楊玲英 畢靈晶 楊 星 楊 祺※ 蔣 薇

1) 云南省地震局，云南昆明 650224

2) 云南大學地球科學學院，云南昆明 650551

引言

定點形變監(jiān)測是具有明確物理意義的地震前兆監(jiān)測手段之一，已有許多學者對定點形變的異常機理做過研究[1-6]。垂直擺作為一種周期短、采樣率高的定點形變類地震前兆監(jiān)測儀器，它的地震前兆監(jiān)測意義是很明顯的。這種儀器在云南省投入地震前兆監(jiān)測已經(jīng)十幾年了，它的映震能力如何呢？值得仔細研究。

地震作為一種明確的地球物理事件，理論上來說只要在監(jiān)控范圍內(nèi)，所有的地震前兆監(jiān)測儀器都會記錄到，但現(xiàn)實中卻不盡然。同震響應是地震前兆儀器對已經(jīng)發(fā)生的地震的一種真實記錄，是寫實版、放大版的“前兆”。地震前，地殼巖石圈的微破裂、應力積累，前兆儀器能記錄到的往往只是蛛絲馬跡，是朦朧版、縮小版的前兆。研究某種前兆儀器的同震響應特征、前兆反映特征，可為未來地震前兆監(jiān)測儀器的選擇、地震預測提供參考服務。本文利用震例總結(jié)分析方法，通過對云龍、云縣、永勝、通海等10個觀測點垂直擺監(jiān)測數(shù)據(jù)在云南省內(nèi)及周邊最近10年發(fā)生的51次中強地震的同震響應、震前情況研究，總結(jié)出云南垂直擺的映震能力。

1 研究樣本選擇

垂直擺自“十五”項目期間在云南開始投入觀測，后經(jīng)儀器更新改造項目、各地州提升監(jiān)控能力等一系列項目的不斷投入，至今已有VS、VP兩種型號14套儀器觀測過，永勝、楚雄的VS已經(jīng)停止觀測。目前仍在運行的有12套儀器，分別是楚雄（VP）、云縣（VP）、云龍（VS、VP）、通海（VS、VP）、孟連（VS）、永勝（VP）、勐臘（VP）、個舊（VP）、巧家（VP）、昭通（VP），共10個觀測點，圖1為全省觀測點的分布情況。

圖1 云南省垂直擺傾斜觀測點分布圖Fig. 1 Distribution of vertical pendulum tilt observation points in Yunnan Province

本研究對云南全省在運行的所有垂直擺儀器最近10年的監(jiān)測數(shù)據(jù)都進行了統(tǒng)一標準的再處理，經(jīng)過前期數(shù)據(jù)處理的篩選，選取運行率高、數(shù)據(jù)完整性好、數(shù)據(jù)正式進入國家數(shù)據(jù)庫的云龍、云縣、永勝、通海監(jiān)測數(shù)據(jù)作為重點研究對象，前兩個觀測點使用的VP型號、采樣率為秒的垂直擺，后兩個觀測點使用的VS型號、采樣率為分鐘的垂直擺。選取它們也從地域上是有所考慮的，云龍地處云南省滇西偏北，位于紅河斷裂中段西側(cè)，在紅河斷裂與瀾滄江斷裂之間，更靠近瀾滄江斷裂。云縣主要受NNE向南汀河斷裂控制，對于監(jiān)測西部龍陵、芒市，南部耿馬、瀾滄，東南部思茅、普洱，東北部景東、景谷地區(qū)的地震活動是不可缺少的。永勝位于麗江—寧蒗斷裂帶和賓川—程海斷裂帶之間的永勝盆地東緣山腳下，永勝盆地屬斷陷盆地，盆地西緣即程海斷裂北段，地處多條斷裂帶交匯處，歷史上的1515年曾發(fā)生Ⅹ度（7.5級）的大地震，該地區(qū)小震活動頻繁，屬地震活躍區(qū)。云龍、云縣、永勝3個臺站對云南地震比較多的滇西北、滇西、滇西南能夠有較好的控制。通海地處NW向的曲江斷裂中段、NS向的小江斷裂南段，這兩條斷裂在通海附近交匯，斷裂構(gòu)造發(fā)育，地震活動頻繁。云南著名的8條地震帶中的通海石屏地震帶和小江地震帶覆蓋其全境及周邊[7]。

