新疆于田7.3級地震前異常特征

馮建琴 張仰輝 程冬焱 張正霞沈曉松 李 艷 李 軍 段躍榮

1)中國山西 041000 臨汾中心地震臺

2)中國山西 030025 太原大陸裂谷動力學國家野外觀測站

3)中國太原 030021 山西省地震局

4)中國山西 030025 太原基準地震臺

0 引言

與其他自然災害相比，地震具有突發性強、破壞性大的特點。地震預報是世界難題，關鍵是尋找地震前兆。捕捉地震前兆信息，深入地震過程的研究、探索地震短臨預報方法是一項富有挑戰而艱巨的任務（羅灼禮，1980；陳德福，1993；顧國華，2012）。大地震前，近震源區域形變前兆變化是進行地震預報的基礎，但震前如何變化仍有爭議。基于擴容擴散和擴容引起的華東模型機地震破裂成核過程模型（Nur，1972；Mjachkin et al，1975），對小震可能有效，但對于強地震，臨震前盡管觀測到一些突出的短期異常，但通常遠離震中區域（Mogi et al，1985；牛安福等，2009，2012）。地傾斜、地應變觀測被認為是監測地殼形變和捕捉地震前兆的重要手段，本研究利用山西地區2013年12月至2014年4月10日地傾斜、應變數據，采用常規分析方法，對2014年2月12日新疆7.3級地震前異常進行分析。

1 資料選取

“十五”期間山西前兆地震臺網逐步形成。數字化洞體形變是山西地震前兆主要觀測手段包括水管、伸縮儀、水平擺、垂直擺、體應變，從北至南分布于靈丘、代縣、太原、昔陽、離石、臨汾、侯馬7個臺站。觀測數據采用分采樣記錄。因靈丘、昔陽地震臺運行時間短，觀測資料不作為研究對象。2014年2月12日新疆于田7.3級地震前，太原、離石、臨汾、侯馬洞體形變儀器出現不同程度的異常。

2 前兆異常

2.1 水管、伸縮儀、水平擺原始記錄圖分析

侯馬水管儀EW向正常年變曲線每年12月向西傾斜，次年1—2月開始回升，向東傾斜。2014年1月中旬至2月5日東傾，6日突然開始西傾，最大幅度達37.34×10-3″，7日恢復正常后持續東傾。臨汾水平擺EW向正常年變曲線每年11—12月向東傾斜，次年6—7月向西傾斜；2014年變化趨勢與往年一致，但觀測背景值發生改變，高值比2010—2013年低，比2009年背景值高。2014年2月6—7日，臨汾水平擺與侯馬水管儀EW向同步趨于西傾變化（圖1）；侯馬水管儀EW向、伸縮儀EW向，太原水平擺NS向、臨汾水平擺EW向與2014年2月6—9日同步轉向、加速（圖2）。幾個觀測手段的明顯特征是：各測向在異常時間上呈明顯的準同步性；侯馬水管儀、伸縮儀EW分量同步轉向、加速；臨汾水平擺與太原水平擺同步轉向。根據以往觀測數據記錄，尚未發現遠震震前如此多的觀測手段出現同步轉向、加速。

圖1 2008—2014年日均值曲線（a）侯馬水管儀；（b）臨汾水平擺Fig.1 The curve of daily mean value from the year 2008 to 2014

圖2 2013年12月—2014年4月整點值曲線（a）侯馬水管儀；（b）侯馬伸縮儀；（c）臨汾水平擺；（d）太原水平擺Fig.2 The curve of hourly value from Dec.2013 to Apr.2014

2.2 一階異常分析

一階差分是抑制較長周期信號、突出前兆信息的分析方法。差分值表示相鄰兩個測值的變化速率，反映地殼介質中應力變化較高的擾動，多屬短臨異常。在新疆于田2014年2月12日7.3級地震前，臨汾、太原、離石水平擺，侯馬水管、伸縮儀觀測曲線均超過2倍均方（圖3）。這些測項超過警戒線的時間主要集中在2014年2月4至10日，見表1。差分值的月頻次和日頻次反映應力擾動的月頻次和日頻次。不同臺站所處地址構造、介質等環境不同，對應力擾動的響應也有所區別，由表1可知，侯馬水管儀超過警戒線的幅度較大，約3倍均方差，離石臺最小。一階差分超過2倍均方差及速率加大視為異常，異常形態多表現為上下波形突跳，持續1—3個月，地震一般在異常結束后半年內發震（易志剛，2003）。于田7.3級地震在差分值恢復正常后發震。對比2008年3月21日新疆7.3級地震前兆異常發現，臨汾、太原水平擺NS測向、臨汾體應變日均值差分曲線，均存在超過2倍均方差現象。跟蹤2014年2月12日新疆7.3級地震，震中距1 000 km范圍內的16個定點形變觀測臺站28套儀器的觀測資料，未發現速率變化異常。長期觀測發現，對于國內強遠地震的短臨異常（速率），通常在遠離震中區域有較好的映震性能（馮建琴，2011）。

圖3 山西洞體形變2013-12—2014-04日均值一階差分（a）侯馬伸縮儀；（b）侯馬水管儀；(c)離石水平擺；（ d）臨汾水平擺；（d）太原水平擺Fig.3 The mean first order difference for Shanxi cave defor mation from Dec.2013 to Apr.2014

