永勝臺(tái)對(duì)汶川8.0級(jí)地震的傾斜響應(yīng)與異常分析*

楊玲英，張 歡，毛先進(jìn)，蘇有錦，楊正綱

(1.云南省地震局，云南昆明650224;2.上海地震局佘山地震臺(tái)，上海201203)

0 引言

地震最基本的物理成因是地殼應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)的不均勻分布及其變化 (趙洪聲等，2000)，從根本上說是可以監(jiān)測(cè)到這種變化的。汶川地震后，筆者研究了眾多的前兆觀測(cè)手段及觀測(cè)點(diǎn)中的異常。定點(diǎn)形變測(cè)量作為地震預(yù)報(bào)的一種監(jiān)測(cè)手段，在云南已經(jīng)開展了40多年，積累了豐富的觀測(cè)資料，在監(jiān)測(cè)地震孕育、發(fā)展、發(fā)生的過程中做出了巨大的貢獻(xiàn) (劉仲權(quán)，2001)。永勝地震臺(tái)距離汶川地震震中約580 km，是云南地區(qū)距離汶川地震最近、觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的定點(diǎn)水管傾斜觀測(cè)點(diǎn)。汶川地震前永勝水管傾斜北南向出現(xiàn)大幅度、長(zhǎng)趨勢(shì)的南傾異常，異常持續(xù)時(shí)間和幅度是該臺(tái)儀器自2002年1月以來從未出現(xiàn)過的;東西向出現(xiàn)快速西傾趨勢(shì)異常。經(jīng)過筆者的分析研究，認(rèn)為這是汶川地震的孕震效應(yīng)，該異常變化對(duì)應(yīng)的是汶川地震。

“十五”建設(shè)后，云南省內(nèi)的水管傾斜觀測(cè)點(diǎn)增多，研究永勝水管傾斜的異常，有利于提高對(duì)水管傾斜觀測(cè)異常數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)，有利于提高形變預(yù)測(cè)能力，對(duì)云南省內(nèi)及周邊大震震情跟蹤分析判定具有參考意義。

1 永勝臺(tái)水管傾斜觀測(cè)環(huán)境情況

根據(jù)多年氣象資料的分析，永勝縣境內(nèi)年平均氣溫13.9℃，氣溫升降不劇烈。氣壓變化不大，最高為789.5 hPa，最低為783.7 hPa(云南省地震局，2005)。永勝水管傾斜儀放置的觀測(cè)山洞長(zhǎng)209.5 m，覆蓋層均達(dá)30 m以上，儀器架設(shè)在三迭紀(jì) (T2)的厚層石英砂巖上，巖質(zhì)堅(jiān)硬致密。因此永勝水管傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)受溫度、氣壓、降雨等外界因素的干擾小。

儀器采用中國(guó)地震局武漢地震科學(xué)儀器研究院研制的FSQ型數(shù)字水管傾斜儀，該類型儀器具有基線長(zhǎng)、漂移小、精度高的特點(diǎn) (馬森林等，2001)。永勝臺(tái)數(shù)字化水管地傾斜儀自2002年1月開始記錄，儀器的基線長(zhǎng)度為:北南向42.35 m，東西向38.04 m;北南向格值η=0.492 0×10-3″/mV，東西向格值 η =0.523 9×10-3″/mV。儀器觀測(cè)環(huán)境好、數(shù)據(jù)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)內(nèi)精度高，連續(xù)可靠。自投入觀測(cè)至2008年5月12日汶川地震發(fā)生的6年多時(shí)間內(nèi)，在該觀測(cè)點(diǎn)周邊半徑100 km范圍內(nèi)沒有發(fā)生過5.0級(jí)以上地震。總的來說，永勝水管傾斜周圍環(huán)境干擾小、其他地震的前兆與震后效應(yīng)疊加少，背景清晰。

2 永勝水管傾斜正常和異常動(dòng)態(tài)變化

2.1 水管傾斜正常動(dòng)態(tài)

觀測(cè)結(jié)果表明，永勝數(shù)字化水管傾斜東西向、北南向均有清晰、明顯的年變化規(guī)律 (圖1)。東西向觀測(cè)值一般在每年的2～5月逐漸上升，到6月達(dá)到最高值，而后在7～9月以較快速度下降，到10月最低，年變形態(tài)呈現(xiàn)出比較規(guī)則的波動(dòng)形態(tài)。北南向觀測(cè)值一般在每年的1～3月逐漸下降，4月達(dá)到最低;而后在5～8月逐漸上升，9月達(dá)到最高 (偶爾有8月或10月時(shí))，然后10～12月下降，年變形態(tài)呈現(xiàn)出比較規(guī)則的季節(jié)性波動(dòng)形態(tài)。

圖1 2003～2008年永勝臺(tái)水管傾斜儀年變曲線Fig.1 Annual change curve of water-pipe tiltmeter at Yongsheng Station from 2003 to 2008

