临汾台VP型宽频带倾斜仪在2010年山西河津地震前的异常分析*

李 艳 高振强 张仰辉 李 军 冯建琴 罗振东 马武刚

1)山西省地震局临汾中心地震台，临汾 041000

2)太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原 030025

3)山西省地震局夏县中心地震台，夏县 044400

4)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

临汾台VP型宽频带倾斜仪在2010年山西河津地震前的异常分析*

李 艳1，2)高振强2，3)张仰辉1，2)李 军1，2)冯建琴1，2)罗振东1，2)马武刚4)

1)山西省地震局临汾中心地震台，临汾 041000

2)太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原 030025

3)山西省地震局夏县中心地震台，夏县 044400

4)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2010年1月24日河津M4.8地震前，临汾台VP型宽频带倾斜仪观测到的异常变化为:1)震前1年曲线表现为典型的α、β、γ阶段性异常形态;2)震前35天至震后7天观测到慢地震过程;3)频谱分析表明:震前1个月观测信号在0.1、0.3、0.5 Hz频段附近频幅为明显增大，震前当月在0.1～0.5 Hz频段区间频幅表现为增强;4)震前2个月加卸载响应比出现高、低值交替跳动，并随主震的临近响应比逐渐增大。

宽频带倾斜仪;河津地震;慢地震;频谱异常;响应比

1 引言

形变观测到的地震前兆是由地震孕育到破裂过程中地壳介质产生形变应变等力学特性变化的信息，地震前兆存在场兆和源兆之分，其中场兆与地震发生是一种间接关系，是大范围内的异常现象;而源兆则主要是震源区及近源区出现的效应。显然，源兆的捕捉对地震的预报极为有利。地倾斜观测反映的是有限局部空间范围内的微形变，可直接观测到地壳介质的微动态变化，捕捉地壳介质破裂前的力学变化信息，比较适用于监测地震的中短和短临阶段的前兆(源兆)［1，2］。通过对临汾台 VP 型宽带倾斜仪的观测数据的分析发现，该序列资料清晰地反映了2010年1月24日河津地震孕育整个过程中地形变前兆异常的各个阶段性变化特征。

2 宽带倾斜仪异常曲线的阶段性特征

2.1 宽带倾斜仪映震能力概述

应用傅里叶快速变化方法(FFT)分析临汾台VP型宽频带倾斜仪和SSQ-2Ⅰ型石英摆倾斜仪在正常背景时的频谱图形。两台仪器布设于临汾台同一山洞的不同硐室中，计算时长为2009年9月4—10日。二者观测的优势频率均在低频端(鉴于篇幅所限，图1仅给出0.1～0.5 Hz区间的频率图形)。由图1可知，宽频带倾斜仪的频谱幅度是石英摆的5～10倍，说明在上述频段区间，前者所观测的信号频率带宽明显优于后者;2009年3月28日在山西原平发生M4.2地震，震中距临汾台约341 km，石英摆未记录到任何同震变化信息(图2(a))，宽带摆则记录到持续4分钟的同震阶变、阶变最大幅度为4.4 ms(图2(b));同年11月5日陕西高陵发生的M4.4地震，震中距临汾台约265 km，同样石英摆未记录到任何同震变化(图2(c))，而宽带摆记录到持续9分钟的同震阶变、阶变幅度为22.8 ms(图2(d))。由此可见，宽带倾斜仪观测信号响应能力优于石英摆倾斜仪。至于两仪器同分量记录相位相反的差异性特征，笔者认为可能与摆的工作周期、动态范围、频带响应等参数不同有关，如石英摆固有周期在14 s左右，宽带摆为0.6 s，石英摆观测频带范围为 DC ～0.008 Hz，宽带摆为 DC ～0.5 Hz［3］。

以上表明，临汾台VP型宽带倾斜仪观测频率带宽优于同台的石英摆倾斜仪;对于300 km以内的中等地震记录的响应能力前者亦明显优于石英摆，说明宽频带倾斜仪能记录到孕震区更精细、更丰富的地壳微形变［4］。

图1 正常时段宽带倾斜仪与石英摆倾斜仪观测值频谱对比Fig.1 Comparison of observation frequency spectrum between the broad frequency band tiltmeter and quartz pendulum tiltmeter in normal period

图2 石英摆倾斜仪与宽带倾斜仪的同震响应Fig.2 Coseismic response record curve of the quartz pendulum tiltmeter and broad frequency band tiltmeter

2.2 曲线异常的阶段性特征

地震地形变存在着一个由继承性(准线性匀速)运动→偏离继承性运动(加速度)→发生地震→震后调整逐步回复到继承性运动的过程。因此，当地形变时序出现由准线性至非线性的趋势变化时，有可能是强震的中、短期前兆，即扩容形变学说的“α、β、γ”阶段［5］。

