1、1河津 4.8 级地震前山西临汾台倾斜前驱波特征分析摘要：采用临汾台 SSQ-2I 型石英摆和 VP 型宽带垂直摆倾斜仪观测资料，运用原始形态曲线方法，对 2010 年 1 月 24 日山西河津 4.8 级地震前观测曲线进行分析。结果表明：在震前两种观测手段都记录到明显的前驱波，其形态特征与岩石力学中的粘滑事件非常相似，应是此次地震前显著的短临异常信息，同时给出了产生慢粘滑现象的机理解释。 关键词：河津 4.8 级地震；倾斜仪；前驱波；慢粘滑；短临异常 中图分类号：P315.3 文献标识码：A 文章编号：1000-0666（2013）02-0160-05 0 引言 20 世纪 70 年代，金森
2、博雄报道了 1960 年 5 月 22 日智利 8.3 级地震前 15min，在相距上万千米的帕萨迪纳地震台的长周期地震仪记录中发现300600s 的长周期波，他将其称之為“前驱波” ，也有人称之為“前兆波” 、 “异常脉动” 、 “蠕动波” 、 “形变波” 、 “应力波” 、 “静地震”等（高金哲等，2005） ；近 10 年来有关前驱波的研究越来越多，涉及到的前兆观测手段主要有定点形变（倾斜、应变） 、地下水位、重力、地震脉动等，但所报道的地震事件大多以上千千米的远震為主（李冬梅等，2002；张淑亮，范雪芳，2003；陈德福，2006；尹亮等，2010；2011；陈双贵等，2011） ，主
3、要反映的是“远场兆效应” ，相对来说，与近震有关的前驱波2研究报道比较少。 本文对 2010 年 1 月 24 日山西河津 4.8 级地震前临汾台倾斜资料分析，发现 SSQ-2I 型石英摆和 VP 型宽带垂直摆在震前 13 个月出现显著的扰动现象，其形态特征不同于该手段以往记录到的远强震前驱波图像，而是与岩石力学中的粘滑事件非常相似，同时对其成因机理及震源过程进行了分析讨论。 1 概况 临汾地震台地处临汾盆地西缘，构造上位于临汾凹陷内的龙祠沉降中心，其中心紧靠控制盆地西缘的罗云山山前断裂，断裂从临汾台附近通过。临汾台的西面為断层下盘，其岩性以奥陶系中统灰岩為主，其东面是断层的上盘，上覆盖第四系
4、上更新黄土，台站的地势表现為自西向东倾斜，东部為晚更新世和全新世河流相堆积广泛分布，沟谷切割轻微。形变观测山洞位于临汾台西面的山梁上，山体為奥陶系中统马家沟组灰岩，岩石质地单一，岩层以中厚层為主，距洞室约 150m 处罗云山断裂从山前通过，该断层為 N40E 走向、倾向 SE 的正断层。山洞建造于 1978年，洞体覆盖厚度為 3240m，洞内年温差小于 0.3，摆体仪器墩是凿山洞时所建，墩体稳定性非常好，观测条件符合洞体形变规范要求。 SSQ-2I 型石英摆倾斜仪（以下简称石英摆）是“十五”项目新增仪器，安装于 2005 年，自 2008 年起进入正式运行，运行以来仪器工作状况稳定；VP 型宽
5、带垂直摆倾斜仪（以下简称宽带摆）是武汉地震仪器研究院研制的新型仪器，由于电路设计使用了新技术，使得该仪器测量频带宽度為 DC0.5Hz，比同类仪器大 20 倍，同时记录地震的幅度也比同3类仪器大 1020 倍（马武刚等，2010） ，宽带摆于 2008 年 8 月底安装，2 套倾斜仪分别安装在观测山洞内 2 个不同的洞室中。 2 前驱波典型特征分析 2.1 远震前驱波特征 2008 至 2009 年 3 月，全球共发生 M7.0 地震 24 次，其中 12 次地震前石英摆都记录到前驱波现象，这在同类型仪器或其它观测手段中是少见的，波形图以“阶跃、连续脉冲状突跳、脉动加粗”等畸变形态為主，出现时
