双阳水管地倾斜观测在松原地震前后的异常变化

唐春呈，郑传芳

（吉林省地震局，吉林 长春 130117）

0 引言

地震的孕育和发生是震源区和附近地壳应变积累和快速释放的过程［1］。大量震例研究表明，地震在孕育、发生及震后，地壳往往伴随着大幅度形变［2］。地形变观测是观测地壳表面岩体形态变化［3］，能够间接反映区域内部的变形情况。松原地区地震活动于2003年初开始不断增强，2003年上半年就出现了70余次的小震群活动［4-5］，2006年和2013年又发生了乾安—前郭M5.0和前郭M5.8震群活动，反应出该研究区域内地震活动已经进入活跃状态。本文对双阳水管地倾斜观测在吉林前郭地震前的前兆异常变化情况进行研究。

双阳地震台水管倾斜仪自观测以来，由于处于重要构造部位，观测资料质量高，对周边中小地震具有一定的前兆异常反应。2001至2014年，吉林省共发生了两次M5.0以上地震活动事件，两次地震事件都发生在松原地区，距双阳台只有210 km，且双阳台水管倾斜仪观测数据在这两次震前均出现了明显的异常变化。尤其是2013年前郭5.8级震群前出现的倾斜异常，经过中国地震局学科组和吉林省地震局分析预报中心现场核实后，确认为地震前兆异常。本文利用直观的原始资料日均值和具有表征明确物理意义的地倾斜潮汐因子方法分析研究和总结，得出更加清晰的地震前后的异常认识。

1 区域构造背景和观测概况

吉林双阳台站位于长春市双阳区北山西侧，西靠北东向伊通—舒兰断裂带，在其它三个方向上也有次一级的北西向构造，台站恰好处于北东和北西向两组构造的交汇处，区域构造比较复杂。倾斜观测山洞进深240 m，洞体无人工被覆，洞顶最厚覆盖38米，表面具有完整植被，常年温度在7.8℃，洞内温度年变幅小于0.5℃，湿度保持在92%左右。

台站形变观测室距山洞洞口44 m，水管倾斜仪安装在人防山洞内，台基岩性为海西期花岗岩。东西基线长23.42 m，方位角为288.9°，南北基线长度为33.18 m，方位角为200.5°，跨北西向断层。水管倾斜仪自安放以来，日观测记录固体潮清晰，具有较好的年变周期变化，观测数据质量处于全国前列水平。

2 震例及资料的选取

研究表明，地震发生前一般在距震中250km范围内的地倾斜观测可以接收到一定的前兆信息［6］（图1）。按照这一准则，本次笔者挑选2001年至2014年间发生在吉林地区的两次M≥5.0地震为研究对象，对震中在250 km以内的双阳水管倾斜进行研究（表1）。

图1 松原地震震中分布和台站分布图Fig.1 Epicenter and station distribution of Songyuan earthquakes

表1 双阳台周边2次地震（震群）震例

本次研究采用双阳台DSP型水管倾斜仪自数字化观测以来的2001年至2017年的观测资料。原始曲线采用日均值，地倾斜固体潮潮汐因子采用Mapsis中的Venedikov调和分析处理软件提取M2波的振幅因子，在数据收集整理的过程中，对受到仪器故障、人为干扰、地震等影响以及出现短缺和中断的数据，严格按照规范用“999999”替换和拼接，同时误差不超过0.01，从而保证所用数据的可靠性和真实性［7］。

3 日均值观测曲线异常特征

本次笔者收集了2001年至2017年的吉林双阳水管南北测项和东西测项的日均值数据。从观测曲线可以看出（图2），南北测项日均值曲线正常变化动态呈趋势北倾变化，但在吉林乾安M5.0和前郭M5.8地震发生1～2年前，原本的趋势北倾变化被打破，观测曲线出现转折南倾变化。如2001年至2004年北南测项观测曲线呈上升北倾变化，在2006年吉林乾安5.0级地震发生前一年，即2005年5月南北测项开始出现了转折南倾变化，同时年变幅度也明显小于往年（2005年年变幅为43 ms，往年变幅均值为78.6 ms），持续南倾变化过程中在2006年3月发生乾安M5.0地震，南倾变化于震后2年（2008年） 基本恢复；2008年年初至2011年，曲线呈正常的北倾趋势变化，但在2012年1月再次开始出现年变幅减小变化（2012年变幅为41 ms，之前四年年变幅均值为79 ms），2013年10月发生了前郭M5.8地震，震后2年（2015年12月）开始恢复上升。虽然北南测项在两次地震前均出现比较明显的异常变化，但东西测项日均值曲线却在这2次地震前后没有出现明显的异常变化。研究表明，中强地震发生前存在大范围的断层活动平均速率增加的情况［8］，同时在相同应力情况下，断层活动平均速率明显大于周边完整块体［9］，结合吉林地区地倾斜观测点地震特征，此两次震前双阳水管倾斜出现的以南北测项为主，东西测项为辅的异常是合理的。

