临潭-宕昌断裂3次中强地震活动与兰州钻孔倾斜观测趋势性变化特征分析

曾文浩 姜振海 翟玮 王小娟

甘肃省地震局，兰州市城关区东岗西路450号 730000

0 引言

临潭-宕昌断裂位于南北地震带的北段，处于东昆仑与西秦岭北缘2条深大断裂构造转换过渡带，与迭部-白龙江、光盖山-迭山、文县-康县-略阳、康县-略阳、成县盆地南缘、两当-江洛、礼县-罗家堡等多条规模较大的断裂共同组成了该地区复杂的“家堡字型构造体系”（袁道阳，2003；袁道阳等，2004；郑文俊等，2005），在构造上是应变积累和转换过渡的重要位置。青藏高原的NE向挤压作用，造就了甘东南地区从东昆仑断裂向西秦岭北缘断裂逐渐转换过渡的复杂构造系统，这是该地区新构造变形强烈、地震活动频繁的重要原因（郑文俊等，2013a、2013b）。郑文俊等（2007a、2007b）对甘东南临潭-宕昌断裂新活动特征的研究认为，临潭-宕昌断裂主要由合作断裂段、临潭断裂段和岷县-宕昌断裂段组成，其中合作断裂段的北支活动性较弱，为早更新世或前第四纪活动断裂，而南支活动不均匀，其最西端活动性较弱，为早中更新世活动，东端为晚更新世活动；临潭断裂段活动较强，其北支可能为全新世早期活动，活动性在整个断裂带中最强，其南支为早中更新世-晚更新世早期活动；岷县-宕昌断裂段的主支断裂活动性较弱，断裂段主要部分的活动为前第四纪，仅有少量地段呈现早更新世活动，其北缘的2条次级断裂中最北边的一条可能有第四纪晚期（全新世）活动的迹象，沿洮河的另一条最新活动时间应为早中更新世，而其最南端的斜接断裂活动时间与主干断裂一致，为第四纪早期或前第四纪。历史上该区曾发生过3次强震，分别是839年岷县 6.0～7.0级、1573年岷县6.5级和1873年临洮-岷县6级地震。近年来，临潭-宕昌断裂附近又连续发生2003年11月13日岷县-临潭-卓尼5.2级、2004年9月7日岷县-临潭-卓尼5.0级和2013年7月22日岷县-漳县6.6级3次中强地震。在这3次中强地震期间，兰州台钻孔倾斜观测分别记录到了不同程度的异常变化（姜振海等，2005、2006、2013），本文对该异常变化进行了分析，以探讨兰州台钻孔倾斜观测与临潭-宕昌断裂活动之间的响应关系。

1 兰州台钻孔倾斜观测简介

兰州台全称兰州观象台，地处青藏高原东北缘、祁连山地震带与南北地震带交汇部位附近，区内活动构造发育，地震活动频度高，强度大。具体位置为兰州东盆地盐场堡以北、白塔山以东、黄河北岸Ⅲ级阶地的后缘，阶地基底由白垩纪棕色砂岩、砂砾岩夹薄层泥岩构成。

临潭-宕昌断裂西起合作以西，向SE经临潭北、岷县延伸至宕昌以南，长约250km，由数条规模不等、相互平行或斜列的次级断裂组合而成。合作-岷县间，该断裂分为南、北2支，影响范围为5～10km，在岷县东南一带，又归并为一体，延至宕昌以南。总体呈NWW-NW向展布，倾向NE，倾角50°～70°。该断层最近端距兰州台约150km，最远端约300km。

图1 兰州台及临潭-宕昌断裂3次中强地震位置

CZB-1型竖直摆倾斜仪是河南省地震局研制生产的高精度井下倾斜仪。其工作原理是利用1个铅锤摆来测定地面倾斜变化，即用细丝吊起1个重锤，由于地球重力作用，重锤必然指向地球质心，当地壳产生倾斜变化时，摆的支撑架随着地面产生倾斜，重锤仍然保持垂直方向，与仪器外壳产生相对位移，由电容测微器直接测量、记录并输出位移产生的电信号（能分辨10－10m量级的变化），从而实现微小倾斜量的测量（中国地震局监测预报司，2008）。

2000年 5月兰州观象台在1口废弃的测震井中安装了1套CZB-1型竖直摆倾斜仪，下井深度52m，基岩为泥质细砂岩，初始记录方式为模拟记录，2001年10月增加了数字记录（“九五”模式），2012年起改为“十五”数字化记录模式。仪器自安装以来，未出现重大故障，未对其探头进行过任何维修，仅在2012年更换过主机（由于数字记录数据库中的资料从2001年10月开始，故本文研究时段为2001年10月1日～2015年5月31日）。