圖2 永勝水管傾斜北南向觀測(cè)曲線Fig.2 Observation curve of water-pipe tilt in NSat Yongsheng Station

圖3 永勝水管傾斜東西向觀測(cè)曲線Fig.3 Observation curve of water-pipe tilt in EW at Yongsheng Station

2.2 汶川8.0級(jí)地震前永勝水管傾斜異常

在汶川8.0級(jí)地震前，永勝水管傾斜主要表現(xiàn)為:北南向出現(xiàn)將近1年的大幅度趨勢(shì)下降異常，東西向自2007年7月起變化速率比以往快(圖 2a、圖 3a)。

北南向:變化最明顯從2007年9月初到2008年5月初，水管傾斜，變化量是583.6×10-3″，同期的2003～2006年，變化量分別是289.5×10-3″、313.1 ×10-3″、340.1、179 ×10-3″，汶川地震前的變化量是同期2003年的2.0倍、2004年的1.8倍、2005年的1.7倍、2006年的3.3倍。

東西向:從2007年12月初到2008年的5月初，水管傾斜變化最明顯，變化速率是213.4×10-3″/月，同期的2003～2006年，變化速率分別是 106.7 × 10-3″/月、134.4 × 10-3″/月、148.4 ×10-3″/月、60.3 ×10-3″/月。從圖 2、3 可以看出:(1)汶川地震當(dāng)天，永勝臺(tái)水管傾斜固體潮雙峰雙谷分鐘值曲線上疊加有汶川大震所激發(fā)的瞬態(tài)高頻同震響應(yīng);(2)永勝臺(tái)的水管傾斜觀測(cè)值在2007年7月以前，都有比較規(guī)則的年變形態(tài)，尤其東西向，但是2007年7月10日以后北南向、東西向的變化趨勢(shì)異于往年，呈現(xiàn)出趨勢(shì)性異常。北南向向南傾斜，幅度大、延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，打破了以往的年變形態(tài)。東西向變化速率高于前4年中的任何一年，曲線上有高頻成分疊加，使曲線看起來不光滑，有小結(jié)節(jié)。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看 (表1)，2005年永勝水管傾斜北南向、東西向的月平均變化量較高，在2005年8月5日發(fā)生了云南會(huì)澤5.3級(jí)地震，震中距213 km。2007年、2008年1～4月的月平均變化量達(dá)到歷史最高水平，但是在永勝臺(tái)周邊350 km范圍內(nèi)，沒有發(fā)生5.0級(jí)以上的地震。快速地傾斜變化具有一定的短期前兆指示意義，且與地震震級(jí)有一定的相關(guān)性，快速地傾斜變化往往具有較清晰的物理特征，如起止時(shí)間 (持續(xù)時(shí)間)、變化幅度及速度等物理特征具有可讀性。對(duì)每次中強(qiáng)地震前云南地區(qū)地傾斜觀測(cè)資料進(jìn)行掃描，可以捕捉到震前短期內(nèi)發(fā)生的一些快速變化圖像，并獲得相應(yīng)的物理特征。西南地區(qū)各測(cè)點(diǎn)地傾斜在震前快速變化的特征表明，永勝測(cè)點(diǎn)的變化最為靈敏 (牛安福，2004)。因此永勝臺(tái)水管傾斜的變化，應(yīng)該與汶川地震有關(guān)。

表1 2003年1月至2008年4月永勝水管傾斜月平均變化Tab.1 Monthly average changes of water-pipe tilt at Yongsheng Station from Jan.，2003 to Apr.，2008

3 永勝水管傾斜異常與汶川8.0級(jí)地震關(guān)系分析

3.1 永勝臺(tái)水管傾斜變化與氣溫、氣壓、降雨的關(guān)系

(1)2003年1月～2008年12月永勝地震臺(tái)氣溫月均值的變化如圖4a所示，從圖4a可以看出，在2007年7月至2008年5月汶川地震發(fā)生前的這段時(shí)間內(nèi)，該臺(tái)的氣溫與往年相比沒有明顯異常，表明汶川地震的孕育過程中永勝水管傾斜異常沒有受到氣溫的影響。

(2)2003年1月至2008年12月永勝地震臺(tái)氣壓月均值的變化如圖4b所示，從圖4b可以看出，在2007年7月至2008年5月汶川地震發(fā)生前的這段時(shí)間內(nèi)，該臺(tái)的氣壓與往年差別不大，表明汶川地震的孕育過程中永勝水管傾斜異常沒有受到氣壓的影響。

圖4 2003～2008年永勝臺(tái)氣溫 (a)、氣壓 (b)月均值曲線Fig.4 Monthly mean curves of air-temperature(a)and pressure(b)at Yongsheng Station from 2003 to 2008