临汾台VP型宽频带倾斜仪安装于2008年9月中旬，经过短暂的调试、磨合，当月底仪器已能记录到清晰的固体潮。图3是该倾斜仪SN分量在2010年1月24日山西河津M4.8地震前1年的日均值曲线，可将地震异常过程划分为α、β、γ 3个阶段。在2009年2、3月曲线呈正常的持平变化(α阶段，准线性形变)，从4月开始突然转为快速上升变化即β1阶段，7月下旬至12月初转为波动变化的β2阶段(β1和β2阶段为震前非线性加速度形变)，12月5日后出现转折进入加速下降的临震预滑阶段，即γ1阶段，该阶段还出现了明显的应力降成分。2009年3月28日原平发生M4.2地震，山西带进入一个相对活跃时段，宽频带倾斜仪观测数据即出现加速变化(β1阶段)，即河津地震开始进入孕育阶段。1月初在山西带南部的陕西高陵又发生了一次M4.4地震，1个月后曲线进入γ1阶段，该阶段曲线急速下降了15天，在12月20日转为持平，1月后发震(图3)。

图3 河津地震前临汾宽带倾斜仪SN分量日均值曲线Fig.3 SN component average daily value curve of Linfen broad frequency band tiltmeter before Hejin earthquake

2.3 阶跃扰动(慢地震)现象的机理

地震前，震源区或近源区地壳介质会产生许多微小的错动及裂缝，大量微错微裂的产生可以发生频带较宽的振动，并且可以以波的形式向外发射，这种波既有高频、中频，也含有低频［6］。

图4是γ1以后阶段曲线的放大图。在2009年12月5日开始的半个月时间内，曲线急速下降幅度达330 ms，12月20日以后曲线转为持平变化但出现连续的阶跃扰动现象，35天后距离台站89 km南偏西方向的河津地区发生4.8级地震，地震后阶跃扰动现象持续7天后消失。图5是放大的扰动图像，扰动最多时1天出现7次，扰动的最大幅度为25 ms，且每次扰动都有尖锐的起始。为区别上述扰动过程和蠕滑运动，笔者将类似于图5的形变异常图像称之为“慢地震过程”。慢地震过程与蠕滑运动的根本差异在于［7］:

1)蠕滑运动不存在尖锐的起始，慢地震则最少有一次尖锐起始，且必然带有冲压性的特征;

2)蠕滑运动不存在弹性回跳分量或者应力降成分，而慢地震则存在解锁的过程(所谓解锁，就是破裂);

3)蠕滑运动不可能出现超长周期的自由振荡分量。

图5中曲线出现的多次阶跃跳动现象符合上述的前2项特征，另1月20—21日曲线明显带有超长周期自由振荡的性质(固体潮形态清晰，其卓越周期约为8～10小时)，所以将河津地震前35天、震后7天出现的连续阶跃扰动现象称之为“慢地震过程”，而这种包含有低频异常信号的波动现象被临汾台宽带倾斜仪所记录到。

因VP型宽带倾斜仪频带响应范围是普通倾斜仪的20倍以上［8］，能记录到普通倾斜仪无法记到的某些频段域信号，这可能是临汾台其他2套倾斜仪(石英摆、垂直摆)没有记到慢地震事件的主要原因［3］。

图4 河津地震前临汾宽带倾斜仪SN分量整时值曲线(2009-12-01—2010-02-06)Fig.4 SN component integral point value curve of Linfen broad frequency band tiltmeter before Hejin earthquake(2009-12-01—2010-02-06)

图5 河津地震前临汾宽带倾斜仪SN分量分钟值曲线(2009-01-17—2010-01-28)Fig.5 SN component minute value curve of Linfen broad frequency band tiltmeter before Hejin earthquake(2009-01-17—2010-01-28)

3 频谱异常分析

频谱分析可以揭示在地形变信息频域中各种信息变化的特性，从而识别震前存在的异常信息，即异常信号的周期信息。图6为傅里叶快速变化频谱方法计算结果(FFT分析)，图6(a)、(b)、(c)分别是2009年11月、2009年12月及2010年1月1—23日宽带摆倾斜仪SN向观测数据频谱分析结果。在图6(a)中，各频率域中的信号变化背景正常，变化幅度很小，没有出现异常;而到了12月，在0.1、0.3、0.5 Hz频段附近信号频幅值出现了明显增大(图6(b));进入2010年1月即24日河津地震前，0.1～0.5 Hz频段区间频幅呈增强趋势(图6(c))。说明在河津4.8级地震前，宽带摆倾斜仪在上述频段内记录到了明显的异常信息，而与宽带摆安装在同一山洞内的石英摆倾斜仪和垂直摆倾斜仪，经FFT分析并未提取到异常信号。

