天山中段2次6級地震前鉆孔應變高頻異常分析

斯 琴, 關冬曉, 王 斌, 郭春生

(新疆維吾爾自治區地震局, 新疆 烏魯木齊 830011)

0 引言

四分量鉆孔應變儀是我國研制的一種新型地球動力學觀測儀器,具有精度高、頻帶寬、受地表影響少等優點。儀器可以記錄固體潮潮汐及地震孕育過程中的地殼變形及應變變化,在地殼應力應變觀測及地震中短臨跟蹤分析預報中扮演著重要角色[1]。2014年以來,在天山中段和援疆項目資金支持下,新疆天山中段地區先后布設了10套RZB型分量式鉆孔應變儀,初步形成了區域應變觀測網,極大地豐富了天山中段地球物理觀測資料。

天山中段是新疆中強地震活動的相對集中區。2016年以來,新疆境內共發生5次6級以上地震,其中2次6級地震[2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震(43.83°N,86.35°E)和2017年8月9日精河MS6.6地震(44.27°N,82.89°E)]位于天山中段地區。該地區1年內相繼發生2次6級地震,引起了地球物理學者的廣泛關注。對這2次地震前兆異常的分析和震后反思很多,其中趙彬彬等[2]、高麗娟等[3]對震前部分分量鉆孔應變資料出現的異常進行了歸納總結。但這些研究僅限于對原始數據曲線的形態分析,采用多種分析處理方法獲取短周期異常信息的較少。

很多學者利用時頻分析方法研究了分量鉆孔應變觀測數據記錄到的地震異常變化。邱澤華等[4-5]分別基于姑咱臺分量鉆孔應變和寧陜臺體應變數據,采用超限率方法分析了汶川MS8.0地震的高頻異常變化;劉琦等[6-8]利用分量鉆孔應變觀測資料研究了汶川MS8.0、門源MS6.4和蘆山MS7.0地震,發現經S變換處理后的鉆孔應變資料存在顯著的高頻異常信號;武善藝等[9]、龔麗文等[10]結合S變換和超限率分析方法對汶川MS8.0和魯甸MS6.5地震前的所有形變資料進行了分析研究,在震前也提取到了與地震相關的高頻異常信息。

為此,本文以天山中段地區的分量鉆孔應變觀測資料為對象,采用S變換和超限率分析方法,從長、短不同時間尺度分別分析其記錄到的精河MS6.6和呼圖壁MS6.2地震的高頻異常信號,總結其異常變化特征,為地震預測預報提供參考。

1 觀測資料質量評價

2014年以來,新疆天山中段地區先后建成10個鉆孔應變臺站,大致沿天山山脈南、北兩麓分布(圖1)。鉆孔深度多在100 m以上,僅榆樹溝為52 m。這10臺應變儀均為RZB-2型分量式鉆孔應變儀。自架設以來,儀器工作狀態良好,為天山中段地區積累了豐富的鉆孔應變觀測資料。應變觀測資料基本信息列于表1。

圖1 鉆孔應變臺站及震中分布圖

四分量鉆孔應變觀測資料的質量可以用信度指標C95[11]來評價,它可以定量說明觀測的自洽程度。自洽情況越好,數據越可靠,其觀測信度C95越接近1;當自洽情況較差時,信度偏離1,需要通過相對實地標定對數據進行矯正。表2給出了天山中段10套四分量鉆孔應變觀測資料質量評價結果。

表2 四分量鉆孔應變觀測資料質量評價結果

由表2可知,經相對實地標定矯正后,這10個臺站的觀測信度都得到了明顯提高,其中鞏留臺信度甚至達到了0.965 0,但雀兒溝和新源的信度不足0.5,質量最差。鞏留臺雖信度指標較高,但是其元件相對標定系數平均值僅為0.329 4,嚴重偏離1。所以結合信度、相對標定系數和偏差,認為資料質量最好的是石場、巴侖臺、巴音溝,較好的是榆樹溝、庫米什、小泉溝和尼勒克,鞏留次之,可以用于后續的數據分析研究。

