龍巖臺傾斜儀三次震前異常差異分析*

陳傳昌，楊佩琴，鄭建志，張志鵬，吳慧敏

（1.南平地震臺，福建 南平 353000；2.龍巖地震臺，福建 龍巖 364000）

地震是孕育和發生在巖石圈內的一種地球動力學過程及事件。地震的形變隨時間演化，對應的形變過程可以分為：震間形變、震前形變、同震形變和震后形變。

關于地震成因，不同專家學者有各種觀點。研究地震成因的最終目的是要由此進一步認識地震前兆現象的本質，從而提高地震預報的能力，因此在研究地震成因時必然要研究在震前震源地方和其附近的變動是通過什么方式和前兆聯系起來的，這種變動和未來地震的強度、地點以及發生時間是什么關系[1]。

地傾斜觀測主要目的是監測區域地殼垂直方向的相對位移和固體潮汐的動態變化。水平擺傾斜儀和垂直擺傾斜儀都是測量地傾斜變化的儀器。而震源機制解對于震源過程研究和地震預報研究具有重要意義，是研究現代構造應力場的基礎資料之一。通過對地傾斜變化的研究，結合震源機制，可以嘗試分析地震發生的力學過程，推斷地震的主要成因[2]。

1 觀測點地質背景和觀測儀器

龍巖地處閩粵贛交界，位于北緯 24°23′-26°02′、東經 115°51′-117°44′之間。控制本區域的主要構造有華夏系、新華夏系和南嶺東西向構造帶。有兩條地震構造帶經過，東南部有經大田-漳平-龍巖洞進入廣東大埔的政和-海豐構造帶，西北部為經寧化-長汀-武平進入廣東河源的邵武-河源構造帶。

龍巖地震臺位于龍巖市新羅城區北郊虎頭山的西側半山坡上。形變觀測儀器安裝在臺站東側的山洞內，山洞所處山體東高西低，南高北低。山洞全長約100m，洞內平均溫度原為19.8℃，2015 年在同個觀測室另外一個儀器墩上安裝gPhone 重力儀后，觀測室年平均溫升至20.38℃；正常工作狀態下，觀測室年溫差小于0.5℃，日溫差小于0.2℃。臺站東邊有一斷層，斷層呈NNE 走向，傾角80°；西邊為第四系覆蓋層，基巖為石英砂巖，節理發育，巖性破碎，地表風化，覆蓋層較厚。見表1。

表1 傾斜觀測室基本情況

龍巖臺傾斜儀器安裝在新窿道內的帶有防震槽的水泥墩上，儀器室面積約17m2。形變觀測始于1971 年12 月，儀器安裝在窿道內。1985 年3 月開始用SQ-70型水平擺傾斜儀進行觀測，2004 年停止觀測。2004 年2 月安裝啟用由湖北省武漢地震儀器廠生產的VS 型垂直擺傾斜儀，使用至今。本項目使用的傾斜觀測資料分別為：1990-2002 年SQ-70 型水平擺傾斜儀模擬記錄數據；2006-2018 年VS 型垂直擺傾斜儀數字化觀測數據。見表2。

表2 傾斜觀測儀器設備表

龍巖市屬亞熱帶海洋性季風氣候。年平均氣溫18.7～21.0℃，平均降水量1031～1369mm，日照時數1804～2060h。全年氣候溫和，無霜期長，雨量充沛。龍巖臺地傾斜觀測受降雨影響比較大，因此在研究過程中同時要參考降雨資料。1990-2002 年,降雨資料參考龍巖氣象臺觀測數據，數據存在一定程度的不完整；2006-2018 年,使用本臺人工觀測的降雨量數據。

2 龍巖臺傾斜觀測資料情況

長期、連續的觀測資料可以發現普遍規律，這是正常變化。尋找正常變化規律是為了發現不符合以往規律的變化現象，因此，正常的變化規律是凸顯異常變化的背景。觀測資料積累的時間越長，變化規律越清晰。

在日常觀測工作中，需要積累一定時間尺度的觀測資料，研究、明確儀器特性帶來的變化部分，以建立合理、科學的區域地傾斜變化模式。這個模式包含了降水、溫度、氣壓等外界環境影響下的潮汐變化規律。

2.1 兩套傾斜儀長期變化趨勢差異

地傾斜觀測的零漂主要是用來衡量觀測儀器及其基墩穩定程度或地殼繼承性新構造運動。在同一個基墩進行的地傾斜觀測，不同儀器的變化趨勢差異主要體現了儀器零漂的差異。不同的傾斜觀測儀器可能會表現完全不同的變化趨勢（圖1）。龍巖臺SQ-70 水平擺傾斜儀和VS 垂直擺傾斜儀的差異主要體現為NS向長期變化趨勢明顯不一致，由圖1，水平擺傾斜儀NS 向表現為長期趨勢向下，垂直擺傾斜儀NS 向表現為長期趨勢向上。兩套儀器的EW 向長期趨勢均為向上，斜率有差異。

