0 引言

地震短临预测方法的预测时效性对于减轻灾害损失具有重要的现实意义。1974年，Kanamori等（1974）研究发现，在1960年智利8.3级地震前15 min，在相距近万千米的美国帕萨迪纳地震台记录到震荡周期为300—600 s的长周期波，该波由主破裂前震源区巨大而缓慢的形变引起，命名为“前驱波”。这一发现为地震短临预测提供了研究方向（黄永祥等，1979；韩元杰，1984）。车用太等（2002）基于山西省朔州井水位动态观测约10年的原始记录，分析发现，该井水位观测在远大强震前的“前驱波”记录占比达38%，波动周期为数分钟至数十分钟。张淑亮等（2011）利用山西、河北、内蒙古等地区5口映震能力较强观测井水位观测资料，对前驱波普遍性问题进行了探讨，结果表明，强震前井水位前驱波现象较为普遍，占比可达65.1%，且震前有前驱波记录的观测井占研究区井总数的66.7%。周龙寿等（2009a，b）利用不同时期、不同台站钻孔体应变仪观测资料，分析了2次8级以上强震和5年时间尺度内大于7.5级强远震前观测资料，结果均表明，强远震前15天内不能普遍检测到前驱波。以上研究表明，并非所有强震前都能观测到前驱波现象，地震前驱波是强震前兆的充分而非必要条件。

北京时间2016年12月17日18时51分，在新爱尔兰地区发生M_S 7.8地震（4.53°S，153.47°E），震源深度110 km。通过对全国358个地形变观测台站形变观测数据进行分析，发现震前约1小时，在新疆的库尔勒霍拉山台、石场台、榆树沟台、巴里坤台、阿合奇台、精河台、木垒台和河北的怀来台、丰宁台，水平摆倾斜仪均记录到形变波波动现象，其他形变台站和测项均未在该时段发现类似现象。然而，在同一发震构造带上，2017年1月22日12时30分所罗门群岛M_S 7.9地震（6.19°S，155.14°E）和2016年12月9日1时38分所罗门群岛M_S 7.8地震（10.67°S，161.32°E）前，我国地形变测项均未记录到类似异常现象。此次地震前形变波异常波动与前驱波相似，但在波动特征、不同台站记录同步性和事件重复性上却有所差异。本文对此次地震形变低频波动异常特征及成因进行分析和讨论，并对地震源兆和场兆问题进行探讨。

1 水平摆倾斜仪异常现象观测 1.1 异常现象

在2016年12月17日新爱尔兰地区发生M_S 7.8地震前1小时左右，河北的怀来台、丰宁台，新疆的霍拉山台、石场台、榆树沟台、巴里坤台、阿合奇台、精河台和木垒台，水平摆倾斜仪观测数据波形均出现波动，且异常持续时间约1小时。由于异常波动现象分布的广域特征和准同步性，排除气压、异常天气、海潮等非构造因素影响的可能性。榆树沟台水平摆完整记录到此次地震波形（图 1），震中及各台站空间分布见图 2，其中板块边界数据来自Bird（2003）的板块边界数字模型。

1.2 观测设备

河北的怀来台、丰宁台和新疆除精河台外的7个形变台站，地面倾斜观测均采用SQ-70D型石英水平摆倾斜仪（下文简称水平摆）。该仪器由中国地震局地球物理研究所仪器厂（国家地震局地震仪器厂）生产，用于固定台站长期观测，以监测地面倾斜变化，其分辨力优于0.000 2″，动态范围≥80 dB，采样率为1 p/min。精河台采用SSQ-2型石英水平摆倾斜仪（下文简称水平摆）。该仪器由中国地震局地震预测研究所研制，仪器性能与SQ-70D型石英水平摆倾斜仪类似，分辨率优于0.000 5″。

在观测到异常波动的9个台站中，怀来台同时配备水管倾斜仪、垂直摆倾斜仪、洞体应变仪和体应变仪，丰宁台配备垂直摆倾斜仪，霍拉山台配备水管倾斜仪、垂直摆倾斜仪、洞体应变仪，石场台配备垂直摆倾斜仪、钻孔倾斜仪，精河台和榆树沟台配备水管倾斜仪和洞体应变仪，且榆树沟台同时配备钻孔应变仪和钻孔倾斜仪。在以上各台站水平摆倾斜仪记录到异常扰动的时段内，其他形变观测设备均未记录到类似异常波动信号。

