0 引言

一般认为孕震过程中会引起微量地形变。目前用VS型垂直摆倾斜仪（简称“垂直摆”）观测是获取地形变主要手段之一，也是获取地震前兆信息的重要途径。垂直摆是湖北省地震局地震科学仪器研究院研制的高精度洞体倾斜仪，工作原理为将地表微小的倾斜量转变为电信号输出。主要技术参数为：摆长为100 mm，自震周期为0.3 s，满量程输出超出±2 V，分辨力0.000 1" ，线性度 < 1 %。该仪器具有可长期连续观测、体积小、使用方便、灵敏度高等特性，是目前常用的地倾斜观测仪器。对于垂直摆观测数据的震前异常信息提取主要包括：差分分析法、矢量图轨迹分析法、Venedikov的调和分析法、加卸载响应比法等。其中加卸载响应比分析法已广泛应用于地应变、地倾斜、地磁、地下水位等前兆观测手段，并取得较好预报效果，为预报地震开辟了新的途径（兰双双等，2011）。本文利用南昌地震台垂直摆观测数据，基于加卸载法分析法，对台站周边及邻区震前异常响应关系进行研究，为建立垂直摆的震前异常阈值提供参考和借鉴。

1 台站观测环境

南昌中心地震台（以下简称南昌台）始建于1972年，为Ⅰ类基本台，地处于郯庐断裂带南沿和九江—靖安断裂带南端（图 1）。构造属梅岭隆起，新华夏系NNE向压扭性构造占主导地位；北西为一系列NNE压扭性断裂，呈现多字性构造主体。基性岩浆岩多沿断裂侵入，形成辉长、辉绿岩墙，断裂深度大，辉长岩和辉绿岩墙属于新生代喜山期产物。地质时期地壳构造运动显著。台址处地层岩性属元古代雪峰晚期花岗片麻岩，附近大量花岗岩和片麻岩出露，台基为闪长花岗岩。台站洞室观测条件良好，属于梅岭余脉，山体相对高度约75 m，走向近EW，整体呈EW陡、NS缓的半椭球型。洞室进深约65 m，洞室覆盖层约45 m，年温度变化小于1.0 ℃，日温度变化小于0.1℃。洞室垂直摆倾斜仪观测墩位基底为花岗闪长岩，岩体凸出近0.3 m，面积约1 m²，具体位置见图 2。2007年5月在观测墩位上安装VS型垂直摆倾斜仪，仪器运转总体正常。

2 研究方法及数据分析 2.1 形变固体潮加卸载理论

加卸载响应比理论(Loading/Unloading Response Ratio，简称LURR)是尹祥础等(1987, 1991)根据震源区介质破坏这一自然现象，在断裂力学、损伤力学、非线性科学等研究成果基础上建立起来的一种新的地震预报方法（张昭栋等，1999），近年来，已在形变、电磁、地下水位等前兆手段中取得良好的预报效果。加卸载响应比理论的关键与核心是将系统假设为非线性系统。以往岩石试验的结果表明，当作用在岩石上的应力超过一定值时就会出现非线性变化，不再一一对应，加载和卸载的应力—应变关系存在明显差异。利用加卸载响应比可以研究基岩是否处于非弹性变形阶段。假设当一系统载荷改变为ΔP时，其响应的改变为ΔR；当系统稳态（载荷为P₀）时的响应率为ΔR₀/ΔP₀，载荷为P₁时的响应率为ΔR₁/ΔP₁，则系统对于P₁的响应比Y₁的计算公式为

$ {{Y}_{1}}={}^{\left(\frac{\Delta {{R}_{1}}}{\Delta {{P}_{1}}} \right)}\!\!\diagup\!\!{}_{\left(\frac{\Delta {{R}_{0}}}{\Delta {{P}_{0}}} \right)}\; $

(1)

系统加载（增量为ΔP₊）引起的响应率为ΔR₊/ΔP₊，卸载（增量为ΔP_-）引起的响应率为ΔR_-/ΔP_-，则系统的加卸载响应比Y为

$ Y={}^{\left(\frac{\Delta {{R}_{+}}}{\Delta {{P}_{+}}} \right)}\!\!\diagup\!\!{}_{\left(\frac{\Delta {{R}_{-}}}{\Delta {{P}_{-}}} \right)}\; $

(2)

当系统处于稳定状态时，ΔR₊=ΔR_-，响应比值接近l；当系统偏离稳定状态时，即使ΔP₊ = ΔP_-，ΔR₊也大于ΔR_-，响应比值大于1。由此可得出，加卸载响应比Y能定量说明系统趋向失稳的状态。地震孕育的物理本质是孕震系统介质由稳态向失稳态演变的过程。当地球自转时，地球上各点相对天体产生周期性变化，使得引潮力的大小和方向随时间发生相应的周期性变化，每个周期实际为对地球加载和卸载的一个完整过程，这种自然加卸载过程可以通过地球对引潮力作用的响应（固体潮汐现象）来表示，故形变观测数据的固体潮加卸载响应比，可用来研究地球表面观测点（即观测台站）周围系统由荷载稳态向失稳演化的过程，为获取地震前兆异常提供科学依据。

2.2 观测曲线变化特征

南昌台垂直摆日均值观测曲线长趋势特征及年变周期明显，峰谷年变大致同步，峰值出现在每年3月，谷值出现在每年6月（图 3）。总体而言：NS端向N倾，北倾速率为227.7×10^-3″/a；EW端向E倾，东倾速率为382.1×10^-3″/a。在观测曲线形态上，垂直摆EW端2012年5—8月出现明显畸变，NS端也同步出现。

