营口台SQ-70模拟水平摆倾斜异常分析

翟丽娜，贾晓东，孔祥瑞，李彤霞，邵媛媛（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

营口台SQ-70模拟水平摆倾斜异常分析

翟丽娜，贾晓东，孔祥瑞，李彤霞，邵媛媛
（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

针对营口地震台SQ-70模拟水平摆倾斜仪NS向分量自2015年4月出现的N倾加速打破年变异常变化形态，2016年5月对该项异常进行了认真落实。截止到2016年5月N倾幅度已达227ms，从仪器观测稳定性、降雨资料、周边干扰情况调查等方面对资料异常变化进行了科学合理严谨的分析研究，结果显示，该水平摆倾斜NS分量N倾加速异常变化真实可靠且信度较高，该仪器对局部应力场的敏感性较高，为捕捉地震前兆异常提供了可能。

水平摆倾斜；北倾加速；异常调查分析；营口地震台

0 引言

营口地震台SQ-70石英摆倾斜观测自1980年观测以来，该台仪器运行状态良好，多年观测资料连续稳定可靠。其测线日均值变化曲线存在明显年变，每年7—8月达到最大值后出现N倾转向S倾，12月至次年1月达到最低值后开始S倾转向N倾，正常年变幅度达230×10-3～290×10-3角秒。2010年底，营口地震台SQ-70石英摆倾斜仪NS分量S倾转向N倾趋势异常变化，打破以往正常年变形态。NS分量自2012至2014年每年年变幅度为250ms，2015年年变幅度为670ms，明显高于2012至2014年年变幅度，截止到2016年5月N倾幅度高于往年平均水平，N倾异常幅度已达227ms，总体N倾异常变化幅度达1382×10-3角秒（图1）。异常出现后对观测各个环节进行检查，认定异常真实可靠并对该异常进行分析研究[1-5]。结合1999年以来辽宁及周边地区显著地震发生前地震活动情况，分析探讨营口SQ-70石英摆倾斜异常与小震活动关系，进一步提出石英摆倾斜异常对未来发生在辽宁及周边地区地震的指示意义。

图1 营口SQ-70水平摆倾斜整点值异常曲线图Fig.1 Anomaly curves of Yingkou SQ-70 horizontal pendulum tilt hour value

1 区域地质构造及历史地震概况

营口地震台位于营口大石桥市，台址在地质构造上属于郯城—庐江断裂带的北延带附近，出露基岩为晚侏罗纪粗粒花岗岩。该地区以哈大铁路为界可分为东部山区和西部平原地区。东部山区属于千山山系，山脉总体走向为北东向，山峰海拔高度多在300m以下，为低山构造剥蚀地形；西部地区是下辽河冲积平原，海拔高度多在20～50m之间。该地区出露的地层由西向东，西部平原区广泛出露第四系沉积，沉积最大厚度可达450m；东部山区广泛出露前震旦系辽河群变质岩。该地区北东向断裂构造发育，北西向次之。北东向断裂由西向东依次是：高升—张家屯断裂、台安—大洼断裂、大湾—二界沟断裂、佟二堡—营口断裂、金州—鞍山断裂和青山怀—八里断裂，北西西向构造带分别是虎皮峪背斜、三道岭—周家堡子东西挤压带和青花峪东西向断裂带（图2）。

图2 营口地震台地理位置图Fig.2 Geographic location of Yingkou Seismic Station

营口及周边地区历史上曾发生过多次中强地震，其中比较大的地震有：1859年9月19日营口市5¼级地震，1885年4月7日营口市5½级地震和1940年8月5日盖县熊岳5¾级地震。1975年2月4日在海城岔沟发生7.3级地震后，至今营口海城震区余震不断、时有起伏，共发生地震24万余次，其中4.0≤MS≤4.9地震58次；5.0≤MS≤5.9地震12次。此外，1999年11月29日,岫岩偏岭5.4级地震也发生在该区域。

2 SQ-70水平摆观测情况简介

1979年建成定点形变观测专用洞室，洞体岩石完整，山体与千山山系直接相连，山洞进深50m，全长90m，周围无明显干扰源（图3、表1）。营口SQ-70型石英水平摆倾斜仪1986年6月开始投入观测，2006年“十五”台网改造后，增加安装数字化观测水平摆、洞体应变、水管倾斜仪、钻孔分量应变仪和气象三要素观测。数据采集、传输系统数据采样率为分钟值，2008年1月正式运行。

