倾斜固体潮及其组合信息与强震响应特征分析

苏维刚，马震，冯丽丽，赵玉红，孙玺皓

（青海省地震局，青海西宁810001）

0 引 言

倾斜固体潮观测是地壳形变观测的重要手段之一，相关学者针对倾斜固体潮观测资料做了大量的分析研究工作，WU 等[1]通过卫星数据计算固体潮汐的滞后相位；RUOTSALAINEN[2]通过干涉式水位倾斜仪获得的潮汐倾斜观测数据与地球潮汐和4 个海洋潮汐载荷模型的组合模型进行了对比分析。固体潮潮汐因子是某一分波实测潮汐幅度和理论潮汐幅度的比值，通过表征介质弹性模量的变化，直接反映了受应力、应变作用的地壳介质的弹性变化特征[3-4]。文献［5-7］对潮汐因子的空间分布及地震前的异常变化特征做了相关研究，发现地震通常在γ值出现异常后发生。吴翼麟等[8]提出了形变、应变前兆信息的合成。文献［9-10］发现地倾斜固体潮组合信息与地震有一定的对应关系。牛安福等[11]针对潮汐因子值提出了可用于定量描述异常程度的“异常指数”和异常检验准则。上述针对倾斜固体潮潮汐因子的研究为捕捉前兆信息提供了可能途径。

青海省位于晚新生代构造变形最强烈的青藏高原东北缘，属于多震地区，对于倾斜固体潮信息映震效能检验具有天然优势。2007 年数字前兆观测台网建成并投入运行，至今已积累了10 余年的倾斜观测资料，但在前兆异常提取方面成果欠佳，部分测项虽在强震前出现异常，但因与对应地震的间隔时间较长，多在1 a 以上，跟踪分析存在一定困难。大量倾斜测项由于数据被干扰，经常出现转折、阶变等突变，给前兆异常的识别和提取带来很大困难。固体潮潮汐因子是某一分波实测潮汐幅度和理论潮汐幅度的比值，受干扰程度小，异常出现时间与发震时间间隔较短。本文采用数据连续性较好、观测质量较优的格尔木台和湟源台倾斜观测数据对倾斜固体潮及其组合信息与强震之间的响应特征进行分析和讨论，以期获取更多的短期前兆异常信息。

1 研究区域环境概况

青藏高原东北缘地区是青藏板块向大陆内部扩展的前缘部位，自晚新生代以来构造变形十分强烈[12]。格尔木地震台位于区内柴达木盆地南部，属典型高原内陆盆地干旱气候，多年平均降水量为42.42 mm，境内主要有格尔木河，河流补给以地下水为主。区域内的主要活动断裂有东昆仑断裂带和柴达木北缘断裂带，东昆仑断裂带是二级新构造区的分界断裂，以左旋走滑为主，由数条斜列的压扭性断层组成；柴达木北缘断裂带由一系列平行断裂组成，以走滑运动为主，地貌上显示左旋特征[13]。湟源地震台地处日月山断裂带和拉脊山断裂带交汇复合处的北缘地段，属于半湿润、半干旱大陆性气候，多年平均降水量在400～600 mm，境内有湟水和药水河，主要以降水补给为主。其中热水-日月山断裂带是在柴达木-祁连活动地块内部发育的1 条NNW向逆-右旋走滑活动断裂带，长约183 km，是日月山地区晚新生代以来控制断陷盆地及其发育的活动断裂[14]，拉脊山断裂带南北两侧分别为拉脊山北缘断裂和拉脊山南缘断裂，主要以右旋走滑为主[15]。

格尔木观测洞室基岩为花岗岩，岩体裸露，水平摆倾斜仪型号为SSQ-2I。湟源台台基属加里东期侵入岩、片麻状黑云母花岗岩，钻孔倾斜仪型号为CZB-2A，井孔14.20 m 以上为毛石碎石土，14.20 ～67 m 为花岗岩。

图1 研究区域地质概况Fig.1 The regional geological survey

2 计算方法

倾斜固体潮潮汐因子为实测潮汐振幅和理论潮汐振幅的比值[5，11]，而此值可以反映地壳在潮汐作用下形变场发生的微弱变化，通过计算潮汐因子可以获知地震前地壳岩石弹性的变化[16]。

根据仪器观测资料记录，格尔木水平摆倾斜研究时段为 2007 年 7 月至 2016 年 9 月，湟源钻孔倾斜研究时段为2013 年1 月至2017 年12 月。倾斜观测资料主要受气温和气压的影响，据苏维刚等[17]的研究，在月尺度上倾斜观测与气温和气压均不相关，因此，计算中不考虑气温、气压的影响。以月为步长，选取每月的整点值数据，剔除仪器故障和显著干扰时段的整点值数据，通过维尼迪科夫调和分析方法[18]对倾斜观测数据进行调和分析（计算时段内各测项的数据连续率均在99%以上，个别月份的整点值数据缺失3～10 个，对缺失月份的数据进行直接计算和插值后计算，得到的结果无明显差异），获得倾斜固体潮M2 波和O1 波的计算结果。通过M2 波和O1 波潮汐因子比值的时间序列，判断出现的阶变形变化是否由仪器格值变化引起[19]。

