臨潭-宕昌斷裂3次中強(qiáng)地震活動(dòng)與蘭州鉆孔傾斜觀測(cè)趨勢(shì)性變化特征分析

曾文浩 姜振海 翟瑋 王小娟

甘肅省地震局，蘭州市城關(guān)區(qū)東崗西路450號(hào) 730000

0 引言

臨潭-宕昌斷裂位于南北地震帶的北段，處于東昆侖與西秦嶺北緣2條深大斷裂構(gòu)造轉(zhuǎn)換過(guò)渡帶，與迭部-白龍江、光蓋山-迭山、文縣-康縣-略陽(yáng)、康縣-略陽(yáng)、成縣盆地南緣、兩當(dāng)-江洛、禮縣-羅家堡等多條規(guī)模較大的斷裂共同組成了該地區(qū)復(fù)雜的“家堡字型構(gòu)造體系”（袁道陽(yáng)，2003；袁道陽(yáng)等，2004；鄭文俊等，2005），在構(gòu)造上是應(yīng)變積累和轉(zhuǎn)換過(guò)渡的重要位置。青藏高原的NE向擠壓作用，造就了甘東南地區(qū)從東昆侖斷裂向西秦嶺北緣斷裂逐漸轉(zhuǎn)換過(guò)渡的復(fù)雜構(gòu)造系統(tǒng)，這是該地區(qū)新構(gòu)造變形強(qiáng)烈、地震活動(dòng)頻繁的重要原因（鄭文俊等，2013a、2013b）。鄭文俊等（2007a、2007b）對(duì)甘東南臨潭-宕昌斷裂新活動(dòng)特征的研究認(rèn)為，臨潭-宕昌斷裂主要由合作斷裂段、臨潭斷裂段和岷縣-宕昌斷裂段組成，其中合作斷裂段的北支活動(dòng)性較弱，為早更新世或前第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，而南支活動(dòng)不均勻，其最西端活動(dòng)性較弱，為早中更新世活動(dòng)，東端為晚更新世活動(dòng)；臨潭斷裂段活動(dòng)較強(qiáng)，其北支可能為全新世早期活動(dòng)，活動(dòng)性在整個(gè)斷裂帶中最強(qiáng)，其南支為早中更新世-晚更新世早期活動(dòng)；岷縣-宕昌斷裂段的主支斷裂活動(dòng)性較弱，斷裂段主要部分的活動(dòng)為前第四紀(jì)，僅有少量地段呈現(xiàn)早更新世活動(dòng)，其北緣的2條次級(jí)斷裂中最北邊的一條可能有第四紀(jì)晚期（全新世）活動(dòng)的跡象，沿洮河的另一條最新活動(dòng)時(shí)間應(yīng)為早中更新世，而其最南端的斜接斷裂活動(dòng)時(shí)間與主干斷裂一致，為第四紀(jì)早期或前第四紀(jì)。歷史上該區(qū)曾發(fā)生過(guò)3次強(qiáng)震，分別是839年岷縣 6.0～7.0級(jí)、1573年岷縣6.5級(jí)和1873年臨洮-岷縣6級(jí)地震。近年來(lái)，臨潭-宕昌斷裂附近又連續(xù)發(fā)生2003年11月13日岷縣-臨潭-卓尼5.2級(jí)、2004年9月7日岷縣-臨潭-卓尼5.0級(jí)和2013年7月22日岷縣-漳縣6.6級(jí)3次中強(qiáng)地震。在這3次中強(qiáng)地震期間，蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)分別記錄到了不同程度的異常變化（姜振海等，2005、2006、2013），本文對(duì)該異常變化進(jìn)行了分析，以探討蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)與臨潭-宕昌斷裂活動(dòng)之間的響應(yīng)關(guān)系。

1 蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)簡(jiǎn)介

蘭州臺(tái)全稱蘭州觀象臺(tái)，地處青藏高原東北緣、祁連山地震帶與南北地震帶交匯部位附近，區(qū)內(nèi)活動(dòng)構(gòu)造發(fā)育，地震活動(dòng)頻度高，強(qiáng)度大。具體位置為蘭州東盆地鹽場(chǎng)堡以北、白塔山以東、黃河北岸Ⅲ級(jí)階地的后緣，階地基底由白堊紀(jì)棕色砂巖、砂礫巖夾薄層泥巖構(gòu)成。