2 云龍、云縣、永勝、通海垂直擺監(jiān)測數(shù)據(jù)在省內(nèi)及周邊中強地震的同震響應特征

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2009—2018年10年間，在云南省內(nèi)及周邊共發(fā)生了51次ML≥5.0以上地震。根據(jù)吳翼麟[8]按現(xiàn)有臺站的實際觀測精度，形變監(jiān)測地震的能力半徑DJ與震級M的關(guān)系式為lgDJ=0.303(M+1.6)，分別計算51次地震中有多少次在云龍、云縣、永勝、通海、巧家這幾個監(jiān)測點的監(jiān)控能力范圍內(nèi)，對落入范圍內(nèi)的地震進行同震響應特征、前兆異常特征研究。下面表1—表4中NS分量的響應形態(tài)“階降”表示形變向南傾斜，“階升”表示形變向北傾斜；EW分量的響應形態(tài)“階降”表示形變向西傾斜，“階升”表示形變向東傾斜；“波動”表示沒有優(yōu)勢方向、有升有降。

2.1 云龍臺（VP）垂直擺監(jiān)測數(shù)據(jù)的同震響應特征

云龍臺VS型垂直擺是作為VP型的對比觀測使用，觀測數(shù)據(jù)不納入云南臺網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)不做研究，本文只研究VP型垂直擺的觀測數(shù)據(jù)。云龍臺（VP）垂直擺2014年12月16日架設，2015年1月1日開始正式記錄。數(shù)據(jù)完整率是100%，內(nèi)在質(zhì)量精度、潮汐因子、噪聲水平都在觀測質(zhì)量考核指標的較高水平線上，數(shù)據(jù)的準確度高、可靠性好。兩分量格值分別是：ηNS=0.066 11×10-3″/mV，ηEW=0.052 88×10-3″/mV，而且年變化范圍穩(wěn)定在0.2%以內(nèi)，符合觀測規(guī)范要求。在這4年多的時間中云南省內(nèi)及周邊共發(fā)生了11次M≥5.0的地震，根據(jù)形變監(jiān)測地震的能力半徑DJ與震級M的關(guān)系式計算，有3次地震不在云龍形變的監(jiān)控能力范圍內(nèi)，其余8次在監(jiān)控能力范圍內(nèi)，它們的同震響應情況見表1。

表1 云南云龍地震臺形變的同震響應特征Table1 Co-seismic response characteristics of deformation of Yunlong seismic station in Yunnan Province

從表1可看出： ① 在8次云龍垂直擺有監(jiān)控能力的地震中，每一次都有同震響應，通過矢量合成得知，其中同震響應變化量最大的是2017年11月18日發(fā)生的西藏林芝6.7級地震，最小的是2014年12月26日發(fā)生的緬甸5.0級地震； ② 同震響應形態(tài)多以階降的形式出現(xiàn)； ③ 同震響應率100%。

研究發(fā)現(xiàn)，在8次兩分量都有同震響應的地震中，7次震前有固體潮畸變（圖2），其中6次地震固體潮畸變的形式是潮汐基本形態(tài)不變，但是在其上疊加著高頻振動，比較典型的是2016年5月18日的洱源5.1級地震（圖2a）；其余1次地震的固體潮基本形態(tài)畸變，是2014年12月26日的緬甸5.0級地震（圖2b）。前兆異常響應率87.5%。

圖2 云龍垂直擺前兆異常變化形態(tài)圖Fig.2 Precursory abnormal change pattern of Yunlong vertical pendulum

2.2 云縣臺（VP）垂直擺監(jiān)測數(shù)據(jù)的同震響應特征

云縣臺（VP）垂直擺自2012年10月1日開始正式記錄，截止到2018年12月。數(shù)據(jù)平均完整率是92.8%，內(nèi)在質(zhì)量精度、潮汐因子、噪聲水平都在觀測質(zhì)量考核指標的較高水平線上。兩分量格值分別是：ηNS=15.078 9×10-3″/mV，ηEW=9.675 6×10-3″/mV，而且年變化范圍基本穩(wěn)定在0.2%以內(nèi)，符合觀測規(guī)范要求。在這6年多的時間中云南省內(nèi)及周邊共發(fā)生了33次M≥5.0的地震，根據(jù)形變監(jiān)測地震的能力半徑DJ與震級M的關(guān)系式計算，有5個地震不在云縣形變的監(jiān)控能力范圍內(nèi)，其余28個在監(jiān)控能力范圍內(nèi)，這28個地震都有同震響應，它們的同震響應情況見表2。

