汶川地震前泰安台摆式倾斜仪异常现象分析*

卢双苓 王 强 林秀娜 于庆民 郝军丽 钟普浴 张 明

(1)泰安基准地震台，泰安 271000 2)长清地震台，济南 250300

3)山东省地震局，济南250014)

汶川地震前泰安台摆式倾斜仪异常现象分析*

卢双苓1)王 强1)林秀娜1)于庆民1)郝军丽2)钟普浴3)张 明1)

(1)泰安基准地震台，泰安 271000 2)长清地震台，济南 250300

3)山东省地震局，济南250014)

对泰安台水平摆和垂直摆倾斜仪长期观测资料进行了分析，通过对M2波潮汐因子变化和矢量图进动轨迹的分析发现，汶川地震前存在异常现象。

泰安地震台;水平摆;垂直摆;潮汐因子;矢量图异常

1 引言

地倾斜观测的连续记录中包含了大量与局部地壳介质特性有关的信息［1-4］。本文将利用潮汐分析方法，计算泰安台SSQ-2水平摆倾斜仪(2001—2010年)和VS垂直摆倾斜仪(2004—2010年)的长序列观测资料，研究该区域倾斜潮汐因子γ值的时间分布特征，探索倾斜潮汐因子γ值的变化与强震活动的关系。

许多文献报道过汶川8.0级地震前的形变异常现象［5-8］，我们的分析也发现泰安台形变仪器在汶川地震前后存在着一定的异常现象，异常表现为VS垂直摆和SSQ-2水平摆的矢量图出现异常打结、转弯、加速等。

泰安台位于泰山南麓，台基为太古代花岗片麻岩，岩体完整致密均匀，为全国一类形变台。仪器主洞室进深约76 m，覆盖层最大厚度约29 m，室温年变幅小于0.5℃。

2008年前后，泰安台形变仪器有SS-Y伸缩仪、DSQ水管倾斜仪、SSQ-2水平摆倾斜仪、VS垂直摆倾斜仪，均为“九五”数字化仪器，1998—1999年开始运行，分钟值采样。

PET潮汐重力仪、水管仪、伸缩仪和TJ-II体积式应变仪存在故障或其他原因，无法做长期分析。故本文仅对水平摆和垂直摆观测资料进行分析。

2 摆式倾斜仪资料的潮汐分析

2.1 潮汐分析方法

倾斜或应变固体潮观测值可由分波公式表示为［5，9］：

其中，Hi为某一潮汐分波的振幅，ωi为该潮汐分波的角频率，φi为该潮汐分波的初相，Φ(t)为 t时刻的零点漂移。将上式按三角公式展开，并令：

由式(2)可得：

则有：

通过理论分波固体潮公式，可以求得同一潮汐分波的理论振幅H'和初相，按

求潮汐因子和相位滞后。

2.2 资料预处理

泰安台SSQ-2数字水平摆2001—2010年和VS垂直摆2004—2010年整时值数据曲线见图1。

从图1中可以看出，水平摆2003、2004、2006和2007年的干扰经查证均为人为因素所致;垂直摆2004、2005、2006和2007年的干扰与仪器故障有关。

为保证潮汐分析结果的可信度，先对资料进行预处理，剔除受干扰显著的资料，对原始观测数据中超过2倍方差的突跳及台阶进行预处理后，再用调和分析方法进行潮汐分析，得到M2波的潮汐因子和相位滞后。以M2波的γ值作为实用指标，以平静期本底误差的两倍作为区别异常的警戒值，若γ值出现系统的偏离并达到误差警戒值，即作为异常的开始，相应进入中期异常阶段。由于每一个γ值都表征当介质状态在该时段内的一个平均量，因此较适用于中、短期异常的差别。将结果以时序图的形式绘制，以超出2倍方差及出现异常波动作为依据。结果发现倾斜M2波潮汐因子出现了一定的异常现象(图2～6)。

同时为了研究M2波潮汐因子变化与地震的关系，选取以泰安台为圆心，1 500 km为半径，震级7级以上的地震进行分析，符合要求的地震有5个(表1)。

前人的研究表明，强震前引起的γ因子异常可能为下降型负异常［4］。从图2分析，SSQ-2水平摆EW分量的长期潮汐因子变化可分为两个阶段。

图1 水平摆和垂直摆长期变化原始曲线Fig.1 Long-term variation of original data of horizontal pendulum tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter

图2 SSQ-2水平摆2001—2010年EW分量变化Fig.2 EW component curve of the SSQ-2 horizontal pendulum from 2001 to 2010

表1 地震参数Tab.1 Earthquake parameters

第一阶段，2001—2002年，潮汐因子超过正的2倍方差限，经排查，2001年11月10日—2001年12月8日期间未有任何调试仪器或者干扰，此后2001年12月18日日本7.5级地震，2002年3月31日台湾以东7.5级地震，地震发生在潮汐因子开始下降的时刻。

第二阶段为2002年底—2010年，潮汐因子下降至平均值附近，在略低于平均值区域波动。2003年底发生潮汐因子下降异常是因为改造山洞，数据受到严重干扰所致;2004年10月14日—2004年11月23日期间出现了负向超过2倍方差限，但在2004年10月7—13日期间故障检修、调零、漂移出格，不能确认为异常。

2005-01-01—02-01日期间出现2倍方差的负异常，未有任何干扰和调修，视为日本7.0级地震前的异常。

2007-07-10—08-10日出现下降型负异常，并超过2倍方差限。此后于2008年1月底，又出现较明显的负异常，接近2倍方差限，之后发生汶川Ms8.0地震。

汶川地震后14个月的时间内，M2波潮汐变化平静，直到2010-01-30—03-02日再次出现超过负2倍方差限的异常现象，2010年4月14日发生玉树地震，虽然玉树地震震中距超过了1 500 km，但此期间仪器工作状态良好，且没有发生干扰事件，因此初步视为玉树地震前的异常。

根据以上分析，汶川8.0级地震前，2007年7月M2波潮汐因子异常变化，提前10个月出现负异常;第二次较明显的异常为出现于2008年1月的负异常，则是提前4个月(图2)。

水平摆NS分量的M2波潮汐因子变化如图3所示。2002-03-20—10-30日，潮汐因子变化非常大，远超过2倍方差限，经查，此期间存在干扰，不能认定为异常。

2004—2010年的M2波潮汐因子变化如图4。2006年、2007年的异常变化，为更换吸潮剂所致，所以可以排除为地震异常。

2007年10月23日，潮汐因子出现较明显的下降型变化，达到2倍方差限后又出现急剧的上升变化，该变化认为是汶川地震形成的异常，异常出现时间较汶川地震提前7个月。

因为垂直摆EW分量2005年更换了摆体，资料中断，故前后两部分数据的潮汐因子变化较大，没有可比性，因此，只选取2006—2010年的日均值资料进行了潮汐因子M2波分析(图5)。

图3 2001—2010年SSQ-2水平摆NS分量变化Fig.3 NS component curve of the SSQ-2 horizontal pendulum from 2001 to 2010

图4 2004—2010年SSQ-2水平摆NS分量变化Fig.4 NS component curve of the SSQ-2 horizontal pendulum from 2004 to 2010

图5 2006—2010年VS垂直摆EW分量变化Fig.5 EW component curve of VS vertical pendulum from 2006 to 2010

为了排除干扰的影响，查找了2004—2010年的所有日志，发现更换仪器造成的影响较大，如2006年8月11日为重新打磨EW向底脚螺旋的底座，2006-03-28、2006-08-11、2007-02-05、2007-06-04共4次加吸潮剂对垂直摆原始数据有一定的影响。由图5可以看出，加吸潮剂对潮汐因子也产生了一定影响，但可以根据日志判断排除，如2007年的两次，刚刚超过一倍方差限。2006年的两次吸潮剂与调试仪器的干扰叠加在一起，无法区分。

根据图5，2006—2010年之间1 500 km范围内超过7.0级地震只有汶川8.0级地震。震前潮汐因子M2波出现了一定的异常现象，2007-03-21—05-01日超过二倍方差限，此段时间未有发现干扰的影响。此段时间整时值数据也未见干扰现象，详细查阅当时的日志等未有干扰记载。因此认为是汶川地震异常的开始。此后直至2007-09-19—10-17日，向上变化超过一倍方差限。此后潮汐因子急剧下降，出现第二次下降型负异常(2008-02-03—03-27日)。在下降后反升的过程中发生汶川8.0级地震。异常出现时间为震前12个月到震前3个月。

