倾斜椭圆潮汐因子及地震预报研究

第21卷　第3期地 震
V o l
.21,N o .3 2001年7月
EA R THQUA KE
Ju l
.,2001　倾斜椭圆潮汐因子及地震预报研究
Ξ
黎凯武,钱家栋,唐九安,延旭东
(中国地震局分析预报中心,北京　100036)
摘要:从固体潮理论出发证明了分点大潮倾斜潮的特征图像是一个椭圆,推广到一般朔望大潮也存在大潮倾斜椭圆,因而可以计算椭圆潮汐因子,滇西地震预报试验场及其附近地区的观测表明,椭圆潮汐因子异常与强震有良好的相关性,并从物理意义上进行了解释。

关键词:椭圆潮汐因子;地震预报;相关性
中图分类号:P 312.4;P 315.69 文献标识码:A 文章编号:100023274(2001)0320046205
1　倾斜椭圆潮汐因子简介
1.1　分点大潮的天文条件和日月零纬时窗
地球固体潮是由于日月和地球空间位置决定的时间函数,地球上点A 处的引潮力位T (A )=T m (A )+T s (A )、T m (A )、T s (A )分别为月日的引潮力位。

即
T m (A )=D
C m
r m 3
r R
2
3
13-sin 2Υ
13-sin 2∆m +
sin2Υsin2∆m co s H m +co s 2Υco s 2
∆m co s2H m
(1)
T s (A )=D
C s
r s
3
r
R
2
3
13
-sin 2Υ13
-sin 2∆s +
sin2Υsin2∆s co s H s +co s 2Υco s 2∆s co s2H s
(2)
式(1)和式(2)中,D 为杜德森常数,C m 是地心至月心的平均距离,r m 是地心至月心的距离,R 是地球的平均半径,r 是点A 至地心的向径,Υ是点A 的地理纬度,∆0是月亮赤纬,H m 是月亮时角,C s 是地心至日心的平均距离,r s 是地心至日心的距离,∆s 是太阳赤纬,H s 是太阳时角。

由式(1)和式(2)可知潮汐运动是时刻变化的复杂运动,由调和分析可知它由许许多多的余弦潮汐波组成,频率、振幅和相位各不相同,因此一般潮汐总体运动是没有规则的、没有确定形态的复杂运动,但一年365天当中有二天是例外,这就是日月零纬时窗分点大潮,它
Ξ
收稿日期:2000212212;修改回日期:2001201204基金项目:地震科学联合基金项目(952072431)
作者简介:黎凯武(19412),男,广东化州人,研究员,主要从事地壳形变、固体潮的地震预报研究。

的天文条件是:在春分(或秋分)及其前后几天,太阳位于天球赤道平面上,且在春分点(或太阳降交点)附近,太阳赤纬∆s =0°或∆s <2.5°。

这其间也总存在一天,月亮也位于天球同一位置附近,月亮赤纬∆m =0°或 ∆m <2
.5°,其间月亮、太阳、地球和假想天体春分点(或降交点)处在天球同一方向上(但不一定在同一直线上),因而出现地球的天文大潮,称之为分点大潮,它是一种特殊的朔望大潮,此时的时窗称之为日月零纬时窗,因此也称日月零纬时窗分点大潮。

1.2　日月零纬时窗分点大潮的频率特征和振幅特征1.
2.1　频率特征
在式(1)、式(2)中,含sin 2Υsin 2∆co s H 的项为日周期项,由于∆≈0则sin 2∆≈0,所以固体潮中日周期项几乎为零,日潮消失,缺省日频成分。

1.2.2　振幅特征
式(1)、式(2)中co s 2Υco s 2∆co s 2H 为半日周期项,由于∆≈0°得co s ∆≈1,则半日周期项
的振幅达到极大。

由频率特征已知日周期项的振幅达到极小,表明此时全日周期潮汐波的迭加效应作用几乎可忽略不计,而半日周期潮汐波的叠加成为分点大潮的主体,半日潮决定了分点大潮的形态(高频成分可略不计)。

