0 引言

地震前兆是地震预报的基础，形变观测是地震前兆观测的重要组成部分。当前，通过数字化形变观测，可以捕捉到地壳介质的微动态变化，为地震研究提供了丰富的地球物理数据。因此，通过分析连续观测的形变资料，捕捉震前中、短、临阶段异常变化信息，可以为地震科学研究和地震预测预报提供参考。根据以往对地震前兆异常的研究，发生中强及以上地震前，震源附近近场区往往存在前兆异常，而地壳形变连续观测是直接捕捉这种前兆信息的有效方法之一（王新刚等，2009；郭威，2016；李欣蔚等，2022；续外芬等，2023）。此外，结合断层活动状态，可在一定程度上解释断层应力改变与地震之间的关系（徐东卓等，2021；洪敏等，2023）。

2022年11月19日，云南红河发生M_S 5.0地震，石屏水平摆震前出现显著中长期异常变化。通过尝试使用多种分析方法，讨论石屏形变观测站水平摆倾斜仪（下文简称水平摆）记录数据变化特征，并对地震预报效能（陈梦等，2020）进行回溯分析，探讨水平摆形变测项的映震效能。通过震例分析，为研究区地震预测预报和短临跟踪分析工作提供参考。

1 基础资料 1.1 构造背景

石屏形变观测站（下文简称石屏站）建于1982年10月，地处石屏县异龙镇西侧，距县城约3 km。

在区域构造上，石屏站位于川滇菱形块体东南缘，小江断裂带西侧，区域构造复杂，主要受NW向石屏—建水断裂带、曲江断裂以及近NS—NNE向小江断裂带南段等控制和影响（图 1），台基岩性为早元古代昆阳群大龙口组（Pt1d）板岩、绢云母板岩等（马震等，2016）。该区域构造活动强烈，中强地震频发，多次发生M≥6.0破坏性地震，最大地震为1970年通海M_S 7.8地震。

1.2 观测山洞及仪器参数

石屏站观测山洞进深约90 m，地表覆盖层厚约20 m，洞室温度恒定，常年保持在18.5 ℃ ± 1 ℃，相对湿度大于90%，气压年平均为840 hPa。

硐室内曾架设石英水平摆、强震仪、磁通门磁力仪，目前均已停测。钻孔应变仪置于硐室外观测井（井深60 m），2013年5月探头损坏，后停止观测。目前，仅SSQ-2I型水平摆倾斜仪正常运行。水平摆所在硐室长3.7 m、宽2.0 m、高2.6 m以上（图 2）。基岩墩（1.2 m×0.8 m×0.4 m）利用高标号水泥砂浆粘接到基岩面上，摆墩四周设防震槽，墩顶面水平。该水平摆2007年6月开始观测，仪器故障率低，固体潮明显，数据连续、可靠。

2 异常出现及核实

石屏站水平摆NS分量自2022年起呈低值、破年变现象，期间有多次小幅度起伏活动，截至2022年6月20日，仍未明显转折上升，幅度约为514×10^-3″，只有往年同期的18%；EW分量2022年5月21日起快速下降，截至2022年6月20日，幅度约为3 684×10^-3″。

2.1 水平摆人工按压摆体模拟实验

异常出现后，为评估传感器、测量系统以及数据采集系统工作状态，对水平摆进行人工按压摆体模拟实验，即依次按压摆体的北端和南端（NS向）以及东端和西端（EW向），以模拟观测墩倾斜情况。按压测试结束后，将实验结果与观测系统实时数据进行对比，发现曲线变化基本反映了模拟实验的过程（图 3），表明其观测系统运行正常，说明水平摆形变观测数据异常非观测系统故障所致，记录数据可靠。

2.2 石屏跨断层资料

在对石屏水平摆异常跟踪过程中发现，石屏跨断层短水准2—1（距石屏站北侧约11 km）测线，在2021年12月24日老挝M_S 6.0地震及此次红河M_S 5.0地震前，均出现大幅度拉张现象，且在此次红河M_S 5.0地震前的拉张幅度更显著（图 4）。这种震前拉张现象表明，石屏周边应力存在逐渐积累的过程，在此背景下，水平摆表现出明显异常，表明石屏水平摆映震异常效果显著。

3 震前异常特征

在此次红河M_S 5.0地震前，石屏水平摆NS分量出现低值、破年变现象，EW分量出现快速下降现象。该变化出现时，台站周边不存在干扰因素，且仪器工作正常，为此采用不同方法进行分析，以判断这些异常现象的性质。

3.1 形态分析法

形态分析是根据原始资料和数据变化形态进行统计、分析的一种方法（云南省地震局，2005）。通常，运行良好的形变观测仪器所得到的观测资料均具有正常背景值与正常动态特征，在无震和无干扰情况下，一旦正常变化规律被打破而出现不同幅度和形态的异常变化时，便可以认为该区域出现了前兆异常（何应文，2017）。选取石屏水平摆2015—2023年观测数据，分析原始动态曲线变化特征，和速率差分曲线变化，结果见图 5、图 6。

