延寿地震台竖直摆倾斜异常变化

段莉莉 李 昆

（中国黑龙江 150021 哈尔滨市防震减灾技术中心）

0 引言

地震的孕育发生需要能量积累及能量突然释放两大条件，地形变的长期形变、震前快速形变、震时突变及震后调整是发生中强地震的4个阶段特征。本文利用倾斜观测数据，给出了地震平静期观测手段的正常状态，分析了地震前地壳形变微动态特征及岩体发生变形与应力应变的关系，从而进一步确定震前的形变异常。

CZB-1型竖直摆倾斜仪是一种测量地壳微量倾斜并记录地球倾斜固体潮的仪器，安装在数十米深的井孔底部，一定程度上避开了地表干扰。该仪器适应性强，灵敏度高，稳定性好。延寿地震台位于依舒断裂带重要地段，受外界干扰小，倾斜与水位、气压不存在明显相关性，并多次记录到有价值的地震前兆异常信息，在倾斜两分向异常指向与未来地震的关系上体现了较大优势。

1 台站背景与资料

延寿地震台（以下简称延寿台）位于哈尔滨市延寿县玉田乡，台基岩性为燕山期花岗岩，坚硬完整。台址周围呈现花岗岩类构造低山的地形地貌特征。延寿台大地构造位置属兴安岭—内蒙地槽褶皱、伊春—延寿地槽褶皱北段，延寿县西部发育NNE向铁力—尚志断裂，贯穿东北的依兰—舒兰断裂带经延寿县向南延伸。

2004年12月，延寿台安装了CZB-1型竖直摆钻孔倾斜仪（河南省地震局马鸿钧研制）。钻孔井深71.6 m，井孔径152 mm，井口至传感器距离61 m，仪器受周围干扰因素较少。由于设备安装后需要一段时间才能逐步趋于稳定，所以记录中呈现EW分量向东漂移，NS分量向南漂移的正常背景特征。

2 研究资料及方法

2.1 研究资料

本文将延寿竖直摆倾斜2005年以来异常变化与应震情况做统计对比，见表1与图1。结合震例，能够发现倾斜异常与4级以上地震的对应关系较好。发震位置基本位于异常首次出现的指向上或者连续异常的最终指向上，有效震中距为350 km左右。由图1可大致判断延寿竖直摆倾斜的监控范围。

表1 延寿台竖直摆倾斜异常应震对比统计Table 1 The abnormal situation of contrast of tilting vertical pendulumin at Yanshou Seismic Station

图1 与异常对应的震中分布Fig.1 The epicenter distribution with the abnormal corresponding

2.2 研究方法

倾斜原始形态法。很多研究资料异常明显，不需要用数学方法处理便能清楚识别异常，即原始形态法。通常会在原始分钟值、整点值曲线上，或者矢量图正常变化的基础上，呈现出明显异常，体现为：加速、转向、鼓包或扰动等。从原始曲线看形态，也是发现固体潮畸变的重要途径。

固体潮调和分析法。固体潮调和分析是前兆资料处理工作中常用的固体潮分析方法，它是指从总潮波中分离出若干分潮波的过程。对倾斜观测资料逐日进行检查校对，分析月球潮汐半日波M2波的潮汐因子及其相位滞后在地震前后的变化过程。可以使用月值序列或滑动序列对资料进行处理。

3 典型震例分析

3.1 黑龙江林甸M 5.1地震与内蒙古牙克石M 4.7地震

3.1.1 异常形态。2005年7月25日林甸M5.1地震与9月19日内蒙古牙克石M4.7地震观测曲线见图2(a)。从图2(a)可见，延寿台两分向正常的漂移状态为EW向东漂，NS向南漂。2005年4月21日，EW向加速东漂、NS向反向北漂，异常指向为东北，漂移速率高于正常背景值2倍，至5月10日两分向曲线形态逐步恢复正常。2005年7月初延寿倾斜数据再次出现EW向反向西漂、NS向加速南漂现象，异常指向由东北方向转向西南方向。7月16日EW、NS分向逐步恢复到异常之前正常的漂移状态。7月25日发生黑龙江林甸M5.1地震。震后曲线形态恢复正常。9月19日又发生了内蒙古牙克石M4.7地震。两次地震结束后，于9月25日倾斜两分向再次出现了异常变化：东西向反向西漂，南北向加速南漂，并且异常幅度和速率也明显增大。分析认为，9月25日异常的出现，是林甸地震和牙克石地震的震后恢复阶段，应力集中到一定程度释放过后，岩石松散程度加大，出现能量的再次快速释放。由图2(b)可见，地震前短临和临震阶段均出现转折打结的异常现象。形变过程与地形变4个阶段相吻合。

