朝阳桃花吐短水准异常资料分析

王松阳，翟丽娜，李彤霞，柯秋实，孔祥瑞

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

一直以来，断层的快速错动或岩体突然破裂会形成地震，而这被认为是一种自然现象。地震的发生常常最直接的伴生出断层形变，这也是地壳应力场一种更为直观、显著的表现方式，而我们进行跨断层短水准观测、测量及计算分析，则是对断层形变进行监测的最有效的方法[1]。

地壳形变观测中水准观测采用大地测量的观测技术要求，同时又对其观测资料进行质量评价，使其观测资料更为连续可靠。但由于跨断层形变测量标石多埋在地壳浅层区域，观测资料的干扰因素较多，因此当观测资料出现不同于以往形态时，首先排除干扰，提高观测资料的可信度，是当前改善观测质量提高监测预报能力的重要问题[2]。朝阳桃花吐短水准观测自2015 年出现上升转下降趋势变化，而后2017年至2018 年持续两年出现闭锁现象，2018 年12 月开始，出现快速上升变化。自2018 年12月开始，1-3 测段持续出现加速上升变化，与钻孔水位持续下降同步，截止到2019 年7 月4日，短水准上升幅度变化1.244mm（图1），在该测项的持续趋势性变化中出现上升变化，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）》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（施行）.北京：中国地震局，2013.准则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与分析[3]。

图1 桃花吐水准1-3 段水准和钻孔水位对比曲线图Fig.1 Comparison of the 1-3 segment leveling and hole water level

1 短水准场地背景资料

朝阳桃花吐短水准场地位于朝阳市北票县桃花吐乡小白腰村[4]，测线跨朝阳—北票断裂（图2），朝阳—北票断裂是辽西地区一条主干断裂，断裂的总体走向为NE30°-35°，倾向NW。台站附近断层的走向为NE40°-50°，倾向NW，倾角67°，为逆冲断层。地层出露为震旦系、侏罗系地层。震旦系地层为白云质灰岩，侏罗系地层为灰紫色、黄褐色砾岩及凝灰质沙页岩、砂岩和粉沙岩。

图2 桃花吐短水准测站地理位置图Fig.2 Geographic location of Taohuatu short leveling survey station

桃花吐短水准2009 年12 月7 日前观测仪器为光学水准仪Ni002，2009 年12 月后更换为DiNi03 数字化水准仪，2013 年7 月1 日因观测场地受风扰较大而再次更换为光学水准仪Ni002。桃花吐水准观测场地有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150km 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。测线呈“L”型布设，测线有4 个测点，1 号点为普通基岩标志，深1.8m，有岩石出露，为钢管基岩标；2 号点土层水准标志，深2.2m；3号点套管基岩标志，深12m；4 号点套管基岩标志，深11m。共分3 段，为别为1－2 测段近东西向长0.47km，设8 站，日观测；2－3 测段近东西向长0.4km，设8 站，日观测；3－4 测段近东西向长0.2km，设4 站，日观测，在1、2号点间有辅助水位观测。其中1-3 段横跨断层，远处有断层出露地表的痕迹，破碎带最宽达80米。辅助观测手段分别有：水位井深37.5m，专用观测井，每日12 时观测；直管地温温度表深0.8m，每日9 时观测；降水量采用气象用统一量雨筒逢雨雪日观测。

桃花吐水准观测场地附近为第四纪覆盖。该场地比北票场地的断层倾角相对陡立（表1）。自1988 年改为日观测以来至2009 年，观测精度较高，2010 年更换数字化水准仪后精度降低（数字化水准仪精度较光学水准仪精度低，重量轻，受风扰影响明显），但仍满足《规范》要求。3 号、4 号基岩点周边土石开挖和煤渣堆积严重，对观测尤其是4 号点稳定性影响较大，与4 号点相关测段所反映的断层活动信度降低（图3 和表1、2）。

图3 桃花吐水准观测场地Fig.3 Taohuatu leveling observation site plan

表1 桃花吐短水准场地附近主要干扰源

表2 桃花吐短水准观测场地更换仪器情况

2 异常分析

分析朝阳台桃花吐水准观测有较为稳定的年变背景，2000 年下半年开始年变幅减小，且出现整体抬升性变化，表现为东盘相对西盘下降，这种变化形态一直持续至今。其间有几次加速上升—恢复的短期变化，与内蒙几次地震在时间上有所对应，目前持续高值，但受更换仪器和周边环境干扰的影响，观测精度降低，信度降低。2017 年8 月16 日原观测人员生病住院，数据有一个星期的断测，而后更换观测人员，于2018 年8 月23 日开始由新观测人员进行观测，数据的断记及更换观测人员对短期数据有一定影响，但数据趋势性变化并未改变。自2018 年12 月开始，1-3 测段陆续出现加速上升变化，与钻孔水位持续下降同步，截止到2019 年7 月4 日，短水准上升幅度变化1.244mm，下面对周边外界环境、仪器自身运行等情况进行分析研究。