3 组合信息分析

在震源区，地壳在应力应变作用下发生变形，大量微破裂的形成改变了地壳介质的各向异性，并随变形的不断加剧，剪切应变出现异常，剪切应变的持续作用致使其临震前发生扩容，使面膨胀因子出现异常。吴翼麟等[8]提出将倾斜固体潮潮汐因子γ 值的南北、东西两方向进行组合， 即以ΔγEW+ΔγNS表征面膨胀因子， 以ΔγEW-ΔγNS表征该位置的剪切应变，以ΔγEW/ΔγNS表征介质的各向异性。以年为时间窗，计算特征向量Δγi：

其中，γi为第i月的潮汐因子值，为潮汐因子的年平均值。

4 倾斜固体潮特征分析

4.1 倾斜趋势变化特征分析

如图2 所示，格尔木倾斜NS 分量呈趋势性南倾，且每年9 月左右南倾趋势变缓，EW 分量具有明显的年变特征，呈余弦式变化，峰值和谷值分别出现在12 月和6 月。根据青海省定点形变异常指标结果，在震前一年左右，EW 分量出现破年变异常，可能对应6 级以上地震。湟源钻孔倾斜NS 分量除在2014 年4 月出现巨幅台阶，原因不明外，整体趋势平稳，EW 分量呈东倾变化趋势。

图2 格尔木和湟源倾斜趋势变化特征Fig.2 The tilt trend features of Golmud and Huangyuan

4.2 倾斜固体潮潮汐因子特征分析

如图3(a)和(c)所示，2007 年 7 月至 2008 年，格尔木倾斜固体潮γ 值成台阶状变化，而在M2 波和O1波 γ 比值的时间序列中（见图3（b）和（d）），台阶消失，因此认为，该台阶是由格值变化造成的。但2007 年 7 月至 2008 年，γ 值的 NS 分量依然存在显著变化（见图3(b)），期间发生汶川8.0、海西6.3 级等强震，因此，考虑可能与地震的频繁活动有关。但由于仪器2007 年7 月才开始运行，尚未稳定，可能存在仪器运行不稳定问题，为此，在后续地震响应分析中将2009 年1 月作为起始点。格尔木倾斜固体潮潮汐因子自2009 年以来总体变化较为稳定，NS 和EW 分量的潮汐因子平均值分别为0.616 和0.691，均方差分别为0.033 7 和0.035 4，相对来看，自运行以来EW 分量的潮汐因子比值离散程度一直较高。

湟源倾斜固体潮潮汐因子整体较为稳定，NS 和EW 分量的潮汐因子平均值分别为0.449 和0.552，均方差分别为0.031 和0.015。另外，对比图3 中的NS 分量和 EW 分量知，2016 年上半年，M2 波 NS 分量的潮汐因子值和潮汐因子比值变化相对较大。

5 倾斜固体潮及其组合信息与强震响应特征分析

根据牛安福[20]对1990 年以来的地倾斜异常与地震关系的统计以及青海省定点形变指标体系整理结果，在研究中选择距研究台站650 km 以内的6 级地震、1 500 km 以内的7 级地震和2 000 km 以内的8级以上地震，其中格尔木台选择2009 年1 月至2016年9 月期间的地震，湟源台选择2013 年1 月至2017年12 月期间的地震。参考全国Ms5.0 地震目录。

5.1 潮汐因子与强震响应关系分析

以Δγ 的一倍均方差为阈值线，超阈值则作为异常，统计Δγ 与地震响应情况，发现：超阈值的Δγ 对6级以上强震响应较为明显（见表1）。其中格尔木倾斜NS 分量超阈值时段6 次，响应地震4 次，异常报对率为67%，映震率为80%；倾斜EW 分量超阈值时段5 次，响应地震5 次，异常报对率为100%，映震率为83%。湟源倾斜NS 分量超阈值时段4 次，响应地震2 次，异常报对率为50%，映震率为40%；倾斜EW 分量超阈值时段2 次，响应地震2 次，异常报对率为100%，映震率为40%。

