山西临汾中心地震台数字化定点形变观测异常与地震对应关系分析

郭国祥，张红秀，郭林旺，刘国俊，邰垣东

（1.山西省地震局临汾中心地震台，山西 临汾 041000；2.山西省地震局夏县中心地震台，山西 夏县 044400；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025）

0 引言

临汾台在“九五”“十五”项目中，相继投入使用一批数字化定点形变观测仪器，台站定点形变观测包括应变和倾斜观测两部分。应变观测使用仪器为钻孔体应变和伸缩仪，倾斜观测使用仪器为VS型垂直摆倾斜仪、水管倾斜仪、SSQ－2I水平摆、VS型垂直摆。自观测以来，不少学者对观测资料和震例进行了分析和研究，得出了一些有益的认识［1－2］，与山西带相关的断层形变研究也取得一些成果［3－4］。临汾形变观测台站四周均为农田，无大型工矿企业，干扰很小，观测环境优越。仪器安装在罗云山断裂带附近、紫金山山前断裂带中段，用来监测该断裂带及其周边地区的地壳表面形态变化和固体潮的动态变化，为地震预测及震后趋势判断提供科学依据。

1 震前异常图像类型

地壳形变与地震的孕育发生有着紧密的联系，此方面已积累了许多成果。随着数字化观测仪器投入到地震观测之中，克服了模拟记录中的人为干扰因素，为地震分析预报提供了更加翔实的资料，使地震预报的依据更加真实可靠。各种地震前兆观测资料是地震预报的基本依据，地震前兆异常的识别、提取是地震预报的前提。在实验研究岩石破裂时，发现主破裂前往往存在应变扰动，即在长趋势形变变化的背景上还有突升、突降或者类似于波的应变扰动［5］。在大地震之前，一些连续观测的形变仪器能记录到扰动或波动现象，其本质是否是地震短临前兆反映？实践表明，只有观测并识别出可靠的地震前兆，正确判断中短期前兆及识别地震孕育从中长期向中短期过渡的标志，才有可能对中强震做出中短期判定，进而进行短临跟踪预报。文章选取近几年台站所记录的资料，对照台站仪器工作日志进行认真的分析，排除气象、人为等干扰因素的影响，初步总结出台站所记录的数字化地形变震前出现的几种异常图像。

1.1 短期趋势转折

短期趋势转折在定点形变观测中是常出现的一种异常形态，有时在一个或多个方向出现，有时向下，有时向上突起，其出现的原因十分复杂，但通过详细分析，发现有很大一部分短期趋势转折出现后，往往会发生一些地震。大幅度趋势性变化图像是临汾台记录的地震前常见异常图像之一，这种趋势性变化，在某种程度上与未来震中方位有一定关联。如，从水平摆2010年1月至3月变化趋势曲线可以看出（见图1），NS、EW 向漂移较大，NS向3个月漂移量达292.61ms，EW向漂移526.87ms。水平摆总体向东南方向漂移，NS向曲线升降幅度较大。NS、EW向在同一时间，均有3个速率异常时段，智利地震发生在第3速率异常时段。SSQ－2I石英摆记录异常波形特征主要表现为转向、加速上升、加速下降。

图1 2010年1月至3月临汾台水平摆整点值曲线图Fig.1 Integral hour value of horizontal pendulum tiltmeter at Linfen Station from January to March，2010

从垂直摆2010年3个月的变化趋势图看出（见图2），固体潮曲线经过多次转向加速后向东南方向倾斜，1月13日海地7.3级、1月24日山西河津4.8级、2月27日琉球7.2级和智利8.8级地震都发生在转折和加速时段。2010年2月3日至5日，NS向南倾速率加大，3日4时观测值为－265.23ms，5日4时观测值－343.07ms，南倾77.84ms；2月5日至9日，再次转向加速，北倾40.84ms，9日至20日恢复正常；21日转向南倾，一直到27日发生琉球7.2、智利8.8级地震，地震之后继续南倾；EW 向在5日转向后，持续缓慢向东倾斜。5日测值279.56ms，27日测值693.98ms，22d内加速东倾414.42ms。

图2 2010年1月至3月临汾台垂直摆整点值曲线图Fig.2 Integral hour value of vertical pendulum tiltmeter at Linfen Station from January to March，2010

1.2 数据波动

在正常记录的背景下，短期内出现数据波动（脉冲状突跳、毛刺状突跳脉动增粗及高频）。2008年5月12日四川汶川发生8.0级特大地震时，NS向在9日、10日两天内记录曲线出现数次掉格、畸变现象，11日曲线NS向、EW向同步出现脉动加粗直至发震，震后持续脉动加粗（见图3）。这种波浪形抖动图像也属于典型的震前异常特征图像，此次地震出现的异常特征与数字前兆观测地震异常短临特征的初步研究［6］相吻合。

