0 引言

地震是应力、应变积累与释放的一种结果，地震的孕育过程必然改变震中与周围地区的地壳形变。地质学家李四光曾经指出，地壳形变是地震发生过程中最直接的伴随现象（陈德福，1995），某些测项在地震前后出现异常是必然的（杨成元等，2007）。地震预报是一项以观测技术为基础的工作，连续观测地壳的形变和应变的仪器是做好此项工作的基本工具之一（韩育平，2010）。

甘肃省位于青藏高原东北部边缘及地壳厚度变异带上，横跨我国大陆东部地台与西部地槽区交接带，省内新构造活动强烈，规模巨大的活断层主要有海原至昌马活断层、河西走廊北缘活断层、阿尔金山活断层和西秦岭北缘活断层等，是我国强震主要活动地区之一。为了监测青藏高原东北缘的地壳形变特性，甘肃省地震局于“十五”期间在高台、横梁、寺滩、英鸽、兰州、临夏、武山、两水地震台安装一批CZB型竖直摆倾斜仪（吕品姬，2010）。观测发现，各地震台倾斜资料在地震发生前均有不同程度的异常出现（姜振海等，2006；刘鸿斌等，2013；狄国荣等，2013），整理并分析地震异常特征，有助于未来地震研究与预测工作的开展。

1 CZB型竖直摆倾斜仪布设

CZB型竖直摆倾斜仪由河南省地震局生产，精度高，能分辨10^-10 m量级的位移变化，可以清楚记录到倾斜固体潮汐，仪器性能良好，运行状态稳定，产出数据连续可靠。

“十五”期间，甘肃省地震局在高台、横梁、寺滩、英鸽、兰州、临夏、武山、两水地震台（大多位于青藏块体边缘）架设CZB型竖直摆倾斜仪（图 1），用于观测青藏高原东北缘地壳形变特性。其中：兰州地震台于2000年5月安装，探头置于井下52 m；两水地震台于2000年9月安装，探头置于井下51.0 m；高台地震台CZB型竖直摆倾斜仪于2006年7月架设安装，探头置于井下49.4 m；临夏地震台于2006年12月安装，探头置于井下69.2 m；英鸽地震台于2006年12月安装，探头置于井下74.0 m；横梁地震台于2007年1月安装，探头置于井下54.4 m；寺滩地震台于2007年1月安装，探头置于井下65.3 m；武山地震台于2011年6月安装，探头置于井下51.8 m。CZB型竖直摆倾斜仪在各地震台安装至今，记录到诸多可供研究的异常变化，分析异常特征，可为地震研究与预测提供参考。

2 震前异常变化

2008年以来，中国大陆发生多次破坏性地震，在此以2008年5月12日汶川8.0级地震、2010年4月14日07:49青海玉树7.1级地震、2013年4月20日08:02四川芦山7.0级地震、2013年7月22日07:45岷县6.6级地震、2014年2月12日17:19新疆于田7.3级地震、2014年10月7日21:49云南景谷6.6级地震、2015年4月15日15:39内蒙古阿拉善左旗5.8级地震为例，分析甘肃省8个CZB型竖直摆倾斜仪记录的观测资料，对各地震台站记录在同一地震前出现的异常信息进行对比分析，见图 2—图 8及表 1—表 5。其中，部分CZB型竖直摆倾斜仪观测曲线震前出现台阶变化，部分出现渐进式变化。文中分析所用台阶幅度为台阶高位值与低位值的差值，倾斜固体潮日变幅度为每日正常固体潮分钟值的最高波峰值与最低波谷值的差值。

2.1 2008年5月12日汶川8.0级地震

2008年汶川8.0级地震发生前，高台、寺滩、英鸽、临夏、两水地震台CZB型竖直摆倾斜仪分钟值曲线出现异常变化，见图 2和表 1。

从图 2、表 1可见，高台地震台NS、EW分量4月7日、4月15日出现2次台阶，幅度均大于倾斜潮日变幅3—5倍，且第2次台阶变化距地震发生29天；寺滩地震台EW分量4月27—28日出现急速下降变化，幅度超倾斜潮日变幅约3倍，最后一次台阶变化距地震发生16天；英鸽地震台阵NS、EW分量4月6日、4月26日—27日出现2次下降式台阶，NS分量台阶幅度超倾斜潮日变幅3倍，最后一次台阶变化距地震发生17天；临夏地震台EW分量3月18日—19日、4月17日—18日出现急速上升，最后一次上升变化距地震发生25天；两水地震台3月15日NS、EW分量出现幅度大于2倍倾斜潮日变幅的台阶，3月21日发生新疆于田7.3级地震，汶川8.0级地震前一个月内观测数据变化平稳，3月25日出现一较大台阶。

