蘇維剛，馬震，馮麗麗，趙玉紅，孫璽皓

（青海省地震局，青海西寧810001）

0 引 言

傾斜固體潮觀測是地殼形變觀測的重要手段之一，相關(guān)學(xué)者針對傾斜固體潮觀測資料做了大量的分析研究工作，WU 等[1]通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算固體潮汐的滯后相位；RUOTSALAINEN[2]通過干涉式水位傾斜儀獲得的潮汐傾斜觀測數(shù)據(jù)與地球潮汐和4 個海洋潮汐載荷模型的組合模型進行了對比分析。固體潮潮汐因子是某一分波實測潮汐幅度和理論潮汐幅度的比值，通過表征介質(zhì)彈性模量的變化，直接反映了受應(yīng)力、應(yīng)變作用的地殼介質(zhì)的彈性變化特征[3-4]。文獻［5-7］對潮汐因子的空間分布及地震前的異常變化特征做了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)地震通常在γ值出現(xiàn)異常后發(fā)生。吳翼麟等[8]提出了形變、應(yīng)變前兆信息的合成。文獻［9-10］發(fā)現(xiàn)地傾斜固體潮組合信息與地震有一定的對應(yīng)關(guān)系。牛安福等[11]針對潮汐因子值提出了可用于定量描述異常程度的“異常指數(shù)”和異常檢驗準(zhǔn)則。上述針對傾斜固體潮潮汐因子的研究為捕捉前兆信息提供了可能途徑。

青海省位于晚新生代構(gòu)造變形最強烈的青藏高原東北緣，屬于多震地區(qū)，對于傾斜固體潮信息映震效能檢驗具有天然優(yōu)勢。2007 年數(shù)字前兆觀測臺網(wǎng)建成并投入運行，至今已積累了10 余年的傾斜觀測資料，但在前兆異常提取方面成果欠佳，部分測項雖在強震前出現(xiàn)異常，但因與對應(yīng)地震的間隔時間較長，多在1 a 以上，跟蹤分析存在一定困難。大量傾斜測項由于數(shù)據(jù)被干擾，經(jīng)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)折、階變等突變，給前兆異常的識別和提取帶來很大困難。固體潮潮汐因子是某一分波實測潮汐幅度和理論潮汐幅度的比值，受干擾程度小，異常出現(xiàn)時間與發(fā)震時間間隔較短。本文采用數(shù)據(jù)連續(xù)性較好、觀測質(zhì)量較優(yōu)的格爾木臺和湟源臺傾斜觀測數(shù)據(jù)對傾斜固體潮及其組合信息與強震之間的響應(yīng)特征進行分析和討論，以期獲取更多的短期前兆異常信息。

1 研究區(qū)域環(huán)境概況

青藏高原東北緣地區(qū)是青藏板塊向大陸內(nèi)部擴展的前緣部位，自晚新生代以來構(gòu)造變形十分強烈[12]。格爾木地震臺位于區(qū)內(nèi)柴達木盆地南部，屬典型高原內(nèi)陸盆地干旱氣候，多年平均降水量為42.42 mm，境內(nèi)主要有格爾木河，河流補給以地下水為主。區(qū)域內(nèi)的主要活動斷裂有東昆侖斷裂帶和柴達木北緣斷裂帶，東昆侖斷裂帶是二級新構(gòu)造區(qū)的分界斷裂，以左旋走滑為主，由數(shù)條斜列的壓扭性斷層組成；柴達木北緣斷裂帶由一系列平行斷裂組成，以走滑運動為主，地貌上顯示左旋特征[13]。湟源地震臺地處日月山斷裂帶和拉脊山斷裂帶交匯復(fù)合處的北緣地段，屬于半濕潤、半干旱大陸性氣候，多年平均降水量在400～600 mm，境內(nèi)有湟水和藥水河，主要以降水補給為主。其中熱水-日月山斷裂帶是在柴達木-祁連活動地塊內(nèi)部發(fā)育的1 條NNW向逆-右旋走滑活動斷裂帶，長約183 km，是日月山地區(qū)晚新生代以來控制斷陷盆地及其發(fā)育的活動斷裂[14]，拉脊山斷裂帶南北兩側(cè)分別為拉脊山北緣斷裂和拉脊山南緣斷裂，主要以右旋走滑為主[15]。