2.1 桃花吐短水准1-3 测段异常描述

朝阳桃花吐短水准观测在2003 年巴林左旗和东乌珠地震前出现了2 年多的趋势性破年变压性变化且在震前出现快速上升，并在震前出现场地辅助水位快速下降短期异常。自2013 年10 月后1-3 测段跨断层出现高值波动、破年变状态，最大变化幅度可达1.83mm，该高值持续到2016 年6 月。2016 年朝阳M4.6 级地震后，其处于低值状态，2017 年4 月开始出现持续加速上升状态，而后7 月中旬加速下降，出现年变状态。2018 年年变幅度较以往减少，而后出现1-3 测段加速上升与钻孔水位持续下降同步，到2019 年7 月，短水准上升幅度变化1.244mm，钻孔水位持续下降幅度0.968m（图4）。

图4 水准1-3 段1995 年以来曲线图Fig.4 1-3 segment leveling diagram since 1995

2.2 气象因素分析

与水位辅助观测结果对比，水准年变化周期与水位年变以及一些短期的变化形态呈负相关，如巴林左旗5.9 级地震前，水准观测加速上升，表现为断层东盘（下盘）相对下降，水位观测呈同步加速下降，即断层下盘下降时周边区域呈张性变化，临震前转折。1995 年以来水位呈趋势性下降，2005 年以后速率减缓，观测井为10 多米的浅水井，主要反映基岩上面地表水的变化，不会对基岩测点的升降产生影响，从观测结果也可看出水位趋势变化与水准观测结果没有明显的相关性。目前水位无巴林左旗前水位突降情况（图4）。

因桃花吐观测场地为观测站，没有辅助降雨资料，对其附近地区（朝阳市，距离20 公里）历史降雨资料对比观测曲线看，桃花吐短水准1-3 测段受降雨影响较小，且该地区属干旱地区，每年降雨较少，1、3 号点均为基岩标石受降雨影响较小（图5）。

图5 朝阳地区降雨信息Fig.5 Rainfull information in Chaoyang

2.3 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波方法对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计算方法提取到的趋势项及周期项，进而分析异常趋势特征、年变周期变化特征。通过分析可以看出，桃花吐短水准1-3 测项年变周期稳定，图像清晰显示：自2015 年底开始，年变幅度增大，该现象持续至今，持续高值波动[5-6]（图6）。

图6 桃花吐短水准1-3 测线去年变及周期信息分析Fig.6 Taohuatu 1-3 segment short leveling eliminating yearly period and period analysis

2.4 观测仪器对比分析

距离桃花吐短水准观测场地最近的朝阳台，有洞体应变、水管和石英摆倾斜、垂直摆倾斜形变观测手段，SQ-70 型石英水平摆倾斜为“九五”观测石英仪器，自1995 年开始观测，NS 和EW 两个分量2017 年出现NE 趋势性变化，整体与桃花吐短水准的趋势性变化相一致（图7）。垂直摆倾斜2012 年开始投入到观测运行，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，与桃花吐水准同步变化不明显（图8）。

图7 朝阳石英摆倾斜观测曲线Fig.7 Curve of horizontal pendulum tiltmeter

图8 朝阳地震台垂直摆斜观测曲线Fig.8 Curve of vertical pendulum tiltmeter

朝阳地震台SQ-70 水平摆倾斜观测2015年以后NS 分量转为S 倾，EW 分量转为W 倾趋势的变化；2017 年初NS 分量出现N 倾趋势性转向和EW 分量E 倾的趋势性转向，到2018年年中两方向趋势性转向完成；但自2018 年11 月开始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，自2019 年4 月15 日左右开始，出现大幅快速N 倾，持续到6 月19日左右，而后发生N 倾速度减缓，但总体来说从4 月到现在N 倾变化速率为历年来最快一次。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，而后曲线总体波动较大，与往年同时期形态有所差异，整体与桃花吐短水准的趋势性变化相一致，进一步反映该地区地下介质背景变化。

洞体应变和水管倾斜观测仪为“十五”仪器，自2007 年开始运行（图9、10）。从观测曲线形态分析可知，2013 年以来洞体应变NS向出现持续张性变化且2017 年底年变张性速率较大，EW 向自2014 年底出现压性转向张性的趋势变化，与SQ-70 石英摆倾斜存在准同步变化。洞体应变EW 分量和水管倾斜NS 和EW分别自2015 年开始出现趋势性转向，大体与水准变化形态较为一直。水管倾斜观测，自运行以来观测稳定，主要受降雨、洞室温度影响明显，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。朝阳地震台垂直摆倾斜观测，自2012 年正式运行以来观测稳定，主要受降雨、洞室温度影响明显，从观测曲线形态看，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 朝阳地震台洞体应变观测曲线Fig.9 Curve of cave strain observation

图10 朝阳地震台水管倾斜观测曲线Fig.10 Curve of water pipe tiltmeter

3 结论与讨论

通过对朝阳地区桃花吐短水准1-3 测段出现短期异常的分析可知其临震异常是客观存在的，2003 年8 月16 日巴林左旗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是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[7-8]。

桃花吐短水准自1995 年开始观测以来，2018 年12 月开始出现持续快速上升的现象，与钻孔水位持续下降同步，截止到2019 年7 月4 日，短水准上升幅度变化1.244mm，钻孔水位持续下降幅度0.968m，该变化与朝阳石英摆NS 分量短期快速N 倾趋势性变化相一致，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，结合地震活动性分析，认为北票—朝阳断裂附近应力场变化增强，辽西地区存在发生地震的背景。后续需密切跟踪朝阳地震台桃花吐短水准1-3 测段数据后续变化情况的异常变化和辽蒙交界地区震情发展情况。

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！