由各地震台观测曲线最后一次台阶式变化到发震时间可知，除高台地震台外，震中距越小，异常台阶出现越早。

2.2 2010年4月14日07:49青海玉树7.1级地震

2010年4月14日青海玉树发生7.1级地震，甘肃省仅临夏台CZB型竖直摆倾斜仪NS分量震前记录到一些异常变化，其余各地震台均未记录到明显异常，见图 3。可能是因为，临夏地震台地处青藏块体内部，对块体内发生的此次玉树7.1级地震有所反应，块体边界的地震台对内部地震反应不明显。

2.3 2013年4月20日08:02四川芦山7.0级地震

2013年4月20日08:02四川芦山发生7.0级地震，高台、横梁、寺滩、英鸽、兰州、临夏、武山、两水地震台CZB型竖直摆倾斜仪发震前后分钟值变化见图 4和表 2，其中武山、临夏地震台在此次7.0级地震发生前一个月内观测数据曲线无明显异常。

（1）两水、高台地震台。2个地震台2月16日至3月3日观测数据曲线同时出现大幅度变化（变化形态不同，但时间较一致），且高台NS分量出现一个幅度大于倾斜潮日变幅约10倍的鼓包，EW分量出现急速大幅下降变化，15天内下降幅度超过约20倍倾斜潮日变幅，较为少见。两水台2月16日NS、EW分量同时出现幅度大于4倍、8倍倾斜潮日变幅的台阶，2月20日至3月3日出现大幅高频扰动，20天后逐渐平息，至4月20日发生四川芦山7.0级地震，此高频扰动可能是此次7.0级地震前兆异常。

（2）横梁地震台阵。NS分量3月20日至30日出现较大幅度的上升阶跃，4月14日出现幅度大于倾斜潮日变幅3倍的上升台阶，后于第6天发生芦山7.0级地震。

（3）英鸽地震台阵。NS、EW分量3月15日出现幅度在3倍以上倾斜潮日变幅的下降台阶，后于第26天发生芦山7.0级地震。

（4）兰州地震台。NS分量4月3日出现近2倍倾斜潮日变幅的下降台阶，后于第17天发生芦山7.0级地震。

2.4 2013年7月22日07:45岷县6.6级地震

2013年7月22日07:45发生岷县6.6级地震，震源以北分布兰州、英鸽、寺滩、横梁地震台，西北分布临夏、高台地震台，东北分布武山地震台，以南分布两水地震台。各地震台CZB型竖直摆倾斜仪在此次地震前均有不同程度的反应，见图 5和表 3，其中：横梁、英鸽、临夏、武山地震台有较大异常反应，高台、两水地震台在地震前3个月内存在较大异常，寺滩、兰州地震台反应不明显。

2.4.1 异常较大

（1）横梁地震台。NS分量7月12日出现大于倾斜潮日变幅2倍的上升台阶，EW分量在地震前一个月内出现多个台阶并伴有渐进式异常变化，在7月18日—21日观测曲线急剧上升，变化幅度超倾斜潮日变幅6倍。

（2）英鸽地震台。NS分量6月24日（震前28天）出现大于倾斜潮日变幅8倍的下降台阶，EW分量同时出现大于倾斜潮日变幅8倍的上升台阶，并伴有高频扰动。

（3）临夏地震台。NS、EW分量6月2日（震前50天）出现大于倾斜潮日变幅3倍的上升台阶，6月23日后仪器损坏。

（4）武山地震台。台站距青藏块体边界稍远，观测数据稳定，对云南、四川多次地震均无明显反应，对此次岷县6.7级地震（震中距青藏块体较近）反应较为明显，EW分量6月15日至25日出现较为明显的趋势上升。

