翟麗娜，孔祥瑞，王松陽，趙曉輝，王思淇

（1. 遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2. 朝陽地震臺，遼寧 朝陽 122000）

0 引言

一直以來，地傾斜、地應(yīng)變等連續(xù)觀測被認(rèn)為是監(jiān)測地殼局部變形和捕捉地震前兆的重要手段[1-2]。地傾斜觀測的是地平面與水平面之間的夾角（也就是地平面法線與鉛垂線間的夾角）隨時間變化情況，其觀測結(jié)果不僅可以用來研究地傾斜變化與地震之間的關(guān)系，也為大地測量學(xué)、地球固體潮汐、地球動力學(xué)等方面的相關(guān)研究提供一定的科學(xué)數(shù)據(jù)。地傾斜觀測原理可分為以下兩種：一是以水平面為準(zhǔn)在一定距離內(nèi)觀測地殼在鉛垂方向上的相對位移；二是以鉛垂線為準(zhǔn)采用一個擺來觀測地殼相對于鉛垂線的偏移量[3-4]。一般情況下，地傾斜觀測手段都會受到濕度、溫度、氣壓和降雨等外界干擾影響[5-7]，這種影響就會使我們觀測資料產(chǎn)生不同程度的異常信息，該現(xiàn)象具體影響機(jī)理十分復(fù)雜，因此在我們進(jìn)行地震分析預(yù)報工作時就要提取更為可靠和有效的前兆信息來做分析研究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(xì)則匯編. 沈陽：遼寧省地震局，2012.。本次朝陽地震臺SQ-70 型石英水平擺出現(xiàn)的短期異常，按照《形變學(xué)科觀測資料異常變化現(xiàn)場核實工作報告編寫要求（試行）》準(zhǔn)則②中國地震局監(jiān)測預(yù)報司. 形變學(xué)科觀測資料異常變化現(xiàn)場核實工作報告編寫要求. 北京：中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2013.和中國地震局監(jiān)測預(yù)報司《地震前兆異常落實工作指南》的要求進(jìn)行異常詳細(xì)排查分析工作[7]。

朝陽地震臺SQ-70 型石英水平擺傾斜為“九五”觀測石英儀器，數(shù)據(jù)觀測時段為1995年，儀器工作至今已25 年之久，是全國為數(shù)不多的石英觀測儀器，運行狀態(tài)較好且資料穩(wěn)定可靠。該儀器為日值觀測且年變狀態(tài)較好，NS分量每年最大值出現(xiàn)在6—7 月，而后開始由N轉(zhuǎn)S 傾，最小值出現(xiàn)在12 月，次年2 月后開始S 轉(zhuǎn)N 傾，一般年變幅為40×10-3～60×10-3角秒；EW 分量最大值出現(xiàn)在3—5 月，后由E 轉(zhuǎn)W 傾，最小值出現(xiàn)在11 月，次年3 月后開始W 轉(zhuǎn)S 傾，一般年變幅為200×10-3～350×10-3角秒。自2017 年初以來，NS 分量開始出現(xiàn)N 傾趨勢性轉(zhuǎn)向，EW 分量W 傾轉(zhuǎn)E 傾趨勢性變化。2018 年12 月開始，NS 分量N 傾年變較以往幅度增大，且2019 年1 月開始波動較大，而EW 分量轉(zhuǎn)為E 傾年變較往年提前（圖1）。

圖1 朝陽地震臺SQ-70 傾斜儀整點值曲線Fig.1 The hour value curves of SQ-70 inclinometer at Chaoyang Seismic Station

