唐春呈，岳 冲，张 羽，吕 晗，李晴晴

（1. 吉林省地震局，吉林 长春 130117；2. 中国地震台网中心，北京 100045）

0 引言

长春双阳地震台西靠伊通—舒兰断裂带，在其它三个方向上也有次一级的北西向构造，台站恰好处于北东和北西向两组构造的交汇处，区域构造比较复杂[1]。台基岩性为燕山期花岗岩，台站观测山洞内可见花岗岩较为破碎，节理发育，出露有两条次级小断层，断层走向北西，倾向北东，发育有断层次级断层擦痕，为逆断层性质。

地震台于1979 年建成观测用房，山洞进深240m，观测室距山洞洞口44m，洞体无人工被覆，洞顶最厚覆盖38m，表面具有完整植被，洞温年变幅度小于0.5℃，湿度保持92%左右。2000 年8 月，在“九五”数字化改造项目中安装DSQ 型浮子型数字自记水管仪、SS-Y 型数字伸缩仪，同年12 月安装VS 型垂直摆倾斜仪（2014 年更换为VP 型垂直摆）。双阳台台基岩性为海西期花岗岩。东西基线长23.42m，方位角为288.9°，南北基线长度为33.18m，方位角为200.5°，跨北西向断层。双阳台DSQ 型水管倾斜仪NS 分量自2008 年数字化观测以来，运行状态稳定，观测资料质量可靠优秀[2]。

本次研究对象为2019 年双阳水管出现的加速S 倾异常，通过合理、科学的分析，判定该异常情况的异常性质，并结合以往松原强地震发生前双阳台DSQ 型水管倾斜仪的变化特征[3]，进一步研究该测项异常的出现对周边发生中强地震的指示意义。

1 水管倾斜观测概况及周边历史地震情况

通过对双阳DSQ 型水管倾斜NS 分量数据跟踪（数据选取2008 年初至2019 年末数据进行处理），结果显示NS 分量日均值变化曲线存在明显的年变形态，每年6—8 月到达峰值，之后开始转折下降，在12 月到次年的1 月到达最低值，之后转折上升，正常的年变幅度约为50～80ms。其中2012 年初双阳台NS 分量出现破年变异常情况[4]，2013 年该测项年变幅度有所回升，在此期间距离台站200km 的松原前郭发生5.8 级震群活动[5-6]（5 次 5 级以上地震），之后2014 年转为趋势性异常，2017 年异常结束（图 1-2）。

图1 双阳水管日均值曲线Fig.1 Daily mean value curves of Shuangyang water tube

台站周边发生地震较少，在历史上发生过石溪ML3.9、大旺ML4.2 等中小强度地震。台站处于重要的构造部位，在距离台站200km 的松原地区，发生了两次中强地震事件，分别为2006 年乾安—前郭M5.0 地震和 2013 年前郭M5.8 震群活动，DSQ 型水管倾斜NS 分量在两次地震前都存在前兆异常，具体表现为观测日均值数据在两次地震发生前1～2 年，出现趋势S 倾变化，并在下降过程中发生地震，在震后1～2 年恢复。

在松原几次5 级以上地震活动事件中，水管NS 分量都出现了异常变化，而水管EW 分量没有出现明显的异常情况，主要因为台站西靠北东向的伊通—舒兰断裂带，山洞内出露北西向次级断裂（图3），在地震孕育过程中北西向次级断裂更容易显现出构造应力的变化过程，因而在中强地震孕育前，NS 分量往往能够捕捉到一些地震前兆信息。2019 年该测项再次出现异常，NS 分量年变幅度明显高于往年水平，并且数据曲线持续下降，无回升迹象。截至2019年 12 月 31 日，NS 分量 S 倾年变幅度为168ms，是2017 年、2018 年正常年变幅度的3倍左右（图4）。结合以往该区域中强地震前NS 分量出现的异常情况，分析该异常性质，进一步判定该区构造应力状态十分重要。

图2 双阳台周边地震分布Fig.2 Earthquake distribution arround Shuangyang Seismic Station

图3 双阳台观测洞内断裂Fig.3 Fault in observing cave of Shuangyang Seismic Station

图4 双阳水管南北分量2017—2019 年日均值对比曲线Fig.4 Comparison curve of the daily mean values of the north-south components of the Shuangyang water tube from 2017 to 2019

2 异常分析

针对双阳台 DSQ 型水管倾斜仪破年变的成因，在出现异常变化后，笔者进行了两次现场异常核实，对各个影响因素进行逐一排查、分析。分析情况如下：

2.1 水管倾斜仪工作状态

对DSQ 水管倾斜的标定记录、工作报告和观测日志进行检查，调查对象符合日常工作要求和《管理规范》；经现场勘查双阳台形变洞室仪器供电系统正常，数据采集系统工作正常；DSQ 型水管倾斜工作正常；进洞仪器勘验钵体无破裂，没有漏水情况，胶皮管正常，水质清澈透明，仪器底座无锈蚀。分析判定仪器处于正常的工作状态。