图3 营口地震台山洞位置平面图Fig.3 Plan of seismological cave site in Yingkou

表1 倾斜观测山洞情况表

SQ-70石英水平摆仪器墩基为震旦系混合花岗岩，仪器在基岩岩墩上，检查仪器测墩稳定。根据对台站周边的调查分析，距本站南偏东约800m存在一矿石开采区A，经现场调查该采石场2009年开采量较大，为3000～4000吨/日，2010年后开采量逐渐减少，至2013年开采量约为400～600吨/日，并维持较小开采量一段时间而后逐渐停产，目前已停工[6-8]。在台站北偏东方向约1000m左右有新矿山B开采，日开采量约300～600吨（图4、表2）。远震同震响应是7级以上远震对英摆倾斜的影响，主要表现为同震波动和固体潮畸变，北南测向尤为明显，震后1～2天恢复，部分巨大地震会导致观测仪器靠摆（图5）。经过对比分析，观测仪器受大风、雷电气象等因素干扰影响较小且影响时间短，以毛刺波动为主，但强降雨会对观测仪器造成较为明显的影响，并且影响时间较长，大概可持续1～2天，北南测项相比东西测项来说变化幅度大，影响尤为明显。以2007—2015年降雨量与北南向观测数据关系曲线可看出，强降雨会使观测仪器加速北倾，1～2天后恢复（图6）。

表2 营口地震台附近矿石开采影响统计表

图4 山洞附近矿山位置示意图Fig.4 Diagram of the cave near the mine

图5 远震同震响应曲线Fig.5 Curves of teleseismic and coseismic response

图6 降雨影响曲线Fig.6 Curves of rainfall influence

3 异常分析

分析营口台SQ-70型石英水平摆破年变成因，主要从降雨、周边观测条件改变和孕震机理等方面进行了分析研究（图1）。

3.1 石英摆倾斜仪破年变与采石场开采关系

根据营口台附近的采石场每年开采量（表2）来看，位于台站东南部位的采石场A从2009年以来开采量为每日3000～4000吨左右，对比数据变化曲线，可以看出2010年后开采量逐渐减少，至2012年日开采量减少为400～600吨，2012年年底后开始逐渐停产。位于台站东北方位的矿山采石场B自2013年开始开采施工，日开采量低于300吨，2014年开始正式开采矿石，日开采量大约可达到300～600吨。综合分析可知，矿石开采对石英摆观测影响2009年最为明显，2011年后因矿石开采量稳定，对观测影响不明显。

图7 矿山地震波形曲线Fig.7 Curves of the mine seismic waveform

此外，经过多次沟通得知采石场每当进行采石工作时就会进行岩石爆破，工作很频繁，经查工作日志和地震波形曲线（图7），与其他形变观测对比分析，认为营口地震台附近的采石场A、B不存在对SQ-70型石英水平摆倾斜的短期异常影响情况。

3.2 气象因素的调查

2015年7月SQ-70石英摆NS向受降雨影响显著（图6），而降雨量采集器2015年3—8月出现故障问题，收集气象资料表明：2015年7月29日台站所属地区出现强降雨天气，降雨量达到207mm，接近今年来同期最大降雨量。但据近五年营口台气象资料，2012年8月4日有216mm的强降雨过程，但SQ-70石英摆倾斜NS向无明显的加速异常变化（图8），说明降雨对石英摆倾斜变化影响不大。

图8 营口地震台SQ-70水平摆NS向与降雨对比曲线Fig.8 Comparison with NS of horizontal and rainfall

3.3 固体潮汐分析

固体潮潮汐因子是表征观测场地的介质弹性参数，其变化反映地壳介质的物性变化。潮汐因子分析计算方法的物理意义清晰，异常容易识别，是当前形变预报领域中的重要方法。应用Mapsis软件对SQ-70石英摆倾斜和SSQ-2型水管倾斜仪整点值数据进行Nakai拟合检验、潮汐变化分析、去潮汐零漂分析等计算，结果显示SQ-70石英摆整点值原始曲线能够记录清晰的固体潮汐曲线，与SSQ-2型数字化水平摆和理论固体潮汐曲线对比，具有很好的固体潮曲线一致性，表明仪器观测是真实、有效、稳定的（图9）。

