山西昔陽(yáng)地震臺(tái)水平擺異常綜合分析

李宏偉，呂 睿，陳永前

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

數(shù)字石英水平擺傾斜儀是一種監(jiān)測(cè)水平方向傾斜變化的高靈敏度觀測(cè)儀器，能夠直接探測(cè)到地殼形變的微弱變化，對(duì)于獲取震前異常信號(hào)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。由于觀測(cè)儀器的靈敏度較高，觀測(cè)曲線上易疊加許多復(fù)雜的干擾信號(hào)，在進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)分析處理時(shí)，必須經(jīng)過(guò)異常核實(shí)，才能較為準(zhǔn)確地對(duì)異常變化的性質(zhì)做出科學(xué)、合理的判定[3-6]。

根據(jù)中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司制定的異常核實(shí)規(guī)范流程，對(duì)2019年3月11日山西昔陽(yáng)地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱昔陽(yáng)臺(tái))水平擺兩分量加速傾斜變化進(jìn)行系統(tǒng)的排查、分析，并結(jié)合震例和深部構(gòu)造特征，給出異常變化的性質(zhì)及可能的指示意義。

1 臺(tái)站背景概況

1.1 地震地質(zhì)背景

昔陽(yáng)臺(tái)位于山西斷陷帶以東的太行山斷塊隆起區(qū)，且太行隆起區(qū)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的新構(gòu)造單元。此隆起區(qū)內(nèi)發(fā)育的主要斷裂為晉獲斷裂帶，其西側(cè)發(fā)育井陘-左權(quán)斷裂帶，與晉獲斷裂帶平行延展，而昔陽(yáng)、和順等小型斷陷盆地邊界受井陘-左權(quán)斷裂帶控制，至今仍有一定的活動(dòng)性。昔陽(yáng)地區(qū)處于太原-石家莊橫向隆起構(gòu)造帶(即38°帶)與NNE斷裂帶的復(fù)合部位，構(gòu)造復(fù)雜，地殼介質(zhì)比較破碎，是區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化的敏感部位[7]。

昔陽(yáng)臺(tái)處在昔陽(yáng)小型斷陷盆地東緣，向北約380 m處為大寨斷層，該斷層走向N38°E，傾向NW，傾角70°，長(zhǎng)8 km。大寨斷層屬井陘-左權(quán)斷裂帶，該斷裂帶由24條大小不等的斷裂組成，總體走向NNE，其最新活動(dòng)時(shí)代為中更新世[8]。

2017年12月-2019年3月，在山西中部地區(qū)至河北中南部出現(xiàn)3次ML≥3.0地震、5次小震密集活動(dòng)及1次震群活動(dòng)(見第37頁(yè)圖1)。2018年10月31日出現(xiàn)邢臺(tái)窗開窗異常，2019年3月9日河北饒陽(yáng)發(fā)生小震密集活動(dòng)現(xiàn)象，可能預(yù)示著這一區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)在增強(qiáng)。

1.2 形變觀測(cè)概況

昔陽(yáng)臺(tái)形變觀測(cè)山洞于1971年12月底建成，2008年4月對(duì)觀測(cè)山洞進(jìn)行改造，山洞進(jìn)深40.67 m，覆蓋層厚度平均約為15 m，洞口與儀器室之間設(shè)置4道船艙門、1道玻璃推拉門相隔，溫度日變化小于0.1 ℃，年變化小于0.4 ℃，除雨季受降雨影響明顯外，臺(tái)站周圍無(wú)明顯干擾源。由于洞體覆蓋層較薄，自觀測(cè)以來(lái)，數(shù)據(jù)短期加速傾斜變化主要受降雨影響。2010年10月安裝SSQ-2I石英擺傾斜儀，經(jīng)試運(yùn)行,觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定，同震變化記錄清晰，于2012年7月10日正式納入“十五”中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)中心管理系統(tǒng)。

2 異常性質(zhì)分析

2.1 異常描述

圖1 昔陽(yáng)地震臺(tái)附近地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造及地震分布圖Fig.1 Geological structure and seismic distribution near Xiyang seismic station

