延邊地震臺(tái)數(shù)字形變資料分析方法與討論

韓忠民，李承雪，樸 杰，金正燮

吉林省延邊地震臺(tái)，吉林 延邊 133003

0 引言

延邊地震臺(tái)形變站2000年安裝DSQ型水管傾斜儀和SS-Y型伸縮儀觀測(cè)項(xiàng)目，并于2002年增加VS型垂直擺觀測(cè)項(xiàng)目。三套數(shù)字化儀器以分鐘采樣率工作，每日生成分鐘值、整點(diǎn)值采樣數(shù)據(jù)，能記錄到清晰的傾斜、應(yīng)變固體潮汐、震前異常信息。多年來(lái)三套形變前兆數(shù)字化儀器運(yùn)行情況較好，γ均值中誤差及外精度、相對(duì)噪聲水平M1等指標(biāo)均達(dá)到較高水平，為地震監(jiān)測(cè)提供了可信度較高的形變觀測(cè)資料。

在地震前兆觀測(cè)中，正確地認(rèn)識(shí)和排除觀測(cè)資料中的各種干擾而準(zhǔn)確捕捉地震異常信息是前提。本文中介紹了延邊臺(tái)形變資料分析方法與典型圖片，為形變資料的正確分析提供一些經(jīng)驗(yàn)。

1 洞室環(huán)境概況

延邊地震臺(tái)地處我國(guó)唯一的深震區(qū)、舉世矚目的長(zhǎng)白山火山就在轄區(qū)內(nèi)。形變站位于，離延吉市10km的帽兒山山根處。形變觀測(cè)洞室位于延吉市帽兒山防空洞里面，其山洞長(zhǎng)300m、臺(tái)基為安山巖，巖體完整，山洞覆蓋層110m，洞內(nèi)年溫度變化±0.2℃，日溫變幅小于0.03℃，相對(duì)濕度小于90%。臺(tái)站觀測(cè)墩均根據(jù)儀器的安裝要求設(shè)計(jì)建造。附近沒(méi)有居民點(diǎn)，主要干擾來(lái)自大風(fēng)和暴雨。

放置數(shù)字形變儀的洞室，洞長(zhǎng)300m，中間有4道水泥密封門(mén)和五道塑鋼門(mén)，用聚乙烯泡沫板做保溫罩密封儀器。可以排除環(huán)境因素直接對(duì)儀器的影響和儀器自身的的不穩(wěn)定等因素。用于安放儀器的石墩系花崗巖，建于1987年，長(zhǎng)1.2m，寬0.5m，穩(wěn)定性好。

2 資料分析方法

地傾斜觀測(cè)資料的異常分析方法比較多，延邊臺(tái)形變資料選用了下列幾種常用方法：

1）形態(tài)異常法

對(duì)于單臺(tái)地傾斜觀測(cè)，一般可通過(guò)單分量圖或矢量圖的正常背景來(lái)判斷異常的形態(tài)。在單分量圖上識(shí)別異常時(shí)主要尋找速率變化段、不穩(wěn)態(tài)級(jí)臨震反向段，分別相當(dāng)于中、短臨異常。

在矢量圖上進(jìn)行異常識(shí)別時(shí)，主要是尋找矢量轉(zhuǎn)折或變速，打結(jié)或S形變動(dòng)。一般以日均值或五日均值作圖。在年溫干擾排除不凈的情況下，矢量年變橢圓仍會(huì)出現(xiàn)，這種變化不是異常。

圖1 延邊臺(tái)2008年水管EW向日均值圖

圖2 延邊臺(tái)2008年垂直擺五日均值矢量圖

圖1和圖2是延邊臺(tái)2008年度水管儀EW向日均值圖與垂直擺五日均值矢量圖實(shí)例。圖上可以看出沒(méi)有什么明顯的中、短臨異常。當(dāng)然分析資料時(shí)要綜合考慮各儀器方向。