3.1.2 用固体潮调和分析提取异常。由于地壳内应变积累到一定程度，相应的力学状态就会发生改变，介质物性同时发生变化，固体潮潮汐参数就会跟着变化。而当介质的力学状态以及观测环境都保持不变的时候，固体潮汐应是一个不变的量（范桂英，2001）。本文用连续48小时的数据进行调和分析主要是分析潮汐因子随时间的变化，求出东西、南北两个分向M2波的潮汐因子和相位差（图3），运算结果显示，延寿倾斜的固体潮调和分析质量较好，可用。在林甸M5.1地震和内蒙古牙克石M4.7地震前，EW、NS分向潮汐因子同时出现低值异常（李继业，2007）。

3.1.3 倾斜扰动分析。很多震前都发生过倾斜扰动现象，且明显程度各不相同。这些震兆信息被不同于地震仪固有频率特性的倾斜仪记录到。倾斜扰动从岩石力学方面来考虑，就是一种微破裂和粘滑现象。图4可见，震前1—3个月NS向在时间和幅值上均不同程度的出现了扰动异常。

3.2 吉林四平M 4.3地震和黑龙江安达M 4.5地震

3.2.1 原始形态。延寿竖直摆倾斜于2008年6月13日出现东西反向、南北加速现象，持续到7月26日后，东西南北两分向再次发生了转折异常；8月29日异常速率逐渐减小，到12月24日双向在形态和速率上陆续恢复到震前正常的背景值[图2(a)，图2(b)]。2009年3月20日发生吉林四平M4.3地震，台站距震中310 km；5月10日在黑龙江省安达市发生M4.5地震，台站距震中270 km。很明显，这次异常揭示了岩石破裂前，各个阶段不同分向记录到的形变过程，体现了应力积累释放、再度积累释放的特点。

3.2.2 用固体潮调和分析提取异常方法同上，对2008年到2009年6月底的原始整点值观测数据进行固体潮调和分析计算，发现低值异常比较明显。异常持续时间比较长，恢复后2个月陆续发震。由图5可见，M2波潮汐因子的低值变化，反映了地震前地壳介质对引潮力响应的弹性状态。

图2 典型震例的观测曲线（a）林甸、牙克石地震原始曲线；(b)林甸、牙克石地震矢量；（c）四平、安达地震原始曲线；(d)四平、安达地震矢量；（e）鸡东地震原始曲线；(f)鸡东地震石矢量Fig.2 The observation curve of typical seismic events

图3 林甸地震和牙克石地震潮汐因子Fig.3 The tidal factor figure of Lindian earthquake and Yakeshi earthquake

图4 2005年林甸地震前倾斜扰动Fig.4 The tilt disturbance before Lindian earthquake in 2005

图5 四平、安达地震潮汐因子Fig.5 The tidal factor figure of Siping earthquake and Anda earthquake

3.2.3 固体潮畸变中强震前，岩石破裂，地壳形变受震源区应力增强的影响开始进入失稳阶段，因此选取合适的计算长度，并选择合适的处理方法，有利于提取潮汐参数进行分析计算，并可以突出短期异常变化信息（张晶，2003）。经过对整点值以五日为一组的仔细核查，发现在地震前3个月以内，有明显的固体潮畸变现象出现，NS向的反应程度优于EW向。尤其临震前1个月内，固体潮畸变更加明显（图6）。

图6 四平、安达地震倾斜固体潮畸变(a)2009年2月12日—20日；(b)2009年3月1日—7日；(c)2009年3月16日—20日；(d)2009年4月13日—20日Fig.6 The distortion of the tidal tilt of Siping earthquake and Anda earthquake