自2019年3月11日EW分量加速東傾變化，NS分量加速南傾變化，至17日，NS分量最大變幅為21.14×10-3角秒，EW分量為106×10-3角秒(見圖2)。在3月12日以后速率變化逐漸平緩，類似變化在山西中南部2次M3.6地震前曾出現(xiàn)過(guò)。

圖2 昔陽(yáng)臺(tái)水平擺異常曲線圖Fig.2 Abnormal curve of horizontal pendulum in Xiyang seismic station

2.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析

(1) 供電系統(tǒng)檢查。

昔陽(yáng)觀測(cè)山洞供電采用UPS逆變電源向洞內(nèi)各儀器室提供220 V交流工作電壓。按異常核實(shí)工作規(guī)范要求，首先，檢查昔陽(yáng)觀測(cè)山洞UPS逆變電源供電系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)切換UPS電源主機(jī)交、直流供電方式，主機(jī)運(yùn)行及輸出電壓均正常；同時(shí)測(cè)定了接地電阻也顯示正常，表明山洞供電系統(tǒng)工作正常。

(2) 儀器工作狀態(tài)檢查。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)查，昔陽(yáng)臺(tái)水平擺傾斜儀主機(jī)光源燈供電、熄滅時(shí)間間隔穩(wěn)定，CCD光電轉(zhuǎn)換器運(yùn)轉(zhuǎn)正常，傾斜儀數(shù)據(jù)采集器顯示運(yùn)行狀態(tài)正常，數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)正常；通過(guò)進(jìn)山洞實(shí)地檢查發(fā)現(xiàn)，昔陽(yáng)臺(tái)觀測(cè)山洞較為潮濕，濕度為80%(山洞背景濕度約80%左右)，但山洞積水坑無(wú)積水現(xiàn)象。

(3) 儀器標(biāo)定、觀測(cè)日志調(diào)查。

查閱昔陽(yáng)臺(tái)水平擺歷年格值校準(zhǔn)表(見表1)，兩分量歷次校準(zhǔn)格值變化穩(wěn)定，滿足中國(guó)地震局形變學(xué)科地傾斜格值重復(fù)精度小于1%的校準(zhǔn)要求，說(shuō)明昔陽(yáng)臺(tái)水平擺儀器工作狀態(tài)長(zhǎng)期穩(wěn)定。2018年10月1日標(biāo)定系統(tǒng)故障，因此，在此次調(diào)查中，無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，但根據(jù)數(shù)據(jù)的異常形態(tài)以及歷次格值變化情況，此次數(shù)據(jù)變化與格值關(guān)系不大。

查閱2012年以來(lái)昔陽(yáng)臺(tái)水平擺傾斜儀的觀測(cè)日志，主要干擾因素為震擾、降雨干擾、電源故障以及標(biāo)定儀器的干擾，之前的數(shù)據(jù)分析表明，這些類型的干擾對(duì)水平擺傾斜儀的影響主要為短時(shí)的階變、臺(tái)階等類型，且數(shù)據(jù)無(wú)固體潮汐記錄，而此次數(shù)據(jù)異常持續(xù)時(shí)間為2 d左右，并且固體潮記錄清晰，因此，與之前的主要干擾因素不符合。

表1 昔陽(yáng)臺(tái)水平擺歷年格值標(biāo)定表Table 1 Calibration table of horizontal pendulum calendar in Xiyang seismic station

(4) 觀測(cè)環(huán)境干擾情況調(diào)查。

對(duì)臺(tái)站周圍觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查與巡檢，近期臺(tái)站周圍無(wú)施工、無(wú)明顯人為活動(dòng)跡象及曾經(jīng)易積水的地方也未發(fā)現(xiàn)積水的存在。

(5) 氣象因素調(diào)查。

昔陽(yáng)臺(tái)氣溫、氣壓自觀測(cè)以來(lái)呈現(xiàn)穩(wěn)定的年變動(dòng)態(tài)，異常變化前后未出現(xiàn)氣溫、氣壓大幅度升降變化(見圖3)。