2 異常提取方法

2.1 方法原理

(1) S變換[12]原理:S變換作為時頻分析方法的一種,可以將一維的時間序列信號轉換成二維的時頻域信號,為研究信號的時頻演化特征提供了便利[7]。它是在短時窗傅立葉變換和小波變換相結合的基礎上發展起來的,所以很好地繼承了短時傅里葉變換和小波變換的優點。

S變換的一維連續正變換表達式為:

(1)

式中:h(t)為原始信號;S(τ,f)為相應的S正變換;f為頻率;t為觀測時間;τ為時間軸上高斯窗所在的位置。

(2)

2.2 異常提取

首先選取觀測信度較好的石場、巴侖臺、巴音溝、榆樹溝、庫米什、小泉溝、尼勒克和鞏留這8個臺站的分量鉆孔應變整點值數據,經過高通濾波處理后,分別從長、短兩個不同時間尺度進行分析計算。對于長尺度(大于1年),同時采用S變換和超限率方法計算觀測數據在較長時間尺度內的高頻異常信息及超限情況,提取中長期異常信息[13];而短尺度僅采用S變換方法,提取地震發生前后7天的短臨異常信息。然后針對這些高頻異常信息,結合相關觀測日志、核實報告等資料,排除因儀器故障、同震等干擾因素造成的高頻信息,提取與地震相關的高頻異常信息。

3 高頻異常特征分析

從長短不同時間尺度對天山中段2次6級地震前的分量鉆孔應變資料進行超限率和S變換分析,提取到與地震相關的高頻信號6項。其中,精河MS6.6地震前存在3項長尺度高頻異常;呼圖壁MS6.2地震前存在1項長尺度高頻異常和2項短尺度高頻異常。

3.1 長尺度高頻異常分析

(1) 小泉溝分量鉆孔應變

小泉溝鉆孔應變超限率和S變換分析結果顯示該臺數量超限率、強度超限率和S變換幅值于2017年1月均出現快速上升變化,2月中旬達到峰值,并持續至3月高頻信號才基本結束,僅有第4分量高頻異常持續至震后結束,異常整體變化形態比較顯著[13](圖2)。

圖2 小泉溝鉆孔應變S變換及超限率分析結果

(2) 尼勒克分量鉆孔應變

2017年7月13日尼勒克分量鉆孔應變超限率和S變換幅度同步出現快速上升變化,16日達到峰值,18日高頻異常基本結束(圖3),8月9日發生精河6.6級震。8月25日,該臺高頻異常信號再次出現增強,持續至9月16日庫車5.7級地震發生后才消失[13]。對比這兩次地震前尼勒克鉆孔應變的高頻異常信息,可以發現兩次異常的演化過程相似,但頻度和強度有所不同。

圖3 尼勒克鉆孔應變S變換及超限率分析結果

(3) 鞏留分量鉆孔應變

鞏留分量鉆孔應變超限率及S變換分析結果顯示,第2和第4分量于7月13日開始出現高頻信號增強現象,異常僅持續5天后消失,8月9日發生精河6.6級地震[13]。此異常變化與尼勒克鉆孔應變高頻異常出現的時間、形態都基本一致,這種相距不遠(約38 km)的兩個臺站,幾乎同步觀測到相似的高頻異常變化,應該不是偶然發生的,可能反映了同一區域應力的變化。圖4顯示的由儀器故障導致的高頻信息與地震導致的高頻異常信息形態不同,儀器故障導致的高頻信息幅度、強度不隨時間變化,而且故障消失時高頻信號也瞬間消失,不存在逐漸增強-逐漸消失的變化過程。

圖4 鞏留鉆孔應變S變換及超限率分析結果

(4) 巴侖臺分量鉆孔應變

巴侖臺分量鉆孔應變4個分量2016年12月7日14:22-14:42同步出現大幅壓縮變化,變化幅度和形態相當,12月8日13時15分,相距102 km的呼圖壁發生6.2級地震。超限率及S變換分析結果顯示,12月6-8日,巴侖臺高頻異常信號呈現“開始出現-達到峰值-衰減消失”的演化過程 (其他分量變化形態類似),異常僅持續2天左右(圖5)。