格爾木觀測洞室基巖為花崗巖，巖體裸露，水平擺傾斜儀型號為SSQ-2I。湟源臺臺基屬加里東期侵入巖、片麻狀黑云母花崗巖，鉆孔傾斜儀型號為CZB-2A，井孔14.20 m 以上為毛石碎石土，14.20 ～67 m 為花崗巖。

圖1 研究區(qū)域地質(zhì)概況Fig.1 The regional geological survey

2 計算方法

傾斜固體潮潮汐因子為實測潮汐振幅和理論潮汐振幅的比值[5，11]，而此值可以反映地殼在潮汐作用下形變場發(fā)生的微弱變化，通過計算潮汐因子可以獲知地震前地殼巖石彈性的變化[16]。

根據(jù)儀器觀測資料記錄，格爾木水平擺傾斜研究時段為 2007 年 7 月至 2016 年 9 月，湟源鉆孔傾斜研究時段為2013 年1 月至2017 年12 月。傾斜觀測資料主要受氣溫和氣壓的影響，據(jù)蘇維剛等[17]的研究，在月尺度上傾斜觀測與氣溫和氣壓均不相關(guān)，因此，計算中不考慮氣溫、氣壓的影響。以月為步長，選取每月的整點值數(shù)據(jù)，剔除儀器故障和顯著干擾時段的整點值數(shù)據(jù)，通過維尼迪科夫調(diào)和分析方法[18]對傾斜觀測數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析（計算時段內(nèi)各測項的數(shù)據(jù)連續(xù)率均在99%以上，個別月份的整點值數(shù)據(jù)缺失3～10 個，對缺失月份的數(shù)據(jù)進行直接計算和插值后計算，得到的結(jié)果無明顯差異），獲得傾斜固體潮M2 波和O1 波的計算結(jié)果。通過M2 波和O1 波潮汐因子比值的時間序列，判斷出現(xiàn)的階變形變化是否由儀器格值變化引起[19]。

3 組合信息分析

在震源區(qū)，地殼在應(yīng)力應(yīng)變作用下發(fā)生變形，大量微破裂的形成改變了地殼介質(zhì)的各向異性，并隨變形的不斷加劇，剪切應(yīng)變出現(xiàn)異常，剪切應(yīng)變的持續(xù)作用致使其臨震前發(fā)生擴容，使面膨脹因子出現(xiàn)異常。吳翼麟等[8]提出將傾斜固體潮潮汐因子γ 值的南北、東西兩方向進行組合， 即以ΔγEW+ΔγNS表征面膨脹因子， 以ΔγEW-ΔγNS表征該位置的剪切應(yīng)變，以ΔγEW/ΔγNS表征介質(zhì)的各向異性。以年為時間窗，計算特征向量Δγi：

其中，γi為第i月的潮汐因子值，為潮汐因子的年平均值。

4 傾斜固體潮特征分析

4.1 傾斜趨勢變化特征分析

如圖2 所示，格爾木傾斜NS 分量呈趨勢性南傾，且每年9 月左右南傾趨勢變緩，EW 分量具有明顯的年變特征，呈余弦式變化，峰值和谷值分別出現(xiàn)在12 月和6 月。根據(jù)青海省定點形變異常指標(biāo)結(jié)果，在震前一年左右，EW 分量出現(xiàn)破年變異常，可能對應(yīng)6 級以上地震。湟源鉆孔傾斜NS 分量除在2014 年4 月出現(xiàn)巨幅臺階，原因不明外，整體趨勢平穩(wěn)，EW 分量呈東傾變化趨勢。

圖2 格爾木和湟源傾斜趨勢變化特征Fig.2 The tilt trend features of Golmud and Huangyuan

4.2 傾斜固體潮潮汐因子特征分析

如圖3(a)和(c)所示，2007 年 7 月至 2008 年，格爾木傾斜固體潮γ 值成臺階狀變化，而在M2 波和O1波 γ 比值的時間序列中（見圖3（b）和（d）），臺階消失，因此認(rèn)為，該臺階是由格值變化造成的。但2007 年 7 月至 2008 年，γ 值的 NS 分量依然存在顯著變化（見圖3(b)），期間發(fā)生汶川8.0、海西6.3 級等強震，因此，考慮可能與地震的頻繁活動有關(guān)。但由于儀器2007 年7 月才開始運行，尚未穩(wěn)定，可能存在儀器運行不穩(wěn)定問題，為此，在后續(xù)地震響應(yīng)分析中將2009 年1 月作為起始點。格爾木傾斜固體潮潮汐因子自2009 年以來總體變化較為穩(wěn)定，NS 和EW 分量的潮汐因子平均值分別為0.616 和0.691，均方差分別為0.033 7 和0.035 4，相對來看，自運行以來EW 分量的潮汐因子比值離散程度一直較高。