昔陽(yáng)臺(tái)水平擺受降雨干擾比較明顯，EW分量受降雨的影響形態(tài)為短期加速西傾變化，此次異常變化前無(wú)降水情況，周圍用水情況也正常，因此，可以排除此次大幅傾斜變化系降水影響所致。

圖3 昔陽(yáng)臺(tái)氣溫、氣壓曲線圖Fig.3 Curve of Temperature and Air Pressure in Xiyang seismic station

2.3 數(shù)據(jù)變化分析

(1) 觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性分析。

采用調(diào)和分析法計(jì)算自觀測(cè)以來(lái)水平擺兩分量M2波潮汐因子和振幅因子時(shí)序曲線，如果測(cè)站地下介質(zhì)均勻、儀器工作正常，觀測(cè)值應(yīng)該是平穩(wěn)變化的。經(jīng)計(jì)算顯示，M2波潮汐因子時(shí)序曲線除去因干擾造成的數(shù)據(jù)突跳，其余時(shí)段變化平穩(wěn)，此次數(shù)據(jù)加速傾斜變化前后M2波潮汐因子和振幅因子變化相對(duì)平穩(wěn)(見圖4、圖5)，說(shuō)明觀測(cè)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定可靠。

圖4 M2波潮汐因子Fig.4 Tidal factor of M2 wave

(2) 區(qū)域GPS基線分析。

通過(guò)任意2個(gè)GPS站間的同步觀測(cè)值可構(gòu)成基線向量，根據(jù)GPS站位移時(shí)間序列可以建立GPS基線向量的時(shí)間序列。文章中基線時(shí)間序列通過(guò)計(jì)算橢球面兩點(diǎn)間大地線的長(zhǎng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)[9-10]。

選取昔陽(yáng)臺(tái)周圍的3個(gè)GPS連續(xù)站點(diǎn)，基線空間分布如圖6所示，計(jì)算臺(tái)站附近NE、NW向2條GPS基線。

圖5 振幅因子響應(yīng)比Fig.5 Amplitude factor response ratio

由基線解算結(jié)果可知，NW向的SXYC-HELY(山西榆次-河北隆堯)基線2016年以后由之前穩(wěn)定的拉伸轉(zhuǎn)為持續(xù)縮短(見圖7a)，尤其2018年以來(lái)縮短速率增大，表明了NW向擠壓活動(dòng)增強(qiáng)；NE向SXYC-HELQ(山西榆次-河北鹿泉)基線2016年由之前平穩(wěn)變化轉(zhuǎn)為持續(xù)的拉伸(見圖7b)，2018年以來(lái)拉伸速率也較之前有所增大，表明該區(qū)域2018年以來(lái)應(yīng)力場(chǎng)在持續(xù)增強(qiáng)。

圖6 GPS基線空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of GPS baseline

(3) 近期小震活動(dòng)特點(diǎn)。

自2018年9月至2019年3月，山西中部地區(qū)至河北中南部出現(xiàn)2次ML≥3.0地震、3次小震密集活動(dòng)及1次震群活動(dòng)(見第39頁(yè)表2、圖8)。2019年3月9日河北饒陽(yáng)發(fā)生小震密集活動(dòng)及仍在預(yù)測(cè)有效期范圍內(nèi)的邢臺(tái)窗2018年10月31日出現(xiàn)的開窗異常等，可能預(yù)示著這一區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)在增強(qiáng)。

2.4 震例回溯性分析

昔陽(yáng)臺(tái)水平擺自觀測(cè)以來(lái)，除去因降雨影響造成的數(shù)據(jù)短期加速傾斜變化外，一共出現(xiàn)過(guò)2次較顯著的短臨異常。兩次異常后，在山西中南部分別發(fā)生了平遙3.6級(jí)地震和霍州3.6級(jí)地震。此次數(shù)據(jù)變化形態(tài)與之前兩次地震前異常形態(tài)相似，現(xiàn)對(duì)兩次震例數(shù)據(jù)變化特征分析如下：