图1　北京西拨子地震台倾斜分点大潮
观测值特征椭圆(1989.3.22)
1.3　日月零纬时窗分点大潮的特征图像和特征
参数及其特点
日月零纬时窗分点大潮的频率特征和振幅特性决定了该大潮存在的特征图像,并具有最简单的形式余弦形式(略去高阶微小差别),即重力潮、倾斜潮和应变潮均具有余弦波动的潮汐运动形式,因此它们的特征图像为余弦图像,对倾斜潮矢量,还有倾斜矢量椭圆,称之为倾斜潮分点大潮倾斜特征椭圆(图1)。

因为这些特征图像是形态类型不变的最简单的几何图像,而具有几何特
征参数,为了研究真实地球对日、月引潮力的响应
特征,笔者把实测值的分点大潮振幅与理论值分
点大潮振幅之比称为分点大潮潮汐因子或分点大潮椭圆潮汐因子(包括分量潮汐因子和矢量椭圆潮汐因子),把理论与实测倾斜特征椭圆长(短)轴方位角之差,称之为潮汐偏角,而把潮汐因子和潮汐偏角总称为日月零纬时窗分点大潮的特征参数。

1.4　二种潮汐参数的比较
分点大潮是一种半日潮,因此可以推广到朔望大潮的半日潮求得半日潮椭圆参数,大量的统计表明,它们与M 2波潮汐因子十分接近,一般不超过2%,并具有实时性好、精度高的特点。

表1是几个测点的大溯椭圆潮汐因子与调和分析M 2波潮汐因子和相位滞后的数据。

2　椭圆潮汐因子异常与地震相关统计
对滇西地震预报试验场及其附近地区倾斜台网(图2)观测结果表明,一般椭圆潮汐因子在强震前1年左右会出现前兆异常,异常的范围与地震震级大小有关,震级越高异常范围越大。

异常范围一般在震源破裂长度的2.5倍范围内,即异常台站的震中距S ≤2.5l
743期 黎凯武等:倾斜椭圆潮汐因子及地震预报研究
表1　椭圆参数和M 2波潮汐参数
台站Χ1
Β1Χ2
Β2
Χ′
1Χ′
2
ΒΧ1 Χ′
1Χ2 Χ′
2
银川
0.5990　6.19
0.5931　13.86
0.60120.5876　7.89
0.99631.0094兰州0.59590.510.66081.220.58160.65201.171.02461.0135兰州0.54060.080.65740.670.55130.6410-1.510.98001.0256岩昌0.542510.130.64200.360.53550.6395-7.031.01311.0039姑咱0.64431.350.675417.400.65490.67927.880.98380.9944银川0.60453.260.62775.550.60710.6102-0.440.99571.0287西安0.73352.180.7435-0.150.73610.75800.100.99650.9809离石0.662216.990.62456.990.67700.6171-12.470.97811.0120银川
0.5935
-1.92
0.6625
15.18
0.5867
0.6643
14.15
1.0116
0.9973
注:Χ1、Β1、Χ2、Β2分别是M 2波潮汐因子和相位滞后,Χ′1、Χ′2、Β分别是椭圆潮汐因子和潮汐偏角,Χ1 Χ′1、Χ2 Χ′
2分别是
二种潮汐因子的比值。

图2　川滇地区地震与倾斜潮观测台站
分布图(1990～2000年)
其中log l =0.48M S -1.57,对于一个6级地震,S <60km ,对于一个7级地震,S <180km ,对于一个5.5级地震,S <25km 。

异常的幅度与震级也有关,一般震级越高异常幅度越大,但震中距越小异常幅度也越大(表2,图3)。

3　倾斜椭圆潮汐因子地震前兆机理
倾斜椭圆潮汐因子与地震的相关统计只是一种现象,其物理内函也是显而易见的。

众所周知,潮汐因子与波速比一样,它们都是地壳介质力学性质参数Λ和Κ的函数[1],[2],波速比V p V s =
Κ+2Λ
Λ
,倾斜潮汐因子Χ=1-1+19Λ2g Θa
-1
,比蒙特和比格对扩容模
型[3]的研究表明,在膨胀区波速比变化15%时,倾斜
潮汐因子的变化可达50%,也就是说潮汐因子比波速比灵敏得多,所以潮汐因子与强震的相关性是可以理解的。