湟源傾斜固體潮潮汐因子整體較為穩(wěn)定，NS 和EW 分量的潮汐因子平均值分別為0.449 和0.552，均方差分別為0.031 和0.015。另外，對比圖3 中的NS 分量和 EW 分量知，2016 年上半年，M2 波 NS 分量的潮汐因子值和潮汐因子比值變化相對較大。

5 傾斜固體潮及其組合信息與強震響應(yīng)特征分析

根據(jù)牛安福[20]對1990 年以來的地傾斜異常與地震關(guān)系的統(tǒng)計以及青海省定點形變指標(biāo)體系整理結(jié)果，在研究中選擇距研究臺站650 km 以內(nèi)的6 級地震、1 500 km 以內(nèi)的7 級地震和2 000 km 以內(nèi)的8級以上地震，其中格爾木臺選擇2009 年1 月至2016年9 月期間的地震，湟源臺選擇2013 年1 月至2017年12 月期間的地震。參考全國Ms5.0 地震目錄。

5.1 潮汐因子與強震響應(yīng)關(guān)系分析

以Δγ 的一倍均方差為閾值線，超閾值則作為異常，統(tǒng)計Δγ 與地震響應(yīng)情況，發(fā)現(xiàn)：超閾值的Δγ 對6級以上強震響應(yīng)較為明顯（見表1）。其中格爾木傾斜NS 分量超閾值時段6 次，響應(yīng)地震4 次，異常報對率為67%，映震率為80%；傾斜EW 分量超閾值時段5 次，響應(yīng)地震5 次，異常報對率為100%，映震率為83%。湟源傾斜NS 分量超閾值時段4 次，響應(yīng)地震2 次，異常報對率為50%，映震率為40%；傾斜EW 分量超閾值時段2 次，響應(yīng)地震2 次，異常報對率為100%，映震率為40%。

圖3 潮汐因子γ 值時序變化特征Fig.3 The temporal variation characteristics of tidal factors γ

如圖4 所示，超閾值的Δγ 對6 級以上強震響應(yīng)主要分為2 種，其中，第1 種響應(yīng)具有較好的中短期預(yù)報意義，格爾木EW 分量的響應(yīng)最明顯，主要表現(xiàn)為：在震前 3～7 個月，Δγ 超出閾值，之后 Δγ 不斷增大或減小，在地震發(fā)生當(dāng)月或次月Δγ 恢復(fù)正常，典型震例有玉樹7.1 級地震、蘆山7.0 級地震、于田7.3級地震、尼泊爾8.1 級地震和門源6.4 級地震。第2種響應(yīng)主要為同震響應(yīng)，在地震當(dāng)月Δγ 超出閾值，在地震發(fā)生次月恢復(fù)正常，典型震例有蘆山7.0 級地震、尼泊爾8.1 級地震和門源6.4 級地震。

5.2 組合信息與強震對應(yīng)關(guān)系分析

通過將傾斜固體潮潮汐因子2 個分量進行組合，獲得剪切應(yīng)變、面膨脹因子以及介質(zhì)各向異性3種特征向量，以每個特征量的一倍均方差為閾值線，超閾值情況如圖5 所示，2 套儀器介質(zhì)各向異性超閾值時段均出現(xiàn)5 次（見圖5(c)和(f)），其中格爾木和湟源映震率分別為100%和40%。除尼泊爾8.1 級地震在震前9 個月出現(xiàn)介質(zhì)各向異性異常外，大多在震前4～5 個月出現(xiàn)異常。此外，總體來看，自2013年下半年開始，2 套儀器所處區(qū)域的介質(zhì)各向異性均處于活躍期。

