汶川地震前泰安臺擺式傾斜儀異常現象分析*

盧雙苓 王 強 林秀娜 于慶民 郝軍麗 鐘普浴 張 明

(1)泰安基準地震臺，泰安 271000 2)長清地震臺，濟南 250300

3)山東省地震局，濟南250014)

汶川地震前泰安臺擺式傾斜儀異常現象分析*

盧雙苓1)王 強1)林秀娜1)于慶民1)郝軍麗2)鐘普浴3)張 明1)

(1)泰安基準地震臺，泰安 271000 2)長清地震臺，濟南 250300

3)山東省地震局，濟南250014)

對泰安臺水平擺和垂直擺傾斜儀長期觀測資料進行了分析，通過對M2波潮汐因子變化和矢量圖進動軌跡的分析發現，汶川地震前存在異常現象。

泰安地震臺;水平擺;垂直擺;潮汐因子;矢量圖異常

1 引言

地傾斜觀測的連續記錄中包含了大量與局部地殼介質特性有關的信息［1-4］。本文將利用潮汐分析方法，計算泰安臺SSQ-2水平擺傾斜儀(2001—2010年)和VS垂直擺傾斜儀(2004—2010年)的長序列觀測資料，研究該區域傾斜潮汐因子γ值的時間分布特征，探索傾斜潮汐因子γ值的變化與強震活動的關系。

許多文獻報道過汶川8.0級地震前的形變異常現象［5-8］，我們的分析也發現泰安臺形變儀器在汶川地震前后存在著一定的異常現象，異常表現為VS垂直擺和SSQ-2水平擺的矢量圖出現異常打結、轉彎、加速等。

泰安臺位于泰山南麓，臺基為太古代花崗片麻巖，巖體完整致密均勻，為全國一類形變臺。儀器主洞室進深約76 m，覆蓋層最大厚度約29 m，室溫年變幅小于0.5℃。

2008年前后，泰安臺形變儀器有SS-Y伸縮儀、DSQ水管傾斜儀、SSQ-2水平擺傾斜儀、VS垂直擺傾斜儀，均為“九五”數字化儀器，1998—1999年開始運行，分鐘值采樣。

PET潮汐重力儀、水管儀、伸縮儀和TJ-II體積式應變儀存在故障或其他原因，無法做長期分析。故本文僅對水平擺和垂直擺觀測資料進行分析。

2 擺式傾斜儀資料的潮汐分析

2.1 潮汐分析方法

傾斜或應變固體潮觀測值可由分波公式表示為［5，9］：

其中，Hi為某一潮汐分波的振幅，ωi為該潮汐分波的角頻率，φi為該潮汐分波的初相，Φ(t)為 t時刻的零點漂移。將上式按三角公式展開，并令：

由式(2)可得：

則有：

通過理論分波固體潮公式，可以求得同一潮汐分波的理論振幅H'和初相，按

求潮汐因子和相位滯后。

2.2 資料預處理

泰安臺SSQ-2數字水平擺2001—2010年和VS垂直擺2004—2010年整時值數據曲線見圖1。

從圖1中可以看出，水平擺2003、2004、2006和2007年的干擾經查證均為人為因素所致;垂直擺2004、2005、2006和2007年的干擾與儀器故障有關。

為保證潮汐分析結果的可信度，先對資料進行預處理，剔除受干擾顯著的資料，對原始觀測數據中超過2倍方差的突跳及臺階進行預處理后，再用調和分析方法進行潮汐分析，得到M2波的潮汐因子和相位滯后。以M2波的γ值作為實用指標，以平靜期本底誤差的兩倍作為區別異常的警戒值，若γ值出現系統的偏離并達到誤差警戒值，即作為異常的開始，相應進入中期異常階段。由于每一個γ值都表征當介質狀態在該時段內的一個平均量，因此較適用于中、短期異常的差別。將結果以時序圖的形式繪制，以超出2倍方差及出現異常波動作為依據。結果發現傾斜M2波潮汐因子出現了一定的異常現象(圖2～6)。

同時為了研究M2波潮汐因子變化與地震的關系，選取以泰安臺為圓心，1 500 km為半徑，震級7級以上的地震進行分析，符合要求的地震有5個(表1)。

前人的研究表明，強震前引起的γ因子異常可能為下降型負異常［4］。從圖2分析，SSQ-2水平擺EW分量的長期潮汐因子變化可分為兩個階段。

圖1 水平擺和垂直擺長期變化原始曲線Fig.1 Long-term variation of original data of horizontal pendulum tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter

圖2 SSQ-2水平擺2001—2010年EW分量變化Fig.2 EW component curve of the SSQ-2 horizontal pendulum from 2001 to 2010

表1 地震參數Tab.1 Earthquake parameters

第一階段，2001—2002年，潮汐因子超過正的2倍方差限，經排查，2001年11月10日—2001年12月8日期間未有任何調試儀器或者干擾，此后2001年12月18日日本7.5級地震，2002年3月31日臺灣以東7.5級地震，地震發生在潮汐因子開始下降的時刻。

第二階段為2002年底—2010年，潮汐因子下降至平均值附近，在略低于平均值區域波動。2003年底發生潮汐因子下降異常是因為改造山洞，數據受到嚴重干擾所致;2004年10月14日—2004年11月23日期間出現了負向超過2倍方差限，但在2004年10月7—13日期間故障檢修、調零、漂移出格，不能確認為異常。

2005-01-01—02-01日期間出現2倍方差的負異常，未有任何干擾和調修，視為日本7.0級地震前的異常。

2007-07-10—08-10日出現下降型負異常，并超過2倍方差限。此后于2008年1月底，又出現較明顯的負異常，接近2倍方差限，之后發生汶川Ms8.0地震。

汶川地震后14個月的時間內，M2波潮汐變化平靜，直到2010-01-30—03-02日再次出現超過負2倍方差限的異常現象，2010年4月14日發生玉樹地震，雖然玉樹地震震中距超過了1 500 km，但此期間儀器工作狀態良好，且沒有發生干擾事件，因此初步視為玉樹地震前的異常。

根據以上分析，汶川8.0級地震前，2007年7月M2波潮汐因子異常變化，提前10個月出現負異常;第二次較明顯的異常為出現于2008年1月的負異常，則是提前4個月(圖2)。

水平擺NS分量的M2波潮汐因子變化如圖3所示。2002-03-20—10-30日，潮汐因子變化非常大，遠超過2倍方差限，經查，此期間存在干擾，不能認定為異常。

2004—2010年的M2波潮汐因子變化如圖4。2006年、2007年的異常變化，為更換吸潮劑所致，所以可以排除為地震異常。

2007年10月23日，潮汐因子出現較明顯的下降型變化，達到2倍方差限后又出現急劇的上升變化，該變化認為是汶川地震形成的異常，異常出現時間較汶川地震提前7個月。

因為垂直擺EW分量2005年更換了擺體，資料中斷，故前后兩部分數據的潮汐因子變化較大，沒有可比性，因此，只選取2006—2010年的日均值資料進行了潮汐因子M2波分析(圖5)。

圖3 2001—2010年SSQ-2水平擺NS分量變化Fig.3 NS component curve of the SSQ-2 horizontal pendulum from 2001 to 2010

圖4 2004—2010年SSQ-2水平擺NS分量變化Fig.4 NS component curve of the SSQ-2 horizontal pendulum from 2004 to 2010

圖5 2006—2010年VS垂直擺EW分量變化Fig.5 EW component curve of VS vertical pendulum from 2006 to 2010

為了排除干擾的影響，查找了2004—2010年的所有日志，發現更換儀器造成的影響較大，如2006年8月11日為重新打磨EW向底腳螺旋的底座，2006-03-28、2006-08-11、2007-02-05、2007-06-04共4次加吸潮劑對垂直擺原始數據有一定的影響。由圖5可以看出，加吸潮劑對潮汐因子也產生了一定影響，但可以根據日志判斷排除，如2007年的兩次，剛剛超過一倍方差限。2006年的兩次吸潮劑與調試儀器的干擾疊加在一起，無法區分。

根據圖5，2006—2010年之間1 500 km范圍內超過7.0級地震只有汶川8.0級地震。震前潮汐因子M2波出現了一定的異常現象，2007-03-21—05-01日超過二倍方差限，此段時間未有發現干擾的影響。此段時間整時值數據也未見干擾現象，詳細查閱當時的日志等未有干擾記載。因此認為是汶川地震異常的開始。此后直至2007-09-19—10-17日，向上變化超過一倍方差限。此后潮汐因子急劇下降，出現第二次下降型負異常(2008-02-03—03-27日)。在下降后反升的過程中發生汶川8.0級地震。異常出現時間為震前12個月到震前3個月。

