朝阳石英摆倾斜异常跟踪分析

翟丽娜，孔祥瑞，王松阳，赵晓辉，王思淇

（1. 辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034；2. 朝阳地震台，辽宁 朝阳 122000）

0 引言

一直以来，地倾斜、地应变等连续观测被认为是监测地壳局部变形和捕捉地震前兆的重要手段[1-2]。地倾斜观测的是地平面与水平面之间的夹角（也就是地平面法线与铅垂线间的夹角）随时间变化情况，其观测结果不仅可以用来研究地倾斜变化与地震之间的关系，也为大地测量学、地球固体潮汐、地球动力学等方面的相关研究提供一定的科学数据。地倾斜观测原理可分为以下两种：一是以水平面为准在一定距离内观测地壳在铅垂方向上的相对位移；二是以铅垂线为准采用一个摆来观测地壳相对于铅垂线的偏移量[3-4]。一般情况下，地倾斜观测手段都会受到湿度、温度、气压和降雨等外界干扰影响[5-7]，这种影响就会使我们观测资料产生不同程度的异常信息，该现象具体影响机理十分复杂，因此在我们进行地震分析预报工作时就要提取更为可靠和有效的前兆信息来做分析研究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. 沈阳：辽宁省地震局，2012.。本次朝阳地震台SQ-70 型石英水平摆出现的短期异常，按照《形变学科观测资料异常变化现场核实工作报告编写要求（试行）》准则②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. 北京：中国地震局监测预报司，2013.和中国地震局监测预报司《地震前兆异常落实工作指南》的要求进行异常详细排查分析工作[7]。

朝阳地震台SQ-70 型石英水平摆倾斜为“九五”观测石英仪器，数据观测时段为1995年，仪器工作至今已25 年之久，是全国为数不多的石英观测仪器，运行状态较好且资料稳定可靠。该仪器为日值观测且年变状态较好，NS分量每年最大值出现在6—7 月，而后开始由N转S 倾，最小值出现在12 月，次年2 月后开始S 转N 倾，一般年变幅为40×10-3～60×10-3角秒；EW 分量最大值出现在3—5 月，后由E 转W 倾，最小值出现在11 月，次年3 月后开始W 转S 倾，一般年变幅为200×10-3～350×10-3角秒。自2017 年初以来，NS 分量开始出现N 倾趋势性转向，EW 分量W 倾转E 倾趋势性变化。2018 年12 月开始，NS 分量N 倾年变较以往幅度增大，且2019 年1 月开始波动较大，而EW 分量转为E 倾年变较往年提前（图1）。

图1 朝阳地震台SQ-70 倾斜仪整点值曲线Fig.1 The hour value curves of SQ-70 inclinometer at Chaoyang Seismic Station

1 朝阳地区地质构造及历史地震概况

朝阳地震台位于华北地台东北部，内蒙地轴与燕山沉褶带交界的辽西古中断陷部分。在1：5 万的地质构造图上，朝阳地震台周围30 km2面积上出露的地层有：元古界（震旦系）雾迷山组灰岩，厚度900 m，古生界（寒武系） 老庄户组。下部为含燧石结核灰岩，底部有0.5 m厚的钙质胶结砾质石英砂岩，上部是豹皮状结晶灰岩。还有奥陶系、二叠系、中生界的侏罗系、新生界的第三系、第四系。阴山—燕山复杂构造带东部和大兴安岭—太行山新华夏构造带在这里交汇，向北60 km 和30 km，是赤峰—开原大断裂和北票—承德断裂。朝阳地震台位于近南北走向的北票—朝阳断裂和大凌河谷地之间（图2）。

朝阳地区地震活动主要分布在朝阳—北票断裂附近，在历史上，公元419 年朝阳发生5.5级地震，震中烈度Ⅶ度；有仪器记录以来发生的最大地震是1997 年6 月5 日北票小塔子MS4.7 级地震；自1970 年至2002 年6 月，距朝阳台150 km 范围内发生ML3.0 以上地震136次，年均4 次；ML4.0 以上地震8 次。大部分ML4.9 级以上地震前朝阳台前兆手段都有一些异常显示。