從表2可看出： ① 在28次云縣垂直擺有監(jiān)控能力的地震中，每一次都有同震響應，通過矢量合成得知，其中同震響應變化量最大的是2016年5月18日發(fā)生的洱源5.1級地震，最小的是2014年12月26日發(fā)生的緬甸5.0級地震； ② 同震響應形態(tài)多以階降的形式出現(xiàn)； ③ 同震響應率100%。

表2 云南云縣地震臺形變的同震響應特征Table2 Co-seismic response characteristics of deformation of Yunxian seismic station in Yunnan Province

研究發(fā)現(xiàn)，在28次兩分量都有同震響應的地震中，21次震前有固體潮畸變（圖3），其中20次地震固體潮畸變的形式是潮汐基本形態(tài)不變，但是在其上疊加著高頻振動，比較典型的是2014年10月7日的景谷6.7級地震（圖3a）；其余1次地震的固體潮基本形態(tài)畸變，它是2013年3月3日的洱源5.8級地震（圖3b）。前兆異常響應率65.6%。

圖3 云縣垂直擺前兆異常變化形態(tài)Fig. 3 Precursory abnormal change pattern of Yunxian vertical pendulum

2.3 永勝臺（VS）垂直擺監(jiān)測數(shù)據(jù)的同震響應特征

永勝臺（VS）垂直擺自2007年6月觀測至2018年11月停止，之后再次架設了VP、VS型垂直擺繼續(xù)觀測，本文選取VS型觀測數(shù)據(jù)作為研究對象。永勝臺（VS）垂直擺2009年1月1日—2018年11月的觀測數(shù)據(jù)平均完整率是85.4%，數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量精度高、噪聲水平適中。兩分量格值分別是：ηNS=0.082 63×10-3″/mV，ηEW=0.090 67×10-3″/mV，而且年變化范圍基本穩(wěn)定在0.2%以內(nèi)，符合觀測規(guī)范要求。在資料選取的這10年中，有13個月因為儀器故障停測，其余時段內(nèi)在云南省內(nèi)及周邊共發(fā)生了37次M≥5.0的地震。根據(jù)形變監(jiān)測地震的能力半徑DJ與震級M的關(guān)系式計算，有2次地震不在永勝形變的監(jiān)控能力范圍內(nèi)，其余35次在監(jiān)控能力范圍內(nèi)，但2014年5月30日的盈江5.0級地震，因與前一次地震的發(fā)震時刻僅僅相差37 s，波形被前一次地震的S波覆蓋，無法識別震動方向與持續(xù)時間；2016年5月18日發(fā)生的洱源5.1級地震，因為儀器故障缺數(shù)，故這2次地震不做分析與統(tǒng)計，其余33次地震，它們的同震響應情況見表3。

從表3可看出： ① 在33次永勝垂直擺有監(jiān)控能力的地震中，有31次地震有同震響應，通過矢量合成得知，其中同震響應變化量最大的是2014年10月7日發(fā)生的景谷6.7級地震，最小的是2010年1月1日發(fā)生的劍川5.1級地震； ② 同震響應形態(tài)多以階降的形式出現(xiàn)，但是波動的形式比其他觀測點偏多； ③ 同震響應率93.9%。

表3 云南永勝地震臺形變的同震響應特征Table 3 Co-seismic response characteristics of deformation of Yongsheng seismic station in Yunnan Province

研究發(fā)現(xiàn)，在31次兩分量都有同震響應的地震中，13次震前有固體潮畸變（圖4）。其中6次地震固體潮畸變的形式是潮汐基本形態(tài)不變，但是在其上疊加著高頻振動，比較典型的是2014年5月24日的盈江5.8級地震（圖4a）；其余7次固體潮汐基本形態(tài)變化，比較典型的是2010年2月25日的元謀5.5級地震（圖4b）。前兆異常響應66.7%，比較顯著的特點是NS向的前兆異常響應率明顯優(yōu)于EW向。

圖4 永勝垂直擺前兆異常變化形態(tài)Fig. 4 Precursory abnormal change pattern of Yongsheng vertical pendulum