1 朝陽地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及歷史地震概況

朝陽地震臺位于華北地臺東北部，內(nèi)蒙地軸與燕山沉褶帶交界的遼西古中斷陷部分。在1：5 萬的地質(zhì)構(gòu)造圖上，朝陽地震臺周圍30 km2面積上出露的地層有：元古界（震旦系）霧迷山組灰?guī)r，厚度900 m，古生界（寒武系） 老莊戶組。下部為含燧石結(jié)核灰?guī)r，底部有0.5 m厚的鈣質(zhì)膠結(jié)礫質(zhì)石英砂巖，上部是豹皮狀結(jié)晶灰?guī)r。還有奧陶系、二疊系、中生界的侏羅系、新生界的第三系、第四系。陰山—燕山復(fù)雜構(gòu)造帶東部和大興安嶺—太行山新華夏構(gòu)造帶在這里交匯，向北60 km 和30 km，是赤峰—開原大斷裂和北票—承德斷裂。朝陽地震臺位于近南北走向的北票—朝陽斷裂和大凌河谷地之間（圖2）。

朝陽地區(qū)地震活動主要分布在朝陽—北票斷裂附近，在歷史上，公元419 年朝陽發(fā)生5.5級地震，震中烈度Ⅶ度；有儀器記錄以來發(fā)生的最大地震是1997 年6 月5 日北票小塔子MS4.7 級地震；自1970 年至2002 年6 月，距朝陽臺150 km 范圍內(nèi)發(fā)生ML3.0 以上地震136次，年均4 次；ML4.0 以上地震8 次。大部分ML4.9 級以上地震前朝陽臺前兆手段都有一些異常顯示。

圖2 朝陽地震臺地震地質(zhì)概況Fig.2 The seismogeology survey of Chaoyang Seismic Station

2 SQ-70 石英水平擺傾斜觀測情況簡介

朝陽臺位于遼寧省西北部地區(qū)，觀測儀器布設(shè)在1 號山洞，1 號山洞高程250.0 m，臺站高程208.3 m，山洞巖石結(jié)構(gòu)致密，基巖完整，層厚10～30 cm，（表1、圖3）。該臺站周圍環(huán)境較好，無明顯干擾源，山洞被覆好且保溫、防潮效果較好，適合地形變觀測使用。

朝陽地震臺現(xiàn)有觀測儀器4 臺套，分別為SQ-70 石英擺傾斜儀、DSQ 水管傾斜儀、SS-Y型伸縮儀和VP 型垂直擺傾斜儀。SQ-70 石英擺傾斜儀于1985 年開始觀測，DSQ 型水管傾斜儀、SS-Y 型洞體應(yīng)變伸縮儀應(yīng)變儀、VP 垂直擺傾斜儀是2006 年“十五”臺網(wǎng)改造后新上的數(shù)字化觀測儀器。

圖3 朝陽地震臺洞室平面圖Fig.3 The cavern layout of Chaoyang Seismic Station

表1 傾斜觀測山洞情況表

由于朝陽臺地處遼寧西部地區(qū)，該區(qū)域環(huán)境一直以來都較為干燥，但春季大風(fēng)較多，對數(shù)據(jù)干擾表現(xiàn)為記錄的數(shù)據(jù)多毛刺波動，數(shù)據(jù)不會產(chǎn)生斷記現(xiàn)象；對于大地震及遠(yuǎn)震和深震可產(chǎn)生斷記現(xiàn)象（表2）。

表2 朝陽地震臺形變山洞附近主要干擾源

3 異常分析

分析朝陽臺SQ-70 石英水平擺傾斜自2018年11 月中旬以來NS 分量和EW 分量在中長期趨勢性背景異常情況下出現(xiàn)短期加速狀況成因，按照儀器異?，F(xiàn)場落實工作要求等方面對以其自身問題和周邊外界環(huán)境進(jìn)行了分析研究（圖1）。

3.1 儀器運行狀態(tài)及周邊情況調(diào)查

首先，對石英擺傾斜儀器運行狀況進(jìn)行詳細(xì)檢查，觀測記錄相紙、儀器標(biāo)定記錄等仔細(xì)查閱，而后進(jìn)入山洞，對儀器主機(jī)、電源和傳感器等整體設(shè)施進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)信號電壓及工作電壓工作正常；儀器底座勘驗青銅底腳螺絲干凈明亮，無銹蝕現(xiàn)象；儀器標(biāo)定、維護(hù)等保障工作正常，儀器穩(wěn)定可靠。