1.3 异常特征

此次新爱尔兰M_S 7.8地震发生前，我国9个形变观测台站水平摆均记录到异常现象（木垒台EW分量为空数据），原始观测曲线见图 3，可见震前约1小时，异常波动清晰、可辨。地震波到达上述台站后，记录的波动幅度较大，为了能显示震前波动记录与地震波到时的关系特性，图 3中同时绘出2种波形，并在绘图时对地震波形进行了压制，以凸显形变波的震前变化特征。

由图 3可见，此次地震前，9个台站水平摆记录的异常波动起始时间并不一致。其中：河北2个台站记录的震前波动起始时间均在18时前，而新疆7个台站记录的震前波动起始时间出现在18时前后，表现出波动起始时间的不一致性。各台站记录的具体起始时间见表 1。

由图 2和表 1可知，震中距相对最小的河北怀来台和丰宁台最早记录到异常信号，其次是新疆木垒台，尽管该台以西的巴里坤台震中距更小，但其记录到异常信号的起始时间却较晚，与震中距相对较大的库尔勒霍拉山台时间相同。震中距最大的阿合奇台，异常起始时间早于震中距更小的石场台和精河台，且仅比位于台站以西相距1 200 km以上的阿奇合台早1 min。由表 1可知，河北2个台站记录的异常持续时间一致，为70 min，而新疆7个台站异常持续时间在60—65 min。若取P波速度为5.0—7.0 km/s，S波速度为3.5—4.7 km/s，震中距为8 000 km，则计算得到P波与S波到时差为9.32—11.4 min，可见到时差远小于波动异常持续时间，说明该异常波并非此次地震P波震相。此外，通过对比分析同台观测的气象设备数据，判断该波动非气象因素所致。因此，由于存在到时不确定性以及异常信号持续时间差异性，难以对异常信号同源性问题给出合理解释。

需要说明的是，因水平摆观测未采用GPS授时，各台站记录时间可能存在差异，但异常持续时间为二者差值，应相对准确。

2 异常信号时频分析

在进行功率谱分析时，最大步长的选取会对显著周期的计算结果产生影响，而周期变化特征在时间域内无法体现其变化情况。小波变换在时间域和频率域均具有表征信号局部变化特征的能力，适合于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，且计算时不易受到人为因素的影响，计算结果较为可靠。

对于离散情况，小波系列为

$ \mathit{\Psi}_{j, k}(t)=2^{-j / 2} \mathit{\Psi}\left(2^{-j} t-k\right) \quad j, k \in Z $

(1)

对于任意函数f (t)∈L²(R)，连续小波变换为

$ W_f(a, b)=\left\langle f, \mathit{\Psi}_{a, b}\right\rangle=|a|^{-1 / 2} \int_R f(t) \bar{\mathit{\Psi}}((t-b) / a) \mathrm{d} t $

(2)

本研究选用Morlet小波为基本小波，其在容许条件下的表达式（乐贵明等，2004）为

$ \mathit{\Psi}(t)=\pi^{-1 / 4} \mathrm{e}^{-i \omega_0 t} \cdot \mathrm{e}^{-x^2 / 2} \quad \omega_0 \geqslant 5 $

(3)

由于Morlet小波是复小波（高静怀等，1997；夏洪瑞，2008），其小波功率谱密度计算表达式可写为

$ P_f=\int|W(a, b)|^2 \mathrm{~d} b $

(4)

基于公式（4），计算各台站异常波动显著周期，统计结果见表 2。

由表 2可知：除库尔勒霍拉山台、石场台、巴里坤台以外，其他不同方位的5个台站记录的异常波动的显著周期存在差异，其中新疆地区台站差异较小，河北地区台站差异略大。

截取2017年12月17日17时30分至19时9个台站水平摆震前异常波动数据进行小波变换分析，所得结果见图 4、图 5。由图 4、图 5可知，在此次新爱尔兰M_S 7.8地震发生前，上述9个台站水平摆记录的异常波动，其特征周期存在明显差异，表明各台站水平摆记录的异常波动传播速度存在差异。