(3)表2列出了2003年1月至2008年12月永勝地震臺(tái)記錄到的降雨年變化量，并統(tǒng)計(jì)了這段時(shí)間內(nèi)該臺(tái)的水管傾斜南北、東西分量的年變化量，經(jīng)過對(duì)比分析，認(rèn)為2007年永勝水管傾斜北南向的大幅度變化、東西向7月以后的快速變化受降雨影響不大。2005年的降雨量比2007年還多，但是2005年該臺(tái)的水管傾斜兩個(gè)分向的變化量都沒有2007年的大。

表2 2003～2008年永勝水管傾斜年變化量與降雨量統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistic of annual variations of water-pipe tilt and rainfall at Yongsheng Station from 2003 to 2008

2004年北南、東西向分量的變化量比2003年大，2004年12月26日在距離永勝臺(tái)225 km的雙柏發(fā)生了5.0級(jí)地震。2005年北南向的變化量比2004年大，2005年8月5日在距離永勝臺(tái)213 km的會(huì)澤發(fā)生了5.3級(jí)地震。2006年的1月至2007年12月，距永勝臺(tái)350 km范圍內(nèi)沒有發(fā)生過5.0級(jí)以上地震。2007～2008年永勝水管傾斜北南、東西分向的巨大變化量，無法解釋。

3.2 從地質(zhì)構(gòu)造方面分析永勝臺(tái)水管傾斜變化與汶川地震的關(guān)系

汶川地震發(fā)生在北東走向的龍門山斷裂上(張立等，2010)，永勝水管傾斜觀測(cè)點(diǎn)處于川滇交界的九龍—永勝地震帶上，麗江—小金河斷裂帶和賓川—程海斷裂帶之間，是跨越川滇兩省的多條斷裂的交匯處。麗江—小金河斷裂帶與龍門山斷裂帶同為北東向斷裂，同為第四紀(jì)活動(dòng)斷層，這兩條斷裂在地下的某一點(diǎn)是否貫通，是否同為一條斷裂?有待進(jìn)一步研究。

3.3 從監(jiān)測(cè)能力分析永勝臺(tái)水管傾斜變化與汶川地震的關(guān)系

吳翼麟 (1994)經(jīng)過系統(tǒng)清理總結(jié)，按現(xiàn)有臺(tái)站的實(shí)際觀測(cè)精度，形變監(jiān)測(cè)地震的能力半徑DJ可用下式估算:lg DJ=0.303(M+1.6)，據(jù)此，我國(guó)形變臺(tái)網(wǎng)當(dāng)前的布局，基本可以滿足東部監(jiān)測(cè)5級(jí)，西部監(jiān)測(cè)6級(jí)地震的要求。根據(jù)該公式可算出，汶川8.0級(jí)地震，形變的監(jiān)測(cè)半徑是810.59 km，永勝地震臺(tái)距離汶川580 km，汶川地震在永勝水管傾斜的監(jiān)測(cè)半徑內(nèi)。因此筆者認(rèn)為永勝水管傾斜北南向的大幅度、東西向的高速率變化，是汶川地震的異常反映。通過上述分析，在排除了外界氣象干擾的前提下，永勝水管傾斜儀不但記錄到了汶川地震顯著的同震響應(yīng)，而且記錄到了汶川地震前可能的趨勢(shì)異常變化。

3.4 汶川地震后永勝臺(tái)水管傾斜變化分析

2008年5月汶川地震后，2009、2010年的觀測(cè)又可見比較清晰的年變規(guī)律 (圖5)。

圖5 2009年 (a)、2010年 (b)永勝臺(tái)水管傾斜月均值曲線Fig.5 Monthly mean curve of water-pipe tilt at Yongsheng Station in 2009(a)and 2010(b)

4 永勝臺(tái)水管傾斜變化與周邊地震對(duì)應(yīng)情況分析

圖6是2003～2008年永勝水管傾斜北南、東西分量月均值曲線圖，從圖中可以看出:震中距在300 km范圍內(nèi)、M≥5.0地震前，永勝水管傾斜的東西分量均有一定的變化，北南分量變化不明顯。汶川地震前水管傾斜東西分量變化幅度較大、北南分量有明顯變化。

圖6 2003～2008年永勝臺(tái)水管傾斜月均值曲線Fig.6 Monthly mean curve of water-pipe tilt at Yongsheng Station from 2003 to 2008

5 結(jié)論與討論

永勝臺(tái)的水管傾斜觀測(cè)背景清晰，無顯著的干擾因素，且傾斜變化大，打破以往規(guī)律。因此筆者認(rèn)為永勝水管傾斜北南、東西兩分向自2007年7月起的異常變化，是汶川地震前地殼傾斜變形的反映。

同樣是記錄地面傾斜變化的垂直擺傾斜儀器，永勝地震臺(tái)的垂直擺傾斜儀卻沒有記錄到這樣的前兆變化，這是否與不同儀器的擺長(zhǎng)、周期有關(guān)?此問題有待進(jìn)一步研究。

本文在撰寫過程中得到云南省地震局楊滄生工程師、楊學(xué)慧工程師的幫助，在此向他們表示衷心感謝。

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