對朝陽臺山洞外觀測環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，距山洞腳下約500～600 m 處在2005 年前后陸續(xù)開始商品房建設(shè)工作，現(xiàn)已竣工6 年以上并且逐漸開始入住且住宅人群較密集，周邊再無新建住宅和其他建筑施工，距臺站較遠(yuǎn)，對觀測影響有限且短期不足以引起2018 年底以來的水平擺異常。

朝陽地震臺SQ-70 型石英擺傾斜自2016年底NS 分量S 傾和EW 分量W 傾變化完成了趨勢性轉(zhuǎn)向，2017 年初NS 分量趨勢性N 傾和EW 分量趨勢性E 傾，且NS 分量2017 年以來數(shù)據(jù)有規(guī)律起伏波動（經(jīng)每次核實得知由于儀器光源燈故障，頻繁進(jìn)洞維修儀器對數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動影響），2018 年11 月中旬開始NS 分量出現(xiàn)N 傾，該N 傾變化較往年年變變化發(fā)生的相對較早，而后12 月底該分量又恢復(fù)S 傾且該分量2019 年1 月15 日到2 月15 日之間波動較大，而EW 分量自2019 年1 月底開始出現(xiàn)E傾變化，該變化較往年早1～2 個月時間（圖4）。

圖4 朝陽SQ-70 石英擺傾斜儀2015 年以來曲線圖Fig.4 The curves of the data recorded by SQ-70 quartz pendulum tiltmeter at Chaoyang Seismic Station since 2015

3.2 氣象因素的調(diào)查

朝陽位于遼寧省西北部地區(qū)，與內(nèi)蒙古接壤而臨，是全球的北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，東南部常年受海洋暖濕氣影響但與其接壤的北部內(nèi)蒙地區(qū)干燥冷空氣侵入，形成易干燥地區(qū)，日溫差較大，降水偏少。春秋兩季多風(fēng)易旱，風(fēng)力一般2～3 級，冬季盛行西北風(fēng)，風(fēng)力較強。降雨情況如圖5 所示。

檢查洞室溫度資料，對比2015 年以來的曲線變化情況，有圖可以看出該山洞內(nèi)洞室溫度較為穩(wěn)定，該異常現(xiàn)象受溫度和降雨的影響較?。▓D5）。

圖5 朝陽SQ-70 石英擺傾斜儀與洞室溫度觀測曲線Fig.5 The observation curves recorded by SQ-70 quartz pendulum inclinometer and cavity temperature at Chaoyang Seismic Station

3.3 數(shù)字濾波處理和周期分析

針對石英擺數(shù)據(jù)變化，我們采用數(shù)字濾波進(jìn)行處理和分析，首次采用三點線性平滑濾方法對SQ-70 石英擺傾斜觀測的NS 和EW 分量進(jìn)行處理和分析，從而提取出數(shù)據(jù)的長趨勢周期和年變周期變化（圖6）。

采用三點線性平滑濾波的數(shù)學(xué)模型如下：

通過公式（1）可以得到由平滑濾波方法計算提取到的趨勢項及周期項，進(jìn)而進(jìn)一步分析異常趨勢特征、年變周期變化特征，通過分析可以看出，石英水平擺傾斜儀兩測項年變周期穩(wěn)定，圖像傾斜，數(shù)據(jù)較好：NS 分量自2014年底開始，年變變化幅度較往年有所減小，該現(xiàn)象持續(xù)至今，而整體在2015 年和2017 年底分別出現(xiàn)趨勢性轉(zhuǎn)向變化；EW 分量一直以來年變幅度變化整體較為穩(wěn)定，趨勢性變化曲線中2013 年、2017 年初和2018 年底分別出現(xiàn)三次轉(zhuǎn)向現(xiàn)象；總體來說兩個測項趨勢性轉(zhuǎn)向時間較為同步，表明地下應(yīng)力場發(fā)生改變[9-10]（圖6）。

圖6 朝陽SQ-70 水平擺傾斜數(shù)據(jù)濾波和周期分析Fig.6 The data filtering and period analysis of SQ-70 horizontal pendulum tiltmeter at Chaoyang Seismic Station