2.3 震例分析

地震前兆异常与地震均为区域应力水平增高的产物，只是地震多发生在区域应力场增强的后期，尤其是大震。根据加卸载响应比理论，地震前兆异常通常出现在震中及附近有限区域内，且震级越大异常出现的空间范围越大。如：M 3.0—3.9、M 4.0—4.9、M 5.0—5.9地震的异常集中区分别为0—100 km、100—200 km、200—400 km，而M≥7地震异常范围达到上千千米，甚至更远，除震中区出现异常集中分布外，已有研究认为存在部分远场异常点（罗平等，1994；丁鉴海等，1994）。如：江苏宝应M 4.9地震，南昌台垂直摆观测曲线出现显著的破年变异常。基于此，选取2008—2015年南昌台周边及符合远场前兆特征的地震震例（表 1），进行对应关系分析，尝试探究垂直摆震前异常特征。

前人研究（Wang Y C et al，2000；尹祥础等，2008；吕品姬等，2010）认为，地震发生前半年内，加卸载响应比值异常对于相应震中距范围内的地震事件具有检验意义。故根据震例的发震时间，截取前后1年的观测数据进行固体潮加卸载响应比计算，同时进行细致校对，剔除因仪器故障、调格值等因素造成的干扰，计算结果见图 4。由图 4可知，南昌台垂直摆（EW、NS端）固体潮加卸载响应比与所选的地震具有较好的对应关系，出现不同程度的震前高值异常。Y > 1即为失稳的开始，但是选择不同的阈值，其映震效能也不相同，所以判定异常的关键是阈值的合理设置。为了确定加卸载响应比是否为异常的映震，笔者规定以下准则：①确定阈值后，高于阈值的值定为异常，每组异常的实效性为6个月，有效期内以最后高值出现日期为准；②地震可以在异常结束后发生，也可以发生在异常期间内；③若地震发生在若干组异常的共同有效期，则视各组异常均为有效异常，且将峰值作为统计对象。分析图 4发现，阈值设置为Y = 1.3较为合理，异常组对应地震统计见表 2。

由表 2可知：①九江M 3.8地震前，垂直摆NS端出现2组异常，峰值为11.8；EW端对应出现1组异常，峰值1.4（5月12日至6月1日仪器故障）；②安徽霍山M 4.0地震前，垂直摆NS端出现3组高值异常，峰值为6.0；EW端则震前异常不明显；③江苏宝应M 4.9地震前，垂直摆NS端出现2组异常，峰值为14.7；EW端出现1组高值异常，峰值为5.1。此外，2012年4—7月垂直摆两端观测曲线形态出现明显偏离年变趋势的畸变（图 3），进一步佐证了固体潮加卸载响应比的计算结果；④瑞昌M 4.5地震中NS端出现2组异常，峰值为14.2，EW端则未出现明显异常组；⑤四川汶川M 8.0地震前NS、EW两端均出现临震异常，峰值约为1.3。

由5组地震记录可知，发震间隔1—85天不等，EW端间隔普遍大于NS端，且漏报瑞昌M 4.5和霍山M 4.0地震。

3 讨论

笔者将南昌台垂直摆数据进行固体潮加卸载响应比计算及震例进行对应分析，发现存在以下问题：①对于同一震例，垂直摆NS端异常响应幅度明显大于EW端，可能与不同地震孕震动力过程、仪器两端响应差异有关；②各组异常均表现为大幅度阶跃上升之后迅速下降，一般持续时间约5—10天，且地震多发生在异常组消失后的平静期内；③文中异常组的发震时间间隔1—85天不等，与地震震级、震中距无明显相关关系，异常响应幅度与震级、震中距亦无显著相关关系。

以往研究（尹祥础等，2008）表明，80%以上的地震孕育初期加卸载响应比值Y在1附近波动，在强震来临时，加卸载响应比值会持续升高达到最大值，而在地震发生前夕，比值会迅速下降，所以地震多发生在异常组消失后的平静期内。按照地震孕育及震源区产生原理，观测到的异常及典型特征应该是从震源向外连续不断衰减的，一般认为震前异常的响应幅度及发震时间间隔应该与震中距、震级分别呈负、正相关。看似与问题③矛盾，其实不然，因为对于震前异常特征的判定除了要剔除环境、气象、仪器本身漂移及地表噪声(横向不均匀性、地下水位变化、断层活动作用)等干扰外，一般还需要对不同震源区地质构造的动力过程及发震机理有充分认识，可能暗示不同震例发生地的构造背景、孕震的动力过程等趋于复杂。

4 结论

通过对2008—2015年江西省南昌台定点形变垂直摆倾斜仪观测资料进行分析，得出以下结论：①南昌台垂直摆观测年变周期明显，峰谷趋于同步，具有长趋势变化特征。其中NS端N倾，EW端E倾，且NS端倾斜速率明显小于EW端；②对垂直摆数据的固体潮加卸载响应比分析结果表明，异常与震例有较好的对应关系，当异常阈值设置为1.3时，发震前的不同时间窗内，加卸载响应比曲线均出现不同程度偏离稳态的高值异常；③固体潮加卸载响应比异常出现的时间间隔、异常幅度与震级、震中距未表现出明显的比例关系，可能与不同地震的孕震动力过程及地表噪声有关。