永勝臺對汶川8.0級地震的傾斜響應(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，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)測到這種變化的。汶川地震后，筆者研究了眾多的前兆觀測手段及觀測點(diǎn)中的異常。定點(diǎn)形變測量作為地震預(yù)報(bào)的一種監(jiān)測手段，在云南已經(jīng)開展了40多年，積累了豐富的觀測資料，在監(jiān)測地震孕育、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、觀測時(shí)間較長的定點(diǎn)水管傾斜觀測點(diǎn)。汶川地震前永勝水管傾斜北南向出現(xiàn)大幅度、長趨勢的南傾異常，異常持續(xù)時(shí)間和幅度是該臺儀器自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)的水管傾斜觀測點(diǎn)增多，研究永勝水管傾斜的異常，有利于提高對水管傾斜觀測異常數(shù)據(jù)的認(rèn)識，有利于提高形變預(yù)測能力，對云南省內(nèi)及周邊大震震情跟蹤分析判定具有參考意義。

1 永勝臺水管傾斜觀測環(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山洞長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、漂移小、精度高的特點(diǎn) (馬森林等，2001)。永勝臺數(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)，在該觀測點(diǎn)周邊半徑100 km范圍內(nèi)沒有發(fā)生過5.0級以上地震?？偟膩碚f，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曲線Fig.3 Observation curve of water-pipe tilt in EW at Yongsheng Station

2.2 汶川8.0級地震前永勝水管傾斜異常

在汶川8.0級地震前，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)永勝臺的水管傾斜觀測值在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、東西向的變化趨勢異于往年，呈現(xiàn)出趨勢性異常。北南向向南傾斜，幅度大、延續(xù)時(shí)間長，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，但是在永勝臺周邊350 km范圍內(nèi)，沒有發(fā)生5.0級以上的地震?？焖俚貎A斜變化具有一定的短期前兆指示意義，且與地震震級有一定的相關(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。對每次中強(qiáng)地震前云南地區(qū)地傾斜觀測資料進(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)各測點(diǎn)地傾斜在震前快速變化的特征表明，永勝測點(diǎn)的變化最為靈敏 (牛安福，2004)。因此永勝臺水管傾斜的變化，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級地震關(guān)系分析

3.1 永勝臺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)該臺的水管傾斜南北、東西分量的年變化量，經(jīng)過對比分析，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225 km的雙柏發(fā)生了5.0級地震。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213 km的會(huì)澤發(fā)生了5.3級地震。2006年的1月至2007年12月，距永勝臺350 km范圍內(nèi)沒有發(fā)生過5.0級以上地震。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)測能力分析永勝臺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)有臺站的實(shí)際觀測精度，形變監(jiān)測地震的能力半徑DJ可用下式估算:lg DJ=0.303(M+1.6)，據(jù)此，我國形變臺網(wǎng)當(dāng)前的布局，基本可以滿足東部監(jiān)測5級，西部監(jiān)測6級地震的要求。根據(jù)該公式可算出，汶川8.0級地震，形變的監(jiān)測半徑是810.59 km，永勝地震臺距離汶川580 km，汶川地震在永勝水管傾斜的監(jiān)測半徑內(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異常變化。

3.4 汶川地震后永勝臺水管傾斜變化分析

2008年5月汶川地震后，2009、2010年的觀測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 永勝臺水管傾斜變化與周邊地震對應(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

永勝臺的水管傾斜觀測背景清晰，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、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。

劉仲全.2001.姚安6.5級地震前云南傾斜場變化特征［J］.地震研究，24(4):301-306.

馬森林，車用太，車兆宏，等.2001.地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范(地殼形變觀測)［M］.北京:地震出版社.

云南省地震局.2005.云南省地震監(jiān)測志［M］.北京:地震出版社.

牛安福.2004.麗江地震前后西南地區(qū)定點(diǎn)形變變化的特點(diǎn)分析［J］.內(nèi)陸地震，18(4):301-302.

吳翼麟.1994.形變前兆異常的追蹤分析地震形變前兆特征的識別于研究［M］.北京:地震出版社.

張立，何德強(qiáng)，申波，等.2010.汶川8.0級地震前云南水富井水位長期異常初探［J］.地震研究，33(2):162-166.

趙洪聲，蘇有錦，張立，等.2000.云南地震前兆與短臨預(yù)報(bào)［J］.地震研究，23(1):10-11.