图9 SQ-70、SSQ-2、理论固体潮汐对比Fig.9 Theoretical solid tidal contrast between SQ-70 and SSQ-2

计算1995年以来营口台SQ-70石英摆NS、EW两分量潮汐因子参数（M2波、O1波和半日波）。如图10所示，石英摆倾斜NS、EW向潮汐因子M2波曲线自2010年中旬至2011年初波动幅值与前几年相比幅度较大，同时段EW 向O1波也出现相同变化，而后，石英摆倾斜NS向开始出现趋势性N倾，而且幅度逐年加大，但石英摆倾斜NS、EW 向的M2波、O1波和半日波都较稳定，说明了这一趋势性异常的真实性。 SQ-70石英摆倾斜短期NS向北倾幅值变大，反映了营口及周边地区震情的加剧。

图10 SQ-70水平摆倾斜潮汐因子变化曲线Fig.10 Variation curves of SQ-70 horizontal pendulum tilt tide factor

3.4 数字滤波处理和周期分析

利用三点线性平滑滤波对SQ-70石英摆NS向和SSQ-2型水平摆NS向进行分析，提取长趋势周期和年变周期变化（图11）。

采用三点线性平滑滤波的数学模型如下：

应用平滑滤波方法提取趋势项和周期项分析异常趋势变化特征和年变周期变化特征，结果显示：两套观测仪器均具有很好的年周期变化，并在2012年前后具有同步的年变幅度减小变化特征；两套仪器NS向均在2011年前后出现准同步趋势转向变化， NS向自2014年9月出现明显趋势N倾，未形成正常年变转向S倾动态变化，EW向自2014年4月后出现了打破多年趋势性的W倾变化，有转向E倾趋势。分析结果表明，模拟观测石英摆和数字化观测水平摆观测结果具有很好的一致性，目前的异常变化并不是SQ-70石英摆仪器个体变化所引起的[8-10]。

图11 SQ-70与SSQ-2水平摆倾斜NS向数据滤波和周期分析Fig.11 The NS of SQ-70 and SSQ-2 horizontal pendulum tilt data filtering and period analysis

3.5 仪器对比分析

营口地震台洞体应变和水管倾斜观测自2007年正式运行以来观测稳定，两者主要受降雨、洞室温度影响明显。从观测曲线形态看，2013年以来洞体应变NS向和EW向均有压性转向张性的趋势变化，与SQ-70石英摆倾斜和SSQ-2型水平摆存在准同步变化（图12）；水管倾斜观测自2013—2015年台站升级改造以及仪器维修对数据干扰较大，从观测曲线形态看，与石英摆倾斜同步变化不明显（图13）。同山洞两台形变观测仪与SQ-70石英摆倾斜仪同时段都发生趋势性变化，说明该地区及其周边地区区域应力场有所活动，该仪器短期变化作为地震前兆异常的可能性较大。

图12 洞体应变观测曲线Fig.12 Curves of cave deforation observation

图13 水管倾斜观测曲线Fig.13 Curves of water tube tilt meter observation

3.6 典型震例

1999年7月份开始，营口SQ-70石英摆倾斜仪NS向记录年变幅明显增大，9月27日EW向由正常年变E倾方向突然转为W倾，且速率很快，截至10月14日W倾变化幅度最大值达40ms左右，此后方向又转平，11月28日发生岫岩地震，震后异常逐渐恢复。此外，NS向分量于9月20日亦有突然转向南倾速率变化异常，通过对NS向（图14、15）和EW向（图16、17）两测向原始曲线做卡尔曼滤波和α-β-γ滤波处理，异常情况更加直观清晰。该仪器映震效果好，该测项已成为典型前兆异常震例。

4 结论与讨论

水平摆倾斜仪是用于测量地球内部运动引起地面水平向倾斜变化的一种高灵敏度仪器，研究地壳形变垂直方向的相对运动和固体潮汐的动态变化，水平摆观测是进行地震前兆观测的重要手段之一。营口台SQ-70石英水平摆临震异常是客观存在的，1999年岫岩地震震前异常明显，它是判断地震前奏，识别地震短临前兆及短临预测的一个重要参考指标。

