山西数字水平摆倾斜仪对安德裂亚诺夫群岛7.0级、巴基斯坦7.8级地震的记录特征分析

冯建琴，董甲弟，程冬焱，吕 睿，郭林旺，李 军，张聪聪

(1.山西省地震局临汾中心地震台，山西 临汾 041000；2.山西省地震局，山西 太原 030021；

3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地倾斜观测的目的是研究地壳形变垂直的相对运动和固体潮汐的动态变化，是地壳形变学科不可缺少的一个重要组成部分[1]。地倾斜观测的连续记录包含了大量与局部地壳介质特性有关的信息[2-4]。随着山西“十五”数字化网络的建成，从北到南逐步形成太原、离石、昔阳、临汾数字前兆综合观测台。文中试图以不同台站的水平摆观测资料，分析安德裂亚诺夫群岛7.0级地震、巴基斯坦7.8级地震的异常特征，为地震预测提供一定的参考依据。

1 山西水平摆观测仪器概况

山西前兆台网始建于上世纪70年代，形成于80年代末期。现有地磁、地电、形变、流体4个学科，布设在9个省级专业台站和8个地方流体台。临汾、太原、离石、昔阳是山西数字前兆综合观测台，均安装SSQ-2I水平摆倾斜仪，水平摆观测的对象是地平面与水平面之间夹角及其随时间的变化，是研究固体潮地震前兆的重要手段之一。数字化水平摆于2008年1月(昔阳台2013年1月)正式开始观测，采用分采样记录，至今已积累8年的连续观测资料。通过对多年观测资料的分析，发现临汾、太原、离石、昔阳地震台站的水平摆在多次中强地震前有很好的映震性能。山西数字前兆观测台布设如第18页图1所示。

太原、临汾、离石、昔阳4个前兆综合观测台设在山西省地震断陷带上，主要分布在太原盆地、临汾盆地和部分隆起区，整个布局与山西地震地质构造背景一致，台站周围断层分布较多。临汾台地处临汾盆地西缘，构造上位于临汾凹陷内的龙祠沉降中心，紧靠控制盆地西缘的罗云山山前断裂。台站形变观测山洞山体为奥陶系中统马家沟组灰岩，距洞室150 m处罗云山断裂在山前通过，该断层为N40°E走向、倾向SE的正断层；昔阳地震台地处太行山西麓、虎头山北坡、赞黄隆起和西部沁水凹陷的过渡带，沁水煤盆地的东北边缘，以NNE向构造运动为主，台站以北约380 m处有一长约8 m(N38°E)的正断层名为大寨断裂，它属于一组走向为N20°E的燕行排列断裂带。沿断裂线有新生代的玄武岩出露，该台是晋获断裂带活动带的台站之一。以上各台站洞内年温差小于0.3 ℃，观测条件均符合形变观测规范要求。

2 异常特征分析

近年来，不少研究者发现，远场前兆往往出现在对应力、应变变化反应灵敏的特殊部位，称为“应力窗”“穴位”“敏感点”等，马宗晋等曾应用多应力集中点和块体整体活动的观点讨论远场前兆问题，利用数值模拟方法，研究震源区孕震过程中应力应变变化，发现孕震过程可能对场内的某些特殊部位造成应力状态的大幅度变化，从而在这些部位可能出现远距离前兆[5]，临汾综合前兆地震台可能处于此类敏感部位。本研究阐述侯马形变台对2013年8月31日安德裂亚诺夫群岛7.0级、9月24日巴基斯坦7.8级地震的短临异常，地震参数如第18页表1所示。

图1 山西数字前兆观测台站

表1 巴基斯坦、安德裂亚诺夫群岛地震参数

2.1 两次地震同震响应特征

(1) 巴基斯坦7.8级地震。

短临前兆异常是在区域构造场的影响下，受震源应力场及活动构造之间综合作用的结果[6]。地震短临阶段时，位于孕震区台站的形变突跳可能受到引潮力的触发，但由于大地震的发生是断层两侧体积相当大的两个块体相对的运动，发震断层两侧块体的形变或微动形变，可能会牵动相邻块体甚至更远处块体某些敏感点部位的形变或微动，这可能是巴基斯坦7.8级地震前临汾台、昔阳台水平摆突跳的一种解释。

2013年9月24日19点29分发生的巴基斯坦7.8级地震，山西境内的太原、临汾、离石、昔阳4个数字形变观测台站，均不同程度地记录到典型的震前或震后的形变异常特征(见表2)。

由第19页图2可知，昔阳台水平摆EW向，在震前42小时出现成簇的单点数据突跳，向上阶跳最大幅度为12 ms，震后曲线恢复正常；离石台NS向震前52小时出现向上单点数据突跳，EW向48小时前向下阶跳；临汾台EW向震前48小时，频繁数据突跳，而后缓慢正常，呈尖刀状，突跳最大幅度3 ms。

