河津4.8級地震前山西臨汾臺傾斜前驅波特征分析

摘要：采用臨汾臺SSQ-2I型石英擺和VP型寬帶垂直擺傾斜儀觀測資料，運用原始形態曲線方法，對2010年1月24日山西河津4.8級地震前觀測曲線進行分析。結果表明：在震前兩種觀測手段都記錄到明顯的前驅波，其形態特征與巖石力學中的粘滑事件非常相似，應是此次地震前顯著的短臨異常信息，同時給出了產生慢粘滑現象的機理解釋。

關鍵詞：河津4.8級地震；傾斜儀；前驅波；慢粘滑；短臨異常

中圖分類號：P315.3

文獻標識碼：A

文章編號：1000-0666（2013）02-0160-05

0 引言

20世紀70年代，金森博雄報道了1960年5月22日智利8.3級地震前15min，在相距上萬千米的帕薩迪納地震臺的長周期地震儀記錄中發現300～600s的長周期波，他將其稱之為“前驅波”，也有人稱之為“前兆波”、“異常脈動”、“蠕動波”、“形變波”、“應力波”、“靜地震”等（高金哲等，2005）；近10年來有關前驅波的研究越來越多，涉及到的前兆觀測手段主要有定點形變（傾斜、應變）、地下水位、重力、地震脈動等，但所報道的地震事件大多以上千千米的遠震為主（李冬梅等，2002；張淑亮，范雪芳，2003；陳德福，2006；尹亮等，2010；2011；陳雙貴等，2011），主要反映的是“遠場兆效應”，相對來說，與近震有關的前驅波研究報道比較少。

本文對2010年1月24日山西河津4.8級地震前臨汾臺傾斜資料分析，發現SSQ-2I型石英擺和VP型寬帶垂直擺在震前1～3個月出現顯著的擾動現象，其形態特征不同于該手段以往記錄到的遠強震前驅波圖像，而是與巖石力學中的粘滑事件非常相似，同時對其成因機理及震源過程進行了分析討論。

1 概況

臨汾地震臺地處臨汾盆地西緣，構造上位于臨汾凹陷內的龍祠沉降中心，其中心緊靠控制盆地西緣的羅云山山前斷裂，斷裂從臨汾臺附近通過。臨汾臺的西面為斷層下盤，其巖性以奧陶系中統灰巖為主，其東面是斷層的上盤，上覆蓋第四系上更新黃土，臺站的地勢表現為自西向東傾斜，東部為晚更新世和全新世河流相堆積廣泛分布，溝谷切割輕微。形變觀測山洞位于臨汾臺西面的山梁上，山體為奧陶系中統馬家溝組灰巖，巖石質地單一，巖層以中厚層為主，距洞室約150m處羅云山斷裂從山前通過，該斷層為N40°E走向、傾向SE的正斷層。山洞建造于1978年，洞體覆蓋厚度為32～40m，洞內年溫差小于0.3℃，擺體儀器墩是鑿山洞時所建，墩體穩定性非常好，觀測條件符合洞體形變規范要求。

SSQ-2I型石英擺傾斜儀（以下簡稱石英擺）是“十五”項目新增儀器，安裝于2005年，自2008年起進入正式運行，運行以來儀器工作狀況穩定；VP型寬帶垂直擺傾斜儀（以下簡稱寬帶擺）是武漢地震儀器研究院研制的新型儀器，由于電路設計使用了新技術，使得該儀器測量頻帶寬度為DC～0.5Hz，比同類儀器大20倍，同時記錄地震的幅度也比同類儀器大10～20倍（馬武剛等，2010），寬帶擺于2008年8月底安裝，2套傾斜儀分別安裝在觀測山洞內2個不同的洞室中。