2 调和分析

表1为 2002～2014年兰州台钻孔倾斜观测逐年潮汐因子和中误差的统计。NS分量半日主波M2的潮汐因子为 0.6487～0.7213，2012年及以前的中误差均小于0.0100；EW分量半日主波M2的潮汐因子分别为 0.2020～0.3198、0.6590～0.8057，除 2012、2013年以外，其他年份的中误差均小于0.0100。查阅台站工作日之后可见，兰州台的钻孔倾斜仪探头部分从未出现过故障，但主机部分故障较多，且不论NS还是EW分量，其潮汐因子每次大幅变化时均有仪器故障或检修仪器的情况发生。如2013年8月NS分量出现故障，检修后潮汐因子出现变化，由7月的0.7579到8月的1.1588再到9月的1.5206，随后稳定在1.4000～1.5000之间。由此可以确认，虽然兰州台钻孔倾斜观测的潮汐因子变化较大，但稳定性较好，中误差除个别年份外均小于0.0100，因此，兰州钻孔倾斜的观测资料是可靠的。

表1 潮汐因子和中误差

3 观测资料漂移分析

由2001年10月1日～2015年5月31日兰州台钻孔倾斜观测的日均值曲线（图2）可见，NS、EW分量均存在较严重的漂移现象。该漂移现象是由地壳的变化引起的，还是由仪器本身不稳定引起的？我们查看了仪器的安装报告后发现，兰州台CZB-1型竖直摆倾斜仪在安装时少装了1个底座托盘，这是否是造成NS、EW分量长时间漂移的原因？本文将从以下几个方面加以分析。

3.1 仪器的安装结构

兰州观象台CZB-1型竖直摆倾斜仪在安装时由于井管变形，底座上的托环装置无法安装，造成约40kg重的仪器探头只能由1根直径8mm的定向螺钉来承受（图3）。因此，定向螺钉在探头的重压下，会出现弯曲变形的现象，且该现象随时间而变化，最终使得探头向某一方向倾斜，并在观测结果中形成了大幅度的漂移现象。

3.2 漂移方向、漂移量与定向螺钉方位角之间的关系

定向螺钉是横担在定向底座上的，其方位为北偏西64°。因此，在观测记录中随着定向螺钉的弯曲变形，理论上EW分量应呈现向W漂移，NS分量应呈现向N漂移，实际观测中，EW、NS分量的漂移情况恰与此相符。选取2000年7月31日的资料进行计算可知，EW分量漂移值为－45.3×10－3″，NS分量为 20.5×10－3″，漂移方向与正北方向的夹角为 63.1°，这与定向螺钉的方位角64°很接近。而在实际观测中还包含这2个分量各自变化的趋势，因此，可认为上述2个数据是相符的。

图2 2001年10月1日～2015年5月31日兰州CZB观测曲线

3.3 实际观测中的现象

由于仪器未安装底座脱环，探头在无托环支撑的状态下，仅能依靠定向螺钉及定向底座壁（螺钉对面部分）的摩擦力来稳定，稳定性较差，一旦出现滑动，在实际观测中就会出现阶跃现象。而在实际观测曲线中确实发现存在着一定的阶跃现象，其阶跃方向恰好与漂移方向相反，这也与以上的分析相符。

图3 兰州CZB-1型倾斜仪探头安装示意图

综上所述可认定，该仪器存在因安装造成的零点漂移。因此，在资料分析时，需剔除该零点漂移。我们选用了抛物线函数Y＝a＋bT＋cT2对观测值进行趋势拟合，得到兰州台钻孔倾斜观测曲线的残差时间序列（图2）。

4 趋势性变化特征分析

根据世界各国大量地形变观测所归纳出的地震地形变演化过程与岩石破裂实验、地震发生物理模式和非线性动力学等的演释结论大致能互相印证，可认为其在一定程度上概括了地震地形变自然现象的某些共性——在地震孕育的长、中、短（临）各个物理阶段，地形变都具有各不相同的鲜明特征。这说明我们有可能通过对地形变的时空动态监测，来探究地震的长、中、短（临）前兆。

4.1 中长趋势变化

研究表明，地震地形变存在着由继承性（准线性匀速）运动→偏离继承性（加速度）运动→发生地震→震后调整逐步回复到继承性运动的过程（中国地震局监测预报司，2008）。那么，兰州台钻孔倾斜观测是否记录到了该过程？我们由图2的拟合残差曲线可见，这3次地震均发生在NS分量的高值区间及EW分量的下降趋势中。为了更清楚地说明上述运动过程，详细地分析2004～2013年变化趋势后发现，NS分量在2004年5.0级地震之后呈下降趋势（震后调整），2006年开始转入水平变化趋势（继承性运动），2010年出现转折变为上升趋势（偏离继承性运动），2013年发生6.6级地震；EW分量在2004年5.0级地震之后呈下降趋势（震后调整），2006年开始转入上升变化趋势（继承性运动），2010年出现转折变为轻微下降趋势（偏离继承性运动），2013年发生6.6级地震。因此，兰州台钻孔倾斜观测能够记录到发生在临潭-宕昌断裂上的中强地震地形变的整个运动过程，可以为地震预测研究提供可信的资料。