3 讨论 3.1 震源条件

1996年2月至1997年9月，Crescentini等（1999）在意大利中部山洞中使用激光干涉仪记录2个垂直方向上基线的应变变化时，记录到几个震群的180多个前驱波，并发现地震矩与断裂持续时间相关，而断裂持时长短可为长周期形变波的产生和传播提供解释依据。2016年12月17日18时51分，新爱尔兰地区M_S 7.8地震发生前1小时左右，我国境内的9个台站观测到长周期形变波。然而，在相同构造带上，于2017年1月22日12时30分发生的所罗门群岛M_S 7.9地震[震中（6.19°S，155.14°E），震源深度160 km]，以及2016年12月9日1时38分发生的所罗门群岛M_S 7.8地震[震中（10.67°S，161.32°E），震源深度40 km]，上述9个台站并未记录到前驱波。通过对比3次M≥7.8大地震的震源条件，可以对此次前驱波机理进行解释。

3.1.1 地震矩速率

据USGS网站资料，3次M≥7.8地震的矩速率分布见图 6。由图 6可见，2016年12月17日新爱尔兰M_S 7.8地震的地震矩速率相对峰值变化时长在0—80 s之间，而2017年1月22日所罗门群岛M_S 7.9和2016年12月9日所罗门群岛M_S 7.8地震的矩速率变化峰值时长在0—20 s之间。也就是说，2016年新爱尔兰M_S 7.8地震矩释放时间比2017年所罗门群岛M_S 7.9和2016年所罗门群岛M_S 7.8地震约长4倍，意味着此次新爱尔兰地震产生了更长周期的地震波。

3.1.2 断层面特征

基于震源机制解结果，据USGS网站资料，3次M≥7.8地震的断层面滑动分布见图 7，图中：黑色箭头表示断层面走向，即上盘相对下盘的运动方向（倾角）；五角星为震源位置；不同颜色表示滑动幅度；等值线显示破裂初始时间（以秒计时）。

由图 7可见：2016年12月17日新爱尔兰M_S 7.8地震断层面浅界面滑动由更深的板内断层（震源区）引发（其中模拟了2个平面解），无论深部板内断层或浅界面，滑动方向均以NW向为主。而2017年1月22日所罗门群岛M_S 7.9地震和2016年12月9日所罗门群岛M_S 7.8地震断层面滑动则均以N向或NE向为主。

3.2 前驱波可能性分析

目前，对前驱波尚未有明确定义。通常，其被定义为震前周期为几十秒到几十分钟的地面波动，主要特征包括持续时间较长、振幅较大，是从不同观测仪器记录的前驱波图像中总结而来。通过对大量资料的对比分析，认为重力观测、地下水位观测、海洋验潮观测、地形变观测等均可以监测到类似地震前驱波现象（Kizawa，1972；冯德益等，1984；陈益惠等，1988；赵根模等，2001；车用太等，2002；张淑亮等, 2003, 2009, 2011；陈德福，2006）。据赵根模等（2001）的统计，前驱波有效观测距离为40—8 000 km，小于2 000 km的占比约81%。在此次新爱尔兰M_S 7.8地震发生前，除以上9个台站（新疆7个台站距震中均在8 000 km以上），我国大部分地震形变台站，即使距离震中相对较近的台站，在相同时段内也未记录到类似波动信号。而且，9个台站中不同台站记录的异常波动现象存在以下明显差异：①异常波动持续时间存在差异，河北2个台站比新疆7个台站的异常持续时间至少长5 min；②同一台站记录的异常波动振幅和波形，在不同分量上存在差异；③异常波动变化的特征周期存在差异，甚至在同一台站不同分量记录上差异也较为明显，表现出异常波动在传播方向上的不均匀性。

大量理论与实验研究（李世愚等，2010；马瑾等，2012；刘耀炜等，2015；蒋海昆等，2024）表明，在地震破裂成核过程中或孕震系统进入非线性亚失稳临界状态阶段，容易出现暂态长周期波动信号，这些信号在重力、形变和流体观测中都被记录到。目前认为所谓前驱波可能由此产生，且该异常现象是震源在成核过程中发射出的一种低频波。冯德益等（1984）利用断裂力学和流变介质中波的传播理论，提出断裂与扩展理论，认为震前地壳内的长周期波可能由断层预滑或断裂预扩展产生，其周期一般为几十秒至几小时。同时，该理论认为，断裂预扩展在地壳介质中产生的长周期形变波具有较明显的频散特性，其传播波形会不断发生变化。

