河津4.8級(jí)地震前山西臨汾臺(tái)傾斜前驅(qū)波特征分析

摘要：采用臨汾臺(tái)SSQ-2I型石英擺和VP型寬帶垂直擺傾斜儀觀測(cè)資料，運(yùn)用原始形態(tài)曲線方法，對(duì)2010年1月24日山西河津4.8級(jí)地震前觀測(cè)曲線進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在震前兩種觀測(cè)手段都記錄到明顯的前驅(qū)波，其形態(tài)特征與巖石力學(xué)中的粘滑事件非常相似，應(yīng)是此次地震前顯著的短臨異常信息，同時(shí)給出了產(chǎn)生慢粘滑現(xiàn)象的機(jī)理解釋。

關(guān)鍵詞：河津4.8級(jí)地震；傾斜儀；前驅(qū)波；慢粘滑；短臨異常

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-0666（2013）02-0160-05

0 引言

20世紀(jì)70年代，金森博雄報(bào)道了1960年5月22日智利8.3級(jí)地震前15min，在相距上萬(wàn)千米的帕薩迪納地震臺(tái)的長(zhǎng)周期地震儀記錄中發(fā)現(xiàn)300～600s的長(zhǎng)周期波，他將其稱(chēng)之為“前驅(qū)波”，也有人稱(chēng)之為“前兆波”、“異常脈動(dòng)”、“蠕動(dòng)波”、“形變波”、“應(yīng)力波”、“靜地震”等（高金哲等，2005）；近10年來(lái)有關(guān)前驅(qū)波的研究越來(lái)越多，涉及到的前兆觀測(cè)手段主要有定點(diǎn)形變（傾斜、應(yīng)變）、地下水位、重力、地震脈動(dòng)等，但所報(bào)道的地震事件大多以上千千米的遠(yuǎn)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(yuǎn)場(chǎng)兆效應(yīng)”，相對(duì)來(lái)說(shuō)，與近震有關(guān)的前驅(qū)波研究報(bào)道比較少。

本文對(duì)2010年1月24日山西河津4.8級(jí)地震前臨汾臺(tái)傾斜資料分析，發(fā)現(xiàn)SSQ-2I型石英擺和VP型寬帶垂直擺在震前1～3個(gè)月出現(xiàn)顯著的擾動(dòng)現(xiàn)象，其形態(tài)特征不同于該手段以往記錄到的遠(yuǎn)強(qiáng)震前驅(qū)波圖像，而是與巖石力學(xué)中的粘滑事件非常相似，同時(shí)對(duì)其成因機(jī)理及震源過(guò)程進(jìn)行了分析討論。

1 概況

臨汾地震臺(tái)地處臨汾盆地西緣，構(gòu)造上位于臨汾凹陷內(nèi)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(tái)附近通過(guò)。臨汾臺(tái)的西面為斷層下盤(pán)，其巖性以?shī)W陶系中統(tǒng)灰?guī)r為主，其東面是斷層的上盤(pán)，上覆蓋第四系上更新黃土，臺(tái)站的地勢(shì)表現(xiàn)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(cè)山洞位于臨汾臺(tái)西面的山梁上，山體為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r，巖石質(zhì)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(guò)，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(nèi)年溫差小于0.3℃，擺體儀器墩是鑿山洞時(shí)所建，墩體穩(wěn)定性非常好，觀測(cè)條件符合洞體形變規(guī)范要求。

SSQ-2I型石英擺傾斜儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)石英擺）是“十五”項(xiàng)目新增儀器，安裝于2005年，自2008年起進(jìn)入正式運(yùn)行，運(yùn)行以來(lái)儀器工作狀況穩(wěn)定；VP型寬帶垂直擺傾斜儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(shè)計(jì)使用了新技術(shù)，使得該儀器測(cè)量頻帶寬度為DC～0.5Hz，比同類(lèi)儀器大20倍，同時(shí)記錄地震的幅度也比同類(lèi)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(cè)山洞內(nèi)2個(gè)不同的洞室中。

2 前驅(qū)波典型特征分析

2.1遠(yuǎn)震前驅(qū)波特征

2008至2009年3月，全球共發(fā)生M≥7.0地震24次，其中12次地震前石英擺都記錄到前驅(qū)波現(xiàn)象，這在同類(lèi)型儀器或其它觀測(cè)手段中是少見(jiàn)的，波形圖以“階躍、連續(xù)脈沖狀突跳、脈動(dòng)加粗”等畸變形態(tài)為主，出現(xiàn)時(shí)間一般在大震前數(shù)小時(shí)至7天左右（高振強(qiáng)等，2009）。圖1列出了2008年臨汾臺(tái)記錄到的3次7級(jí)以上地震的SN分量遠(yuǎn)震前驅(qū)波特征圖。在2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震前兩天，石英擺SN曲線連續(xù)出現(xiàn)數(shù)次幅度約1ms的階躍形態(tài)，震前1天即5月11日階躍現(xiàn)象消失，但曲線脈動(dòng)出現(xiàn)顯著增粗且伴有“毛刺”現(xiàn)象（圖1c）。