垂直擺NS分量2006—2010年潮汐因子M2波如圖6所示。2006-08-12—31日超過2倍方差限的異常為人工活動所致，非地震異常。2007-12-08—26日超過負的2倍方差限，未有任何干擾，原始數據正常平穩，此后由低值急速上升到2008年3月27日后，潮汐因子不再下降，而是在高值區(1.5倍方差限)波動，此時距離發震時刻不到2個月。因此認為垂直擺NS分量第一次異常開始時間為2007年12月8日，距發震時刻5個月;第二次異常時間為震前45天。

圖6 擺式儀傾斜M2波潮汐因子變化Fig.6 Variation of M2 wave tide factor of pendulum tiltmeter

綜上所述，在汶川8.0級地震前，泰安臺擺式傾斜儀M2波潮汐因子出現了一定程度的異常現象，出現時間約在震前5～12個月，兩個擺的M2波潮汐因子變化出現異常的時間不太一致。

4 擺式儀矢量圖軌跡分析

4.1 VS垂直擺矢量圖異常

VS垂直擺2006—2010年的整時值矢量圖如圖7所示。

從圖7可以看出來，VS垂直擺每年的傾斜矢量正常變化軌跡是先向東南傾斜，年中低值后平穩向東，之后緩慢向東北方向傾斜。如2009、2010、2006年等基本上屬于正常形態。

圖7 VS垂直擺矢量圖Fig.7 Vectorgraph of VS vertical pendulum tiltmeter

從圖7(a)來看，2006-08—2008-01月，矢量圖出現明顯打結和速率變化。2008年1月后結解開，向東偏南方向變化，之后汶川地震發生，此后矢量圖的年變趨勢又基本上正常，向東南方向傾斜。

從圖7(b)可知，2007年的矢量變化非常急，傾斜速度明顯加快。1—5月向東南方向傾斜，5月開始打結，返回向西北，與此前一段幾乎重合，一直到7月才恢復正常。這一異常變化我們認為屬于汶川8.0級地震的中期異常，即震前17個月出現了傾斜矢量的異常。

4.2 水平擺矢量圖

SSQ-2水平擺2001—2010年的矢量變化如圖8所示。

水平擺傾斜矢量正常年份整體西傾，緩慢變化。2006-10—2007-03月是先西南再西北反復運行。2007-06—2008-05月，出現打結、變向，運動軌跡為一橢圓，先西北，再東南。汶川地震后再次恢復向西北方向運動。

2006年擠成一團，無法清晰地看到變化軌跡。

從圖8(d)可以看出，2007年3—6月，水平擺矢量圖開始打結，2007年6月—10月向西北傾斜，2007年10月后，改為向東南傾斜，形成一個閉合橢圓，2009年恢復正常。由此可得異常開始時間為2007年3月，2007年10月屬異常加劇時段。異常先于汶川地震14個月出現。

圖8 SSQ-2水平擺矢量圖Fig.8 Vectorgraph of SSQ-2 horizontal pendulum tiltmeter

5 小結

1)泰安臺擺式傾斜觀測M2波潮汐因子在汶川8.0級地震以前出現了一定程度的異常變化，水平擺和垂直擺傾斜潮汐因子基本上從2007年7月—2008年4月開始出現異常變化。異常出現在震前7～11個月。

2)泰安臺VS垂直擺、SSQ-2水平擺傾斜儀，也觀測到了異常，異常包括打結、變速和轉折等幾種現象，異常出現時間從2006年8月開始，比汶川地震早14～17個月。

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9 中國地震局監測預報司.地殼形變數字觀測技術［M］.北京：地震出版社，2003.

ANALYSIS OF ANOMALIES ABOUT PENDULUM TILTMETER AT TAIAN SEISMOSTATION BEFORE WENCHUAN EARTHQUAKE

Lu Shuangling1)，Wang Qiang1)，Lin Xiuna1)，Yu Qingmin1)，Hao Junli2)，Zhong Puy3)and Zhang Ming1)

(1)Taian Seismostation，Taian 271000 2)Changqing Seismostation，Jinan 250300 3)Earthquake Administration of Shandong Province，Jinan250014)

The long-term data observed with horizontal pendulum tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter in Taian station were analysed.A certain abnormal precursor abnormal phenomenon before Wenchuan Earthquake is discovered by the analysis of M2 wave tide factor variation and the precessional trace of the vector graph of the tiltmeter.

Taian seismostation;horizontal pendulum;vertical pendulum;tide factor;vectorgraph abnormity

1671-5942(2011)Supp.-0019-05

2011-03-19

中國地震局“三結合”課題(SD2010SJH02)

盧雙苓，女，1973年生，工程師，主要從事形變觀測與分析預報.E-mail：liuru-si@tom.com

P315.72+6

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