3.3 黑龙江鸡东县M 4.1地震

2009年8月18日，延寿竖直摆再次出现南北向反向、东西向加速异常，持续到11月11日，异常速率减缓，12月19日发生鸡东县M4.1地震，震中距220 km[图2(a)]。两分向在4个月内出现的加速及转折现象清晰可见[图2(b)]。

尽管鸡东地震前倾斜出现明显的加速转向现象，但在地震发生前后，均未发现固体潮畸变等异常现象，潮汐因子计算结果正常。鸡东位于延寿台东部，位于南北河—勃利断裂带和依舒断裂带交汇处以西，而沿依舒断裂带有多次地震发生，是一条第四纪以来仍具有强裂活动的断裂。可见，不是每个地震前都会看到固体潮异常变化，可能与地震的大小、发震方向、位置、类型、所处地震构造环境密切相关。

3.4 吉林乾安与前郭县交界5级地震群

2013年初延寿竖直摆调零装置出现问题，设备维修后再次进入试运行阶段。虽然年变中断，但是每日潮汐记录仍然乐观。2013年10月初，我们发现固体潮出现了明显的扰动和畸变，尤其是10月20日至月底，扰动越来越明显（图7），10月31日在吉林乾安县与前郭县交界处发生M5.5和M5.0地震，震中距330 km。地震之后，扰动并未停止，11月上旬扰动间断性出现，到11月10日前后倾斜扰动加剧，20日前后频率逐步减弱，11月22日和23日分别发生乾安县M5.3和M5.8地震后，倾斜观测数据逐步恢复正常。

任意选取10月31日乾安地震前后5日固体潮数据，将无震阶段、震前一个月、震前一周、震后恢复的固体潮进行对比观察，发现：延寿地震台在无震正常状态下固体潮形态规则饱满，且大小潮期间清晰可辨；发震前一个月和发震前一周的固体潮曲线，畸变明显，越靠近发震时间越清晰可见（图8），而发震之后，固体潮形态逐渐恢复正常。

图7 乾安地震前倾斜扰动异常(a)2013年10月14日—15日；(b)2013年10月20日—31日；(c)2013年11月1日—10日；(d)2013年11月11日—23日Fig.7 The abnormal of the tilt disturbance before Qian′an earthquake

图8 乾安地震前固体潮正常值与异常值对比(a)无异常前(2012年1月8日—12日)；(b)发震前一个月(2013年10月4日—8日)；(c)发震前一周（2013年10月22日—26日）；(d)发震后(2014年6月1日—5日)Fig.8 Comparison of the tidal normal and abnormal value before Qian′an earthquake

4 讨论

（1）本文基于地震孕育发生的两大条件以及地形变4个阶段的理论，运用延寿台倾斜数据，验证地震前地壳岩石弹性变化，表明延寿台倾斜数据能够有效记录到连续缓变的、来自地球内部的地形变信息。

（2）运用整点值数据进行固体潮调和分析，分析M2波潮汐因子及其相位滞后因子在地震前后的变化过程，发现低值异常明显，方法可行。综合来讲，倾斜固体潮两日调和分析是研究固体潮汐异常与中强地震关系的一种有效方法。

（3）地震前兆孕育过程是复杂的非弹性过程，尤其是震前微破裂的发育，使地壳岩石应力发生调整，形成地面倾斜，引发倾斜数据异常变化（刘鸿斌，2013）。而从短期预测角度来看，不是每一次倾斜突变后都伴随地震。由于潮汐观测受区域构造背景的差异性、地震孕育过程复杂性以及岩石介质各向异性等的影响，统计倾斜前兆异常与震级的对应关系需要积累大量震例资料和经验（牛安福，2003）。

（4）科学研究需要互相可比的观测数据。加大现有地震台网密度，优化地震台网布局是目前急需解决的问题。同一地点的不同类型、不同工作周期或不同阻尼常数的地倾斜观测仪器，频率响应稍有不同，获得的地震前兆信息也会有所不同。由此建议：同一台站增设不同型号倾斜仪配套观测，或者同一台站在不同井口增设相同设备并行观测，满足观测可比性和一致性要求。

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