2.2河津地震前驅(qū)波特征分析

自2009年3月28日原平4.2級(jí)地震以來(lái)，汾渭地震帶（也有學(xué)者稱(chēng)為山西地震帶）又連續(xù)發(fā)生2009年11月5日陜西高陵4.4級(jí)、2010年1月24日河津4.8級(jí)、4月4日大同4.5級(jí)、6月5日太原陽(yáng)曲4.6級(jí)等地震，其中陜西高陵、河津位于汾渭地震帶的南部地區(qū)，分別距臨汾臺(tái)265km和89km。

石英擺SN分量在2009年10月9日開(kāi)始記錄到連續(xù)性的脈動(dòng)加粗、毛刺等異常信號(hào)擾動(dòng)現(xiàn)象，在11～13日這種擾動(dòng)演變?yōu)槟皇诫A躍、錯(cuò)動(dòng)及幕式尖脈沖事件，且每一幕的擾動(dòng)時(shí)間并不完全相同，擾動(dòng)事件過(guò)程為幾分鐘至幾十分鐘不等（圖2），該類(lèi)型異常信號(hào)與以前記錄的遠(yuǎn)震前驅(qū)波階變、連續(xù)性脈動(dòng)變粗、突跳等形態(tài)完全不同，而是與脆性巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的粘滑信號(hào)（伴隨聲發(fā)射）變化特征非常類(lèi)似（馬勝利等，2008）（圖3），故稱(chēng)其為間歇性的幕式慢粘滑事件，這與圖1中遠(yuǎn)震前驅(qū)波的形態(tài)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(tài)變?yōu)槊}動(dòng)變粗、毛刺增多等畸變現(xiàn)象，11月5日在陜西高陵發(fā)生了4.4級(jí)地震（震中距265km），地震后畸變現(xiàn)象依然存在（圖4）；1個(gè)月后即2010年1月曲線畸變現(xiàn)象更加突出，主要表現(xiàn)為1月7日以后脈動(dòng)變粗、毛刺增多等擾動(dòng)現(xiàn)象愈發(fā)明顯，11日曲線又出現(xiàn)快速北傾變化，至13日北傾幅度約150ms，14日以后轉(zhuǎn)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(tài)消失，24日發(fā)生河津4.8級(jí)地震（圖5），同震階變幅度很小，地震后曲線恢復(fù)正常（固體潮形態(tài)光滑、清晰）。因此，上述的慢粘滑及脈動(dòng)變粗、毛刺增多等前驅(qū)波擾動(dòng)應(yīng)是河津地震的短臨異常信號(hào)。

寬帶擺SN分量在河津地震前后也出現(xiàn)了類(lèi)似圖2中粘滑形態(tài)的變化圖像，具體過(guò)程是自2009年12月21日開(kāi)始連續(xù)出現(xiàn)幕式錯(cuò)動(dòng)及幕式尖脈沖事件，錯(cuò)動(dòng)方向?yàn)楸毕颍ㄏ蛏希e(cuò)動(dòng)階躍幅度最大為25ms，24日記錄到河津地震波，且產(chǎn)生北向同震階變，幅度達(dá)84ms，每日錯(cuò)動(dòng)3～7次，4.8級(jí)地震后錯(cuò)位現(xiàn)象持續(xù)了7天左右消失（圖6），2010年2月初曲線恢復(fù)正常，與石英擺出現(xiàn)的粘滑形態(tài)相比（圖3），寬帶擺的粘滑特征更加明顯，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)（持續(xù)約50天），這可能與兩儀器不同的工作周期、頻帶響應(yīng)等參數(shù)有關(guān)。

考慮到寬頻帶傾斜儀“寬頻”（DC～0.5Hz）以及高采樣率（秒）的優(yōu)勢(shì)，筆者又對(duì)粘滑事件每日的秒數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，經(jīng)過(guò)逐日排查，發(fā)現(xiàn)在河津4.8級(jí)地震前1h，光滑的曲線出現(xiàn)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(xiàn)幅度為1ms的南向（向下）變化，而臨汾臺(tái)的水平擺、垂直擺及侯馬臺(tái)水管傾斜觀測(cè)等在同時(shí)段均未有此類(lèi)似形態(tài)的圖像，這也許是寬帶擺“發(fā)現(xiàn)的”臨震異常信號(hào)（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(fā)生了大同陽(yáng)高4.5級(jí)及陽(yáng)曲4.6級(jí)地震，前者震中距臨汾臺(tái)490km，可能是距離較遠(yuǎn)的原因，臨汾臺(tái)兩傾斜儀并未記錄到明顯異常，而在陽(yáng)曲地震前則均記到了小幅度的階躍、脈動(dòng)增粗等畸變現(xiàn)象（高振強(qiáng)等，2010），但這些異常形態(tài)均不是圖2、圖6中的慢粘滑圖像特征。