2.3 頻譜異常特征分析

頻譜特征分析可以揭示地形變信息域中各種信息變化的特性，從而識別震前存在的異常信息，即異常信號的周期信息（李艷，2013）。對2013年12月至2014年4月10日，侯馬水管EW向、臨汾體應變、太原水平擺NS向觀測數據進行快速傅里葉變換（FFT），頻譜分析結果見圖4。從圖4可見，3種形變儀器在相同頻段內記錄到明顯異常，在0.000 37—0.000 43 Hz、0.000 76—0.000 87 Hz頻段，幅值出現明顯增大，其中侯馬水管儀的異常幅值最為明顯。

圖4 2013年12月至2014年4月分鐘曲線頻譜（a）侯馬水管儀；(b)臨汾體應變；(c)太原水平擺Fig.4 The minutes curve of frequency spectrum from Dec.2013 to Apr.2014

表1 水平擺、水管儀、伸縮儀一階差分曲線對應參數Table 1 Horizontal pendulum, water tube tiltmeter, extensometer fi rst-order difference curve parameters

2.4 小波函數分析

小波分析是一種處理信號的時頻分析工具，其多分辨率分析將信號在不同分辨級別分解，分解得到低一級上的反映信號概貌的平滑信號和高一級上存在低一級上消失信號，這種信號的分解能力，能將各種交織在一起的不同頻率組成的混合信號，分解成不同頻帶的子信號（李世雄，1995；張燕，2009），本文采用Matlab軟件中db4小波，進行小波分解，在細節部分的第一層是頻率最高的信息，如突跳等，第2、3、4層出現的是明顯的固體潮信息；5層以后的分解尺度中則是去除固體潮汐后長周期、低頻率的信息。分別選取了侯馬水管、太原臺水平擺、臨汾體應變 2013年12月至2014年4月10日整點值數據，進行小波細節分析，發現細節6階后曲線出現長周期、低頻率信號，異常信號的優勢周期為64—128小時（圖5），3臺形變儀器觀測曲線的異常信號主要體現在1月下旬至4月上旬，2月12日發生了新疆7.3級地震，4月4日發生平遙3.7級地震。長周期的低頻信號均出現在2次地震之前。距離震中最近的和田臺（震中距約254 km）鉆孔傾斜儀觀測資料小波分析結果和潮汐因子計算結果顯示在震前3個月、1年有潮汐因子增大異常出現[圖6(a)]。小波分解細節部分的第7層在2013年1月到2014年1月出現了超限異常，增幅達10%[圖6(b)]。

圖5 2013年12月至2014年4月小波細節分析（a）侯馬水管儀；（b）太原水平擺；（c）臨汾體應變Fig.5 The wavelet detail analysis chart from Dec.2013 to Apr.2014

圖6 和田小波分析及潮汐因子（a）小波分解；（b）潮汐因子Fig.6 Wavelet detail analysis and tidal factor diagram for Hetian

2.5 加卸載響應比異常

地震的孕育與發展是一個非線性系統的失穩過程，在臨近失穩時加載與卸載的響應是不同的，理論上加載響應遠大于卸載響應，因此加卸載響應比值反應了孕震系統的失穩程度（尹祥礎，2004）。2013年2月12日新疆7.3級地震前 ，臨汾臺體應變整點值數據擬合方差、振幅因子相應比、非潮汐響應比、非潮汐加速度響應比、時間滯后均出現大幅偏離正常的現象[圖7(a)]，新疆7.3級地震后恢復正常。對比分析2008年3月21日新疆于田7.3地震前，臨汾臺體應變的加載響應比也存在偏離正常值的現象，只是偏離幅度小于本次新疆地震前響應比幅度[圖7(b)]。

圖7 臨汾體應變加載響應比曲線（a）2013年12月—2014年4月；（b）2008年3月—2008年4月Fig.7 Loading response ratio curve of Linfen body strain

3 結論

通過對山西洞體形變儀器在2013年12月2014年4月觀測數據的分析得到以下結論。

（1）傾斜、應變儀器觀測數據異常期間，經排查，觀測儀器儀器、觀測環境正常，無人為干擾。

（2）洞體形變儀器差分曲線清晰地反映新疆于田7.3級地震，孕育過中地形變的短臨階段速率變化特征：即遠震源區（山西）地殼介質中應力變化出現較高的擾動。

（3）頻譜特征分析表明，新疆于田7.3級地震前5—8天，侯馬水管、臨汾體應變、太原水平擺同頻段內頻譜曲線出現了幅值明顯增大現象。即在0.000 37—0.000 43 Hz、0.000 76—0.000 87 Hz頻段，記錄到異常信息。

（4）小波分析6階后曲線有長周期低頻率異常信號，異常信號的優勢周期為64—128小時，新疆7.3級地震前的低頻信號主要體現在震前10天左右。

（5）在新疆于田7.3級地震前，臨汾臺體應變整點值數據擬合方差、振幅因子相應比、非潮汐響應比、非潮汐加速度響應比、時間滯后均出現大幅偏離正常的現象，加卸載響應比出現顯著地高、低變化，說明孕震區已進入失穩的臨界變化狀態。

（6）新疆于田7.3級地震的形變特征，主要體現在遠震源區（山西）的速率變化異常，近震源區（和田）潮汐因子異常，不僅有垂直錯動體現在傾斜儀器，而且有水平壓應變體現在應變儀器。

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