臨潭-宕昌斷裂西起合作以西，向SE經(jīng)臨潭北、岷縣延伸至宕昌以南，長(zhǎng)約250km，由數(shù)條規(guī)模不等、相互平行或斜列的次級(jí)斷裂組合而成。合作-岷縣間，該斷裂分為南、北2支，影響范圍為5～10km，在岷縣東南一帶，又歸并為一體，延至宕昌以南?？傮w呈NWW-NW向展布，傾向NE，傾角50°～70°。該斷層最近端距蘭州臺(tái)約150km，最遠(yuǎn)端約300km。

圖1 蘭州臺(tái)及臨潭-宕昌斷裂3次中強(qiáng)地震位置

CZB-1型豎直擺傾斜儀是河南省地震局研制生產(chǎn)的高精度井下傾斜儀。其工作原理是利用1個(gè)鉛錘擺來(lái)測(cè)定地面傾斜變化，即用細(xì)絲吊起1個(gè)重錘，由于地球重力作用，重錘必然指向地球質(zhì)心，當(dāng)?shù)貧ぎa(chǎn)生傾斜變化時(shí)，擺的支撐架隨著地面產(chǎn)生傾斜，重錘仍然保持垂直方向，與儀器外殼產(chǎn)生相對(duì)位移，由電容測(cè)微器直接測(cè)量、記錄并輸出位移產(chǎn)生的電信號(hào)（能分辨10－10m量級(jí)的變化），從而實(shí)現(xiàn)微小傾斜量的測(cè)量（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2008）。

2000年 5月蘭州觀象臺(tái)在1口廢棄的測(cè)震井中安裝了1套CZB-1型豎直擺傾斜儀，下井深度52m，基巖為泥質(zhì)細(xì)砂巖，初始記錄方式為模擬記錄，2001年10月增加了數(shù)字記錄（“九五”模式），2012年起改為“十五”數(shù)字化記錄模式。儀器自安裝以來(lái)，未出現(xiàn)重大故障，未對(duì)其探頭進(jìn)行過(guò)任何維修，僅在2012年更換過(guò)主機(jī)（由于數(shù)字記錄數(shù)據(jù)庫(kù)中的資料從2001年10月開始，故本文研究時(shí)段為2001年10月1日～2015年5月31日）。

2 調(diào)和分析

表1為 2002～2014年蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)逐年潮汐因子和中誤差的統(tǒng)計(jì)。NS分量半日主波M2的潮汐因子為 0.6487～0.7213，2012年及以前的中誤差均小于0.0100；EW分量半日主波M2的潮汐因子分別為 0.2020～0.3198、0.6590～0.8057，除 2012、2013年以外，其他年份的中誤差均小于0.0100。查閱臺(tái)站工作日之后可見，蘭州臺(tái)的鉆孔傾斜儀探頭部分從未出現(xiàn)過(guò)故障，但主機(jī)部分故障較多，且不論NS還是EW分量，其潮汐因子每次大幅變化時(shí)均有儀器故障或檢修儀器的情況發(fā)生。如2013年8月NS分量出現(xiàn)故障，檢修后潮汐因子出現(xiàn)變化，由7月的0.7579到8月的1.1588再到9月的1.5206，隨后穩(wěn)定在1.4000～1.5000之間。由此可以確認(rèn)，雖然蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)的潮汐因子變化較大，但穩(wěn)定性較好，中誤差除個(gè)別年份外均小于0.0100，因此，蘭州鉆孔傾斜的觀測(cè)資料是可靠的。

表1 潮汐因子和中誤差

3 觀測(cè)資料漂移分析

由2001年10月1日～2015年5月31日蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)的日均值曲線（圖2）可見，NS、EW分量均存在較嚴(yán)重的漂移現(xiàn)象。該漂移現(xiàn)象是由地殼的變化引起的，還是由儀器本身不穩(wěn)定引起的？我們查看了儀器的安裝報(bào)告后發(fā)現(xiàn)，蘭州臺(tái)CZB-1型豎直擺傾斜儀在安裝時(shí)少裝了1個(gè)底座托盤，這是否是造成NS、EW分量長(zhǎng)時(shí)間漂移的原因？本文將從以下幾個(gè)方面加以分析。

