利用差分法提取大同水管傾斜儀震前異常

李秀英，鄧海巖，任選民

(1.大同市地震局，山西 大同 037006；2.同車公司觀測站，山西 大同 037038；3.同煤一中觀測站，山西 大同 037003)

0 引言

地傾斜觀測資料已在我國地震監(jiān)測預(yù)報(bào)工作中得到廣泛應(yīng)用,有關(guān)專家、學(xué)者對(duì)地傾斜觀測震前異常特征做了大量的研究工作，取得了較多重要研究成果[1-6]。目視水管傾斜儀由于儀器故障率少、抗干擾能力強(qiáng)、觀測資料長期穩(wěn)定可靠，在我國地震監(jiān)測預(yù)報(bào)領(lǐng)域中發(fā)揮了一定的重要作用。

同煤一中地傾斜觀測站是大同市目前唯一的目視水管傾斜儀觀測站，該儀器已運(yùn)行二十多年，積累了大量的長周期觀測資料。為探討大同市地傾斜觀測資料的映震特征，以同煤一中地傾斜觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用差分法進(jìn)行分析，為研究該地區(qū)的地震活動(dòng)提供參考依據(jù)。

1 觀測站背景概述

1.1 區(qū)域歷史地震及構(gòu)造背景

公元1 000年以來，1626年靈丘7級(jí)地震是大同行政區(qū)劃歷史上發(fā)生的最大地震。1989年大同-陽高6.1級(jí)地震、1991年大同-陽高5.8級(jí)地震、1998年河北張北尚義6.2級(jí)地震及1999年大同-陽高5.6級(jí)地震是晉冀蒙交界區(qū)近二十多年來發(fā)生的較大地震事件，該地備受地震學(xué)者、專家的關(guān)注。

大同市位于晉冀內(nèi)蒙交界區(qū)，是全國歷史文化名城，又是山西北部經(jīng)濟(jì)、文化中心，地處大同盆地的北端。盆地內(nèi)主要有北東走向的口泉斷裂、北東東走向的六棱山北緣斷裂、恒山北緣斷裂3條主要活動(dòng)斷裂，對(duì)盆地形成、發(fā)育、新構(gòu)造格局和地震活動(dòng)有一定的影響，形成了以北東西南向?yàn)橹黧w的斷裂構(gòu)造(見圖1)。

圖1 大同盆地活動(dòng)斷裂分布圖[7]Fig.1 Distribution of active faults in Datong basin

同煤一中地傾斜觀測站位于大同盆地的北端西緣，處于口泉山脈東側(cè)，海拔高度為1 070.3 m。觀測站位于口泉山前沖洪積扇中下部,周邊地勢較為平坦。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，本地15 m深度范圍之內(nèi)，表層雜添土之下地層以粉土為主，夾有砂層。地下水位埋深約10 m左右，北西側(cè)的口泉斷裂為當(dāng)?shù)刂黧w構(gòu)造。

1.2 儀器安裝情況

同煤一中地傾斜觀測始于1983年，1992年后在新建觀測樓一層觀測室內(nèi)安裝兩套水管傾斜儀，同時(shí)在兩邊儀器墩上各布置溫度計(jì)1部。儀器墩體結(jié)構(gòu)為砼結(jié)構(gòu)，其中，N端儀器墩長62 cm，寬56 cm，高60 cm。S端與E端共用一個(gè)儀器墩，長107 cm，寬57 cm，高63 cm。W端儀器墩長55 cm，寬54 cm，高55 cm。墩的四周設(shè)有隔震槽，深度直達(dá)墩的底部。觀測室以正E-W、正N-S方向布設(shè)，觀測儀器分別是SQ型水管傾斜儀及DG-1A型靜力水準(zhǔn)儀。前者EW向基線長10.14 m，主要對(duì)EW向的傾斜變化進(jìn)行觀測；后者NS向基線長12.05 m，主要對(duì)NS向的傾斜變化進(jìn)行觀測。考慮一年四季的溫差變化，在該儀器觀測房間加裝暖氣，室內(nèi)溫差不大(見圖2)。

圖2 同煤一中觀測站地傾斜儀器布設(shè)圖Fig.2 Layout of ground tilt instrument for observation station in Tongmei No.1 middle school

1.3 數(shù)據(jù)的可靠性分析

(1) 大同市同煤一中地傾斜自1995年有觀測資料以來，數(shù)據(jù)穩(wěn)定、連續(xù)、可靠，每年各測項(xiàng)連續(xù)率均在100%(除1999年因電纜工程造成近2月的中斷外)。EW向使用的是SQ型水管傾斜儀，具有清晰的年變動(dòng)態(tài)，日變幅最大不超過1″；NS向使用的是DG-1A型水管傾斜儀，儀器以正北方向布設(shè)，年變動(dòng)態(tài)清晰，日變幅最大不超過1″(見圖3)。

