山西昔阳地震台水平摆异常综合分析

李宏伟，吕 睿，陈永前

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.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

数字石英水平摆倾斜仪是一种监测水平方向倾斜变化的高灵敏度观测仪器，能够直接探测到地壳形变的微弱变化，对于获取震前异常信号具有重要的现实意义[1-2]。由于观测仪器的灵敏度较高，观测曲线上易叠加许多复杂的干扰信号，在进行观测数据分析处理时，必须经过异常核实，才能较为准确地对异常变化的性质做出科学、合理的判定[3-6]。

根据中国地震局监测预报司制定的异常核实规范流程，对2019年3月11日山西昔阳地震台(以下简称昔阳台)水平摆两分量加速倾斜变化进行系统的排查、分析，并结合震例和深部构造特征，给出异常变化的性质及可能的指示意义。

1 台站背景概况

1.1 地震地质背景

昔阳台位于山西断陷带以东的太行山断块隆起区，且太行隆起区是一个相对稳定的新构造单元。此隆起区内发育的主要断裂为晋获断裂带，其西侧发育井陉-左权断裂带，与晋获断裂带平行延展，而昔阳、和顺等小型断陷盆地边界受井陉-左权断裂带控制，至今仍有一定的活动性。昔阳地区处于太原-石家庄横向隆起构造带(即38°带)与NNE断裂带的复合部位，构造复杂，地壳介质比较破碎，是区域应力场变化的敏感部位[7]。

昔阳台处在昔阳小型断陷盆地东缘，向北约380 m处为大寨断层，该断层走向N38°E，倾向NW，倾角70°，长8 km。大寨断层属井陉-左权断裂带，该断裂带由24条大小不等的断裂组成，总体走向NNE，其最新活动时代为中更新世[8]。

2017年12月-2019年3月，在山西中部地区至河北中南部出现3次ML≥3.0地震、5次小震密集活动及1次震群活动(见第37页图1)。2018年10月31日出现邢台窗开窗异常，2019年3月9日河北饶阳发生小震密集活动现象，可能预示着这一区域应力场在增强。

1.2 形变观测概况

昔阳台形变观测山洞于1971年12月底建成，2008年4月对观测山洞进行改造，山洞进深40.67 m，覆盖层厚度平均约为15 m，洞口与仪器室之间设置4道船舱门、1道玻璃推拉门相隔，温度日变化小于0.1 ℃，年变化小于0.4 ℃，除雨季受降雨影响明显外，台站周围无明显干扰源。由于洞体覆盖层较薄，自观测以来，数据短期加速倾斜变化主要受降雨影响。2010年10月安装SSQ-2I石英摆倾斜仪，经试运行,观测数据连续稳定，同震变化记录清晰，于2012年7月10日正式纳入“十五”中国地震前兆台网中心管理系统。

2 异常性质分析

2.1 异常描述

图1 昔阳地震台附近地区的地质构造及地震分布图Fig.1 Geological structure and seismic distribution near Xiyang seismic station

自2019年3月11日EW分量加速东倾变化，NS分量加速南倾变化，至17日，NS分量最大变幅为21.14×10-3角秒，EW分量为106×10-3角秒(见图2)。在3月12日以后速率变化逐渐平缓，类似变化在山西中南部2次M3.6地震前曾出现过。

图2 昔阳台水平摆异常曲线图Fig.2 Abnormal curve of horizontal pendulum in Xiyang seismic station

2.2 现场调查分析

(1) 供电系统检查。

昔阳观测山洞供电采用UPS逆变电源向洞内各仪器室提供220 V交流工作电压。按异常核实工作规范要求，首先，检查昔阳观测山洞UPS逆变电源供电系统，现场切换UPS电源主机交、直流供电方式，主机运行及输出电压均正常；同时测定了接地电阻也显示正常，表明山洞供电系统工作正常。

(2) 仪器工作状态检查。

经现场复查，昔阳台水平摆倾斜仪主机光源灯供电、熄灭时间间隔稳定，CCD光电转换器运转正常，倾斜仪数据采集器显示运行状态正常，数据采集传输系统正常；通过进山洞实地检查发现，昔阳台观测山洞较为潮湿，湿度为80%(山洞背景湿度约80%左右)，但山洞积水坑无积水现象。

(3) 仪器标定、观测日志调查。

查阅昔阳台水平摆历年格值校准表(见表1)，两分量历次校准格值变化稳定，满足中国地震局形变学科地倾斜格值重复精度小于1%的校准要求，说明昔阳台水平摆仪器工作状态长期稳定。2018年10月1日标定系统故障，因此，在此次调查中，无法现场标定，但根据数据的异常形态以及历次格值变化情况，此次数据变化与格值关系不大。

查阅2012年以来昔阳台水平摆倾斜仪的观测日志，主要干扰因素为震扰、降雨干扰、电源故障以及标定仪器的干扰，之前的数据分析表明，这些类型的干扰对水平摆倾斜仪的影响主要为短时的阶变、台阶等类型，且数据无固体潮汐记录，而此次数据异常持续时间为2 d左右，并且固体潮记录清晰，因此，与之前的主要干扰因素不符合。

表1 昔阳台水平摆历年格值标定表Table 1 Calibration table of horizontal pendulum calendar in Xiyang seismic station

(4) 观测环境干扰情况调查。

对台站周围观测环境进行详细的调查与巡检，近期台站周围无施工、无明显人为活动迹象及曾经易积水的地方也未发现积水的存在。

(5) 气象因素调查。

昔阳台气温、气压自观测以来呈现稳定的年变动态，异常变化前后未出现气温、气压大幅度升降变化(见图3)。

昔阳台水平摆受降雨干扰比较明显，EW分量受降雨的影响形态为短期加速西倾变化，此次异常变化前无降水情况，周围用水情况也正常，因此，可以排除此次大幅倾斜变化系降水影响所致。