（5）两水地震台。NS、EW分量观测曲线于5月出现台阶，可能是对5月24日鄂霍次克海8.0级地震的反应，6月11日再次出现台阶（震前41天），可能与7月22日岷县6.7级地震有关。

2.4.2 地震前3个月内存在较大异常

高台地震台EW分量5月初至24日出现急速的趋势性下降，鄂霍次克海8.0级地震后变化停止；两水地震台在5月连续出现较大幅度的3个台阶变化。与汶川8.0级地震前相似，甘肃省内这2个地震台在此次岷县6.6级地震前同时优先出现较大异常。

2.4.3 异常反应不明显

寺滩、兰州地震台对岷县地震反应不明显，可能是因为此次地震位于青藏块体内部，2个地震台距震中较远。

2.5 2014年2月12日17:19新疆于田7.3级地震

2014年2月12日17:19新疆于田发生7.3级地震，高台、横梁、寺滩、英鸽、兰州、武山、两水地震台CZB型倾斜仪在此次地震前无明显异常（临夏地震台仪器损坏，无数据），见图 6，可见甘肃省各地震台CZB型倾斜仪对青藏块体西北边界发生的地震反应不明显。

2.6 2014年10月7日21:49云南景谷6.6级地震

2014年10月7日21:49云南景谷发生6.6级地震，高台、寺滩地震台CZB型竖直摆倾斜仪观测数据反应不明显，其余台均有不同程度的反应，见图 7和表 4。

（1）横梁地震台阵。景谷6.6级地震前观测数据曲线异常较为明显，其中：NS分量9月17日起由下降转为快速上升，至第20天发生地震；EW分量9月1日至23日急剧上升，24日出现转折，变平后下降，转折后第11天发生景谷6.6级地震。

（2）英鸽地震台阵。9月17日起观测数据曲线急剧上升，至第20天发生地震，NS分量存在较多干扰。

（3）兰州地震台。EW分量9月23日开始加速上升，至第14天发生景谷6.6级地震，后曲线变平，NS分量变化不明显。

（4）临夏地震台阵。9月14日—15日观测数据曲线快速上升，幅度超过2倍倾斜潮日变幅，NS分量变化不明显。

（5）武山地震台。EW分量2014年9月26日出现明显转折，观测曲线由快速上升转平，转折后11天发生景谷6.6级地震。

（6）两水地震台。EW分量异常较为明显，既有台阶式异常，也有渐进式趋势异常。EW分量8月21日出现大于倾斜潮日变幅3倍的台阶，NS、EW分量在9月中下旬出现急速的短临趋势下降，9月30日开始转折上升，第8天发生景谷6.6级地震。

2.7 2015年4月15日15:39内蒙阿拉善左旗5.8级地震

2015年4月15日15:39内蒙阿拉善左旗发生5.8级地震，甘肃省各地震台CZB型竖直摆倾斜仪在地震发生前出现不同程度的异常反应，见图 8和表 5。

（1）武山地震台。NS分量3月24日至地震发生，观测数据曲线急速下降，斜率较大，自架设CZB型竖直摆倾斜仪以来，武山地震台首次出现该现象。

（2）兰州地震台。NS分量3月21日—25日出现显著快速上升段，EW分量分别于2月17日—22日、4月10日—15日出现显著上升段，均持续5天，最后一个上升段出现在震前5天，表现为观测曲线急速上升。