3.1　椭圆潮汐因子异常时间的物理意义
强震发生前一年左右潮汐因子出现异常,表明这是一种中短期和短期地震前兆信息,是孕震介质性质发生显著变化,即介质参数Λ、Κ和Θ显著改变进入不稳定阶段,才使潮汐因子出现异常的。

这也是为什么潮汐因子没有长期和中期趋势异常的原因。

3.2　椭圆潮汐因子异常范围大小与震级大小相关的物理意义
上述地区椭圆潮汐因子异常的范围越大,对应的地震震级也越大,表明震级越大孕震震源体积越大,根据扩容理论,扩容范围也越大,在扩容区内孕震介质性质的变化比非扩容区
(场区)显著得多,因此潮汐因子主要是反映地震震源的信息,可以用震源破裂长度L 与震级的公式来说明这种相关关系。

这也是为什么中小地震即M S <5.5的地震没有异常显示的
8
4 地 震 21卷　
原因。

表2　地震和台站异常统计
编号
时间(年2月2日)
ΥN (°)ΚE
(°)M
S
地名异常台站
1199320122723.1　101.1
6.3普洱
2199520721222.099.27.3孟连3199521022425.9102.26.5武定攀枝花
4199620220327.2100.37.0丽江西昌、攀枝花、永胜、弥渡、云龙
5199821121927.3100.96.2宁蒗西昌、攀枝花、永胜6200020121525.5101.36.5姚安永胜、楚雄、弥渡
7199320721727.999.65.6中甸永胜8199320821425.5101.35.5姚安永胜
9199421223028.9103.55.7马边10199520422522.8
103.15.6金平11199620922527.2100.35.7丽江12199020221423.299.65.1澜沧13199120421227.2100.85.1宁蒗14199120722224.899.25.2施甸15199221221826.4100.65.4永胜16199320220125.9101.45.3大姚17
1993206204
23.7
100.4
5.0
临沧
图3　椭圆潮汐Χ因子变化曲线
943期 黎凯武等:倾斜椭圆潮汐因子及地震预报研究
05 地 震 21卷　
4　结论
椭圆潮汐因子与维尼迪科夫调和分析结果M2波潮汐因子的对比可知,两者在量值上十分接近,一般不超过2%,因此在地震预报应用上效果相同。

不同的是,两者的计算条件和计算方法不一样,前者只须大潮2天的数据,而后者则要30天的连续数据,前者计算方法比后者简单。

前者实时性好,是实时状态,后者是30天的平均状态。

因此在地震预报应用方面,椭圆潮汐因子有它的优势。

上述椭圆潮汐因子的地震预报研究表明,椭圆潮汐因子物理意义清楚,而且有较好的效果,特别是在滇西地震预报实验场及其附近6级以上地震都有较好的反映,而且有一定的规律,即震级越大异常范围也越大,异常半径S大致是震源破裂长度的2.5倍,在时间上往往在震前1年左右出现异常。

这些都是初步的结论,但都比较重要,它为地震台网的建设布局和地震预报模型的建立意义较大。

参考文献:
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Study on the application of tilt ellipse tide
factor i n earthquake pred iction
L I Kai2w u1,Q I AN J ia2dong1,TAN G J iu2an2,YAN G Xu2dong1
(1.Center fo r A nalysis and P redicti on,CSB,Beijing100036,Ch ina;
2.L anzhou Institute of Seis mo logy,CSB,L anzhou730000,Ch ina)
Abstract:B ased on the theo ry of so lid tide,th is p ap er has p roved the characteristics of vecto r of tilt sp ring tide ob served du ring vernal equ inox is an elli p se.B ecau se du ring the sp ring tide of syzygy p eri od also ex ists an elli p se,so the elli p se tidal facto r m ay be calcu lated.T he ob servati on s in Sichuan2Yunnan seis m ic exp eri m en t regi on and analysis resu lts dem on strated that the anom alies of elli p se tidal facto r are clo sely related to the strong earthquakes.T he p hysical exp lanati on of elli p se tidal facto r has also been given.
Key words:　E lli p se tidal facto r;Earthquake p redicti on;Co rrelati on。