表2 巴基斯坦7.8级、安德裂亚诺夫群岛7.0级地震的同震响应特征

(2) 安德裂亚诺夫群岛7.0级地震。

2013年8月安德裂亚诺夫群岛7.0级地震，临汾台EW向震前2天，震后4天数据突跳，尖刀形呈锯齿波；昔阳台震前17小时、震后1天成簇的单点数据突跳；离石台震前12小时向下脉冲阶跳，39小时前曲线高频抖动；太原台震前5天、震后4天曲线高频抖动(见第19页图3)。

2.2 差分分析

地倾斜的一阶差分值反映倾斜速率的变化，能描述震源区及周围地区的岩石在主震发生前由微破裂或加速变形引起的突变异常[6]。通常以2倍中误差为警戒线，超过2倍中误差，视为异常，2013年9月24日巴基斯坦7.8级地震前后，临汾台、离石台水平摆均超出2倍中误差。

图2 临汾台、昔阳台、离石台分钟值异常曲线图

图3 临汾台、离石台、太原台、昔阳台8月29—31日分钟值曲线

2.3 潮汐因子分析

NS分量潮汐因子≥0.79，EW分量潮汐因子≥0.39时，则可能会在中国境内发生7.0级以上地震，山西地区发生4.0级以上地震[7-8]。通过对2013年8月至12月山西省水平摆资料的整点值数据，做潮汐变化TID分析，得出太原台、离石台、临汾台水平摆M2波潮汐因子异常突出较为明显。太原台M2波潮汐因子正常观测值在0.5左右波动，离石台水平摆M2波潮汐因子正常观测值在0.41左右波动，临汾台在0.61左右波动，3个台站从9月22日至10月28日潮汐因子最大变化为0.38、0.14、 0.03。期间发生9月24日巴基斯坦7.8级地震和11月9日山西朔州3.8级地震，多年记录资料的分析表明，潮汐因子的变化很可能与近场地震有关，此观点需今后更多的震例进行验证。

图4 临汾台、离石台水平摆一阶差分曲线图

图5 太原台、离石台、临汾台潮汐因子曲线图

2.4 NaKal拟合检验分析

通过对2013年8月至12月山西水平摆资料的整点值数据做拟合检验分析，发现太原、离石、临汾台拟合方差、振幅因子、非潮汐拟合常数、非潮汐速率、非潮汐加速度均偏离正常值5倍以上，限于篇幅，仅以太原台为例(见第20页图6)。

3 结论

(1) 经核实，在巴基斯坦7.8级、安德裂亚诺夫群岛7.0级地震异常期间，临汾、太原、离石、昔阳台水平摆的观测仪器、观测环境正常，无人为干扰。

图6 太原台水平摆NaKal拟合检验曲线

(2) 发生在不同地区的地震，同一台站的水平摆记录到相同的形变异常特征。通过水平摆对巴基斯坦7.8级地震、安德裂亚诺夫群岛7.0级地震的分析，发现临汾、昔阳台水平摆在2次地震的同震形变中，记录到相同的形变异常。

(3) 由于各台的地质结构、地震的传播路径不同，导致发生在同一地区的地震，不同台站的水平摆记录到同震响应形态各异。

(4) 异常具有单方向性。通常发生在远场7.0级以上地震的形变异常特征，体现在NS向，唯有9月24日巴基斯坦7.8级地震、8月31日安德裂亚诺夫群岛7.0级地震的形变异常体现在EW向。

(5) 巴基斯坦7.8级地震的形变异常特征较为明显，不仅显示在水平摆原始图像的分钟值曲线上，而且显示在差分、潮汐因子、拟合方差、振幅因子、非潮汐拟合常数、非潮汐速率、非潮汐加速度曲线上，安德裂亚诺夫群岛7.0级地震的异常特征仅体现在原始曲线。

研究结论为初步分析，旨在表征山西数字化水平摆观测资料在远场7.0级地震前记录的异常变化，为今后判断、识别同一地区地震提供参考。

参考文献：

[1] 张祖胜，李正媛，李 辉.地形变测量[M].北京：地震出版社，2008:12.

[2] 陈德福，聂 磊.液体静力学水准仪级其应用[M].北京：地震出版社，2008.

[3] 李正媛，陈 鹏，林穗平，等.川强震震源区形变潮短临变化特征[J].大地测量与地球动力学，2003(2):55-60.

[4] 杨又林，唐九安.乌什地震台倾斜固体潮观测与前兆异常[J].西北地震学报，2009,31(03):242-247.

[5] 孙其政.地震综合分析预报方法[M].北京：地震出版社，1997：118-120.

[6] 王秀文，刘 魏，赵新平.山西中强地震前前兆异常特征及综合预报指标的研究[J].山西地震，1997(1-2)：36-45.

[7] 杨友陵，孙甲宁，高国英.新疆地倾斜地震短期异常特征研究[J].西北地震学报,2006,28(1):64-68.

[8] 冯建琴，吴艳霞，沈晓松.临汾洞体摆数字倾斜仪在忻州五寨4.2级地震前的异常特征分析[J].大地测量与地球动力学,2011,31(增刊):24-27.