2010年河津4.8級地震前物理場異常時空演化特征

李惠玲,張淑亮,李 麗,高云峰

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；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

2010年河津M4.8地震是山西地球物理臺網數字化改造后發生在山西境內的一次顯著地震。震前山西及鄰區多種地球物理場觀測記錄到豐富的異常信息。河津地震發生后，一些學者對這次地震前地球物理場異常特征進行研究并取得一些成果。張淑亮等通過對河津地震臨汾臺VP寬頻帶傾斜儀震前異常的研究，討論了野外實際觀測中的亞失穩現象[1]；楊俊芳等通過對韓城臺金屬擺傾斜資料的分析，總結了汾渭地震帶山西及陜西地區1989年-2010年間的幾次顯著地震及汶川8.0級地震前的異常變化特征[2-3]；李艷、張紅秀等通過對臨汾地傾斜、地應變震前異常特征研究，討論了河津地震等一系列中強地震前捕捉到的顯著短臨異常信息[4-8]。上述研究對于了解河津地震地球物理場異常特征具有重要作用，但這些研究多是基于單臺站或單測項進行，對于多臺多測項異常的時空特征涉及較少。

該文擬在河津地震前震源及鄰近地區形變、流體、電磁學科大量觀測數據分析基礎上，系統梳理異常起始時間、異常形態、異常幅度等，分析震前異常的時、空演化特征，并應用相關數據處理方法分析多種地球物理場觀測數據的時頻特征。研究結果有可能為地震綜合預測與研究提供震例支撐。

1 地球物理場異常概況

根據2010年-2011年山西省年度地震趨勢研究報告以及張淑亮等人的研究成果(1)山西省地震局.山西省2010年度地震趨勢研究報告,2009.(2)山西省地震局.山西省2011年度地震趨勢研究報告,2010.[1-11]，按照中國震例編寫規范中研究范圍的要求(5級地震研究區為200 km)[12]，同時為避免遺漏敏感點[13]的異常，分析時將研究區擴大至距震中250 km的范圍。河津4.8級地震前，研究區內共有22個地球物理場觀測臺站，17類地球物理場定點觀測項目(見第2頁圖1)，包括金屬擺、水管儀、伸縮儀、水平擺、VS垂直擺、VP垂直擺、體應變、水準、地電阻率、大地電場、地磁、水位、水溫、水氡、氣氡、水汞、氣汞等60個觀測手段。震前有19個測項存在異常，異常表現特征如第2頁表1及第3頁圖2至第4頁圖10所示。

可以看出，河津地震前地球物理場異常數量與張淑亮等人對山西地區中強地震研究結果[14](5級以上地震異常臺項數一般為15～17項，4.5～4.9級地震異常臺項數一般為10項左右)相比，異常數量是山西地區同等級別地震的2倍左右；異常在空間上主要分布在距離震中較近的山西南部至晉陜交界區，在空間上表現出不均勻性；在時間上以短臨異常為主，且具有明顯的階段性特征。

圖1 河津4.8級地震250 km范圍內定點地球物理場觀測臺站分布圖Fig.1 Distribution map of fixed-point geophysical observation stations within 250 km of Hejin M4.8 earthquake

2 異常時空特征

由第4頁表2可知，2010年山西河津4.8級地震前異常持續時間大于6個月的中期異常3項，占異常總數的15.79%；短期異常和臨震異常16項，占異?？倲档?4.21%。異常出現時間最早的是夏縣水氡反年變高值異常，出現在震前8～9個月；其次是臨汾臺短水準、臨汾VP垂直擺，分別出現在震前7個月和5～6個月；16項短臨異常，出現的時間較為集中，主要在震前13天～4個月和2～6天兩個時段內。異常在時間進程上具有階段性和準同步性特征，距離發震時間愈近，異常數量越多，震前20天就出現了11項異常表現出叢集性特征(見第4頁圖11)。

從河津4.8級地震多項地球物理測項異?？臻g演化圖11看出，震前的19項異常分布在距震中40～248 km范圍內。距離最近的異常為韓城金屬擺和侯馬水管傾斜，分別距震中40和58 km；最遠為乾陵垂直擺，距震中248 km，異常分布范圍較廣。其中，距離震中100 km范圍內的有11項，異常占比52%；101～200 km范圍內異常有1項，異常占比4%；在201～250 km范圍內有7項，異常占比41%(見表2)。可以看出，異常主要集中在0～100 km和200～250 km內，空間上表現出不均勻性。其原因可能與觀測臺點空間分布和震中區構造的復雜性有一定的關系。由圖1看出，河津4.8級地震在250 km范圍內，觀測臺點多數分布在與盆地走向一致的NE方向，在震中的東部與西部幾乎無觀測點，這種空間分布格局的不均勻性是造成異?？臻g不均勻性的主要原因；其次，由于震中及附近地區構造的復雜性，NE韓城斷裂、NEE向的峨嵋臺地北緣斷裂和孤山斷裂、NW向的西辛封斷裂和NWW向羅云山斷裂等在震中周圍密集交錯分布，在區域應力的作用下，因斷裂的不均一性在某些部位介質結構發生了改變。河津4.8級地震波速比異常的分布特征也證實了這一推斷。震中以北的臨汾和安澤地震臺，在震前具有持續2～3 年的中期波速比低值異常，臨汾地震臺西南方位和隰縣地震臺正南方位的波速比時間曲線出現短期異常變化，震中距最近的夏縣臺在震前無明顯的波速異常[15]。

表1 河津4.8級地震前定點地球物理場觀測映震效能分析統計Table 1 Analysis and statistics of earthquake reflecting efficiency of fixed point geophysical field observation before Hejin M4.8 earthquake