营口台SQ-70石英摆倾斜仪NS向2010年底出现明显S倾转向N倾趋势性异常变化，并持续，异常变化已将近2000ms；EW向2012年年变形态明显异于往年，并有持续E倾加速，异常变化幅度将近750ms。在此趋势性背景异常下，2015年8月出现了加速N倾的短期变化，至2016年该异常动态持续发展，综合现场核实等分析认为，NS分量持续N倾并加速的异常变化排除人为干扰、仪器老化、降雨干扰以及外界环境变化等原因，NS分量异常变化真实可靠且信度较高，该仪器观测对局部应力场的敏感性较高，为捕捉地震前兆异常提供了可能，后续需密切跟踪该项异常变化情况。

在以后继续对营口地震台目前使用的SQ-70石英水平摆进行实验性分析，检测分析仪器工作状态的改变可能引起的变化；针对石英水平摆模拟观测仪器靠摆现象进行相应的仪器调零工作，具体情况进行分析来排除对数据的影响，使异常信度更高。

图14 水平摆NS向原始数据和卡尔曼滤波处理Fig.14 The original data and Kalman filtering processing of the NS horizontal pendulum

图15 水平摆NS向原始数据和α-β-γ滤波处理Fig.15 The original data and α-β-γ filter processing of the horizontal pendulum

图16 水平摆EW向原始数据和卡尔曼滤波处理Fig.16 The original data and Kalman filtering processing of the EW horizontal pendulum

图17 水平摆EW向原始数据和α-β-γ滤波处理Fig.17 The original data and α-β-γ filter processing of the EW horizontal pendulum

[1] 辽宁省地震局监测处. 地震观测资料评比办法及管理细则汇编，2012.

[2] 中国地震局监测预报司. 地震前兆异常落实工作指南.北京: 地震出版社，2000.

[3] 辽宁省地震局. 辽宁省地震监测志. 北京: 地震出版社，2004.

[4] 中国地震局监测预报司.形变学科观测资料异常变化现场核实工作报告编写要求（施行）， 2013.

[5] 闫伟，牛安福，陈国琴. 不规则载荷影响地表近场垂向位移和倾斜观测的定量计算[J].中国地震， 2015， 31（2）: 297-307.

[6] 翟丽娜， 贾晓东，孔祥瑞，等.辽宁地区重力场动态变化特征分析[J]. 防灾减灾学报，2016，2（32）: 10-14.

[7] 牛安福. 地倾斜变化的突变性欲地震关系的研究[J]. 地震学报， 2003， 25（4）: 441- 445.

[8] 牛安福， 张凌空， 闫伟， 等. 汶川地震前南北地震带中北段地形变变化特征研究[J]. 地震， 2009， 29（1）: 100-107.

[9] 牛安福， 张凌空，闫伟，等. 汶川地震近震源区地形变短期前兆现象的解析[J]. 地震， 2012， 32（2）: 52-61.

[10] 张雁滨， 蒋骏， 李胜乐， 等. 滇西地区强震与形变异常的前兆特征[J]. 地震研究， 2004， 27（2）: 119-123.

Analysis of Acceleration Incline to North Direction of SQ-70 Simulates Hrizontal Pendulum Tilt-meter at Yingkou Seismic Station

ZHAI Li-na, JIA Xiao-dong , KONG Xiang-rui, LI Tong-xia, SHAO Yuan-yuan
（Earthquake Administration of Liaoning Province，Liaoning Shenyang 110034，China）

The abnormality of the annual variation of the NS component of the horizontal tilt pendulum from Yingkou Seismic Station where SQ-70 was analyzed in April 2015. The anomaly has been seriously implemented in May 2016. The N tilt has reached 227ms until May 2016, from the observation stability of the instrument, rainfall data, the surrounding interference investigation and other aspects of the abnormal changes in the scientific and rational analysis of rigorous research, the results showed that the horizontal pendulum inclination NS component N (subscript N) was the most important factor for the anomalous change of the data. The sensitivity of the instrument to the local stress field provided the possibility of capturing the precursory anomalies of the earthquakes which was reliable.

horizontal pendulum tilt-meter; accelerated incline to north direction; abnormal investigation; Yingkou Seismic Station

P315.2

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.001

地震星火计划项目（XH14014Y）；中国地震局2017年度震情跟踪青年课题（2017010223）

2017-02-12

2017-04-16

翟丽娜（1986-），女，吉林省长春市人，硕士研究生，工程师，现主要从事地壳形变与地震预测方面的研究工作。