2.2 观测环境变化

2019 年双阳地区雨量较大，观测洞山体受此影响储水能力饱和，山洞内自2019 年8 月份开始出现渗水情况，其中洞内积水最深处能淹没膝盖（粗略估计40cm 到50cm 左右），于10月份开始进行抽水，目前洞内水已经抽干，这些因素可能会对观测数据造成影响[7-8]。通过对该异常的继续跟踪，截止到2020 年1 月31 日，该山洞积水已经消失，洞体环境恢复正常，但异常仍然持续，因而观测环境变化不是异常出现的主要原因。

2.3 潮汐因子分析

观测洞体受洞内渗水的影响，致使观测山洞墙壁潮湿明显、山体有明显的漏水情况、地面有积水，观测环境的改变可能降低仪器数据的可靠性。为了进一步分析双阳台水管倾斜NS分量快速变化期间数据的可靠性[9]，计算了2017、2018、2019 年6—9 月降雨较为集中的时段内双阳台水管NS 分量的M2波潮汐因子（窗长30天，滑动步长2 天）（表1），计算结果显示双阳水管NS 分量M2波潮汐因子稳定在0.53 左右，强降雨改变山洞环境未对仪器观测造成影响，数据质量可靠（图5）。

图5 2017—2019 年6—9 月期间M2 波潮汐因子Fig.5 M2 wave tide factor in the period from June to September in 2017，2018 and 2019

表1 2017、2018、2019 年6—9 月期间双阳水管NS 分量潮汐因子

续表

2.4 周边环境影响

台站周边没有明显建筑施工或对台站造成荷载影响的工程；台站正南方向300m 处有一条河道，经台站人员介绍，在今年8 月、9 月连续强降雨期间，该河道出现短暂漫滩情况，这条河道是双阳水库的泄洪渠，通过实地考察，河道高度约3m，宽度平均约为8m，该河道目前水量稀少、大部分地区被冰雪覆盖，无法对台站造成荷载影响，因而台站周边干扰不是异常出现的主要原因。

2.5 水库荷载影响

双阳水管倾斜自2016 年更换钵体后，每年7—8 月降雨集中的时节，水管倾斜NS 分量出现多次快速S 倾之后缓慢回升的短期变化，通过对台站周边环境干扰源进行排查，结果显示，该区域集中降雨后可能引起较大荷载影响的主要为东南方向距离台站3.7km 的双阳湖水库。统计2016 年至2019 年双阳湖水位变化较大月份的水位差结果，分别为：1.36m、0.44m、0.8m、2.0m；计算出2016 年至2019 年双阳湖水位出现较大水位差时，对应的双阳水管NS分量变化量，结果分别为：20.94ms、19.88ms、30.93ms、60.32ms。为此对双阳湖水库进行数字模拟，在模拟过程中共设计了两种岩石模型：① 全花岗岩模型；② 50ms 覆盖层+花岗岩模型。模拟结果显示：在水位落差最大时（2m），双阳水管NS 分量最大变化值为79.63ms（图6），就目前168ms 的大幅S 倾变化，排除仪器干扰因素外，单以水位变化引起荷载影响需达4m左右的幅度，与目前监测的湖水位的结果不一致（表2、图7）。因而可以判定，水库的荷载作用，也不是造成本次异常情况出现的原因。

图7 双阳台水管NS 分量实际观测与数值模拟结果对比Fig.7 Comparison of actual observation and numerical simulation results of NS component of Shuangyang water tube

表2 模拟结果与实测结果表

图6 双阳台NS 分量与双阳湖水库时间序列图Fig.6 Shuangyang Lake Reservoir NS component and time series diagram

以上是对仪器工作状态、观测环境、数据可靠性、周边环境影响、周边荷载影响等方面的研究，综合分析认为该异常与以上相关因素无关，判定其为前兆异常[10-11]。

3 结论与讨论

在反应地壳形变垂直的相对运动和固体潮汐的动态变化中，水管倾斜仪是形变学科中不可缺少的一部分；同时也提供了地球固体潮汐、地壳岩石性质及地球参数等实验数据。在以往的研究中，水管倾斜仪也是研究地震前兆的重要手段[12]。

本次研究发现，综合对仪器的工作状态、观测环境、数据可靠性、周边环境影响、周边荷载影响的调查分析之后，得出双阳DSQ 型水管倾斜仪的前兆异常是客观存在的。自2013 年以来吉林省几次5 级中强地震前，该观测系统都出现了较为明显的前兆异常，因而它是分析吉林省中强地震发生概率的重要依据（最新的效能评估结果显示，该测项R=0.68，R0=0.56）。该前兆异常的出现，为松原震区未来中强地震趋势研判提供参考依据，建议加强对松原震区的地震监测，密切关注该地区的震情变化。

在本次调查中发现，双阳台DSQ 型水管倾斜仪在2016 年之后全部更换为不锈钢钵体，在实际的现场调查中，不锈钢的钵体对比原来的石英钵体来说存在一些弊端，主要体现在钵体内部的情况和水质情况不能准确的掌握，在仪器工作状态判定上存在盲点。今后还要对双阳DSQ 型水管进行密切观测，建议在厂家的帮助下，对钵体内部的水质和工作状态进行分析判定，确定其影响大小，使异常信度更高。