(2) 從DG-1A型及SQ型水管傾斜儀的儀器性能上看，這兩種儀器均是一種多測頭的連通器，采用水平面作為垂直形變觀測的基準(zhǔn)。在日常觀測中，通過螺旋測距儀觀測缽體內(nèi)水柱高度的變化。此類儀器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。

(3) 雖仍采用目視人工讀數(shù)，但觀測人員在該工作崗位上已工作近三十多年，有豐富的觀測經(jīng)驗(yàn)、儀器調(diào)試及維護(hù)的能力，為保證資料的連續(xù)、穩(wěn)定及可靠提供了可靠的條件。

(4) 據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果，該觀測站觀測數(shù)據(jù)受降雨、溫度、地下水等自然因素變化及100 m外觀測環(huán)境的變化(建筑工程)影響不大，且1995-2017年以來，觀測站周邊無大的環(huán)境變動(dòng)。

綜合以上分析得出，同煤一中地傾斜觀測EW、NS向具有清晰的年變動(dòng)態(tài)，儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。

圖3 同煤一中地傾斜1995-2017年日均值曲線變化圖Fig.3 Variation chart of daily mean value curve of ground tilt in Tongmei No.1 middle school from 1995 to 2017

2 數(shù)據(jù)處理方法及資料的選取

2.1 方法介紹

(1) 差分算術(shù)值。

ΔMi=Mi+1-Mi(i=1,2,3,…,n)，

式中：Mi為觀測值；ΔMi為一階差分值。若ΔMi>0，表示下一個(gè)觀測值為相對(duì)增加；若ΔMi<0，則下一觀測值為相對(duì)減少，因而ΔMi稱為算術(shù)值。

(2) 差分絕對(duì)值。

ΔMi=|Mi+1-Mi|。

(3) 差分異常頻次累計(jì)序列。

式中：ΔMi為一階差分值；k為控制線倍數(shù)，一般取2～3倍；σ為差分序列的均方差；Ni為異常0-1化序列，則差分異常頻次累計(jì)序列為：

式中：ΔN為一階差分異常頻次；Nmj為異常頻次累計(jì)序列；k為累計(jì)長度(旬、月、半年)。

一階差分反映了地傾斜速率的變化，相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器，能夠保留高頻成分，去掉趨勢性及周期性等成分。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9]在地震孕育過程中，可能出現(xiàn)形變的速度或加速度變化，且異常信息主要包含在殘差中；二階差分反映地傾斜加速度變化的情況，具有一定的物理意義，該法普遍適用于各類臺(tái)站。

2.2 資料選取

選取同煤一中地傾斜EW向、NS向1995-2017年的觀測資料，收集整理22年間發(fā)生在晉冀蒙交界區(qū)300 km范圍內(nèi)M5.0以上地震目錄(來源于中國地震臺(tái)網(wǎng)目錄)(見表1)。

表1 晉冀蒙交界區(qū)300 km范圍內(nèi)1995年-2017年M≥5.0地震目錄Table 1 The seismic catalogue of M5.0 magnitude and above in the 300 km range of Shanxi-Hebei--Inner Mongolia border area

3 資料分析

同煤一中地傾斜自1995年有觀測資料以來，EW、NS向兩測項(xiàng)形變異常對(duì)發(fā)生在晉冀蒙交界區(qū)300 km范圍的中強(qiáng)地震均有不同程度的反映(見圖4、圖5、第23頁圖6)。通過對(duì)研究時(shí)段內(nèi)異常出現(xiàn)次數(shù)與中強(qiáng)地震映震率統(tǒng)計(jì)得出，EW向一階差分出現(xiàn)異常后3個(gè)月內(nèi)發(fā)震約占25%，在3個(gè)月至1年左右發(fā)震約占40%；EW向二階差分出現(xiàn)異常后在3個(gè)月內(nèi)發(fā)震約占22%，在3個(gè)月至1年左右發(fā)震約占50%。NS向一階差分出現(xiàn)異常后在3個(gè)月內(nèi)發(fā)震約占23%，在3個(gè)月至1年左右發(fā)震約占20%；NS向二階差分出現(xiàn)異常后在3個(gè)月內(nèi)發(fā)震約占57%，在3個(gè)月至1年左右發(fā)震約占21%(見表2)。

同煤一中地傾斜觀測EW向在3個(gè)月至1年，異常發(fā)震時(shí)間占比較大，在3個(gè)月內(nèi)異常發(fā)震占比較小。NS向在3個(gè)月內(nèi)異常發(fā)震時(shí)間占比較大。

表2 同煤一中地傾斜觀測1995-2017年異常出現(xiàn)次數(shù)與中強(qiáng)地震映震統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of the number of abnormal occurrence and the reflection of moderate and strong earthquakes in the ground tilt observation in Tongmei No.1 middle school from 1995 to 2017

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1，10]的研究，以2倍均方差為異常閾值，若連續(xù)2點(diǎn)以上超出閾值或半年至一年以上多個(gè)單點(diǎn)超出閾值，均判定出現(xiàn)異常，并在觀測臺(tái)站的一定范圍內(nèi)存在發(fā)生中強(qiáng)地震的可能。下面以表1所列的幾個(gè)地震為例進(jìn)行詳述。