图3 昔阳台气温、气压曲线图Fig.3 Curve of Temperature and Air Pressure in Xiyang seismic station

2.3 数据变化分析

(1) 观测数据的可靠性分析。

采用调和分析法计算自观测以来水平摆两分量M2波潮汐因子和振幅因子时序曲线，如果测站地下介质均匀、仪器工作正常，观测值应该是平稳变化的。经计算显示，M2波潮汐因子时序曲线除去因干扰造成的数据突跳，其余时段变化平稳，此次数据加速倾斜变化前后M2波潮汐因子和振幅因子变化相对平稳(见图4、图5)，说明观测数据较为稳定可靠。

图4 M2波潮汐因子Fig.4 Tidal factor of M2 wave

(2) 区域GPS基线分析。

通过任意2个GPS站间的同步观测值可构成基线向量，根据GPS站位移时间序列可以建立GPS基线向量的时间序列。文章中基线时间序列通过计算椭球面两点间大地线的长度变化来实现[9-10]。

选取昔阳台周围的3个GPS连续站点，基线空间分布如图6所示，计算台站附近NE、NW向2条GPS基线。

图5 振幅因子响应比Fig.5 Amplitude factor response ratio

由基线解算结果可知，NW向的SXYC-HELY(山西榆次-河北隆尧)基线2016年以后由之前稳定的拉伸转为持续缩短(见图7a)，尤其2018年以来缩短速率增大，表明了NW向挤压活动增强；NE向SXYC-HELQ(山西榆次-河北鹿泉)基线2016年由之前平稳变化转为持续的拉伸(见图7b)，2018年以来拉伸速率也较之前有所增大，表明该区域2018年以来应力场在持续增强。

图6 GPS基线空间分布图Fig.6 Spatial distribution of GPS baseline

(3) 近期小震活动特点。

自2018年9月至2019年3月，山西中部地区至河北中南部出现2次ML≥3.0地震、3次小震密集活动及1次震群活动(见第39页表2、图8)。2019年3月9日河北饶阳发生小震密集活动及仍在预测有效期范围内的邢台窗2018年10月31日出现的开窗异常等，可能预示着这一区域应力场在增强。

2.4 震例回溯性分析

昔阳台水平摆自观测以来，除去因降雨影响造成的数据短期加速倾斜变化外，一共出现过2次较显著的短临异常。两次异常后，在山西中南部分别发生了平遥3.6级地震和霍州3.6级地震。此次数据变化形态与之前两次地震前异常形态相似，现对两次震例数据变化特征分析如下：

图7 GPS基线时序图Fig.7 GPS baseline sequence diagram

表2 山西中部至河北中南部一带小震活动统计Table 2 Statistics of small earthquake activities in the area from Central Shanxi to south central Hebei

图8 山西中部至河北中南部一带小震活动分布图Fig.8 Distribution of small earthquakes in the area from Central Shanxi to south central Hebei

(1) 平遥3.6级地震。

昔阳台水平摆从2014年3月16日EW分量加速西倾变化，NS分量加速南倾变化，NS变化幅度62.79×10-3角秒，EW变化幅度为133.75×10-3角秒，19 d后在太原盆地南段发生平遥3.6级地震(见图9)。

图9 平遥3.6级地震前数据短期变化曲线图Fig.9 Short term change curve of data before Pingyao M3.6 earthquake

(2) 霍州3.6级地震。

昔阳台水平摆从2017年12月2日EW分量加速西倾变化，NS分量加速南倾变化，NS变化幅度93×10-3角秒，EW变化幅度为56×10-3角秒，106 d后在临汾盆地北段发生霍州3.6级地震(见图10)。

图10 霍州3.6级地震前数据短期变化曲线图Fig.10 Short term change curve of data before Huozhou M3.6 earthquake

2.5 测区周围深部构造分析

已有研究表明,山西中部地区(N38°附近)存在近EW向的低速体条带，该带介质略“软”于南北两侧介质体[11-14]。吴昊昱[15]应用背景噪声研究山西中部地区横向构造，研究表明，周期10 s与12 s的群速度(对9～12 km深度敏感)图像显示太原盆地及其东侧形成一个包括太谷、榆次、左权、昔阳在内的EW向低速区，长约150 km、宽约50 km,其东端抵达太行山前断裂位置，与晋获断裂带相交(见第40页图11)。

另外，邢集善等[7]认为太原EW古构造带(即38°带)是晋北“软块”(岩石圈厚度75～80 km)和晋南“硬块”(岩石圈厚度100～120 km)的缝合带，在长期地质发展过程中起着重要的控制和界限作用。

图11 10 s和12 s周期瑞利波群速度层析成像图Fig.11 Velocity tomographys of 10 s and 12 s periodic Rayleigh waves

综上所述，从深部构造的角度分析认为，昔阳与太原盆地处于同一古构造单元，是应力易于集中的部位。因此，昔阳台水平摆异常指示山西中部的地震也是符合构造机理，可作为此构造带地震危险性判别的依据。

3 结论与讨论

通过现场核实，昔阳台水平摆异常期间，仪器工作正常，无明显的环境变化和人为干扰影响，且M2波潮汐因子以及振幅因子时序曲线在数据变化前后变化稳定，因此,观测数据变化真实可靠。通过GPS基线分析以及近期小震活动性分析，均表明2016年以来台站所在区域背景应力场在持续增强。

根据历史和现代地震活动以及震例回溯，并结合中部地区的深部构造特征，认为此次异常对山西中南部地区中等地震的发生具有一定的指示意义，应密切注意昔阳至太原盆地其他地球物理异常的发展变化。