3.4 觀測儀器對比分析

3.4.1 洞體應(yīng)變分析

與SQ-70 石英擺傾斜儀同山洞的洞體應(yīng)變觀測儀為“十五”儀器，該儀器自2007 年開始運行，數(shù)據(jù)觀測穩(wěn)定，降雨和溫度變化對伸縮儀觀測影響較為明顯。從觀測曲線形態(tài)分析可知，2013—2014 年洞體應(yīng)變NS 和EW 分量數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，由于儀器故障問題出現(xiàn)數(shù)據(jù)大幅臺階，而后發(fā)生趨勢性轉(zhuǎn)向變化，持續(xù)張性變化且2017 年底年變張性速率較大，與石英擺傾斜存在一定準(zhǔn)同步變化（圖7）。

圖7 朝陽地震臺洞體應(yīng)變觀測曲線Fig.7 The cave strain observation curves of Chaoyang Seismic Station

3.4.2 水管傾斜分析

同山洞的水管傾斜儀自2007 年安裝使用后觀測運行穩(wěn)定，一般降雨和溫度變化都會對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，從觀測曲線形態(tài)看，2015 年趨勢性轉(zhuǎn)向與石英擺傾斜同步變化明顯，但近年以來的水管傾斜形態(tài)較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)短期同步變化（圖8）。

圖8 朝陽地震臺水管傾斜觀測曲線Fig.8 The observation curves of the water tube tilt at Chaoyang Seismic Station

3.4.3 垂直擺傾斜觀測

朝陽地震臺垂直擺傾斜觀測于2012 年開始投入到觀測運行，觀測穩(wěn)定，亦受降雨和溫度影響，從數(shù)據(jù)曲線形態(tài)看，2016 年儀器更換擺墩，數(shù)據(jù)有一定調(diào)整后現(xiàn)已恢復(fù)穩(wěn)定工作狀態(tài)，與石英擺傾斜同步變化不明顯（圖9）。

圖9 朝陽地震臺垂直擺傾斜觀測曲線Fig.9 The vertical pendulum tilt observation curves of Chaoyang Seismic Station

3.5 小結(jié)

通過儀器標(biāo)定檢查、原始曲線分析、數(shù)字濾波周期分析及與其他儀器對比分析結(jié)果表明，目前觀測異常變化是趨勢性異常背景下的短期異常變化，進(jìn)一步說明遼西地區(qū)應(yīng)力場增強。

4 結(jié)論與討論

通過對朝陽臺SQ-70 石英水平擺短期異常的分析可知其臨震異常是客觀存在的，2003.08.16 巴林左旗M5.9 地震和2013 年科爾沁M(jìn)5.3 地震震前都出現(xiàn)上升速率加快的高值異常實較為明顯的地震震前現(xiàn)象，是我們用來識別地震震前短臨前兆和短臨預(yù)測非常重要的參考指標(biāo)[9，11]。

2017 年初以來，朝陽臺SQ-70 石英擺傾斜儀NS 分量開始出現(xiàn)N 傾趨勢性轉(zhuǎn)向，EW 分量W 傾轉(zhuǎn)E 傾趨勢性變化。2018 年12 月開始，NS 分量N 傾年變較以往幅度增大，且2019 年1 月開始波動較大，而EW 分量轉(zhuǎn)為E 傾年變較往年提前，經(jīng)過對儀器觀測系統(tǒng)的檢查情況、周邊觀測環(huán)境調(diào)查、同山洞其他儀器對比分析等，并結(jié)合濾波分析及年變周期分析后得到該長趨勢異常下的短期數(shù)據(jù)變化為短期異常，該現(xiàn)象進(jìn)一步說明遼寧西部地區(qū)應(yīng)力場增強，后續(xù)將持續(xù)關(guān)注該地區(qū)應(yīng)變場變化情況。

致謝：感謝朝陽地震臺各位同事的大力協(xié)助，提供更為詳實可靠的第一手資料！