(1) 1996年5月3日內(nèi)蒙古包頭西烏拉特前旗6.4級(jí)地震。

在震中距觀測站300 km之處，EW向震前出現(xiàn)1組差分值≥2.0倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常，且一階二階差分異常時(shí)段比較一致，均為1995年4月2日至4日異常結(jié)束后1年1個(gè)月發(fā)生了內(nèi)蒙古包頭西烏拉特前旗6.4級(jí)地震；NS向震前出現(xiàn)2組差分值≥2.0倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常，一階二階差分異常時(shí)段基本相同，為1995年9月4日至6日、1996年1月13日至15日，異常結(jié)束后3個(gè)月發(fā)生了6.4級(jí)地震(見圖4)。

圖4 同煤一中地傾斜觀測1995-1996年差分值曲線圖Fig.4 Difference value curve of ground tilt observation in Tongmei No. 1 middle school from 1995 to 1996

(2) 1998年1月10日張北尚義6.2級(jí)地震。

在震中距觀測站153 km處，EW向震前一階二階差分出現(xiàn)2組差分值≥2.0倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常，且時(shí)間同步，即1997年1月30日-2月3日、8月24日至26日，地震發(fā)生在異常結(jié)束后4個(gè)月；NS向震前一階二階差分同時(shí)出現(xiàn)2組差分值≥2.0倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常，即1997年5月11日-8月26日、10月29日至31日，地震發(fā)生在異常結(jié)束后2個(gè)月(見圖5)。

圖5 同煤一中地傾斜觀測1997-1998年差分值曲線圖Fig.5 Difference value curve of ground tilt observation in Tongmei No. 1 middle school from 1997 to 1998

(3) 1999年3月11日河北張北5.6級(jí)地震。

在震中距觀測站161 km處，EW向震前一階二階差分同時(shí)出現(xiàn)3組差分值≥2.0倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常，即1998年3月21日至25日、9月4日至6日、11月26日至28日。異常結(jié)束后3個(gè)月發(fā)生了河北張北5.6級(jí)地震；NS向在5.6級(jí)地震前無明顯異常(見圖6)。

圖6 同煤一中地傾斜觀測1998-1999年差分值曲線圖Fig.6 Difference value curve of ground tilt observation in Tongmei No. 1 middle school from 1998 to 1999

(4) 1999年11月1日大同-陽高5.6級(jí)地震。

在震中距觀測站56 km處，EW向震前一階二階差分同時(shí)出現(xiàn)3組差分值≥2.0倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常，即為1998年3月21日至25日、9月4日至6日、11月26日至28日。異常結(jié)束后11個(gè)月發(fā)生了大同-陽高5.6級(jí)地震；NS向一階差分震前出現(xiàn)3組差分值≥2.0倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常，即1999年4月28日至30日、8月22日至26日、10月19日至21日，震前異常明顯，異常結(jié)束后10 d發(fā)生了5.6級(jí)地震。二階差分無明顯異常反映(見圖6)。

4 結(jié)論與討論

(1) 同煤一中地傾斜觀測2個(gè)測項(xiàng)在晉冀蒙交界中強(qiáng)地震前的反映表現(xiàn)為EW向優(yōu)于NS向，但不同測項(xiàng)對(duì)不同地震所表現(xiàn)出的異常特征有所不同。EW向一二階異常時(shí)段具有準(zhǔn)同步性，異常發(fā)震時(shí)間在3個(gè)月至1年，占比較大，在3個(gè)月異常發(fā)震占比較小；NS向在3個(gè)月內(nèi)發(fā)震占比較大。有些震前有異常顯示，有些則無。

(2) 同煤一中地傾斜觀測資料對(duì)晉冀蒙交界區(qū)中強(qiáng)地震具有一定的映震反映，且震中距越遠(yuǎn)，出現(xiàn)異常的時(shí)間越早；震中距越近，異常的出現(xiàn)越臨近發(fā)震時(shí)間。由于研究時(shí)段樣本數(shù)量有限，且受該地區(qū)構(gòu)造特點(diǎn)的影響及孕震成因的復(fù)雜性，EW、NS兩個(gè)測項(xiàng)映震反映存在一定的差異性。

(3) 在實(shí)踐觀測中，采用差分法分析異常，由于異常原因的多解性，往往造成虛報(bào)。因此，在判別異常后，不僅要結(jié)合日常觀測日志，還要結(jié)合周邊同類型觀測項(xiàng)目及該區(qū)的其他觀測手段變化情況，有助于分析異常的可靠性，進(jìn)而為地震預(yù)測預(yù)報(bào)提供可靠判據(jù)。

(4) 文章所得結(jié)論只是對(duì)觀測資料處理方法的一種嘗試結(jié)果，使用該方法對(duì)地震進(jìn)行有效預(yù)報(bào)，還需長時(shí)間進(jìn)一步檢驗(yàn)、修正和完善。