3.1 儀器的安裝結(jié)構(gòu)

蘭州觀象臺(tái)CZB-1型豎直擺傾斜儀在安裝時(shí)由于井管變形，底座上的托環(huán)裝置無(wú)法安裝，造成約40kg重的儀器探頭只能由1根直徑8mm的定向螺釘來(lái)承受（圖3）。因此，定向螺釘在探頭的重壓下，會(huì)出現(xiàn)彎曲變形的現(xiàn)象，且該現(xiàn)象隨時(shí)間而變化，最終使得探頭向某一方向傾斜，并在觀測(cè)結(jié)果中形成了大幅度的漂移現(xiàn)象。

3.2 漂移方向、漂移量與定向螺釘方位角之間的關(guān)系

定向螺釘是橫擔(dān)在定向底座上的，其方位為北偏西64°。因此，在觀測(cè)記錄中隨著定向螺釘?shù)膹澢冃危碚撋螮W分量應(yīng)呈現(xiàn)向W漂移，NS分量應(yīng)呈現(xiàn)向N漂移，實(shí)際觀測(cè)中，EW、NS分量的漂移情況恰與此相符。選取2000年7月31日的資料進(jìn)行計(jì)算可知，EW分量漂移值為－45.3×10－3″，NS分量為 20.5×10－3″，漂移方向與正北方向的夾角為 63.1°，這與定向螺釘?shù)姆轿唤?4°很接近。而在實(shí)際觀測(cè)中還包含這2個(gè)分量各自變化的趨勢(shì)，因此，可認(rèn)為上述2個(gè)數(shù)據(jù)是相符的。

圖2 2001年10月1日～2015年5月31日蘭州CZB觀測(cè)曲線

3.3 實(shí)際觀測(cè)中的現(xiàn)象

由于儀器未安裝底座脫環(huán)，探頭在無(wú)托環(huán)支撐的狀態(tài)下，僅能依靠定向螺釘及定向底座壁（螺釘對(duì)面部分）的摩擦力來(lái)穩(wěn)定，穩(wěn)定性較差，一旦出現(xiàn)滑動(dòng)，在實(shí)際觀測(cè)中就會(huì)出現(xiàn)階躍現(xiàn)象。而在實(shí)際觀測(cè)曲線中確實(shí)發(fā)現(xiàn)存在著一定的階躍現(xiàn)象，其階躍方向恰好與漂移方向相反，這也與以上的分析相符。

圖3 蘭州CZB-1型傾斜儀探頭安裝示意圖

綜上所述可認(rèn)定，該儀器存在因安裝造成的零點(diǎn)漂移。因此，在資料分析時(shí)，需剔除該零點(diǎn)漂移。我們選用了拋物線函數(shù)Y＝a＋bT＋cT2對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行趨勢(shì)擬合，得到蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)曲線的殘差時(shí)間序列（圖2）。

4 趨勢(shì)性變化特征分析

根據(jù)世界各國(guó)大量地形變觀測(cè)所歸納出的地震地形變演化過(guò)程與巖石破裂實(shí)驗(yàn)、地震發(fā)生物理模式和非線性動(dòng)力學(xué)等的演釋結(jié)論大致能互相印證，可認(rèn)為其在一定程度上概括了地震地形變自然現(xiàn)象的某些共性——在地震孕育的長(zhǎng)、中、短（臨）各個(gè)物理階段，地形變都具有各不相同的鮮明特征。這說(shuō)明我們有可能通過(guò)對(duì)地形變的時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，來(lái)探究地震的長(zhǎng)、中、短（臨）前兆。