在震源區(qū)，隨地殼介質(zhì)的各向異性出現(xiàn)異常，變形加劇，剪切應(yīng)變亦出現(xiàn)異常，如圖5(a)和(d)所示，格爾木和湟源，剪切應(yīng)變超閾值時段分別出現(xiàn)5 次和2 次，映震率分別達80%和50%。剪切應(yīng)變在震前1～7 個月出現(xiàn)異常，在應(yīng)力應(yīng)變作用下，剪切應(yīng)變顯著增大，隨地震的不斷臨近，剪切應(yīng)變出現(xiàn)先增后減往復(fù)變化，臨震時發(fā)生擴容，在震后1～5 個月恢復(fù)正常水平。面膨脹因子異常見圖5(b)和(e)。格爾木和湟源面膨脹因子超閾值時段分別出現(xiàn)5 次和3 次，映震率分別為40%和67%，在震前1 個月或震時，面膨脹因子顯著增大，在震后1 個月恢復(fù)正常水平。

表1 潮汐因子與6 級以上強震響應(yīng)情況統(tǒng)計Table 1 The response between tidal factors and the earthquake（M≥ 6）

6 總結(jié)與討論

青藏高原受印度板塊持續(xù)北向推擠，使其東北緣形成NE 向的擠壓應(yīng)力，并在青藏高原形成多處應(yīng)變集中區(qū)，通過GPS 站點數(shù)據(jù)模擬速度場并計算應(yīng)變率場，顯示格爾木臺站所處的西昆侖斷裂帶地區(qū)為應(yīng)變率高值區(qū)，且以近東西向為主[21-22]。從潮汐因子時序變化特征中發(fā)現(xiàn)，自儀器運行以來，格爾木EW 分量潮汐因子比值的離散程度一直較NS 分量的高。這一結(jié)果與前人的研究結(jié)論一致。2016年上半年，湟源NS 分量潮汐因子比值變化較大，而在門源地震前，湟源傾斜NS 分量加速北傾，震后轉(zhuǎn)折南傾，半年左右后復(fù)原，二者也具有較好的一致性。綜合分析表明，傾斜潮汐因子比值的離散程度對所處區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)和方向具有較好的指示意義。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，格爾木傾斜EW 分量異常報對率達到100%，映震率達到83%，說明高離散程度的傾斜分量，即介質(zhì)彈性不穩(wěn)定的傾斜分量，在受到6 級以上強震的應(yīng)力觸發(fā)時，可能具有更加敏感的響應(yīng)。而在3 種特征量與6 級以上強震的響應(yīng)分析中發(fā)現(xiàn)，處于不同區(qū)域的2 套傾斜，其潮汐因子組合信息對于強震的響應(yīng)情況并不相同，其原因可能與測項所處區(qū)域的構(gòu)造活動特征有關(guān)。

圖4 潮汐因子與6 級以上強震響應(yīng)特征Fig.4 The response characteristics between tidal factors and the earthquake（M≥6）

圖5 組合信息與6 級以上強震響應(yīng)特征Fig.5 The response characteristics between combination information and the earthquake（Ms≥ 6）

通過梳理格爾木水平擺傾斜和湟源鉆孔傾斜固體潮及其組合信息特征，并結(jié)合研究區(qū)域的強震分析和討論，得到以下結(jié)論：

6.1 2 套傾斜潮汐因子值的離散程度相當(dāng)，但M2波和O1 波潮汐因子比值的離散程度不同，這種差異對所處區(qū)域的應(yīng)力水平和方向具有較好的指示意義，高離散度的傾斜分量在受到6 級以上強震的應(yīng)力觸發(fā)時，可能具有更加敏感的響應(yīng)。

6.2 傾斜潮汐因子與6 級地震響應(yīng)較好，平均響應(yīng)率達79.25%，具有預(yù)報意義的響應(yīng)次數(shù)占地震總數(shù)的38.25%，主要可分為2 種響應(yīng)，第1 種具有較好的中短期預(yù)報意義，在震前3～7 個月，Δγ 值超出閾值；第2 種為同震響應(yīng)，在地震發(fā)生當(dāng)月，Δγ 值超出閾值。

6.3 在潮汐因子組合信息中，介質(zhì)各向異性主要在震前4～5 個月出現(xiàn)異常，當(dāng)震級超過8 級時，出現(xiàn)異常的時間更早，剪切應(yīng)變在震前1～7 個月出現(xiàn)異常，在震后1～5 個月逐漸恢復(fù)正常水平，面膨脹因子在震前1 個月或震時顯著增大，震后恢復(fù)正常。處于不同區(qū)域的2 套傾斜潮汐因子，其組合信息對于強震的響應(yīng)率并不相同。