2.4 通海臺（VS）垂直擺監(jiān)測數(shù)據(jù)的同震響應特征

通海臺（VS）垂直擺自2007年投入觀測至今，運行良好，兩分量數(shù)據(jù)完整率達99%以上。兩分量格值分別是：ηNS=0.082 04×10-3″/mV，ηEW=0.071 88×10-3″/mV，而且年變化范圍基本穩(wěn)定在0.2%以內(nèi)，觀測質(zhì)量在云南省內(nèi)同類儀器中名列前茅。根據(jù)形變監(jiān)測地震的能力半徑DJ與震級M的關(guān)系計算，2009—2018年的10年間，在云南省內(nèi)及周邊共發(fā)生了51次M≥5.0的地震，有6次地震不在通海形變的監(jiān)控能力范圍內(nèi)，其余45次在監(jiān)控能力范圍內(nèi)[9]，它們的同震響應情況見表4。

從表4可看出： ① 在45次通海形變有監(jiān)控能力的地震中，有3次地震沒有同震響應，通過矢量合成得知同震響應變化量最大的是2014年8月3日發(fā)生的魯?shù)?.5級地震，最小的是2013年2月19日發(fā)生的巧家5.3級地震； ② 同震響應形態(tài)多以階變的形式出現(xiàn)，尤其是階降的形式； ③ 同震響應率93.3%。

表4 云南通海地震臺形變的同震響應特征Table 4 Co-seismic response characteristics of deformation of Tonghai seismic station in Yunnan Province

研究發(fā)現(xiàn)，在39次兩分量都有同震響應的地震中，31次震前有固體潮畸變（圖5），2次地震固體潮畸變的形式是潮汐基本形態(tài)不變，但是在其上疊加著高頻振動，比較典型的是2014年10月7日的景谷6.7級地震（圖5a）；其余29次變化形式是固體潮汐的基本形態(tài)變化，比較典型的是2009年7月9日的姚安6.3級地震（圖5b）。前兆異常響應率79.5%，比較顯著的特點是NS、EW向的前兆異常響應都比較好，一些震級比較?。ǖ陀?.0級）的地震也有固體潮汐畸變。

圖5 通海垂直擺前兆異常變化形態(tài)Fig. 5 Precursory abnormal change pattern of Tonghai vertical pendulum

續(xù)表4

3 云南垂直擺全部測點的映震情況

為全面掌握垂直擺這一測項在云南的映震情況，對每一個測點的同震響應、震前異常響應都利用震例總結(jié)的方法進行了研究（表5），表中的前兆異常響應率是排除了儀器、環(huán)境、人為、氣候干擾因素后計算出的統(tǒng)計結(jié)果。

表5 云南垂直擺所有測點映震情況統(tǒng)計Table 5 Statistics of earthquake reflection at all measuring points of vertical pendulum in Yunnan Province

4 結(jié)論與討論

通過對云南10個觀測點的10套不同型號垂直擺觀測儀器數(shù)據(jù)的研究，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

（1）云南垂直擺每一個測點的觀測結(jié)果都有同震響應，但是響應率差異很大，與各測點的數(shù)據(jù)完整率成正相關(guān)關(guān)系。一般情況下，完整率高，同震響應率也高。全省最高的是云龍測點，數(shù)據(jù)完整率100%，同震響應率100%；最低的是昭通的測點，數(shù)據(jù)完整率27.4%，同震響應率11.8%。

（2）云南垂直擺各測點的同震響應的矢量合成結(jié)果大小與震級、震中距基本成正相關(guān)關(guān)系，個別測點受斷裂帶、地質(zhì)條件影響。

（3）云南垂直擺各測點的同震響應的持續(xù)時間與震級、震中距成弱相關(guān)關(guān)系。

（4）云南垂直擺各測點的同震響應形態(tài)90%以上以“階降”形式出現(xiàn)。

（5）云南垂直擺各測點的前兆異常響應率差異很大，前兆異常響應率與各測點的數(shù)據(jù)完整率成正相關(guān)關(guān)系，各測點前兆異常響應率受儀器工作狀態(tài)、觀測環(huán)境影響大。

（6）VP型垂直擺儀器前兆異常響應形態(tài)多以“固體潮基本形態(tài)不變，但在固體潮上疊加有密集的高頻振動成分”的形式出現(xiàn)。VS型垂直擺儀器前兆異常響應形態(tài)多以“固體潮基本形態(tài)不光滑、畸形”的形式出現(xiàn)，此差異與兩種儀器的采樣率不同相關(guān)。

利用震例總結(jié)的方式來尋找云南垂直擺這類儀器的同震響應、前兆異常響應特征、規(guī)律，能為以后的地震前兆監(jiān)測儀器選型、地震預測服務提供參考。無論哪種類型的地震前兆監(jiān)測儀器，其觀測數(shù)據(jù)受影響因素很多，值得更深入、細致的研究。

續(xù)表 5