由图 5可见：自2015年以来，石屏水平摆NS分量年变动态特征较为清晰，2022年4月初开始，出现拉张速率下降、日变幅减小的异常现象，持续至2022年10月（共213天），11月1日开始曲线加速上升，18天后发生此次红河M_S 5.0地震；2022年5月21日起，石屏水平摆EW分量快速下降，期间受降雨影响有上升波动，降雨结束后仍持续下降，后在7月15日—8月28日出现仪器故障，8月29日经维修恢复运行，观测数据仍呈下降趋势，10月19日转折后缓慢上升，后于11月19日发生红河M_S 5.0地震；震后NS、EW分量异常逐渐消失，恢复正常年变趋势。因此，此次红河M_S 5.0地震前石屏水平摆两分量年变形态均出现异常变化。

以往震例表明，此次水平摆EW分量的快速西倾与2018年和2021年现象类似。其中：2018年异常出现后，发生2次通海M_S 5.0和墨江M_S 5.9地震；2021年异常出现后，发生老挝M_S 6.0地震。通过统计石屏水平摆EW分量震前异常特征（表 1），发现主要特征表现为快速下降，异常持续时间相对较长（5—9个月），并在转折过程中发震。此次异常下降幅度比2021年稍小，但速率较快。

3.2 速率差分法异常判定

速率差分是以任意时间为窗长，通过差分获取不同尺度的活动速率异常，根据窗长选择的差异，可获取短期、中期、趋势速率异常（蒋骏等，2000；李杰等，2006）。选取石屏水平摆2015—2023年观测数据，以10天为窗长，1天为步长，进行速率差分分析，明显可见数据具有中、短期异常特征。由图 6可见：除2017年受停电影响出现突跳和缺数外，NS分量速率差分值呈夏低而冬天平稳的一定年变特征，当差分值超过2倍方差线时，对应发生通海2次M_S 5.0、墨江M_S 5.9和老挝M_S 6.0地震，且在此次红河地震前出现上升突跳阶变，该阶变与以往状态不同；EW分量速率差分值无明显年变和异常特征，2017年受停电影响出现突跳和缺数，当差分值超过2倍方差线时，石屏及周边地区均有M≥5.0地震对应。

4 预报效能回溯分析

R值评分方法由许绍燮等（1989）提出，该方法在检验前兆异常信度和地震预报效能方面得到了广泛应用和认可（颜龙等，2022）。R值检验公式如下

$R=\frac{\text { 应报对地震次数 }}{\text { 应预报地震总次数 }}-\frac{\text { 预报占用时间 }}{\text { 预报研究的总时间 }}$

(1)

以云南地区（21°—29°N，97°—106°E）为研究区，以石屏站为圆心，分别选取半径200 km（M_S 5.0—5.9）、300 km（M_S 6.0—6.9）、500 km（M_S≥7.0）范围对应的地震目录，采用R值评分方法，基于阈值、破年变、不同速率差分（分别为30天、60天、90天）何趋势转折等计算方法，选取此次红河M_S 5.0地震前，石屏水平摆2015年1月1日—2022年10月31日数据进行预报效能回溯分析，结果见表 2、图 7、图 8。

由表 2、图 7、图 8可知：①R值检验结果：除NS分量破年变类未通过R值检验，NS分量其他各类和EW分量全部通过R值检验。②预测效能：速率类和趋势转折类预测效能较好，优势对应时段为中长期。其中，速率类以12个月为窗长，以有效去除年周期影响，获得断层活动的中期异常。如：在通海2次M_S 5.0、墨江M_S 5.9和老挝M_S 6.0地震前，石屏水平摆NS、EW分量的速率类异常现象较明显。由此说明，在此次红河地震发生前，石屏水平摆异常信度较高，具有较好的预报效能。

综上可知，R值检验结果表明，石屏水平摆EW、NS分量异常与周边中强震存在较为显著的相关性，且对于时间尺度的预测偏向中长期。

5 结论与讨论

综上所述，2022年红河M_S 5.0地震前，石屏水平摆倾斜仪呈明显的趋势性中长期异常，具体结论如下：

（1）人工按压摆体模拟实验表明，石屏水平摆观测系统运行正常，形变观测数据质量稳定、可靠。

（2）震前NS分量呈破年变、EW分量呈快速下降变化。水平摆NS分量日均值年变曲线打破正常年变规律，呈明显的低值异常，异常持续约11个月；EW分量在2022年5月开始快速下降，表现出与以往震例发生前相同的特征，异常持续时间约为5个月。

（3）速率差分结果表明：当EW、NS分量差分值超过2倍方差线时，石屏及周边地区多次发生5.0级及以上地震，且EW分量差分值特征更显著。

（4）预报效能结果表明，石屏水平摆EW、NS分量异常与周边中强震具有较好的相关性，且对于时间尺度的预测偏向中长期。

需要注意的是，单台水平摆异常对于地点、时间和震级大小的相关性不明确，应结合区域其他形变资料进行综合分析。