山西昔阳3.0级地震前后石英水平摆异常特征分析

吕永青，宫静芝，宋志英，王振江

(1.山西省地震局昔阳地震台，山西 昔阳 045300；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

多年的观测实践和前人的研究证明，地壳形变异常与地震有直接的关系，地倾斜观测在地震监测预报中发挥着重要作用。利用形变手段，尤其是连续观测的地倾斜及固体潮水平分量可用于地震预报研究。昔阳地震台(以下简称昔阳台)SSQ-2I数字化石英摆倾斜仪安装于2010年10月，是昔阳台实施台站优化改造后安装的一套数字化仪器，是一种可监测地壳形变的高灵敏度仪器，投入观测后产出的观测资料精度高、连续、可靠，能较真实地反映地倾斜的变化。该文着重对2016年11月4日昔阳发生的M3.0地震前后水平摆数据的变化特征进行分析、研究，以找出两者间的关系。

1 台站及观测系统概况

1.1 昔阳台石英水平摆测点地质构造

昔阳台定点形变观测地处山西地震带的东南，靠近山西断裂带和晋获断裂带的交叉点，东距太行山前大断裂地震带约110 km，西距山西断裂带约120 km。位于山西断陷带以东的太行山断块隆起区，台址一带出露的地层主要有奥陶系下统含燧石结核的白云质灰岩及白云岩；奥陶系中统泥灰岩、灰色石灰岩；石灰系上统砂岩、砂质页岩及煤层；新生界第四系的中更新统离石黄土和上更新统马兰黄土。基岩构造上位于其东部赞皇隆起和南部沁水凹陷的过渡地带，沁水煤盆地东北边缘，以北北东向构造为主，同时存在北南向和北东向构造。台址以北约380 m处为大寨断层，走向N38°E，倾向NW，倾角70°，长8 km，沿断层线有新生代玄武岩出露。大寨断层属晋获断裂带，晋获断裂带全长330 km，最新活动时代为中更新世。

1.2 昔阳台石英摆倾斜仪观测系统介绍

昔阳台形变观测山洞于1971年12月底建成，1972年4月金属水平摆倾斜仪安装并投入观测，2008年4月对观测山洞进行改造，金属水平摆倾斜仪停测，2010年10月安装SSQ-2I石英水平摆倾斜仪并投入试运行,2012年7月试运行阶段结束，观测数据并入中国地震前兆台网中心系统。仪器安装后的固有倾角值NS测向为0.132 86″，EW测向为0.127 76″；摆体直角边距离NS测向为328.5 mm，EW测向为330 mm。

2 石英水平摆观测在平遥3.6级地震前后的变化特征分析

昔阳台石英水平摆投入观测以来，发生的地方震较少，对2014年4月发生的平遥M3.6地震的震前观测数据进行分析，发现存在震前异常。

2014年3月15日23时，昔阳台水平摆数据出现向西南方向的阶跃式加速倾斜变化，两测项开始变化时间一致，至16日3时左右，南北向数据下降24.8 ms左右，东西向下降105.2 ms左右(见第16页图1)。4月4日在台站西南方向直线距离约137 km的平遥县发生M3.6地震。在发现数据异常变化后，台站开展异常核实的相关工作，排除环境变化和仪器自身原因等影响因素[1]，认为此次数据变化可能是平遥地震的震前异常。

图1 2014年平遥3.6级地震前昔阳台石英水平摆变化曲线Fig.1 Variation of quartz horizontal pendulum at Xiyang station before the Pingyao M3.6 earthquake in 2014

3 昔阳M3.0地震前后水平摆观测变化特征分析

3.1 原始数据变化形态

由2016年11月1日至10日的整点值曲线图2看出，NS向和EW向在震前均有一个缓慢上升的过程，在震前数小时均发生转折，NS向的变化幅度比EW向稍大。11月4日地震后，两测向同步加速倾斜，NS向向北，EW向向东。

图2 昔阳3.0级地震前后石英水平摆整点值曲线Fig.2 Hour values of quartz-horizontal pendulum around the Xiyang M3.0 earthquake

3.2 滤波和差分分析

时间信号表面上反映物理量的大小随时间的变化规律，只能直观反映该物理量的部分信息，很多重要的信息蕴含在其内部[2]。滤波是对信号最基本的处理，通过滤除信号中的噪声，将信号变成易于识别的形式，提取其特征参数等。

对2016年11月1日至10日水平摆整点值数据进行三点线性滤波分析发现，在昔阳M3.0地震前48 h左右，两测向均出现一定的高值异常。震后，滤波值恢复正常(见图3)。

图3 石英水平摆整点值及三点线性滤波图Fig.3 Three-point linear filtering of hour values recorded by the quartz-horizontal pendulum

3.3 频谱分析

地震前兆数据处理属于广义地球物理反演，是在地面上进行观测，希望得到图像随时间的变化[3]。地震前兆信息对固体潮观测频率段信息的干扰形式主要有两种：一是对信息模量的干扰，使其增大或减小；二是对观测信息总频率域的干扰，导致固体潮观测信息的正常频率域发生变化，出现一些非潮汐频率段的信息-前兆性特征频谱[4]。所研究的观测仪器SSQ-2I水平摆倾斜仪使用低通滤波器，允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声，具有准确度高、动态范围大、抗干扰能力强、长期稳定性好等优点。

通过快速傅里叶变换得到地震前兆振幅谱[5]，分析昔阳M3.0地震前后石英水平摆倾斜仪前兆信号中包含的谐波分量，确定主要影响因素及频率，获得时域测量中未得到的信息。

在振幅谱分析中，选用11月1日至10日的石英水平摆倾斜分钟值数据， NS向的结果显示振幅谱中存在 1个变化幅度大的波动，为单峰值形态，频率为23×10-3Hz(见图4a)；EW向分析结果显示振幅谱中存在 1个变化幅度大的波动，为单峰值形态，频率为15×10-3Hz(见图4b)；地震序列最大余震或震群主震发生后，谱振幅相关系数处于平均值水平并保持稳定[6]，随后地震活动逐渐趋于平静。对比分析后的数据看出，昔阳台石英水平摆倾斜仪在昔阳M3.0地震前存在变化幅度较大的波动，两个分量出现的波动时间接近。

图4 昔阳台石英水平摆倾斜NS、EW向分钟值频谱图Fig.4 Spectrum of minute values in the NS and EW direction of quartz horizontal pendulum tiltmeter at Xiyang station

4 结论与讨论

(1) 昔阳台SSQ-2I石英水平摆倾斜仪在地方震前可以捕捉到一定量级的前兆信息，但由于前兆异常情况复杂，提取和判别较困难。

(2) 昔阳台水平摆NS向和EW向2016年11月1日至10日的原始观测值在昔阳M3.0地震前均出现上升过程，并在震前数小时分别出现转折现象。

(3) 通过对2016年11月1日至10日的整点值数据进行三点线性滤波分析，在昔阳M3.0地震前的11月2日两个测项出现高值异常。

(4) 选用11月1日至10日的石英水平摆倾斜NS、EW向分钟值数据，通过快速傅里叶变换得到地震前兆振幅谱数据表明，昔阳M3.0地震前存在变化幅度较大的波动，两个分量出现的时间较为接近。

(5) 根据上述研究，所得结论可尝试应用于昔阳地方震的短临异常判别。

由于该仪器自观测以来记录的地方震较少，还需通过积累震例来研究验证震前数据变化幅度与地震发生的时、空、强之间的关系。希望通过此途径对震前前兆异常和地震的关系进行定量研究，并尝试把结果应用于地震预报研究。