6、间一般在大震前数小时至 7 天左右（高振强等，2009） 。图 1列出了 2008 年临汾台记录到的 3 次 7 级以上地震的 SN 分量远震前驱波特征图。在 2008 年 5 月 12 日汶川 8.0 级地震前两天，石英摆 SN 曲线连续出现数次幅度约 1ms 的阶跃形态，震前 1 天即 5 月 11 日阶跃现象消失，但曲线脉动出现显著增粗且伴有“毛刺”现象（图 1c） 。 2.2 河津地震前驱波特征分析 自 2009 年 3 月 28 日原平 4.2 级地震以来，汾渭地震带（也有学者称為山西地震带）又连续发生 2009 年 11 月 5 日陕西高陵 4.4 级、2010年 1 月 24 日
7、河津 4.8 级、4 月 4 日大同 4.5 级、6 月 5 日太原阳曲 4.6级等地震，其中陕西高陵、河津位于汾渭地震带的南部地区，分别距临汾台 265km 和 89km。 石英摆 SN 分量在 2009 年 10 月 9 日开始记录到连续性的脉动加粗、毛刺等异常信号扰动现象，在 1113 日这种扰动演变為幕式阶跃、错动及幕式尖脉冲事件，且每一幕的扰动时间并不完全相同，扰动事件过程為几分钟至几十分钟不等（图 2） ，该类型异常信号与以前记录的远震前4驱波阶变、连续性脉动变粗、突跳等形态完全不同，而是与脆性岩石力学实验中的粘滑信号（伴随声发射）变化特征非常类似（马胜利等，2008） （图 3）
8、 ，故称其為间歇性的幕式慢粘滑事件，这与图 1 中远震前驱波的形态有很大差异。 2009 年 10 月 14 日以后石英摆 SN 分量固体潮曲线由以往背景光滑的形态变為脉动变粗、毛刺增多等畸变现象，11 月 5 日在陕西高陵发生了4.4 级地震（震中距 265km） ，地震后畸变现象依然存在（图 4） ；1 个月后即 2010 年 1 月曲线畸变现象更加突出，主要表现為 1 月 7 日以后脉动变粗、毛刺增多等扰动现象愈发明显，11 日曲线又出现快速北倾变化，至 13 日北倾幅度约 150ms，14 日以后转為缓慢南倾变化，期间在 915日伴有明显的向下脉冲突跳变化，19 日始南倾速率加快，固体
9、潮形态消失，24 日发生河津 4.8 级地震（图 5） ，同震阶变幅度很小，地震后曲线恢复正常（固体潮形态光滑、清晰） 。因此，上述的慢粘滑及脉动变粗、毛刺增多等前驱波扰动应是河津地震的短临异常信号。 宽带摆 SN 分量在河津地震前后也出现了类似图 2 中粘滑形态的变化图像，具体过程是自 2009 年 12 月 21 日开始连续出现幕式错动及幕式尖脉冲事件，错动方向為北向（向上） ，错动阶跃幅度最大為 25ms，24 日记录到河津地震波，且产生北向同震阶变，幅度达 84ms，每日错动 37次，4.8 级地震后错位现象持续了 7 天左右消失（图 6） ，2010 年 2 月初曲线恢复正常，与石英
10、摆出现的粘滑形态相比（图 3） ，宽带摆的粘滑特征更加明显，持续时间更长（持续约 50 天） ，这可能与两仪器不同的工作周期、频带响应等参数有关。 考虑到宽频带倾斜仪“宽频”5（DC0.5Hz）以及高采样率（秒）的优势，笔者又对粘滑事件每日的秒数据进行了详细分析，经过逐日排查，发现在河津 4.8 级地震前 1h，光滑的曲线出现了幅度约 1ms、周期為 1min 的南向（向下）脉冲状变化（图 7） ，3min 后再次出现幅度為 1ms 的南向（向下）变化，而临汾台的水平摆、垂直摆及侯马台水管倾斜观测等在同时段均未有此类似形态的图像，这也许是宽带摆“发现的”临震异常信号（图 7） 。 2010 年
