云南垂直摆映震能力研究＊

杨玲英 毕灵晶 杨 星 杨 祺※ 蒋 薇

1) 云南省地震局，云南昆明 650224

2) 云南大学地球科学学院，云南昆明 650551

引言

定点形变监测是具有明确物理意义的地震前兆监测手段之一，已有许多学者对定点形变的异常机理做过研究[1-6]。垂直摆作为一种周期短、采样率高的定点形变类地震前兆监测仪器，它的地震前兆监测意义是很明显的。这种仪器在云南省投入地震前兆监测已经十几年了，它的映震能力如何呢？值得仔细研究。

地震作为一种明确的地球物理事件，理论上来说只要在监控范围内，所有的地震前兆监测仪器都会记录到，但现实中却不尽然。同震响应是地震前兆仪器对已经发生的地震的一种真实记录，是写实版、放大版的“前兆”。地震前，地壳岩石圈的微破裂、应力积累，前兆仪器能记录到的往往只是蛛丝马迹，是朦胧版、缩小版的前兆。研究某种前兆仪器的同震响应特征、前兆反映特征，可为未来地震前兆监测仪器的选择、地震预测提供参考服务。本文利用震例总结分析方法，通过对云龙、云县、永胜、通海等10个观测点垂直摆监测数据在云南省内及周边最近10年发生的51次中强地震的同震响应、震前情况研究，总结出云南垂直摆的映震能力。

1 研究样本选择

垂直摆自“十五”项目期间在云南开始投入观测，后经仪器更新改造项目、各地州提升监控能力等一系列项目的不断投入，至今已有VS、VP两种型号14套仪器观测过，永胜、楚雄的VS已经停止观测。目前仍在运行的有12套仪器，分别是楚雄（VP）、云县（VP）、云龙（VS、VP）、通海（VS、VP）、孟连（VS）、永胜（VP）、勐腊（VP）、个旧（VP）、巧家（VP）、昭通（VP），共10个观测点，图1为全省观测点的分布情况。

图1 云南省垂直摆倾斜观测点分布图Fig. 1 Distribution of vertical pendulum tilt observation points in Yunnan Province

本研究对云南全省在运行的所有垂直摆仪器最近10年的监测数据都进行了统一标准的再处理，经过前期数据处理的筛选，选取运行率高、数据完整性好、数据正式进入国家数据库的云龙、云县、永胜、通海监测数据作为重点研究对象，前两个观测点使用的VP型号、采样率为秒的垂直摆，后两个观测点使用的VS型号、采样率为分钟的垂直摆。选取它们也从地域上是有所考虑的，云龙地处云南省滇西偏北，位于红河断裂中段西侧，在红河断裂与澜沧江断裂之间，更靠近澜沧江断裂。云县主要受NNE向南汀河断裂控制，对于监测西部龙陵、芒市，南部耿马、澜沧，东南部思茅、普洱，东北部景东、景谷地区的地震活动是不可缺少的。永胜位于丽江—宁蒗断裂带和宾川—程海断裂带之间的永胜盆地东缘山脚下，永胜盆地属断陷盆地，盆地西缘即程海断裂北段，地处多条断裂带交汇处，历史上的1515年曾发生Ⅹ度（7.5级）的大地震，该地区小震活动频繁，属地震活跃区。云龙、云县、永胜3个台站对云南地震比较多的滇西北、滇西、滇西南能够有较好的控制。通海地处NW向的曲江断裂中段、NS向的小江断裂南段，这两条断裂在通海附近交汇，断裂构造发育，地震活动频繁。云南著名的8条地震带中的通海石屏地震带和小江地震带覆盖其全境及周边[7]。

2 云龙、云县、永胜、通海垂直摆监测数据在省内及周边中强地震的同震响应特征

据中国地震台网测定，2009—2018年10年间，在云南省内及周边共发生了51次ML≥5.0以上地震。根据吴翼麟[8]按现有台站的实际观测精度，形变监测地震的能力半径DJ与震级M的关系式为lgDJ=0.303(M+1.6)，分别计算51次地震中有多少次在云龙、云县、永胜、通海、巧家这几个监测点的监控能力范围内，对落入范围内的地震进行同震响应特征、前兆异常特征研究。下面表1—表4中NS分量的响应形态“阶降”表示形变向南倾斜，“阶升”表示形变向北倾斜；EW分量的响应形态“阶降”表示形变向西倾斜，“阶升”表示形变向东倾斜；“波动”表示没有优势方向、有升有降。