圖1 兩套傾斜儀時序曲線圖

2.2 傾斜觀測受降雨干擾

孔隙度大、易滲透的砂巖臺基，降雨干擾突出。龍巖屬亞熱帶海洋性季風氣候，雨水充沛且集中。龍巖臺傾斜觀測受降雨影響較為顯著，水平擺傾斜儀和垂直擺傾斜儀的年變規律與降雨的相關關系基本一致，均表現為EW 向與降雨呈正相關，NS 向與降雨呈負相關的特征（圖2）。如果把降雨因素當做一個加卸載的變量，不論降雨對于傾斜觀測的影響途徑是載荷改變或者是基巖孔隙變化產生的沉降，都屬于構造的運動變化。也就是說，兩套傾斜儀器基本一致地反映了測點區域地殼構造運動變化。這說明，兩套傾斜儀器在長期變化趨勢的差異主要是由于儀器的零漂差異引起的，除此以外的變化成分基本反映了觀測點區域地殼構造運動的情況，既包括構造運動引起的地殼傾斜變化，也包括降雨干擾引起的測點基巖沉降和載荷增減等。

圖2 兩套傾斜儀與降雨的相關關系

因1990-2002 年的降雨數據主要來源于氣象部門的觀測數據，不夠完整，也不能完全反映龍巖臺傾斜測點區域降水的具體情況，因此僅作為參考。2006-2018年的降雨數據，由龍巖臺觀測所得，如實反映了測點區域降水的詳細過程。

在研究中發現[3]，對垂直擺觀測資料造成影響的降雨模式主要有三種：（1）一定時間段內的連續強降雨；（2）單日雨量不大，持續時間長；（3）短時間內的強降雨。短時間內的強降雨，引起觀測數據短時波動，不影響觀測數據變化趨勢。對2007-2014 年的觀測資料進行統計，分析垂直擺兩分量變化與降雨的相關關系（表 3）。

從表3 及圖3 可以看出，除了2008 年、2009 年，其他年份降雨與垂直擺兩分量變化的相關性基本一致，變化時間略有滯后；量級有差異，這可能與降雨的具體過程有關系，需要另行深入研究。

圖3 降雨量與垂直擺異常變化量柱狀圖（2007-2014）

表3 降雨量與垂直擺異常變化量統計（2007-2014）

3 傾斜觀測三次異常變化

3.1 傾斜觀測三次異常變化特點

龍巖臺傾斜觀測1990 年以來出現過三次比較大幅度的異常變化（表4、圖4）。這三次異常變化有幾個特點：

表4 龍巖臺傾斜三次異常變化

圖4 龍巖臺傾斜三次異常時序曲線

（1）變化量巨大。兩套儀器三次異常表現顯著，幅度大。與降雨量相關的最大變化，北南分量和東西分量均為千ms 數量級，而異常變化量達數倍甚至十倍之多。

（2）持續時間長。兩套儀器三次異常持續時間長，三次異常變化最長的持續超過一年，最短的持續71 天。

（3）完全背離正常變化規律。在無降雨影響的時間段異常變化，與降雨量的相關性被改變。

3.2 近場區主要斷裂及地形地貌

龍巖臺傾斜測點近場區斷裂構造發育，主要有北北東-北東向斷裂和南北向斷裂，其次有東西向斷裂和北西向斷裂（圖5）。

圖5 龍巖臺傾斜測點近場區主要斷裂

3.2.1 北北東-北東向斷裂

（1）蘇坂-黃坑斷裂帶（f4）：主要由兩條斷裂構成，斷裂走向不一，為北東10-50°，傾向南東或北西。沿斷裂巖石破碎，巖層產狀凌亂。

（2）白沙-雁石斷裂帶（f5）：斷裂走向北東 20-45°，傾向南東或北西，傾角60-75°。

3.2.2 南北向斷裂

主要為龍門-培豐斷裂帶（f9）：走向北東 10°，傾向北西，傾角80°，由多條近于平行的斷面組成破碎帶。

3.2.3 東西向斷裂

主要為小池-巖山斷裂帶（f10）：斷裂帶延伸約29公里，由一系列小斷層組成，走向近東西，多數傾向北，傾角大于65°。

此外，龍巖臺測點東南面有永福-和溪斷裂，這是北東向政和-海豐斷裂帶在龍巖區域內的主干斷裂，斷裂走向北北東15-30°，多數傾向北西，傾角50-80°。

3.3 三次傾斜異常變化相關的地震事件

構造應力場是斷裂活動與發生地震的基本原因,地震震源機制解結果可反映地震震源區附近的應力狀態。在龍巖臺測點三次異常出現前后，龍巖周邊區域發生數次M4.5 級左右地震。根據地震發生時間與傾斜異常持續時間，其中三次地震與傾斜異常存在一定對應關系（表5），這三次地震均發生在龍巖臺傾斜異常結束后或者異常持續過程中（圖4）。在異常出現之前的地震，與異常也可能存在一定關聯，但是不具有預報意義，在此不做分析。