4.1 中長(zhǎng)趨勢(shì)變化

研究表明，地震地形變存在著由繼承性（準(zhǔn)線性勻速）運(yùn)動(dòng)→偏離繼承性（加速度）運(yùn)動(dòng)→發(fā)生地震→震后調(diào)整逐步回復(fù)到繼承性運(yùn)動(dòng)的過(guò)程（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2008）。那么，蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)是否記錄到了該過(guò)程？我們由圖2的擬合殘差曲線可見，這3次地震均發(fā)生在NS分量的高值區(qū)間及EW分量的下降趨勢(shì)中。為了更清楚地說(shuō)明上述運(yùn)動(dòng)過(guò)程，詳細(xì)地分析2004～2013年變化趨勢(shì)后發(fā)現(xiàn)，NS分量在2004年5.0級(jí)地震之后呈下降趨勢(shì)（震后調(diào)整），2006年開始轉(zhuǎn)入水平變化趨勢(shì)（繼承性運(yùn)動(dòng)），2010年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變?yōu)樯仙厔?shì)（偏離繼承性運(yùn)動(dòng)），2013年發(fā)生6.6級(jí)地震；EW分量在2004年5.0級(jí)地震之后呈下降趨勢(shì)（震后調(diào)整），2006年開始轉(zhuǎn)入上升變化趨勢(shì)（繼承性運(yùn)動(dòng)），2010年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變?yōu)檩p微下降趨勢(shì)（偏離繼承性運(yùn)動(dòng)），2013年發(fā)生6.6級(jí)地震。因此，蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)能夠記錄到發(fā)生在臨潭-宕昌斷裂上的中強(qiáng)地震地形變的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可以為地震預(yù)測(cè)研究提供可信的資料。

4.2 中短趨勢(shì)變化

為了更清楚地分析地震前的中短期變化，我們截取2002年1月1日～2004年12月31日、2011年1月1日～2013年12月31日的數(shù)據(jù)，并根據(jù)前述對(duì)漂移的分析結(jié)果，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)擬合，結(jié)果見圖4、5。

圖4 2002～2004年蘭州臺(tái)CZB剔除漂移后的觀測(cè)曲線

圖5 2011～2013年蘭州臺(tái)CZB剔除漂移后的觀測(cè)曲線

由于2004年5.0級(jí)地震發(fā)生在2003年5.2級(jí)地震之后1年以內(nèi)，且發(fā)生在同一地點(diǎn)，因此，認(rèn)為5.0級(jí)地震是5.2級(jí)地震的強(qiáng)余震。故在分析中短期變化趨勢(shì)時(shí)，主要針對(duì)2003年5.2級(jí)地震和2013年6.6級(jí)地震。

由圖4可見，2003年5.2級(jí)地震前EW分量在2003年1月出現(xiàn)了1個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折，由上升轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆担?003年2月初NS分量同步出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，由下降轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙?003年10月EW、NS分量同時(shí)再次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，EW由下降轉(zhuǎn)為上升，NS由上升轉(zhuǎn)為下降，隨后發(fā)生地震。這說(shuō)明在5.2級(jí)地震前存在明顯的中短期趨勢(shì)性變化異常，即2003年1、10月 EW、NS分量同步出現(xiàn)轉(zhuǎn)折異常，且變化趨勢(shì)反向。

由圖5可見，2013年6.6級(jí)地震前NS分量在2013年4～5月間出現(xiàn)了急速下降的趨勢(shì)性變化，同時(shí)EW分量出現(xiàn)了急速上升的趨勢(shì)性變化，在急速變化回穩(wěn)后發(fā)生了6.6級(jí)地震。該異常變化與2003年5.2級(jí)地震前的異常變化有部分相同之處，即NS、EW分量同步出現(xiàn)轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，并發(fā)生反向加速異常變化。因此，我們認(rèn)為蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)能夠記錄到臨潭-宕昌斷裂上中強(qiáng)地震前的中短期趨勢(shì)性異常變化，且異常特征可能為NS、EW分量同步出現(xiàn)轉(zhuǎn)折且發(fā)生反向異常變化。