2.1 云龙台（VP）垂直摆监测数据的同震响应特征

云龙台VS型垂直摆是作为VP型的对比观测使用，观测数据不纳入云南台网数据库，其数据不做研究，本文只研究VP型垂直摆的观测数据。云龙台（VP）垂直摆2014年12月16日架设，2015年1月1日开始正式记录。数据完整率是100%，内在质量精度、潮汐因子、噪声水平都在观测质量考核指标的较高水平线上，数据的准确度高、可靠性好。两分量格值分别是：ηNS=0.066 11×10-3″/mV，ηEW=0.052 88×10-3″/mV，而且年变化范围稳定在0.2%以内，符合观测规范要求。在这4年多的时间中云南省内及周边共发生了11次M≥5.0的地震，根据形变监测地震的能力半径DJ与震级M的关系式计算，有3次地震不在云龙形变的监控能力范围内，其余8次在监控能力范围内，它们的同震响应情况见表1。

表1 云南云龙地震台形变的同震响应特征Table1 Co-seismic response characteristics of deformation of Yunlong seismic station in Yunnan Province

从表1可看出： ① 在8次云龙垂直摆有监控能力的地震中，每一次都有同震响应，通过矢量合成得知，其中同震响应变化量最大的是2017年11月18日发生的西藏林芝6.7级地震，最小的是2014年12月26日发生的缅甸5.0级地震； ② 同震响应形态多以阶降的形式出现； ③ 同震响应率100%。

研究发现，在8次两分量都有同震响应的地震中，7次震前有固体潮畸变（图2），其中6次地震固体潮畸变的形式是潮汐基本形态不变，但是在其上叠加着高频振动，比较典型的是2016年5月18日的洱源5.1级地震（图2a）；其余1次地震的固体潮基本形态畸变，是2014年12月26日的缅甸5.0级地震（图2b）。前兆异常响应率87.5%。

图2 云龙垂直摆前兆异常变化形态图Fig.2 Precursory abnormal change pattern of Yunlong vertical pendulum

2.2 云县台（VP）垂直摆监测数据的同震响应特征

云县台（VP）垂直摆自2012年10月1日开始正式记录，截止到2018年12月。数据平均完整率是92.8%，内在质量精度、潮汐因子、噪声水平都在观测质量考核指标的较高水平线上。两分量格值分别是：ηNS=15.078 9×10-3″/mV，ηEW=9.675 6×10-3″/mV，而且年变化范围基本稳定在0.2%以内，符合观测规范要求。在这6年多的时间中云南省内及周边共发生了33次M≥5.0的地震，根据形变监测地震的能力半径DJ与震级M的关系式计算，有5个地震不在云县形变的监控能力范围内，其余28个在监控能力范围内，这28个地震都有同震响应，它们的同震响应情况见表2。

从表2可看出： ① 在28次云县垂直摆有监控能力的地震中，每一次都有同震响应，通过矢量合成得知，其中同震响应变化量最大的是2016年5月18日发生的洱源5.1级地震，最小的是2014年12月26日发生的缅甸5.0级地震； ② 同震响应形态多以阶降的形式出现； ③ 同震响应率100%。

表2 云南云县地震台形变的同震响应特征Table2 Co-seismic response characteristics of deformation of Yunxian seismic station in Yunnan Province

研究发现，在28次两分量都有同震响应的地震中，21次震前有固体潮畸变（图3），其中20次地震固体潮畸变的形式是潮汐基本形态不变，但是在其上叠加着高频振动，比较典型的是2014年10月7日的景谷6.7级地震（图3a）；其余1次地震的固体潮基本形态畸变，它是2013年3月3日的洱源5.8级地震（图3b）。前兆异常响应率65.6%。

图3 云县垂直摆前兆异常变化形态Fig. 3 Precursory abnormal change pattern of Yunxian vertical pendulum

2.3 永胜台（VS）垂直摆监测数据的同震响应特征

永胜台（VS）垂直摆自2007年6月观测至2018年11月停止，之后再次架设了VP、VS型垂直摆继续观测，本文选取VS型观测数据作为研究对象。永胜台（VS）垂直摆2009年1月1日—2018年11月的观测数据平均完整率是85.4%，数据内在质量精度高、噪声水平适中。两分量格值分别是：ηNS=0.082 63×10-3″/mV，ηEW=0.090 67×10-3″/mV，而且年变化范围基本稳定在0.2%以内，符合观测规范要求。在资料选取的这10年中，有13个月因为仪器故障停测，其余时段内在云南省内及周边共发生了37次M≥5.0的地震。根据形变监测地震的能力半径DJ与震级M的关系式计算，有2次地震不在永胜形变的监控能力范围内，其余35次在监控能力范围内，但2014年5月30日的盈江5.0级地震，因与前一次地震的发震时刻仅仅相差37 s，波形被前一次地震的S波覆盖，无法识别震动方向与持续时间；2016年5月18日发生的洱源5.1级地震，因为仪器故障缺数，故这2次地震不做分析与统计，其余33次地震，它们的同震响应情况见表3。

从表3可看出： ① 在33次永胜垂直摆有监控能力的地震中，有31次地震有同震响应，通过矢量合成得知，其中同震响应变化量最大的是2014年10月7日发生的景谷6.7级地震，最小的是2010年1月1日发生的剑川5.1级地震； ② 同震响应形态多以阶降的形式出现，但是波动的形式比其他观测点偏多； ③ 同震响应率93.9%。