表5 相關地震事件信息及震源機制解[3]

（1）1992 年 11.26 連城賴源 5.0 級地震和 1997 年05.31 永安西南5.2 級地震發生的地質構造背景基本一致，均位于北東向政和-海豐活動構造帶中段的西北側；地震的等震線橢圓長軸呈北東稍偏北，說明地震與北東向斷裂的活動有密切關系[4]。從震源機制解看出，這兩次地震P 軸方位北西292°和326°，發震構造的應力場與東南沿海南東東-北西西的區域應力場基本一致。

龍巖臺傾斜測點與兩次地震震中的距離分別為45km 和56km，龍巖臺東南面有永福-和溪斷裂，這是北東向政和-海豐斷裂帶在龍巖區域內的主干斷裂。

1992 年11.26 連城賴源5.0 級地震前，龍巖臺傾斜東西分量異常持續約530 天，表現為持續下降，下降幅度達19437ms，異常結束11 個月后發生地震。

1997 年05.31 永安西南5.2 級地震前，龍巖臺傾斜東西分量異常持續約71 天，表現為急劇下降，下降幅度達14094ms，期間有較大降雨干擾，北南分量表現與降雨負相關，東西分量沒有表現出跟降雨的相關性。異常結束13 個月后發生地震。

同樣的地震地質背景，震中位置相差無幾，震源機制略有差異，龍巖臺傾斜異常表現有相似，也有差異：EW 分量有顯著異常，NS 分量無顯著異常；持續時間和異常幅度與地震強度沒有明顯對應關系。不過有一點需要提出來探討，正常情況下，東西分量與降雨正相關，在降雨影響下東西分量本應該向東傾，但是在區域應力場作用下，東西分量持續西傾，抵消了降雨影響。從另外一個角度來看，東西分量的異常還應該加上被降雨影響消耗的那部分。

（2）2008 年 07.05 長泰 ML4.7 級地震發生于福建省長泰縣，本次地震發震構造處于長樂-詔安斷裂帶中南段，附近有北西向九龍江斷裂帶。在北東向與北西向斷裂交匯的構造部位，有溫泉出露，反映出第四紀以來具有一定活動性，占主導地位的是北西向與北東向斷裂。該區域歷史上曾發生多次中強地震，其中1185 年6 月8 日漳州6.5 級地震為福建地區陸地上記錄到的最大地震。該次地震震源機制解為斜滑斷層，主壓應力軸方向為近東西向[5]。

龍巖臺測點與本次地震震中相距約100km，與漳州分別位于政和-海豐斷裂帶兩側。在本次地震前約9個月開始，龍巖臺傾斜北南分量持續北傾，在地震發生后大約5 個月才結束。異常幅度達41724ms。東西分量沒有顯著異常表現。期間有強降雨影響，東西分量反映正常，表現為與降雨正相關，北南分量沒有表現出與降雨的相關性。

對原始觀測資料復盤的結果來看，異常幅度巨大。不過，在異常持續過程中，由于對儀器是否正常存疑，進行過多次儀器的檢修、調試。這可能在一定程度上干擾儀器的異常變化。

4 結論

（1）龍巖臺傾斜三次異常變化，有兩次異常表現相似，對應同樣的地震地質背景；另外一次異常表現則完全不同。這可能反映了地殼構造之間的關聯性，經歷多次構造運動，地殼結構已經是一個錯綜復雜的“多米諾骨牌”，應力、應變的傳遞路徑交疊曲折，地震前兆異常表現千變萬化。這也是地震預報的難度所在。

（2）儀器故障的辨識存在問題。異常的判斷要基于儀器正常運行的基礎做出。三次異常出現的過程中，無一不是當作儀器故障處理的，反復處理均未能解決問題，在異常結束后“不藥而愈”，自行恢復正常。這就需要在儀器出現異常變化的時候，能夠進行儀器運行狀態的鑒定，比如儀器比測或者有多套儀器同時運行。

（3）降雨可以看作加卸載的因子，由傾斜儀器對降雨干擾的反應，可以判斷儀器是否能夠對地殼構造變化做出相應的表現。

地震前兆異常的發現基于長期、連續、穩定的觀測資料積累，抽絲剝繭地尋找正常變化規律是為了發現不符合以往規律的異常變化表現，這其中就包含了地震前兆異常。經驗源自于日積月累的日常觀測，這是地震分析預報的基礎。