图6 河津地震前宽带倾斜仪频谱Fig.6 Frequency spectrum curve of broad frequency band tiltmeter before Hejin earthquake

4 加卸载响应比异常

地震的孕育与发生是一个非线性系统的失稳过程，在临近失稳时加载与卸载的响应是不同的，理论上加载响应远大于卸载响应，因此加卸载响应比值反映了孕震系统的失稳程度。如图7，2009年7月中旬至8月上旬出现的高值异常可能与11月5日高陵4.4级地震有关;11月下旬开始响应比值连续出现高、低值交替变化，并且随着河津主震的临近响应比值越来越大，真实地反映了4.8级孕震系统破裂前的失稳状态，河津地震后响应比值即恢复正常。

图7 临汾宽带倾斜仪SN分量加卸载响应比曲线(2009-02—2010-02)Fig.7 SN component load-unload response ratio curve of Linfen broad frequency band tiltmeter(2009-02—2010-02)

5 结论与讨论

通过对临汾台VP型宽带倾斜仪在2010年1月河津M4.8地震前观测数据分析，得到以下结论:

1)该序列资料清晰地反映了河津地震孕育过程中地形变的中、短临期不同阶段的变化特征，即典型的“α、β、γ”变化图像。

2)震前35天至震后7天观测到慢地震过程。

3)频谱分析表明，地震前1个月观测信号的0.1、0.3、0.5 Hz频段附近幅度增大，震前当月 0.1～0.5 Hz区间频段幅度增大。

4)加卸载响应比在河津地震前2月出现显著的高、低值交替变化，说明孕震区已进入失稳的临界变化状态，且随着发生主震时间的逼近，响应比值逐渐增大，地震后响应比值恢复正常。

1 张雁滨，等.地壳介质微形变异常与强震短临前兆［J］.地震学报，2002，24(1):103 －108.

2 李正媛，等.川滇强震震源区形变潮汐短临变化特征［J］.大地测量与地球动力学，2003，(2):55－60.

3 高振强，等.临汾台摆式倾斜仪平行观测的差异性特征及其观测布局建议［J］.大地测量与地球动力学，2010，(增刊Ⅱ):22－26.

4 李艳，高振强，程冬焱.山西临汾台宽频带倾斜仪映震能力浅析［J］.山西地震，2012(1):7－10.

5 梅世蓉，等.中国地震预报概况［M］.北京:地震出版社，1993.

6 郭增建，秦保燕.震源物理［M］.北京:地震出版社，1979.

7 陈立军.禾青井动水位对断层蠕动与慢地震过程的响应初析［J］.华南地震，1997，17(2):40 －44.

8 马武刚，等.新型宽频带垂直摆仪的设计及应用［J］.测绘信息与工程，2010，35(5):28 －29.

ANOMALY ANALYSIS OF VP TYPE BROAD FREQUENCY BAND TILTMETER AT LINFEN SEISMOSTATION BEFORE SHANXI HEJIN EARTHQUAKE

Li Yan1，2)，Gao Zhenqiang2，3)，Zhang Yanghui，Li Jun1，2)，Feng Jianqin1，2)，Luo Zhendong1，2)and Ma Wugang4)
1)Linfen Central Seismostation，Earthquake Administration of Shanxi Province，Linfen 041000
2)Taiyuan State Observatory of Continental Rift Valley Dynamics，Taiyuan 030025
3)Xiaxian Central Seismostation，Earthquake Administration of Shanxi Province，Xiaxian 044400
4)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan430071

On the basis of the observation data of VP type broad frequency band tiltmeter in Linfen seimmostation，the overall elaborate change process of seismogenic system before Hejin M4.8 earthquake was recorded:1)one year before the earthquake，the curve had the performance of α、β、γ stage anomaly form;2)The slow earthquakes were recorded from 35 days before and 7 days after the earthquake;3)Frequency spectrum analysis showed:one month before the earthquake，the amplitude magnified obviously in frequency range of 0.1，0.3 and 0.5 Hz，in the month of the earthquake occurring，the amplitude strengthened in frequency range of 0.1 －0.5 Hz;4)Two months before the earthquake，the load-unload response ratio appeared the high and low level fluctuation，and the load-unload response ratio figure was increscent with arrival of the earthquake.

broad frequency band tiltmeter;Hejin earthquake;slow earthquake;frequency spectrum anomaly;response ratio

P315.6

A

1671-5942(2013)Supp.(Ⅱ)-0024-04

2012-02-20

2011年山西省地震局科研项目(SBK－1118);山西省自然科学基金(2011011027)

李艳，女，1971年生，工程师，主要从事台站前兆监测及分析工作.E－mail:liyan0725@126.com