图2 朝阳地震台地震地质概况Fig.2 The seismogeology survey of Chaoyang Seismic Station

2 SQ-70 石英水平摆倾斜观测情况简介

朝阳台位于辽宁省西北部地区，观测仪器布设在1 号山洞，1 号山洞高程250.0 m，台站高程208.3 m，山洞岩石结构致密，基岩完整，层厚10～30 cm，（表1、图3）。该台站周围环境较好，无明显干扰源，山洞被覆好且保温、防潮效果较好，适合地形变观测使用。

朝阳地震台现有观测仪器4 台套，分别为SQ-70 石英摆倾斜仪、DSQ 水管倾斜仪、SS-Y型伸缩仪和VP 型垂直摆倾斜仪。SQ-70 石英摆倾斜仪于1985 年开始观测，DSQ 型水管倾斜仪、SS-Y 型洞体应变伸缩仪应变仪、VP 垂直摆倾斜仪是2006 年“十五”台网改造后新上的数字化观测仪器。

图3 朝阳地震台洞室平面图Fig.3 The cavern layout of Chaoyang Seismic Station

表1 倾斜观测山洞情况表

由于朝阳台地处辽宁西部地区，该区域环境一直以来都较为干燥，但春季大风较多，对数据干扰表现为记录的数据多毛刺波动，数据不会产生断记现象；对于大地震及远震和深震可产生断记现象（表2）。

表2 朝阳地震台形变山洞附近主要干扰源

3 异常分析

分析朝阳台SQ-70 石英水平摆倾斜自2018年11 月中旬以来NS 分量和EW 分量在中长期趋势性背景异常情况下出现短期加速状况成因，按照仪器异常现场落实工作要求等方面对以其自身问题和周边外界环境进行了分析研究（图1）。

3.1 仪器运行状态及周边情况调查

首先，对石英摆倾斜仪器运行状况进行详细检查，观测记录相纸、仪器标定记录等仔细查阅，而后进入山洞，对仪器主机、电源和传感器等整体设施进行了检查，发现信号电压及工作电压工作正常；仪器底座勘验青铜底脚螺丝干净明亮，无锈蚀现象；仪器标定、维护等保障工作正常，仪器稳定可靠。

对朝阳台山洞外观测环境进行调查，距山洞脚下约500～600 m 处在2005 年前后陆续开始商品房建设工作，现已竣工6 年以上并且逐渐开始入住且住宅人群较密集，周边再无新建住宅和其他建筑施工，距台站较远，对观测影响有限且短期不足以引起2018 年底以来的水平摆异常。

朝阳地震台SQ-70 型石英摆倾斜自2016年底NS 分量S 倾和EW 分量W 倾变化完成了趋势性转向，2017 年初NS 分量趋势性N 倾和EW 分量趋势性E 倾，且NS 分量2017 年以来数据有规律起伏波动（经每次核实得知由于仪器光源灯故障，频繁进洞维修仪器对数据产生波动影响），2018 年11 月中旬开始NS 分量出现N 倾，该N 倾变化较往年年变变化发生的相对较早，而后12 月底该分量又恢复S 倾且该分量2019 年1 月15 日到2 月15 日之间波动较大，而EW 分量自2019 年1 月底开始出现E倾变化，该变化较往年早1～2 个月时间（图4）。

图4 朝阳SQ-70 石英摆倾斜仪2015 年以来曲线图Fig.4 The curves of the data recorded by SQ-70 quartz pendulum tiltmeter at Chaoyang Seismic Station since 2015

3.2 气象因素的调查

朝阳位于辽宁省西北部地区，与内蒙古接壤而临，是全球的北温带大陆性季风气候区，东南部常年受海洋暖湿气影响但与其接壤的北部内蒙地区干燥冷空气侵入，形成易干燥地区，日温差较大，降水偏少。春秋两季多风易旱，风力一般2～3 级，冬季盛行西北风，风力较强。降雨情况如图5 所示。

检查洞室温度资料，对比2015 年以来的曲线变化情况，有图可以看出该山洞内洞室温度较为稳定，该异常现象受温度和降雨的影响较小（图5）。

图5 朝阳SQ-70 石英摆倾斜仪与洞室温度观测曲线Fig.5 The observation curves recorded by SQ-70 quartz pendulum inclinometer and cavity temperature at Chaoyang Seismic Station