4.2 中短趋势变化

为了更清楚地分析地震前的中短期变化，我们截取2002年1月1日～2004年12月31日、2011年1月1日～2013年12月31日的数据，并根据前述对漂移的分析结果，对观测数据进行趋势拟合，结果见图4、5。

图4 2002～2004年兰州台CZB剔除漂移后的观测曲线

图5 2011～2013年兰州台CZB剔除漂移后的观测曲线

由于2004年5.0级地震发生在2003年5.2级地震之后1年以内，且发生在同一地点，因此，认为5.0级地震是5.2级地震的强余震。故在分析中短期变化趋势时，主要针对2003年5.2级地震和2013年6.6级地震。

由图4可见，2003年5.2级地震前EW分量在2003年1月出现了1个明显的转折，由上升转变为下降，2003年2月初NS分量同步出现转折，由下降转变为上升，2003年10月EW、NS分量同时再次出现转折，EW由下降转为上升，NS由上升转为下降，随后发生地震。这说明在5.2级地震前存在明显的中短期趋势性变化异常，即2003年1、10月 EW、NS分量同步出现转折异常，且变化趋势反向。

由图5可见，2013年6.6级地震前NS分量在2013年4～5月间出现了急速下降的趋势性变化，同时EW分量出现了急速上升的趋势性变化，在急速变化回稳后发生了6.6级地震。该异常变化与2003年5.2级地震前的异常变化有部分相同之处，即NS、EW分量同步出现转折现象，并发生反向加速异常变化。因此，我们认为兰州台钻孔倾斜观测能够记录到临潭-宕昌断裂上中强地震前的中短期趋势性异常变化，且异常特征可能为NS、EW分量同步出现转折且发生反向异常变化。

4.3 短临趋势变化

在破坏性地震的主震之前，地壳往往会发生许多不同速度和规模的破裂。根据破裂速度的不同可将地震分为：地震、慢地震、静地震和蠕滑。而地形变连续观测可望记录到慢地震、静地震和蠕滑。那么兰州台钻孔倾斜观测是否记录到了这些变化呢？我们通过对3次地震前半年时段的分钟值原始数据及其小波分析的结果进行研究，并未发现较为明显的异常变化。因此，兰州台钻孔倾斜观测对临潭-宕昌断裂上中强地震前的临震异常无明显反映。

5 结论与讨论

（1）通过分析2001年10月～2015年5月兰州台钻孔倾斜观测资料的长趋势变化发现，兰州台钻孔倾斜观测存在长期趋势的零漂。通过对仪器安装和观测资料变化的分析认为，该零漂是由仪器安装时未安装底座托盘所致，且漂移现象可利用抛物线函数Y＝a＋bT＋cT2进行消除。

（2）2003年5.2级、2013年6.6级地震前，兰州台钻孔倾斜观测的NS、EW分量均出现了较为明显且异常特征基本相同的异常变化，即在地震前均出现了2次转折变化，且在这2次转折之间的是方向相反的加速异常变化。由此可见，兰州台钻孔倾斜观测可能为临潭-宕昌断裂带上中强地震的预测提供判定依据。

（3）由姜振海等（2005、2013）的研究可知，2003年5.2级地震前，兰州十里店台（距兰州台10km左右）的FSQ水管倾斜仪、SSY-Ⅱ石英伸缩仪的矢量图均出现了打结现象，且SSY-Ⅱ石英伸缩仪的年变趋势也有一定的异常变化；2013年6.6级地震前，兰州十里店台的DSQ水管倾斜、SSY洞体应变和SSY-Ⅱ洞体应变的日均值均出现了不同程度的异常变化。这些同期异常进一步说明了兰州地区的地壳变化受临潭-宕昌断裂带的影响较大，兰州地区的地形变观测资料可能为临潭-宕昌断裂带上中强地震的预测提供判定依据。

（4）由吕品姬等（2010）的研究可知，倾斜前兆异常中震中距与震级间的统计关系为，当MS＞7.0时，震中距应不大于 400km；当 6.0≤MS≤6.9时，震中距应不大于 300km；当 5.0≤MS≤5.9时，地震观测台站间距应不大于200km，当4.0≤MS≤4.9时，地震观测台站间距应不大于100km。而2003年11月13日岷县-临潭-卓尼5.2级、2004年9月7日岷县-临潭-卓尼5.0级、2013年7月22日岷县-漳县6.6级等3次中强地震的震中距分别为150、160、178km，这进一步印证了倾斜前兆异常中震中距与震级间的统计关系。

（5）由兰州台钻孔倾斜观测的原始曲线和残差序列均明显可见，2013年岷县-漳县6.6级地震之后NS、EW分量均出现了大幅度的异常变化，该异常变化是什么原因所致还需进一步研究。

（6）2015年4月以后兰州台钻孔倾斜观测NS、EW分量又达到高值，且EW分量开始出现下降趋势。因此，建议关注NS、EW 2个分量的速率变化情况，若发现NS、EW分量出现方向相反的同步加速异常变化，则需要进行短临跟踪，以监测临潭-宕昌断裂带上可能的中强地震活动。