图2 双阳水管日均值变化曲线Fig.2 Changing curves of Shuangyang water tube daily average value

4 调和分析

大量研究结果表明，潮汐观测会伴随着地壳介质应力状态的改变而改变，表现为潮汐参数偏离背景值以及非稳定扰动［10］。笔者应用Mapsis中的Venedikov调和分析处理软件对双阳水管数据进行处理，每月计算1个M2波的振幅因子，得出2001年至2014年双阳水管两测项的潮汐因子曲线（图3）。由于该仪器观测资料质量很高，M2波的振幅因子中误差均小于0.01，所以振幅因子曲线信度很高。以曲线在二倍均方差内为正常值，SN正常值范围在0.5648～0.5816之间，EW正常值范围在0.6190～0.6384之间。SN在地震前后的2005年、2007年、2012年、2013年和2014年均出现超过二倍均方差的情况，EW方向除2011年和2012年出现仪器钵体破裂引起的断记造成固体潮振幅因子不稳定外，其它时段没有这种明显变化。

图3 2001年至2014年双阳水管两项的潮汐因子曲线Fig.3 The tide factor curve of Shuangyang water tube tilt鄄meter from 2001 to 2014

从（图3） 可以看出，如果以超过2倍均方差为异常衡量标准，在松原地区的这2次地震事件中的异常特征具有如下特点：（1）NS方向地倾斜固体潮振幅因子曲线在两次地震前后异常变化明显，EW方向则没有明显的异常变化；（2）异常形态上以振幅因子在震前震后波动不稳定多点超过2倍均方差为主；（3） NS向水管跨越断层，异常明显突出。研究表明，固体潮振幅因子变化受断层弹性参数、台站相对断层的距离和方位影响［11］，因此固体潮振幅因子异常除与震源区地下介质变化有关外，还与出现异常的观测仪器所跨越的岩体完整性有关。本次研究为了更好的分析地震发生震前60天双阳水管固体潮汐因子的变化情况，笔者选取窗口为30天，步长为10天的滑动平均法，计算2013年固体潮振幅因子（表2、3） 绘制两项2013年潮汐因子曲线（图4），以便突出2013年前郭5.8级震群的异常。从图4可以看出，南北测项进入2013年以来潮汐因子曲线呈持续下降变化，9月1日至10月1日曲线转折上升的情况，最大值为0.5701，之后到11月1日开始匀速下降，在下降的过程中发生前郭M5.8震群活动。之后在11月到12月末潮汐因子也出现了一定程度的上升情况，最高值为0.5742。东西测项曲线比较平稳，但是在9月份也出现了高值，虽然不如南北方向上升幅度明显，也是在全年度的最高值。与东西测项相比较，跨断层的南北测项异常更突出。

图4 双阳水管两项2013年潮汐因子曲线图Fig.4 The tide factor of Shuangyang water tube tilt鄄meter curve on 2013

以上分析进一步说明了固体潮振幅因子异常除与震源区地下介质变化有关外，还与出现异常的观测仪器所跨越的岩体完整性有关。

表2 前郭5.8级震群前后双阳水管南北向调和分析结果（2013年9—11月）

表3 前郭5.8级震群前后双阳水管东西向调和分析结果（2013年9—11月）

5 结论

2006年乾安—前郭M5.0级地震和2013年前郭M5.8级震群是吉林省前兆台网建设以来，在省内发生的最显著的2次地震事件。双阳台水管仪是全国观测质量很高的地倾斜仪，同时也是这2次地震事件震中距最近的形变台。因此，本文的分析研究结果将为松原震区未来的震情趋势研判提供参考依据。通过前文对双阳水管倾斜的异常分析，可以得出如下结论：

（1） 原始观测曲线能够更直观真实反映观测信息，固体潮振幅因子反映地下介质变化，物理意义明确，因此，采用方法是恰当的。

（2） 通过这两种方法的分析表明，地震前后异常是明显的，这两种方法分析显示的异常时间基本相同，震前1～2年出现异常，震后1～2年恢复。原始曲线异常主要呈现趋势性下降（或年变幅度减小），地倾斜固体潮振幅因子曲线异常呈现波动幅度加大，多点超过2倍均方差。

（3） 双阳水管的南北和东西2个方向对比表明：跨越断层的南北方向异常明显，东西方向几乎没有显示，跨越不完整岩体的水管仪器更能反映地下应力的变化。