圖2 河津4.8級地震夏縣臺水氡觀測曲線Fig.2 Water radon observation curve at Xiaxian station before Hejin M4.8 earthquake

圖3 河津4.8級地震前臨汾臺VP寬頻帶傾斜儀觀測曲線及局部放大圖Fig.3 VP broadband tiltmeter observation curveand partial enlarged figure at Linfen station before Hejin M4.8 earthquake

圖4 河津4.8級地震前韓城臺金屬擺NS分量日均值觀測曲線Fig.4 Daily mean observation curve of NS component of metal pendulum at Hancheng station before Hejin M4.8 earthquake

圖5 河津4.8級地震前西安臺VS垂直擺傾斜觀測曲線Fig.5 Tilt observation curve of VS vertical pendulum at Xi'an station before Hejin M4.8 earthquake

圖6 河津4.8級地震前西安臺水管傾斜觀測曲線Fig.6 Observation curve of water pipe inclination at Xi'an station before Hejin M4.8 earthquake

圖7 河津4.8級地震前西安臺洞體應變觀測曲線Fig.7 Observation curve of body strain in Xi'an station cave before Hejin M4.8 earthquake

圖8 河津4.8級地震前夏縣臺氣汞觀測曲線Fig.8 Gas mercury observation curve at Xiaxian station before Hejin M4.8 earthquake

綜上所述，河津4.8級地震異常在時間上具有階段性、準同步性和叢集性，在空間上表現出范圍廣和不均勻性，且異常圍繞震源區出現聚集或擴散現象。中期階段異常從震源區向外圍地區擴展，進入短期階段后，異常有一個快速的擴展過程，即從外圍地區向震源區快速收縮推進，之后進入以高、低頻波動為主的臨震異常階段(見圖11)。

圖9 河津4.8級地震前西安臺鉆孔水位觀測曲線Fig.9 Water level observation curve of boreholes at Xi'an station before Hejin M4.8 earthquake

圖10 河津4.8級地震前乾陵臺VS垂直擺觀測曲線Fig.10 Observation curve of VS vertical pendulum at Qianling station before Hejin M4.8 earthquake

表2 河津4.8級地震前定點地球物理場測項及異常數量統計Table 2 Statistics of fixed-point geophysical field measurement items and anomaly number before Hejin M4.8 earthquake

圖11 河津4.8級地震前地球物理場異常時空演化及進程圖Fig.11 The spatio-temporal evolution and process diagram of geophysical field anomalies before Hejin M4.8 earthquake

3 異常時頻特征

異常的時頻特征研究是定量識別異常的一種有效方法，前述的異常識別基本以定性判別為主，為了快速準確地判別異常，采用小波多分辨率時頻分析方法[16]對震前異常進行處理。這是由于這種信號分解的能力可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，在研究非穩態信號、識別異常信息方面具有優勢[17-18]。

從河津地震前各異常測項小波時頻分析結果看出，震前3個多月始，有17個測項存在不同程度的異常(限于篇幅，小波分解僅給出異常最先出現的細節層)。如圖12a所示,震中距100 km范圍內的異常主要集中在小波分解細節部分第5層(32～64 h)或第6層(64～128 h)；距震中100～200 km范圍內的異常集中在第7層，周期為128～256 h(見第6頁圖12b)；距震中200～250 km范圍內的異常主要集中在第6層(64～128 h)或第7層(128～256 h),如圖12c所示。

圖13中，橫軸為出現異常的細節層，縱軸為處理結果在此細節層上有異常的測項數與總異常項的百分比?？梢钥闯?，距震中100 km范圍內，第4層出現異常的比率為0.08，第5層為0.69，第6層為0.23，第7層無異常出現(見圖13a)；距震中101～200 km范圍內出現的異常僅1項(見圖13b),出現在第7層；距震中201～250km范圍內異常資料處理結果，第4層和第5層無異常出現，第6層和第7層出現異常的比率分別為0.64和0.36(見圖13c)。結果表明，隨著臺站距震中的由近到遠，其頻率越來越低，周期亦越來越長。各測項異常信息特征如第7頁表3所示。

圖12 小波分解結果Fig.12 Wavelet decomposition results

圖13 小波分解異常頻段統計圖Fig.13 Statistical chart of abnormal frequency band by wavelet decomposition

表3 河津4.8級地震前定點地球物理場觀測小波時頻分析結果統計Table 3 Statistics of wavelet time-frequency analysis results of fixed-point geophysical field observations before Hejin M4.8 earthquake

4 結論

通過對山西河津4.8級地震前250 km范圍內地球物理場測項異常信息分析，得出到如下認識：

(1) 在時間上，以短臨異常為主，主要集中在震前13天～4個月及2～6天內，異常在時間上具有階段性和準同步性特征，并且距離發震時間愈近異常數量越多，表現出叢集性特征。

(2) 在空間上，異常分布范圍較廣(40～248 km)，主要集中在距離震中200 km范圍內，中期異常由震中內向外圍擴展，短臨階段表現為震中與外圍交替出現。異常在空間的分布隨時間而變化，具有不均勻性。

(3) 震前異常測項時頻分析結果顯示，異常包含的周期成分較復雜，隨著臺站距離震中的遠近，異常頻段表現出一定的規律性。離震中越近的測項，異常高頻信息相對豐富；反之，異常低頻信息相對豐富。這一規律對未來地震震中判定具有一定的參考意義。

致謝：國家地震臺網中心和陜西省地震局為該研究提供了數據支持，在此深表感謝！