图3 潮汐因子γ 值时序变化特征Fig.3 The temporal variation characteristics of tidal factors γ

如图4 所示，超阈值的Δγ 对6 级以上强震响应主要分为2 种，其中，第1 种响应具有较好的中短期预报意义，格尔木EW 分量的响应最明显，主要表现为：在震前 3～7 个月，Δγ 超出阈值，之后 Δγ 不断增大或减小，在地震发生当月或次月Δγ 恢复正常，典型震例有玉树7.1 级地震、芦山7.0 级地震、于田7.3级地震、尼泊尔8.1 级地震和门源6.4 级地震。第2种响应主要为同震响应，在地震当月Δγ 超出阈值，在地震发生次月恢复正常，典型震例有芦山7.0 级地震、尼泊尔8.1 级地震和门源6.4 级地震。

5.2 组合信息与强震对应关系分析

通过将倾斜固体潮潮汐因子2 个分量进行组合，获得剪切应变、面膨胀因子以及介质各向异性3种特征向量，以每个特征量的一倍均方差为阈值线，超阈值情况如图5 所示，2 套仪器介质各向异性超阈值时段均出现5 次（见图5(c)和(f)），其中格尔木和湟源映震率分别为100%和40%。除尼泊尔8.1 级地震在震前9 个月出现介质各向异性异常外，大多在震前4～5 个月出现异常。此外，总体来看，自2013年下半年开始，2 套仪器所处区域的介质各向异性均处于活跃期。

在震源区，随地壳介质的各向异性出现异常，变形加剧，剪切应变亦出现异常，如图5(a)和(d)所示，格尔木和湟源，剪切应变超阈值时段分别出现5 次和2 次，映震率分别达80%和50%。剪切应变在震前1～7 个月出现异常，在应力应变作用下，剪切应变显著增大，随地震的不断临近，剪切应变出现先增后减往复变化，临震时发生扩容，在震后1～5 个月恢复正常水平。面膨胀因子异常见图5(b)和(e)。格尔木和湟源面膨胀因子超阈值时段分别出现5 次和3 次，映震率分别为40%和67%，在震前1 个月或震时，面膨胀因子显著增大，在震后1 个月恢复正常水平。

表1 潮汐因子与6 级以上强震响应情况统计Table 1 The response between tidal factors and the earthquake（M≥ 6）

6 总结与讨论

青藏高原受印度板块持续北向推挤，使其东北缘形成NE 向的挤压应力，并在青藏高原形成多处应变集中区，通过GPS 站点数据模拟速度场并计算应变率场，显示格尔木台站所处的西昆仑断裂带地区为应变率高值区，且以近东西向为主[21-22]。从潮汐因子时序变化特征中发现，自仪器运行以来，格尔木EW 分量潮汐因子比值的离散程度一直较NS 分量的高。这一结果与前人的研究结论一致。2016年上半年，湟源NS 分量潮汐因子比值变化较大，而在门源地震前，湟源倾斜NS 分量加速北倾，震后转折南倾，半年左右后复原，二者也具有较好的一致性。综合分析表明，倾斜潮汐因子比值的离散程度对所处区域的应力状态和方向具有较好的指示意义。

进一步分析发现，格尔木倾斜EW 分量异常报对率达到100%，映震率达到83%，说明高离散程度的倾斜分量，即介质弹性不稳定的倾斜分量，在受到6 级以上强震的应力触发时，可能具有更加敏感的响应。而在3 种特征量与6 级以上强震的响应分析中发现，处于不同区域的2 套倾斜，其潮汐因子组合信息对于强震的响应情况并不相同，其原因可能与测项所处区域的构造活动特征有关。

图4 潮汐因子与6 级以上强震响应特征Fig.4 The response characteristics between tidal factors and the earthquake（M≥6）

图5 组合信息与6 级以上强震响应特征Fig.5 The response characteristics between combination information and the earthquake（Ms≥ 6）

通过梳理格尔木水平摆倾斜和湟源钻孔倾斜固体潮及其组合信息特征，并结合研究区域的强震分析和讨论，得到以下结论：

6.1 2 套倾斜潮汐因子值的离散程度相当，但M2波和O1 波潮汐因子比值的离散程度不同，这种差异对所处区域的应力水平和方向具有较好的指示意义，高离散度的倾斜分量在受到6 级以上强震的应力触发时，可能具有更加敏感的响应。

6.2 倾斜潮汐因子与6 级地震响应较好，平均响应率达79.25%，具有预报意义的响应次数占地震总数的38.25%，主要可分为2 种响应，第1 种具有较好的中短期预报意义，在震前3～7 个月，Δγ 值超出阈值；第2 种为同震响应，在地震发生当月，Δγ 值超出阈值。

6.3 在潮汐因子组合信息中，介质各向异性主要在震前4～5 个月出现异常，当震级超过8 级时，出现异常的时间更早，剪切应变在震前1～7 个月出现异常，在震后1～5 个月逐渐恢复正常水平，面膨胀因子在震前1 个月或震时显著增大，震后恢复正常。处于不同区域的2 套倾斜潮汐因子，其组合信息对于强震的响应率并不相同。