2 前驅波典型特征分析

2.1遠震前驅波特征

2008至2009年3月，全球共發生M≥7.0地震24次，其中12次地震前石英擺都記錄到前驅波現象，這在同類型儀器或其它觀測手段中是少見的，波形圖以“階躍、連續脈沖狀突跳、脈動加粗”等畸變形態為主，出現時間一般在大震前數小時至7天左右（高振強等，2009）。圖1列出了2008年臨汾臺記錄到的3次7級以上地震的SN分量遠震前驅波特征圖。在2008年5月12日汶川8.0級地震前兩天，石英擺SN曲線連續出現數次幅度約1ms的階躍形態，震前1天即5月11日階躍現象消失，但曲線脈動出現顯著增粗且伴有“毛刺”現象（圖1c）。

2.2河津地震前驅波特征分析

自2009年3月28日原平4.2級地震以來，汾渭地震帶（也有學者稱為山西地震帶）又連續發生2009年11月5日陜西高陵4.4級、2010年1月24日河津4.8級、4月4日大同4.5級、6月5日太原陽曲4.6級等地震，其中陜西高陵、河津位于汾渭地震帶的南部地區，分別距臨汾臺265km和89km。

石英擺SN分量在2009年10月9日開始記錄到連續性的脈動加粗、毛刺等異常信號擾動現象，在11～13日這種擾動演變為幕式階躍、錯動及幕式尖脈沖事件，且每一幕的擾動時間并不完全相同，擾動事件過程為幾分鐘至幾十分鐘不等（圖2），該類型異常信號與以前記錄的遠震前驅波階變、連續性脈動變粗、突跳等形態完全不同，而是與脆性巖石力學實驗中的粘滑信號（伴隨聲發射）變化特征非常類似（馬勝利等，2008）（圖3），故稱其為間歇性的幕式慢粘滑事件，這與圖1中遠震前驅波的形態有很大差異。

2009年10月14日以后石英擺SN分量固體潮曲線由以往背景光滑的形態變為脈動變粗、毛刺增多等畸變現象，11月5日在陜西高陵發生了4.4級地震（震中距265km），地震后畸變現象依然存在（圖4）；1個月后即2010年1月曲線畸變現象更加突出，主要表現為1月7日以后脈動變粗、毛刺增多等擾動現象愈發明顯，11日曲線又出現快速北傾變化，至13日北傾幅度約150ms，14日以后轉為緩慢南傾變化，期間在9～15日伴有明顯的向下脈沖突跳變化，19日始南傾速率加快，固體潮形態消失，24日發生河津4.8級地震（圖5），同震階變幅度很小，地震后曲線恢復正常（固體潮形態光滑、清晰）。因此，上述的慢粘滑及脈動變粗、毛刺增多等前驅波擾動應是河津地震的短臨異常信號。

寬帶擺SN分量在河津地震前后也出現了類似圖2中粘滑形態的變化圖像，具體過程是自2009年12月21日開始連續出現幕式錯動及幕式尖脈沖事件，錯動方向為北向（向上），錯動階躍幅度最大為25ms，24日記錄到河津地震波，且產生北向同震階變，幅度達84ms，每日錯動3～7次，4.8級地震后錯位現象持續了7天左右消失（圖6），2010年2月初曲線恢復正常，與石英擺出現的粘滑形態相比（圖3），寬帶擺的粘滑特征更加明顯，持續時間更長（持續約50天），這可能與兩儀器不同的工作周期、頻帶響應等參數有關。

考慮到寬頻帶傾斜儀“寬頻”（DC～0.5Hz）以及高采樣率（秒）的優勢，筆者又對粘滑事件每日的秒數據進行了詳細分析，經過逐日排查，發現在河津4.8級地震前1h，光滑的曲線出現了幅度約1ms、周期為1min的南向（向下）脈沖狀變化（圖7），3min后再次出現幅度為1ms的南向（向下）變化，而臨汾臺的水平擺、垂直擺及侯馬臺水管傾斜觀測等在同時段均未有此類似形態的圖像，這也許是寬帶擺“發現的”臨震異常信號（圖7）。