圖5 巴侖臺鉆孔應變S變換及超限率分析結果

3.2 短尺度高頻異常分析

(1) 榆樹溝分量鉆孔應變

榆樹溝分量鉆孔應變第2和第4分量原始數據于2016年12月7日出現小幅階躍變化,第2分量比第4分量明顯;而短尺度S變換分析結果顯示,除正常的半日波、日波信號以外,12月7日出現了一簇高頻信號,能量主要集中在60～1 440 min頻段。其中在240～1 440 min頻段,異常的頻度和強度都比較顯著,最大信號強度達25×10-10,第2分量比第4分量更明顯(圖6)。

圖6 榆樹溝鉆孔應變S變換分析結果(2016年)

(2) 巴侖臺分量鉆孔應變

巴侖臺分量鉆孔應變4個分量在呼圖壁MS6.2地震前同步出現階變異常,采用15天作為窗長進行S變換。分析結果顯示,在正常數據時段,數據信號主要以半日波和全日波信號為主,而在12月7日出現一簇顯著的高頻信號,信號強度在720～10 min,持續時間較短,臨震前消失。圖7僅給出了第1、3分量時頻分析結果(其他分量形態類似)。

4 結論與討論

4.1 結論

選取天山中段分量鉆孔應變觀測資料作為研究對象,采用S變換和超限率分析方法進行長、短尺度分析,在精河MS6.6和呼圖壁MS6.2地震前提取到6項高頻異常信息,經過對這些高頻異常特征參數進行分析統計(表3),得到以下結論:

(1) 精河MS6.6地震的高頻異常主要特征:以中長期異常為主,這些高頻異常信息均在地震前出現,隨后達到峰值,臨震前或者地震后衰減消失;高頻異常持續時間的長短與震中距有一定關系,距離震中越遠,異常時間越長(如小泉溝),距離震中越近,異常持續時間越短(如尼勒克和鞏留)。

(2) 呼圖壁MS6.2地震的高頻異常主要特征:以短臨異常為主,異常持續時間較短,一般在震前1～2天瞬間變化;異常信號頻帶較寬(10～720 min),震前出現,臨震前消失,與曲線階躍、固體潮畸變對應較好,可能反映鉆孔周邊塊體因應力積累而造成的瞬間錯動或者變形[9]。

(3) S變換與超限率分析結果具有很好的同步性。

天山中段2次6級地震前的應變高頻異常特征有相似之處,也有一定的差異,這與地震發生的構造背景、臺站附近地殼介質的穩定性、震中距等有一定的關系。

4.2 討論

據彭克銀等[14]提出的震級M與孕震區臨界半徑R的經驗關系:lgR=0.29M+0.49,可以估算出精河MS6.6地震和呼圖壁MS6.2地震的孕震區域臨界半徑R分別是253 km和194 km。由表3可以看出,這些高頻異常大多在其孕震區域范圍內(除小泉溝),說明用這兩種方法提取到的高頻異常信息是真實可信的。

從精河MS6.6地震高頻異常出現的先后順序,我們知道最早出現異常的是小泉溝,之后是尼勒克和鞏留臺,異常臺站整體分布呈NW-SE方向延展。結合地質構造我們知道,尼勒克附近的伊犁盆地北緣斷裂、小泉溝附近的洪水溝斷裂和鞏留臺附近的烏孫山山脊斷裂都是走滑斷裂,而在走滑斷裂當中,地震孕育的應力傳遞方向與斷層走向一致[15]。天山中段地區的主要斷裂走向為NWW-SEE,則應力傳遞方向也應與該方向一致,實際上精河MS6.6地震高頻異常出現的先后順序與應力傳遞的方向一致。

根據前人GPS觀測資料研究結果,精河MS6.6地震前,在震中附近區域出現的速度場和主壓應變率變化異常現象,反映出地殼應力能量在該區域有顯著的積累和增強[16]。應力的積累和主壓應變方向的偏轉很容易造成斷層的失穩,在斷層失穩階段,高頻異常是極易出現的[17]。這說明通過S變換和超限率方法提取的應變高頻異常反映的應力應變狀態與GPS場上觀測結果還是有較好的一致性的,這種一致性從另一方面說明這種應變高頻異常是可信的。