垂直摆NS分量2006—2010年潮汐因子M2波如图6所示。2006-08-12—31日超过2倍方差限的异常为人工活动所致，非地震异常。2007-12-08—26日超过负的2倍方差限，未有任何干扰，原始数据正常平稳，此后由低值急速上升到2008年3月27日后，潮汐因子不再下降，而是在高值区(1.5倍方差限)波动，此时距离发震时刻不到2个月。因此认为垂直摆NS分量第一次异常开始时间为2007年12月8日，距发震时刻5个月;第二次异常时间为震前45天。

图6 摆式仪倾斜M2波潮汐因子变化Fig.6 Variation of M2 wave tide factor of pendulum tiltmeter

综上所述，在汶川8.0级地震前，泰安台摆式倾斜仪M2波潮汐因子出现了一定程度的异常现象，出现时间约在震前5～12个月，两个摆的M2波潮汐因子变化出现异常的时间不太一致。

4 摆式仪矢量图轨迹分析

4.1 VS垂直摆矢量图异常

VS垂直摆2006—2010年的整时值矢量图如图7所示。

从图7可以看出来，VS垂直摆每年的倾斜矢量正常变化轨迹是先向东南倾斜，年中低值后平稳向东，之后缓慢向东北方向倾斜。如2009、2010、2006年等基本上属于正常形态。

图7 VS垂直摆矢量图Fig.7 Vectorgraph of VS vertical pendulum tiltmeter

从图7(a)来看，2006-08—2008-01月，矢量图出现明显打结和速率变化。2008年1月后结解开，向东偏南方向变化，之后汶川地震发生，此后矢量图的年变趋势又基本上正常，向东南方向倾斜。

从图7(b)可知，2007年的矢量变化非常急，倾斜速度明显加快。1—5月向东南方向倾斜，5月开始打结，返回向西北，与此前一段几乎重合，一直到7月才恢复正常。这一异常变化我们认为属于汶川8.0级地震的中期异常，即震前17个月出现了倾斜矢量的异常。

4.2 水平摆矢量图

SSQ-2水平摆2001—2010年的矢量变化如图8所示。

水平摆倾斜矢量正常年份整体西倾，缓慢变化。2006-10—2007-03月是先西南再西北反复运行。2007-06—2008-05月，出现打结、变向，运动轨迹为一椭圆，先西北，再东南。汶川地震后再次恢复向西北方向运动。

2006年挤成一团，无法清晰地看到变化轨迹。

从图8(d)可以看出，2007年3—6月，水平摆矢量图开始打结，2007年6月—10月向西北倾斜，2007年10月后，改为向东南倾斜，形成一个闭合椭圆，2009年恢复正常。由此可得异常开始时间为2007年3月，2007年10月属异常加剧时段。异常先于汶川地震14个月出现。

图8 SSQ-2水平摆矢量图Fig.8 Vectorgraph of SSQ-2 horizontal pendulum tiltmeter

5 小结

1)泰安台摆式倾斜观测M2波潮汐因子在汶川8.0级地震以前出现了一定程度的异常变化，水平摆和垂直摆倾斜潮汐因子基本上从2007年7月—2008年4月开始出现异常变化。异常出现在震前7～11个月。

2)泰安台VS垂直摆、SSQ-2水平摆倾斜仪，也观测到了异常，异常包括打结、变速和转折等几种现象，异常出现时间从2006年8月开始，比汶川地震早14～17个月。

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9 中国地震局监测预报司.地壳形变数字观测技术［M］.北京：地震出版社，2003.

ANALYSIS OF ANOMALIES ABOUT PENDULUM TILTMETER AT TAIAN SEISMOSTATION BEFORE WENCHUAN EARTHQUAKE

Lu Shuangling1)，Wang Qiang1)，Lin Xiuna1)，Yu Qingmin1)，Hao Junli2)，Zhong Puy3)and Zhang Ming1)

(1)Taian Seismostation，Taian 271000 2)Changqing Seismostation，Jinan 250300 3)Earthquake Administration of Shandong Province，Jinan250014)

The long-term data observed with horizontal pendulum tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter in Taian station were analysed.A certain abnormal precursor abnormal phenomenon before Wenchuan Earthquake is discovered by the analysis of M2 wave tide factor variation and the precessional trace of the vector graph of the tiltmeter.

Taian seismostation;horizontal pendulum;vertical pendulum;tide factor;vectorgraph abnormity

1671-5942(2011)Supp.-0019-05

2011-03-19

中国地震局“三结合”课题(SD2010SJH02)

卢双苓，女，1973年生，工程师，主要从事形变观测与分析预报.E-mail：liuru-si@tom.com

P315.72+6

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