假如此次新爱尔兰地震前形变波异常扰动信号来自震源前驱波，而在我国358个地形变观测台站中，仅9个台站记录到此次地震的前驱波，占比约为2.5%。地处同一发震构造带上的另外2次基本同期发生的M≥7.8地震，即2017年1月22日所罗门群岛M_S 7.9和2016年12月9日所罗门群岛M_S 7.8地震前，上述台站均未记录到类似波动信号。若认定此次形变波异常为前驱波，即认为波动信号来自震源，则鉴于当前对前驱波的认知，将很难合理解释此次异常信号在空间分布上的不均匀性、事件的不可重复性和波动传播的选择性等问题。

3.3 场兆、源兆及台站观测条件

20世纪七八十年代，我国地震科学家，如郭增建等（1973）、张肇诚（1987）等，据地震前兆观测范围的差异性提出“场兆”和“源兆”的思想。其中，源兆指震源形成和演化过程中在震源区及近源区出现的各种异常效应。场兆为地质构造块体在边界力作用下形成的区域应力场，由于块体内部以及块体之间存在结构不均匀性，导致在某些特殊部位形成多个应力集中区，有的可能发展为孕震区，而有的则可能成为反映应力变化的敏感点。场兆在观测上表现为在大范围区域应力场作用下敏感点观测到的异常现象，其来源不一定是震源（张国民等，1991；车用太等，1997；牛安福，2007）。

台站观测条件指较有利的大型地质构造条件和具体观测台站下方的台址条件（包括介质局部弹塑性条件、电性非均匀条件、局部水文条件等）。在观测到该前驱波的9个台站中，有7个台站沿新疆天山构造带分布。此构造带南部为塔里木盆地，盆地南缘为昆仑山构造系。这种地质构造格局构成了青藏高原西北缘独特的盆—岭构造景观，其中一个重要特点是盆—山边界以大型冲断带和走滑断裂带为标志，山脉和盆地受冲断系控制，背冲断裂系夹持山系和隆起带，对冲断裂系夹持盆地和坳陷区。西昆仑山系中新世以来的快速隆升和塔里木盆地的相对沉降使这一特点更加突出（马钦忠等，2003）。在我国东部地区，只有河北的怀来台、丰宁台水平摆同时观测到该形变波动。上述2个台站位于河北省北部的燕山构造系，其南部为大型冲积平原，台址具有燕山构造系与沉积平原边界区域特点（图 2）。

由实际观测结果可知，上述9个台站可能位于2016年12月17日新爱尔兰M_S 7.8地震大范围区域构造应力场作用下的敏感点位置。形变波波动信号源可能来自此次地震所产生的边界力在地质构造块体之间形成的局部区域多个应力集中区应力场变化，而并非由震源直接产生。通过与相同构造带上其他2次不同地震的对比可知，该观测现象的出现有其特殊性，并不是在相同构造带，震中距接近、震级相当的地震就能产生类似现象。这也表明，该现象的出现是一种综合作用的结果，其与震源、大范围区域构造应力场和台站观测条件及观测设备均有密切联系。

4 结论

通过对此次新爱尔兰地区M_S 7.8地震前我国地形变观测资料的梳理，结合上述9个台站水平摆观测资料的震前扰动异常分析，可以得出以下认识：

（1）此次震前异常现象仅出现在新疆和河北的9个形变台站水平摆观测记录中，同一台站的其他观测手段均未记录到波动异常。此次震前异常波动现象在中国大陆地区分布上表现出不均匀性。

（2）除库尔勒霍拉山台、石场台和巴里坤台外，其余5个台站（木垒台仅NS向记录，不做统计）记录的异常扰动周期变化表现出EW、NS分量周期和振幅不一致的现象。此次震前异常波动特征明显，波动能量整体上表现出由强至持续减弱的特征，并与地震波在时间上有较好的衔接。

（3）分析发现，各台记录的扰动异常在持续时间、振幅和周期上存在差异，此次新爱尔兰地区M_S 7.8地震前，我国9个台站记录的形变波波动信号源可能来自此次地震所产生的边界力，该边界力在不同地质构造块体之间形成多个应力局部集中区。应力局部集中区应力场发生变化导致了此次震前异常波动现象产生，即此次异常波动信号源可能来自台站周边地区，而并非由震源直接产生。

（4）通过对同一地质构造区域3次M≥7.8地震震源条件的对比，表明9个台站前驱波现象的出现是一种综合作用的结果，现象重复性低。其成因与震源、不同地质块体区域构造应力场和台站观测条件、观测仪器性能均有密切联系。