11、 1 月河津地震后，汾渭带中北部于 4 月、6 月分别发生了大同阳高 4.5 级及阳曲 4.6 级地震，前者震中距临汾台 490km，可能是距离较远的原因，临汾台两倾斜仪并未记录到明显异常，而在阳曲地震前则均记到了小幅度的阶跃、脉动增粗等畸变现象（高振强等，2010） ，但这些异常形态均不是图 2、图 6 中的慢粘滑图像特征。 笔者对近几年石英摆记录曲线统计，发现只要该测项出现阶跃扰动（突跳） 、脉动增粗等前驱波图像之后，往往可能有 7 级左右的远大地震事件发生，但并不是每次大震前都有前驱波现象。根据台站制定的异常落实方案，每当异常出现后观测人员都认真进行观测场地环境实地调查、及时查看仪器工作
12、状态、核对仪器各项工作参数的正确性等检查措施，必要时对仪器进行标定，当排除仪器自身及观测环境等可能的干扰因素后，可认定為地震前驱波现象。 3 幕式错动的机理解释 幕式慢粘滑和脉动变粗、毛刺突跳等现象均属于前驱波现象。脆性岩石力学实验结果证实，伴随声发射的幕式粘滑事件实际上是岩石宏观大破裂前的微破裂，多个幕式发生的微破裂丛集成核最终导致岩石的宏6观快速破裂。王贤仁和卢艳清（2002）曾根据云南地倾斜观测资料推测认為，震前一段时间的幕式阶变错动事件很可能就是岩石的微破裂及粘滑现象，是大震前有效的前兆，但从图 2、6 所示的错动事件来看，其并不具粘滑事件快速破裂（持续时间很短）的特征，并不完全支持幕
13、式慢粘滑事件全部来自断层脆性段微破裂粘滑的成因机理；曾融生（2005）根据对地壳和上地幔的分层结构，提出地壳脆性层应力分布与地震断层存在应力的相互作用，但许多现象说明塑性层可能是地震发生的策源地，由此，上述错动的慢粘滑事件可能部分来自脆性层、部分来自塑性层，两者围绕刚性的地震硬核（孕震体）分布，并最终导致地震核（孕震体）的脆性破裂发震。而脉动变粗、毛刺突跳等扰动形成的机理可能是时间上密集发生的幕式慢粘滑事件相互叠加，形成准连续性的扰动信号。 孕震体破裂前，大量介质破裂及裂隙间粘滑产生的应力降使震源区内应变场进行调整应力降以应力波的形式向四周传递，位于河津震中北部的临汾台两套倾斜仪以阶跃、突跳等
14、形式记录到了粘滑、错动后的变形阶段，而且均是在 SN 分量上记到的，说明扰动具有明显的方向性特征；河津 4.8 级主震后宽带摆幕式粘滑现象并未立即消失，说明孕震体破裂并不能完全释放所有能量，仍有一部分是以多种形式缓慢释放的（如慢地震） ，因此，地震后依旧会出现粘滑、扰动现象。 4 结论与讨论 （1）河津地震前临汾台石英摆和宽带摆记录到了典型的幕式慢粘滑事件（错动、连续阶跃） ，完全不同于远震的前驱波形态，而是与脆性岩石力学实验中的粘滑信号（伴随声发射）变化特征非常类似；其中石英7摆还伴有突跳、脉动变粗、毛刺增多等连续性的扰动变化。 （2）慢粘滑及其扰动事件在仪器记录上具有明确的方向性，这对判定未来震中位置有积极的参考价值。 （3）由于仪器工作周期、动态范围、频带响应等参数的不同，造成两仪器记录前驱波扰动出现的时间段、形态特征等存在明显差异。 （4）建议在同一观测站（点）建立高灵敏度、高采样率、宽频带，或在不同频段上布设多种的同类型定点倾斜形变仪器，组成具有宽频带或低、中、高频段的全面观测系统，这对于捕捉近震的短临异常有实效意义。