圖7 GPS基線時(shí)序圖Fig.7 GPS baseline sequence diagram

表2 山西中部至河北中南部一帶小震活動(dòng)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of small earthquake activities in the area from Central Shanxi to south central Hebei

圖8 山西中部至河北中南部一帶小震活動(dòng)分布圖Fig.8 Distribution of small earthquakes in the area from Central Shanxi to south central Hebei

(1) 平遙3.6級(jí)地震。

昔陽(yáng)臺(tái)水平擺從2014年3月16日EW分量加速西傾變化，NS分量加速南傾變化，NS變化幅度62.79×10-3角秒，EW變化幅度為133.75×10-3角秒，19 d后在太原盆地南段發(fā)生平遙3.6級(jí)地震(見圖9)。

圖9 平遙3.6級(jí)地震前數(shù)據(jù)短期變化曲線圖Fig.9 Short term change curve of data before Pingyao M3.6 earthquake

(2) 霍州3.6級(jí)地震。

昔陽(yáng)臺(tái)水平擺從2017年12月2日EW分量加速西傾變化，NS分量加速南傾變化，NS變化幅度93×10-3角秒，EW變化幅度為56×10-3角秒，106 d后在臨汾盆地北段發(fā)生霍州3.6級(jí)地震(見圖10)。

圖10 霍州3.6級(jí)地震前數(shù)據(jù)短期變化曲線圖Fig.10 Short term change curve of data before Huozhou M3.6 earthquake

2.5 測(cè)區(qū)周圍深部構(gòu)造分析

已有研究表明,山西中部地區(qū)(N38°附近)存在近EW向的低速體條帶，該帶介質(zhì)略“軟”于南北兩側(cè)介質(zhì)體[11-14]。吳昊昱[15]應(yīng)用背景噪聲研究山西中部地區(qū)橫向構(gòu)造，研究表明，周期10 s與12 s的群速度(對(duì)9～12 km深度敏感)圖像顯示太原盆地及其東側(cè)形成一個(gè)包括太谷、榆次、左權(quán)、昔陽(yáng)在內(nèi)的EW向低速區(qū)，長(zhǎng)約150 km、寬約50 km,其東端抵達(dá)太行山前斷裂位置，與晉獲斷裂帶相交(見第40頁(yè)圖11)。

另外，邢集善等[7]認(rèn)為太原EW古構(gòu)造帶(即38°帶)是晉北“軟塊”(巖石圈厚度75～80 km)和晉南“硬塊”(巖石圈厚度100～120 km)的縫合帶，在長(zhǎng)期地質(zhì)發(fā)展過(guò)程中起著重要的控制和界限作用。

圖11 10 s和12 s周期瑞利波群速度層析成像圖Fig.11 Velocity tomographys of 10 s and 12 s periodic Rayleigh waves

綜上所述，從深部構(gòu)造的角度分析認(rèn)為，昔陽(yáng)與太原盆地處于同一古構(gòu)造單元，是應(yīng)力易于集中的部位。因此，昔陽(yáng)臺(tái)水平擺異常指示山西中部的地震也是符合構(gòu)造機(jī)理，可作為此構(gòu)造帶地震危險(xiǎn)性判別的依據(jù)。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，昔陽(yáng)臺(tái)水平擺異常期間，儀器工作正常，無(wú)明顯的環(huán)境變化和人為干擾影響，且M2波潮汐因子以及振幅因子時(shí)序曲線在數(shù)據(jù)變化前后變化穩(wěn)定，因此,觀測(cè)數(shù)據(jù)變化真實(shí)可靠。通過(guò)GPS基線分析以及近期小震活動(dòng)性分析，均表明2016年以來(lái)臺(tái)站所在區(qū)域背景應(yīng)力場(chǎng)在持續(xù)增強(qiáng)。

根據(jù)歷史和現(xiàn)代地震活動(dòng)以及震例回溯，并結(jié)合中部地區(qū)的深部構(gòu)造特征，認(rèn)為此次異常對(duì)山西中南部地區(qū)中等地震的發(fā)生具有一定的指示意義，應(yīng)密切注意昔陽(yáng)至太原盆地其他地球物理異常的發(fā)展變化。