3.3 数字滤波处理和周期分析

针对石英摆数据变化，我们采用数字滤波进行处理和分析，首次采用三点线性平滑滤方法对SQ-70 石英摆倾斜观测的NS 和EW 分量进行处理和分析，从而提取出数据的长趋势周期和年变周期变化（图6）。

采用三点线性平滑滤波的数学模型如下：

通过公式（1）可以得到由平滑滤波方法计算提取到的趋势项及周期项，进而进一步分析异常趋势特征、年变周期变化特征，通过分析可以看出，石英水平摆倾斜仪两测项年变周期稳定，图像倾斜，数据较好：NS 分量自2014年底开始，年变变化幅度较往年有所减小，该现象持续至今，而整体在2015 年和2017 年底分别出现趋势性转向变化；EW 分量一直以来年变幅度变化整体较为稳定，趋势性变化曲线中2013 年、2017 年初和2018 年底分别出现三次转向现象；总体来说两个测项趋势性转向时间较为同步，表明地下应力场发生改变[9-10]（图6）。

图6 朝阳SQ-70 水平摆倾斜数据滤波和周期分析Fig.6 The data filtering and period analysis of SQ-70 horizontal pendulum tiltmeter at Chaoyang Seismic Station

3.4 观测仪器对比分析

3.4.1 洞体应变分析

与SQ-70 石英摆倾斜仪同山洞的洞体应变观测仪为“十五”仪器，该仪器自2007 年开始运行，数据观测稳定，降雨和温度变化对伸缩仪观测影响较为明显。从观测曲线形态分析可知，2013—2014 年洞体应变NS 和EW 分量数据质量较差，由于仪器故障问题出现数据大幅台阶，而后发生趋势性转向变化，持续张性变化且2017 年底年变张性速率较大，与石英摆倾斜存在一定准同步变化（图7）。

图7 朝阳地震台洞体应变观测曲线Fig.7 The cave strain observation curves of Chaoyang Seismic Station

3.4.2 水管倾斜分析

同山洞的水管倾斜仪自2007 年安装使用后观测运行稳定，一般降雨和温度变化都会对观测数据产生影响，从观测曲线形态看，2015 年趋势性转向与石英摆倾斜同步变化明显，但近年以来的水管倾斜形态较为稳定，未出现短期同步变化（图8）。

图8 朝阳地震台水管倾斜观测曲线Fig.8 The observation curves of the water tube tilt at Chaoyang Seismic Station

3.4.3 垂直摆倾斜观测

朝阳地震台垂直摆倾斜观测于2012 年开始投入到观测运行，观测稳定，亦受降雨和温度影响，从数据曲线形态看，2016 年仪器更换摆墩，数据有一定调整后现已恢复稳定工作状态，与石英摆倾斜同步变化不明显（图9）。

图9 朝阳地震台垂直摆倾斜观测曲线Fig.9 The vertical pendulum tilt observation curves of Chaoyang Seismic Station

3.5 小结

通过仪器标定检查、原始曲线分析、数字滤波周期分析及与其他仪器对比分析结果表明，目前观测异常变化是趋势性异常背景下的短期异常变化，进一步说明辽西地区应力场增强。

4 结论与讨论

通过对朝阳台SQ-70 石英水平摆短期异常的分析可知其临震异常是客观存在的，2003.08.16 巴林左旗M5.9 地震和2013 年科尔沁M5.3 地震震前都出现上升速率加快的高值异常实较为明显的地震震前现象，是我们用来识别地震震前短临前兆和短临预测非常重要的参考指标[9，11]。

2017 年初以来，朝阳台SQ-70 石英摆倾斜仪NS 分量开始出现N 倾趋势性转向，EW 分量W 倾转E 倾趋势性变化。2018 年12 月开始，NS 分量N 倾年变较以往幅度增大，且2019 年1 月开始波动较大，而EW 分量转为E 倾年变较往年提前，经过对仪器观测系统的检查情况、周边观测环境调查、同山洞其他仪器对比分析等，并结合滤波分析及年变周期分析后得到该长趋势异常下的短期数据变化为短期异常，该现象进一步说明辽宁西部地区应力场增强，后续将持续关注该地区应变场变化情况。

致谢：感谢朝阳地震台各位同事的大力协助，提供更为详实可靠的第一手资料！