表3 云南永胜地震台形变的同震响应特征Table 3 Co-seismic response characteristics of deformation of Yongsheng seismic station in Yunnan Province

研究发现，在31次两分量都有同震响应的地震中，13次震前有固体潮畸变（图4）。其中6次地震固体潮畸变的形式是潮汐基本形态不变，但是在其上叠加着高频振动，比较典型的是2014年5月24日的盈江5.8级地震（图4a）；其余7次固体潮汐基本形态变化，比较典型的是2010年2月25日的元谋5.5级地震（图4b）。前兆异常响应66.7%，比较显著的特点是NS向的前兆异常响应率明显优于EW向。

图4 永胜垂直摆前兆异常变化形态Fig. 4 Precursory abnormal change pattern of Yongsheng vertical pendulum

2.4 通海台（VS）垂直摆监测数据的同震响应特征

通海台（VS）垂直摆自2007年投入观测至今，运行良好，两分量数据完整率达99%以上。两分量格值分别是：ηNS=0.082 04×10-3″/mV，ηEW=0.071 88×10-3″/mV，而且年变化范围基本稳定在0.2%以内，观测质量在云南省内同类仪器中名列前茅。根据形变监测地震的能力半径DJ与震级M的关系计算，2009—2018年的10年间，在云南省内及周边共发生了51次M≥5.0的地震，有6次地震不在通海形变的监控能力范围内，其余45次在监控能力范围内[9]，它们的同震响应情况见表4。

从表4可看出： ① 在45次通海形变有监控能力的地震中，有3次地震没有同震响应，通过矢量合成得知同震响应变化量最大的是2014年8月3日发生的鲁甸6.5级地震，最小的是2013年2月19日发生的巧家5.3级地震； ② 同震响应形态多以阶变的形式出现，尤其是阶降的形式； ③ 同震响应率93.3%。

表4 云南通海地震台形变的同震响应特征Table 4 Co-seismic response characteristics of deformation of Tonghai seismic station in Yunnan Province

研究发现，在39次两分量都有同震响应的地震中，31次震前有固体潮畸变（图5），2次地震固体潮畸变的形式是潮汐基本形态不变，但是在其上叠加着高频振动，比较典型的是2014年10月7日的景谷6.7级地震（图5a）；其余29次变化形式是固体潮汐的基本形态变化，比较典型的是2009年7月9日的姚安6.3级地震（图5b）。前兆异常响应率79.5%，比较显著的特点是NS、EW向的前兆异常响应都比较好，一些震级比较小（低于5.0级）的地震也有固体潮汐畸变。

图5 通海垂直摆前兆异常变化形态Fig. 5 Precursory abnormal change pattern of Tonghai vertical pendulum

续表4

3 云南垂直摆全部测点的映震情况

为全面掌握垂直摆这一测项在云南的映震情况，对每一个测点的同震响应、震前异常响应都利用震例总结的方法进行了研究（表5），表中的前兆异常响应率是排除了仪器、环境、人为、气候干扰因素后计算出的统计结果。

表5 云南垂直摆所有测点映震情况统计Table 5 Statistics of earthquake reflection at all measuring points of vertical pendulum in Yunnan Province

4 结论与讨论

通过对云南10个观测点的10套不同型号垂直摆观测仪器数据的研究，发现如下规律：

（1）云南垂直摆每一个测点的观测结果都有同震响应，但是响应率差异很大，与各测点的数据完整率成正相关关系。一般情况下，完整率高，同震响应率也高。全省最高的是云龙测点，数据完整率100%，同震响应率100%；最低的是昭通的测点，数据完整率27.4%，同震响应率11.8%。

（2）云南垂直摆各测点的同震响应的矢量合成结果大小与震级、震中距基本成正相关关系，个别测点受断裂带、地质条件影响。

（3）云南垂直摆各测点的同震响应的持续时间与震级、震中距成弱相关关系。

（4）云南垂直摆各测点的同震响应形态90%以上以“阶降”形式出现。

（5）云南垂直摆各测点的前兆异常响应率差异很大，前兆异常响应率与各测点的数据完整率成正相关关系，各测点前兆异常响应率受仪器工作状态、观测环境影响大。

（6）VP型垂直摆仪器前兆异常响应形态多以“固体潮基本形态不变，但在固体潮上叠加有密集的高频振动成分”的形式出现。VS型垂直摆仪器前兆异常响应形态多以“固体潮基本形态不光滑、畸形”的形式出现，此差异与两种仪器的采样率不同相关。

利用震例总结的方式来寻找云南垂直摆这类仪器的同震响应、前兆异常响应特征、规律，能为以后的地震前兆监测仪器选型、地震预测服务提供参考。无论哪种类型的地震前兆监测仪器，其观测数据受影响因素很多，值得更深入、细致的研究。

续表 5