图3 2008年5月12日汶川8.0级地震水平摆记录曲线Fig.3 Record of horizontal pendulum tiltmeter for the May 12th，2008Wenchuan M8.0earthquake

1.3 阶变

阶变在定点形变中也常出现，大多原因不明，其中有部分阶变后面会发生地震。山西运城河津3.7级地震前一周，水平摆表现为趋势性NE倾斜，震前24小时NS向分钟值曲线出现明显的蠕滑型台阶图像，即2011年1月14日12时20分至13时16分形成蠕滑台阶，幅度值达到26.8ms，15日4时19分至6时13分蠕滑台阶幅度为10.76ms；EW 向从5日保持持续向东倾斜，至13日16时30分，东倾幅度达到400ms，之后转向西倾中，于15日发震（见图4）。

图4 2011年1月15日山西河津3.7级地震前水平摆记录曲线Fig.4 Record of horizontal pendulum tiltmeter before the Jan.15th，2011Hejin M3.7earthquake

2 异常图像与地震对应关系统计

对全球Ms＞7.0、中国境内Ms＞6.0以及山西省内Ms＞4.0的84个地震事件进行统计分析，结果发现，临汾台各形变仪器在震前3d～7d原始记录图有明显的异常显示（见表1、表2）。异常类型常见有趋势性转折、大幅度趋势倾斜、高频毛刺抖动、阶变、波动、脉冲波动等。研究发现，对于某一地震事件，震前异常并不具有单一性，往往是多种异常的组合，充分说明地震异常的复杂性。

表1 洞体摆原始记录图在震前3d～7d的图像异常统计Table.1 Anomaly statistics of raw record of cavity pendulum in 3～7days before earthquake

表2 应变仪原始记录图震前3d～7d的图像异常统计Table.2 Anomaly statistics of raw record of strain gauge in 3～7days before earthquake

3 认识与思考

大量的观测事实和震例表明，地震前确实存在地壳形变。地壳形变从时间上划分为长期背景异常、中期异常和短临异常；在空间上，由于各台站（点）所在的位置、地质环境各不相同，使得各地的异常形态和量级也不尽相同。在地震的孕育过程中，随着地应力的不断加强，必然会引起孕震体及其附近环境发生物理、化学变化，由于地应力的不断增强，也必然会引起孕震体及其附近首先产生微小破裂和变形，当地应力增强到导体岩石不能承受的时候，岩石断开，地震也就发生了。这些首先发生的微小破裂和变形，反过来又对孕震环境施加影响，因而就造成在记录曲线上出现了各种不同的异常图像，这就是为什么在地震发生之前，能够记录到地形变异常的重要原因。通过上述总结可以看出，前兆异常形态主要是震荡扰动，其次是分钟值固体潮曲线畸变，然后是阶跃，多数是3种形态的组合，固体潮畸变伴随震荡扰动、阶跃后，出现震荡动。形变异常方向与震中方向有一定联系，若震中在观测台站以北或以南，则分量图上北南向异常比东西向明显，异常幅度比较大；否则，东西向异常较大。从时间上看，异常多在震前几个小时或3～7d之内，不同的仪器，分钟值曲线上会有同步变化［7］。从地震震级上来看，震前出现地形变异常的情况多集中在3级以上的近震和地方震，而3级以下的地震则很少见到。3级以下小震记录不到震前异常变化，很可能是由于震级太小，异常形态微小，因而仪器记录不到。通过对临汾台地形变数字化资料异常形态的研究，可以看出地形变异常与地震确有一定的对应关系，但由于所掌握的数字化记录资料有限，加之没有较大的近震和地方震加以佐证，这种对应关系准确到何种程度，目前尚不能定论。

［1］顾国华，胡惠民，胡思勇.唐山大震前大灰厂和牛口峪台站的地壳形变异常［J］.地壳形变与地震，1982，Z（4）：56－64.

［2］程万正，官致君，苏 琴，等.汶川Ms8.0地震前四川地区前兆异常及其统计分析［J］.地震学报，2011，33（3）：304－318.

［3］薄万举.形变异常与干扰关系的再认识［J］.大地测量与地球动力学，2010，30（1）：5－8.

［4］薄万举，华彩虹.地形变强震前兆指标探讨［J］.地震，2001，21（1）：25－31.

［5］王贤仁，卢艳青.倾斜扰动与短临地震预报［J］.地震研究，2002，25（1）：20－24.

［6］田 山，汪翠枝，李君英，等.数字前兆观测地震异常短I临特征的初步研究［J］.地震地磁观测与研究，2009，30（2）：57－67.

［7］张红秀，郭林旺，罗振东.山西临汾中心地震台地倾斜模拟与数字化观测资料的对比分析［J］.山西地震，2009（4）：15－17.