筆者對(duì)近幾年石英擺記錄曲線統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)只要該測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)階躍擾動(dòng)（突跳）、脈動(dòng)增粗等前驅(qū)波圖像之后，往往可能有7級(jí)左右的遠(yuǎn)大地震事件發(fā)生，但并不是每次大震前都有前驅(qū)波現(xiàn)象。根據(jù)臺(tái)站制定的異常落實(shí)方案，每當(dāng)異常出現(xiàn)后觀測(cè)人員都認(rèn)真進(jìn)行觀測(cè)場(chǎng)地環(huán)境實(shí)地調(diào)查、及時(shí)查看儀器工作狀態(tài)、核對(duì)儀器各項(xiàng)工作參數(shù)的正確性等檢查措施，必要時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，當(dāng)排除儀器自身及觀測(cè)環(huán)境等可能的干擾因素后，可認(rèn)定為地震前驅(qū)波現(xiàn)象。

3 幕式錯(cuò)動(dòng)的機(jī)理解釋

幕式慢粘滑和脈動(dòng)變粗、毛刺突跳等現(xiàn)象均屬于前驅(qū)波現(xiàn)象。脆性巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，伴隨聲發(fā)射的幕式粘滑事件實(shí)際上是巖石宏觀大破裂前的微破裂，多個(gè)幕式發(fā)生的微破裂叢集成核最終導(dǎo)致巖石的宏觀快速破裂。王賢仁和盧艷清（2002）曾根據(jù)云南地傾斜觀測(cè)資料推測(cè)認(rèn)為，震前一段時(shí)間的幕式階變錯(cuò)動(dòng)事件很可能就是巖石的微破裂及粘滑現(xiàn)象，是大震前有效的前兆，但從圖2、6所示的錯(cuò)動(dòng)事件來(lái)看，其并不具粘滑事件快速破裂（持續(xù)時(shí)間很短）的特征，并不完全支持幕式慢粘滑事件全部來(lái)自斷層脆性段微破裂粘滑的成因機(jī)理；曾融生（2005）根據(jù)對(duì)地殼和上地幔的分層結(jié)構(gòu)，提出地殼脆性層應(yīng)力分布與地震斷層存在應(yīng)力的相互作用，但許多現(xiàn)象說(shuō)明塑性層可能是地震發(fā)生的策源地，由此，上述錯(cuò)動(dòng)的慢粘滑事件可能部分來(lái)自脆性層、部分來(lái)自塑性層，兩者圍繞剛性的地震硬核（孕震體）分布，并最終導(dǎo)致地震核（孕震體）的脆性破裂發(fā)震。而脈動(dòng)變粗、毛刺突跳等擾動(dòng)形成的機(jī)理可能是時(shí)間上密集發(fā)生的幕式慢粘滑事件相互疊加，形成準(zhǔn)連續(xù)性的擾動(dòng)信號(hào)。

孕震體破裂前，大量介質(zhì)破裂及裂隙間粘滑產(chǎn)生的應(yīng)力降使震源區(qū)內(nèi)應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整應(yīng)力降以應(yīng)力波的形式向四周傳遞，位于河津震中北部的臨汾臺(tái)兩套傾斜儀以階躍、突跳等形式記錄到了粘滑、錯(cuò)動(dòng)后的變形階段，而且均是在SN分量上記到的，說(shuō)明擾動(dòng)具有明顯的方向性特征；河津4.8級(jí)主震后寬帶擺幕式粘滑現(xiàn)象并未立即消失，說(shuō)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(huì)出現(xiàn)粘滑、擾動(dòng)現(xiàn)象。

4 結(jié)論與討論

（1）河津地震前臨汾臺(tái)石英擺和寬帶擺記錄到了典型的幕式慢粘滑事件（錯(cuò)動(dòng)、連續(xù)階躍），完全不同于遠(yuǎn)震的前驅(qū)波形態(tài)，而是與脆性巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的粘滑信號(hào)（伴隨聲發(fā)射）變化特征非常類(lèi)似；其中石英擺還伴有突跳、脈動(dòng)變粗、毛刺增多等連續(xù)性的擾動(dòng)變化。

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

（3）由于儀器工作周期、動(dòng)態(tài)范圍、頻帶響應(yīng)等參數(shù)的不同，造成兩儀器記錄前驅(qū)波擾動(dòng)出現(xiàn)的時(shí)間段、形態(tài)特征等存在明顯差異。

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