資料連續(xù)完整，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，周邊無(wú)明顯干擾源。此次異常變化與九寨溝7.0級(jí)地震發(fā)生較為吻合，判斷為九寨溝地震的短臨異常。

圖5 沁源臺(tái)鉆孔分量?jī)x2017年7至8月日均差值曲線Fig.5 Daily average difference curve of drilling component instrument in Qinyuan station from July to August 2017

圖6 沁源臺(tái)鉆孔分量?jī)x2017年7至8月日均值差分曲線Fig.6 Daily mean difference curve of drilling component instrument in Qinyuan station from July to August 2017

2 前兆異常特征分析

近年來(lái)，侯馬水管儀、沁源臺(tái)和神池臺(tái)分量應(yīng)變儀觀測(cè)具有穩(wěn)定的年變動(dòng)態(tài)。水管儀傾斜資料最為顯著的異常變化是在震前3 d短時(shí)間內(nèi)加速轉(zhuǎn)向。此次異常變化與2014年2月12日新疆于田7.3級(jí)地震前的異常相似，只是異常的分量不同。侯馬水管儀異常信度較高，體現(xiàn)在YRY鉆孔分量應(yīng)變儀顯著異常變化在震前7 d張壓交替轉(zhuǎn)折，2017年九寨溝7.0級(jí)地震前，以上3項(xiàng)資料均有較可靠的地震前兆異常，均存在時(shí)間同步和形態(tài)類似的特征(見第32頁(yè)表1)，異常信度較高。

圖7 神池臺(tái)鉆孔分量?jī)x2017年6至8月分鐘值曲線圖Fig.7 Minute value curve of drilling component instrument in Shenchi station from June to August 2017

圖8 神池臺(tái)鉆孔分量?jī)x2017年7至8月日均值差分曲線Fig.8 Daily mean difference curve of drilling component instrument in Shenchi station from July to August 2017

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)山西地區(qū)定點(diǎn)形變資料的分析發(fā)現(xiàn)，九寨溝7.0級(jí)地震前山西地區(qū)有3個(gè)形變臺(tái)站(侯馬、神池、沁源)共7個(gè)測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)了顯著的地震前兆異常。其中侯馬臺(tái)距離震中最近約746 km，神池臺(tái)距離震中最遠(yuǎn)約993 km，表明此次九寨溝地震遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)較為明顯。

(2) 三臺(tái)站形變儀器各測(cè)項(xiàng)短臨異常的時(shí)間同步，形態(tài)相似，均為趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折。侯馬水管儀異常開始時(shí)間為震前6個(gè)月，NS分量于2017年2月至3月出現(xiàn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折異常，震前3 d出現(xiàn)明顯的短臨異常，持續(xù)時(shí)間僅1 d左右；沁源臺(tái)和神池臺(tái)YRY鉆孔分量應(yīng)變儀出現(xiàn)的為短臨趨勢(shì)轉(zhuǎn)折異常，日均值差分曲線、差分能量異常，兩臺(tái)項(xiàng)異常時(shí)間較一致。

表1 九寨溝7.0級(jí)地震前山西地區(qū)定點(diǎn)形變異常匯總Table 1 Summary of fixed-point deformation anomalies in Shanxi before Jiuzhaigou M 7.0 earthquake

(3) 地震前兆異常一般出現(xiàn)在指向震中的分量，侯馬水管儀NS分量異常較為突出，與震中方位一致。