運用小波分析方法研究鹽湖Ms4.4和河津Ms4.8地震前山西地區井水位變化特征

竇立婷，李 云，成 誠，耿 偉,平 旗

(1.山西省地震局長治中心地震臺，山西 長治 046000；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

小波分析(wavelet analysis)自1986年由Y.Meyer、S.Mallat及I.Daubechies等人提出以來得到迅速發展。小波分析具有很好的時頻局部特征，是信號處理分析中的重要方法之一。此方法在低頻部分具有較低的時間分辨率和較高的頻率分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，適合于分析非平穩信號和提取信號的局部特征[1]。小波分析方法不但可以準確地描述瞬變信號的局部特征，還可以通過多尺度變換，從不同頻帶上觀察信號的特征與演變，可以對水位資料進行更細致的分頻處理，獲取水位在不同頻域的震前前兆異常特征。運用小波分析法對水位數據進行多尺度分析，可將數據的趨勢變化和細節變化分開，并能有效地抑制噪聲，提取地震與強地震孕育有關的前兆異常信息[2-7]。

在前人研究的基礎上，文章收集、整理山西水位觀測井2007年以來的觀測資料，運用小波分析方法對山西鹽湖Ms4.4和河津Ms4.8震前數據異常特征進行分析。根據之前的研究成果，采用db4作為母小波對井水位觀測資料進行4～5層小波分解，分解后的近似部分能夠清晰地反映數據趨勢變化，細節部分能清晰地顯示高頻突跳信息。

1 山西水網觀測井概況

目前，山西地區水位觀測井有14口，除紅崖頭、鴉兒坑為背景場項目新增測點(2014年2月1日正式入網)外，其余為“十五”數字化期間新增改造測點。流體觀測井沿北東向山西斷裂帶自南向北分布(見第19頁圖1)，分別布設在各構造邊界帶或主要斷裂帶上，除鎮川井、紅崖頭井、漫水井為動水位觀測外，其余9口井均為靜水位觀測。水位觀測采用LN-3A和SWY-Ⅱ型水位儀，采樣周期取值為1 min，水位分辨力為1 mm。

通過分析2007年以來的觀測資料可知，東郭、孝義、臨汾、紅崖頭井水位屬趨勢下降型變化；太原井水位屬趨勢上升型變化；介休、朔州、漫水、祁縣、靜樂井水位屬起伏型變化；鎮川井、鴉兒坑井水位屬平穩型變化；洪洞井和曲沃井由于觀測時間短，目前認為其屬平穩型。14 口水位觀測井均不同程度地受降雨滲入補給干擾，均有明顯的地球固體潮汐日變化和氣壓效應。

2 小波分析前兆異常

針對上述的兩次地震，根據山西流體觀測井測震靈敏條件評價結果[3]、水位異常映震范圍[4]以及各觀測井的監測能力，對距河津地震震中200 km范圍內映震能力較好的介休井與東郭井震前1 a內的水位數據進行分析。在地震前3個月，距震中168 km的介休井水位下降320 cm；地震前半個月，距震中65 km的東郭井水位下降60 cm。對距鹽湖地震震中200 km范圍內映震能力較好的東郭井進行分析，發現震前一個月距震中20 km的東郭井水位升高28 cm[6]。下面運用小波分析方法對這兩次地震前的水位觀測數據進行處理。

圖1 山西地區井水位測點分布圖Fig.1 Distribution of well water level in Shanxi area

2.1 河津4.8級地震前井水位異常分析

2010年1月24日在山西河津發生Ms4.8地震，對地震前半年的水位資料進行分析發現，2009年10月21日介休井水位數據趨勢性下降320 cm，持續時間為2 d，而后變化較平穩，距發震時間3個月。利用 Mapsis小波分析，對介休井水位觀測資料進行近似部分(低頻)與細節部分(高頻)信息的分離，圖2分別給出介休井水位原始數據、小波變換低頻與高頻曲線。圖2a表示不同頻率范圍的近似部分(低頻)信息，反映整體變化趨勢，經過4階分解后，可以完全將各種干擾消除，顯示出原始變化趨勢；圖2b給出不同頻率范圍細節(高頻)部分信息，經過4階分解后，河津4.8級地震前有明顯的高頻抖動。

2010年1月24日在山西河津發生Ms4.8地震，對地震前半年的水位資料進行分析發現，2010年1月6日19時，東郭井水位數據趨勢性下降60 cm，持續時間為2 d，距離發震時間18 d[3-4]。如第20頁圖3所示，利用db4小波對數據進行5階趨勢與細節分析，可清晰看出地震前井水位的變化趨勢。圖3b中，5階細節部分顯示地震前有明顯的高頻擾動。

2.2 鹽湖4.4級地震前井水位異常分析

2016年3月12日山西鹽湖發生Ms4.4地震，對震前半年東郭井水位資料利用Mapsis小波分析，進行近似部分(低頻)與細節部分(高頻)信息的分離。第20頁圖4分別給出東郭井水位原始數據、小波變換低頻與高頻曲線。圖4a表示不同頻率范圍的近似部分(低頻)信息，反映出整體變化趨勢；圖4b給出不同頻率范圍細節(高頻)部分，經過4階分解后，鹽湖4.4級地震前有明顯的高頻異常信息。

圖2 2010年介休井水位數據小波分解近似部分和細節部分Fig.2 Approximate part and detail part by wavelet decomposition of the water level data of Jiexiu well in 2010

圖3 2009—2010年東郭井水位數據小波分解近似部分和細節部分Fig.3 Approximate part and detail part by wavelet decomposition of Dongguojing water level data from 2009 to 2010

圖4 2016年1至5月東郭井水位數據小波分解近似部分和細節部分Fig.4 Approximate part and detail part by wavelet decomposition of Dongguojing water level data from January to May in 2016

3 結論

通過分析山西水位觀測井在鹽湖4.4級地震與河津4.8級地震前的異常響應特征，表明分別有兩口井和一口井存在一定的前兆異常，異常井距震中最遠168 km，說明5級以下地震，在200 km范圍內的井水位有一定的映震特征。采用db4作為母小波對井水位觀測資料進行4～5層小波分解，分解后的近似部分能夠清晰地看出數據趨勢變化，細節部分能清晰地顯示地震前高頻突跳等異常信息。