（3）寺滩地震台。NS分量3月19日—20日出现较显著的下降段，EW分量3月25日—27日有一个较显著上升段，均持续3天。

（4）临夏地震台。EW分量在此次地震前10天出现快速下降，一天内累计下降幅度超过5倍倾斜潮日变幅，异常明显。

（5）高台地震台。NS分量、EW分量在2月17日、3月12日同时出现台阶，EW分量4月2日—4日出现快速渐进式下降，累计变化幅度超4倍倾斜潮日变幅，异常较明显。

（6）横梁地震台。NS分量3月10日出现倾斜潮日变幅超3倍的台阶，3月25日出现较小的明显台阶。

（7）英鸽地震台。NS分量3月14日—16日出现渐进式下降台阶，4月3日出现上升台阶并伴有高频扰动，EW分量变化不明显。

（8）两水地震台。EW分量2月14日—19日出现阶梯式上升台阶，6天上升幅度超7倍倾斜潮日变幅，3月21日—22日出现上升台阶。

由图 8和表 5可见，甘肃省各CZB型竖直摆倾斜仪对南北地震带北段发生的地震反应较敏感，且由此次5.8级地震异常特征可知，震中距越小，异常反应越强烈。

3 震前异常特征变化机制

上述结果表明，甘肃省各地震台CZB型竖直摆倾斜仪观测资料在震前主要体现2种异常形态：突变的台阶式异常变化和快速的渐进式异常变化。两水地震台、高台地震台、横梁地震台阵、英鸽地震台阵容易出现台阶式异常变化，该变化具有突发性，在地震发生前1—50天时段内某时突然发生观测值超过2—10倍正常倾斜潮日变幅的变化，且台阶变化（上升或下降）出现10天之内发震概率高；武山地震台、兰州地震台、临夏地震台阵、寺滩地震台容易出现快速渐进式异常变化（上升或下降），表现为地震发生前1—50天内某天或几天内观测曲线变化幅度超过2—10倍正常倾斜潮日变幅。分析认为，不同地震台CZB型竖直摆倾斜仪观测资料在地震发生前具有不同的异常形态，可能与各地震台台基岩石硬度、完整程度及构造和地貌等有关。

（1）台阶式异常变化。调查发现，高台地震台基岩为坚硬的花岗岩，靠近祁连山；横梁地震台阵台基为石英质砂砾岩，质地坚硬、致密，钻孔东西两面为岩石裸露的山体；英鸽地震台阵台基为石炭系灰岩，岩石致密坚硬，局部岩石较为破碎；两水地震台台基为破碎石灰岩，周边为高耸的石山。可见，台基岩石硬度高、破碎且基岩出露、地表有山脉的地震台，震前观测曲线易出现台阶变化。究其原因是，地球内部的应力变化或震源处的预破裂导致钻孔所在岩块（不稳定）出现松动，引起倾斜仪探头发生颤动，从而体现在观测曲线的变化趋势上。

（2）渐进式异常变化。倾斜仪观测曲线出现渐进式上升或下降变化，是岩石蠕变形式的体现，是连续的倾斜变化，出现此类变化的地震台站一般位于较为开阔的地带，岩石硬度较低，覆盖层较厚，下伏岩层较深，近处无高山摆动，岩块不容易颤动，武山（台站周边土山较低）、寺滩、临夏、兰州地震台均符合以上条件。

4 讨论 4.1 映震优势地域

上述分析说明，地震台站所处的构造位置不同，对同一地震的反应各异，与所处构造有关的地震即使间距大也可能灵敏反应，与所处构造无关的地震即使间距再小也可能无异常变化（杨成元等，2007）。

高台、横梁、英鸽、两水等地震台地处青藏块体边界，对青藏块体东北边界发生的地震有较好反应。两水地震台距青藏块体东边界的川滇多震区较近，而高台、横梁、英鸽地震台间距较远，但构造关系密切，4个地震台对川滇地区发生的地震均有较好反应，如：2008年5月12日汶川8.0级地震、2013年4月20日芦山7.0级地震。可见，当各地震台站倾斜资料出现异常变化时，不能只考虑附近发生地震的可能，还要考虑远处相关构造区的发震可能，使地震发生地点的预测难度增加，但由表 1的统计结果可以推测，大地震发生前，距离震源越近的地震台站异常出现越早。

武山、兰州、寺滩地震台距青藏块体边界稍远，对该块体边界的地震反应相对不敏感，对川滇地区的地震反应明显弱于两水、高台等地震台。3个地震台对较近处发生的地震反应敏感，如：2013年7月22日岷县6.7级地震、2015年4月15日内蒙阿拉善左旗5.8级地震。利用该特点，有助于分析未来短时间内近处发生地震的可能，若3个地震台倾斜资料出现异常，则考虑附近发生地震的可能。

4.2 震前高频扰动现象

2013年2月19日四川德阳4.9级地震发生后，两水CZB型竖直摆倾斜仪NS、EW分量出现高频扰动现象，持续至3月10日后逐渐平息，于4月20日发生四川芦山7.0级地震。考虑到当时仪器工作正常，观测环境无明显干扰，认为该高频扰动可能是芦山7.0级地震的前兆异常。该类高频扰动现象出现次数不多，尚需积累震例验证。