2010年1月河津地震后，汾渭帶中北部于4月、6月分別發生了大同陽高4.5級及陽曲4.6級地震，前者震中距臨汾臺490km，可能是距離較遠的原因，臨汾臺兩傾斜儀并未記錄到明顯異常，而在陽曲地震前則均記到了小幅度的階躍、脈動增粗等畸變現象（高振強等，2010），但這些異常形態均不是圖2、圖6中的慢粘滑圖像特征。

筆者對近幾年石英擺記錄曲線統計，發現只要該測項出現階躍擾動（突跳）、脈動增粗等前驅波圖像之后，往往可能有7級左右的遠大地震事件發生，但并不是每次大震前都有前驅波現象。根據臺站制定的異常落實方案，每當異常出現后觀測人員都認真進行觀測場地環境實地調查、及時查看儀器工作狀態、核對儀器各項工作參數的正確性等檢查措施，必要時對儀器進行標定，當排除儀器自身及觀測環境等可能的干擾因素后，可認定為地震前驅波現象。

3 幕式錯動的機理解釋

幕式慢粘滑和脈動變粗、毛刺突跳等現象均屬于前驅波現象。脆性巖石力學實驗結果證實，伴隨聲發射的幕式粘滑事件實際上是巖石宏觀大破裂前的微破裂，多個幕式發生的微破裂叢集成核最終導致巖石的宏觀快速破裂。王賢仁和盧艷清（2002）曾根據云南地傾斜觀測資料推測認為，震前一段時間的幕式階變錯動事件很可能就是巖石的微破裂及粘滑現象，是大震前有效的前兆，但從圖2、6所示的錯動事件來看，其并不具粘滑事件快速破裂（持續時間很短）的特征，并不完全支持幕式慢粘滑事件全部來自斷層脆性段微破裂粘滑的成因機理；曾融生（2005）根據對地殼和上地幔的分層結構，提出地殼脆性層應力分布與地震斷層存在應力的相互作用，但許多現象說明塑性層可能是地震發生的策源地，由此，上述錯動的慢粘滑事件可能部分來自脆性層、部分來自塑性層，兩者圍繞剛性的地震硬核（孕震體）分布，并最終導致地震核（孕震體）的脆性破裂發震。而脈動變粗、毛刺突跳等擾動形成的機理可能是時間上密集發生的幕式慢粘滑事件相互疊加，形成準連續性的擾動信號。

孕震體破裂前，大量介質破裂及裂隙間粘滑產生的應力降使震源區內應變場進行調整應力降以應力波的形式向四周傳遞，位于河津震中北部的臨汾臺兩套傾斜儀以階躍、突跳等形式記錄到了粘滑、錯動后的變形階段，而且均是在SN分量上記到的，說明擾動具有明顯的方向性特征；河津4.8級主震后寬帶擺幕式粘滑現象并未立即消失，說明孕震體破裂并不能完全釋放所有能量，仍有一部分是以多種形式緩慢釋放的（如慢地震），因此，地震后依舊會出現粘滑、擾動現象。

4 結論與討論

（1）河津地震前臨汾臺石英擺和寬帶擺記錄到了典型的幕式慢粘滑事件（錯動、連續階躍），完全不同于遠震的前驅波形態，而是與脆性巖石力學實驗中的粘滑信號（伴隨聲發射）變化特征非常類似；其中石英擺還伴有突跳、脈動變粗、毛刺增多等連續性的擾動變化。

（2）慢粘滑及其擾動事件在儀器記錄上具有明確的方向性，這對判定未來震中位置有積極的參考價值。

（3）由于儀器工作周期、動態范圍、頻帶響應等參數的不同，造成兩儀器記錄前驅波擾動出現的時間段、形態特征等存在明顯差異。

（4）建議在同一觀測站（點）建立高靈敏度、高采樣率、寬頻帶，或在不同頻段上布設多種的同類型定點傾斜形變儀器，組成具有寬頻帶或低、中、高頻段的全面觀測系統，這對于捕捉近震的短臨異常有實效意義。