2）γ值異常法

固體潮的理論潮振幅與觀測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的固體潮振幅之比稱(chēng)為潮振幅因子既γ。γ值的動(dòng)態(tài)變化可探測(cè)觀測(cè)點(diǎn)巖石物性變化，實(shí)現(xiàn)中使用M2波的γ值作為實(shí)用指標(biāo)來(lái)識(shí)別異常變化。γ值比比較穩(wěn)定，變化較小，則表示正常。當(dāng)γ值波動(dòng)較大，則是異常記錄。由于每一個(gè)γ值都是以大量的數(shù)據(jù)計(jì)算，且為表征當(dāng)?shù)亟橘|(zhì)狀態(tài)在該時(shí)段內(nèi)的一個(gè)平均量，因此較適用于中、短期異常的判別。

3）差分判別法

在各類(lèi)形變前兆模式中，都存在不同形變速率特征的階段。單分量一階差分值曲線反映地傾斜速率變化，二階差分反映加速度變化。

使用差分法判別異常時(shí)，首先應(yīng)該對(duì)所分析的資料進(jìn)行粗差剔除及干擾的排除，再計(jì)算異常量。在差分法判別異常后，應(yīng)再次查閱臺(tái)站日志進(jìn)行核對(duì)。在實(shí)現(xiàn)中，差分法判別的異常數(shù)常多于實(shí)際有震異常數(shù)，造成虛假異常。這是由于所分析資料中干擾不能排凈的原故。

差分法適用于中期、短期異常的判別。判別中期異常時(shí)用五日均值序列；判別短期異常時(shí)用日均值序列。

4）最大相關(guān)系數(shù)法判別異常

許多震例表明，在大震之前，地傾斜方向偏離正常狀態(tài)，因此，通過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，突出地傾斜方向的改變，是一種重要的方法。本辦法的原理是假定兩個(gè)分量之間的相關(guān)系數(shù)ρ應(yīng)當(dāng)在末一穩(wěn)定值附近擺動(dòng)，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸至某一方位，可以使ρ值達(dá)到極大值ρmax，既以該值作為矢量方向處于正常狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。如果地震使地傾斜方向在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇變，則必然會(huì)引起最大相關(guān)系數(shù)的急速下降。總之，可從最大相關(guān)系數(shù)的改變中發(fā)現(xiàn)地震異常。

5）卡爾曼濾波法判別異常

這是一種根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)自適應(yīng)特征提出的方法，其特點(diǎn)是可以預(yù)估今后一段時(shí)間的正常動(dòng)態(tài)變化值，從而在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不符值時(shí)判別異常。應(yīng)用卡爾曼濾波法判別異常時(shí)，需要正確建立卡爾曼濾波模型，確定觀測(cè)噪聲和系統(tǒng)的方差，給定系統(tǒng)的初始狀態(tài)。由于地震預(yù)報(bào)中地形變的確切數(shù)學(xué)物理模型還難以實(shí)現(xiàn)，因此從已得到的觀測(cè)值出發(fā)總結(jié)其正常規(guī)律而建立模型。

3 幾點(diǎn)說(shuō)明

1）延邊臺(tái)形變資料主要是以國(guó)家地震局預(yù)測(cè)預(yù)防司出版的《地殼形變分析預(yù)報(bào)方法》為理論基礎(chǔ)，結(jié)合本臺(tái)站實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；

2）延邊臺(tái)形變資料主要是以《EIS2000地震前兆信息系統(tǒng)》軟件來(lái)進(jìn)行分析。上述各種分析方法的圖片大部分用該軟件生成的；

3）本文中的分析方法，只是延邊臺(tái)形變分析中的典型，實(shí)際分析中要考慮各個(gè)儀器方向以及各個(gè)前兆手段等綜合考慮。

4 結(jié)論

延邊臺(tái)數(shù)字形變儀多年運(yùn)行以來(lái)，儀器穩(wěn)定性相對(duì)較好、精度較高，觀測(cè)數(shù)據(jù)齊全。形變儀比較真實(shí)的反映了固體潮的變化，并能及時(shí)捕捉到地震信息，可以為地球物理研究和地震預(yù)報(bào)提供服務(wù)。另外，形變資料分析方法很多，本文只是介紹了我臺(tái)資料分析的方法，目的在于互相交流和學(xué)習(xí)，共同提高分析預(yù)報(bào)水平。

[1]中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.地殼形變數(shù)字觀測(cè)技術(shù)[M].北京：地震出版社，2003.

[2]國(guó)家地震局預(yù)測(cè)預(yù)防司.地殼形變分析預(yù)報(bào)方法[M].北京：地震出版社，1998.