4.3 短臨趨勢(shì)變化

在破壞性地震的主震之前，地殼往往會(huì)發(fā)生許多不同速度和規(guī)模的破裂。根據(jù)破裂速度的不同可將地震分為：地震、慢地震、靜地震和蠕滑。而地形變連續(xù)觀測(cè)可望記錄到慢地震、靜地震和蠕滑。那么蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)是否記錄到了這些變化呢？我們通過(guò)對(duì)3次地震前半年時(shí)段的分鐘值原始數(shù)據(jù)及其小波分析的結(jié)果進(jìn)行研究，并未發(fā)現(xiàn)較為明顯的異常變化。因此，蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)對(duì)臨潭-宕昌斷裂上中強(qiáng)地震前的臨震異常無(wú)明顯反映。

5 結(jié)論與討論

（1）通過(guò)分析2001年10月～2015年5月蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)資料的長(zhǎng)趨勢(shì)變化發(fā)現(xiàn)，蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)存在長(zhǎng)期趨勢(shì)的零漂。通過(guò)對(duì)儀器安裝和觀測(cè)資料變化的分析認(rèn)為，該零漂是由儀器安裝時(shí)未安裝底座托盤所致，且漂移現(xiàn)象可利用拋物線函數(shù)Y＝a＋bT＋cT2進(jìn)行消除。

（2）2003年5.2級(jí)、2013年6.6級(jí)地震前，蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)的NS、EW分量均出現(xiàn)了較為明顯且異常特征基本相同的異常變化，即在地震前均出現(xiàn)了2次轉(zhuǎn)折變化，且在這2次轉(zhuǎn)折之間的是方向相反的加速異常變化。由此可見，蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)可能為臨潭-宕昌斷裂帶上中強(qiáng)地震的預(yù)測(cè)提供判定依據(jù)。

（3）由姜振海等（2005、2013）的研究可知，2003年5.2級(jí)地震前，蘭州十里店臺(tái)（距蘭州臺(tái)10km左右）的FSQ水管傾斜儀、SSY-Ⅱ石英伸縮儀的矢量圖均出現(xiàn)了打結(jié)現(xiàn)象，且SSY-Ⅱ石英伸縮儀的年變趨勢(shì)也有一定的異常變化；2013年6.6級(jí)地震前，蘭州十里店臺(tái)的DSQ水管傾斜、SSY洞體應(yīng)變和SSY-Ⅱ洞體應(yīng)變的日均值均出現(xiàn)了不同程度的異常變化。這些同期異常進(jìn)一步說(shuō)明了蘭州地區(qū)的地殼變化受臨潭-宕昌斷裂帶的影響較大，蘭州地區(qū)的地形變觀測(cè)資料可能為臨潭-宕昌斷裂帶上中強(qiáng)地震的預(yù)測(cè)提供判定依據(jù)。

（4）由呂品姬等（2010）的研究可知，傾斜前兆異常中震中距與震級(jí)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系為，當(dāng)MS＞7.0時(shí)，震中距應(yīng)不大于 400km；當(dāng) 6.0≤MS≤6.9時(shí)，震中距應(yīng)不大于 300km；當(dāng) 5.0≤MS≤5.9時(shí)，地震觀測(cè)臺(tái)站間距應(yīng)不大于200km，當(dāng)4.0≤MS≤4.9時(shí)，地震觀測(cè)臺(tái)站間距應(yīng)不大于100km。而2003年11月13日岷縣-臨潭-卓尼5.2級(jí)、2004年9月7日岷縣-臨潭-卓尼5.0級(jí)、2013年7月22日岷縣-漳縣6.6級(jí)等3次中強(qiáng)地震的震中距分別為150、160、178km，這進(jìn)一步印證了傾斜前兆異常中震中距與震級(jí)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

（5）由蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)的原始曲線和殘差序列均明顯可見，2013年岷縣-漳縣6.6級(jí)地震之后NS、EW分量均出現(xiàn)了大幅度的異常變化，該異常變化是什么原因所致還需進(jìn)一步研究。

（6）2015年4月以后蘭州臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)NS、EW分量又達(dá)到高值，且EW分量開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此，建議關(guān)注NS、EW 2個(gè)分量的速率變化情況，若發(fā)現(xiàn)NS、EW分量出現(xiàn)方向相反的同步加速異常變化，則需要進(jìn)行短臨跟蹤，以監(jiān)測(cè)臨潭-宕昌斷裂帶上可能的中強(qiáng)地震活動(dòng)。