臨震微波動現象回溯性研究
——以青海地區為例

2024-04-02 06:05:20王建軍張曉清楊曉霞

大地測量與地球動力學 2024年4期

余娜王建軍張曉清楊曉霞

1 青海格爾木青藏高原內部地球動力學野外科學觀測研究站,西寧市柴達木路153號,810005

2 青海省地震局,西寧市柴達木路153號,810005

3 甘肅省地震局,蘭州市東崗西路450號,730000

寬頻帶數字波形資料中隱含著豐富的信息。隨著我國寬頻帶數字記錄臺網建設完成,如何識別并提取與地震孕育有關的活動構造微活動、微破裂等信息受到地震學者的廣泛關注。王玥琪[1]采用希爾伯特-黃變換對不同類型事件頻譜特征進行分析,總結不同事件的頻譜特征。楊立明等[2-4]利用四川、青海、甘肅等區域的寬頻帶數字波形資料,對2008年汶川MS8.0和2010年玉樹MS7.1地震進行對比研究,根據時間域和頻率域的表現特征初步識別臨震微波動現象,并通過對青藏塊體2012～2014年發生的5級以上地震進行實時跟蹤分析,驗證臨震微波動現象的重現性和客觀性,初步得出強震前臨震微波動現象的判定依據:若某個臺站連續4 d及以上出現活動度N≥4 的現象,則表示該臺站存在臨震微波動異常。袁超等[5]對2015～2016年青藏塊體和新疆4次5.5級以上地震進行臨震微波動現象跟蹤分析,驗證強震前臨震微波動現象的存在。

本文對2020～2022年青海地區5.0級及以上地震震中距150 km以內臺站的波形資料進行分析,總結青海地區5.0級及以上地震的臨震微波動異常特征,檢驗和完善臨震微波動現象的異常跟蹤指標。

1 研究方法

臨震微波動是在強震臨震階段疊加在正常地脈動上的事件,優勢頻率集中在11～16 Hz左右,頻譜形態較為整齊。本文的波形資料來源于蘭州臨震微波動實時監控與跟蹤系統,該系統將青海、甘肅、西藏、云南和四川等多個區域260多個數字臺站的連續波形資料實時匯集,儀器采樣率為每秒100次,最大分辨頻率為50 Hz。該系統從2019-07開始自動接收青海地區的數據流,并且每小時自動識別臨震微波動事件。通過對波形進行高通濾波,以超出地脈動方差平均值若干倍為標準,當某一時段波形記錄超出方差控制線時,以該超出部分的中點為中心,其前后各延伸截取一定時間長度的波形記錄作為疑似臨震微波動事件,將疑似臨震微波動事件通過快速傅里葉變換進行頻譜分析,得到該事件的頻譜特征,最后對疑似臨震微波動事件進行人工識別,滿足條件的記為一次臨震微波動事件。

臨震微波動活動度N值表示一定時間段內臨震微波動事件出現的總頻次[1],其定義為:

(1)

式中,i為時間(單位d),i=1,2,3…,j為該類事件出現的順序,n(i,j)表示臨震微波動現象在第i天第j次出現,k為出現的總次數。

2 地震活動特征及資料分析

青海地區構造運動強烈,歷史上曾多次發生強震,如2001-11-14昆侖山口西MS8.1地震、2010-04-14玉樹MS7.1地震和2021-05-22瑪多MS7.4地震等。選取2020-01-01～2022-12-31青海地區5.0級及以上地震事件為研究對象(表1),其中,MS5.0～5.9地震7次,MS6.0～6.9地震2次,MS7.0～7.9地震1次。10次地震的震中及測震臺站分布見圖1,本文詳細分析其中4次地震的臨震微波動現象。

圖1 震中及臺站分布

表1 2020～2022年青海地區MS≥5.0地震事件及其震中距統計

2.1 2021年瑪多MS7.4地震

2021-05-22青海省瑪多縣發生MS7.4地震,震中附近測震臺站分布較稀疏,150 km半徑范圍內僅有3個測震臺站,即瑪多臺(36 km)、巴顏喀拉臺(72 km)和清水河臺(145 km)。由圖2可知,瑪多臺、巴顏喀拉臺和清水河臺均記錄到了臨震微波動事件,而且這3個臺站3個測道(NS、EW、UD)的活動度N值都有明顯的高值變化。根據臨震微波動活動頻次圖(圖2)與測震臺站分布圖(圖1)可知,記錄到較多臨震微波動事件的巴顏喀拉臺和清水河臺均位于震中的西南側,而位于震中北側的瑪多臺記錄到的臨震微波動事件非常少。

圖2 2021年瑪多MS7.4地震前震中距150 km范圍內臺站N值變化

2021-01～05巴顏喀拉臺EW測道連續多日(4 d以上)活動度N值大于4,達到了臨震微波動現象異常跟蹤指標,異常幅度最大為10,從03-08出現異常至發震共74 d;NS測道在4月初存在單日活動度N值為5,但未出現連續活躍超過4 d的異常現象,在正常范圍內隨機波動。清水河臺UD測道在05-12出現單日活動度N值為5,也未達到連續活躍4 d的異常指標,在正常范圍內隨機波動。距震中最近的瑪多臺UD測道在震后出現單日活動度N值為5,在正常范圍內隨機波動。

2.2 2021年茫崖MS5.8地震

2021-06-16青海省茫崖市發生MS5.8地震,震中附近測震臺站分布稀疏,150 km半徑范圍內僅有2個測震臺站,即冷湖臺(84 km)和大柴旦臺(140 km)。由圖3可知,除冷湖臺UD測道沒有記錄到臨震微波動事件外,其他5個測道均記錄到了臨震微波動事件,而且活動度N值都有明顯的高值變化。根據微波動活動頻次圖(圖3)與測震臺站分布圖(圖1)可知,臨震微波動事件較為活躍的大柴旦臺位于震中東南側,位于震中西北方向的冷湖臺記錄到的臨震微波動事件較少。

圖3 2021年茫崖MS5.8地震前震中距150 km范圍內臺站N值變化

2021-01～06大柴旦臺NS、UD測道連續多日(4 d以上)活動度N值大于4,達到了臨震微波動現象異常跟蹤指標。UD測道從02-14出現異常至發震共122 d,異常幅度最大為12;NS測道從03-08出現異常至發震共98 d,異常幅度最大為13;EW測道存在單日活動度N值高于4,但未出現連續活躍超過4 d的異常現象,在正常范圍內隨機波動。冷湖臺臨震微波動活動度N值小于4,在正常范圍內隨機波動,無明顯異常。

2.3 2022年門源MS6.9地震

2022-01-08青海省門源縣發生MS6.9地震,震中附近測震臺站分布密集,150 km半徑范圍內有10個測震臺站,分別為門源臺(36 km)、鏵尖臺(67 km)、大通臺(100 km)、河西堡臺(102 km)、祁連臺(103 km)、山丹臺(113 km)、龍王山臺(122 km)、湟源臺(124 km)、石崗臺(134 km)和西寧臺(134 km)。由圖4可知,10個測震臺中的9個記錄到了臨震微波動事件,僅山丹臺未記錄到。記錄到臨震微波動事件的9個臺站的3個測道(NS、EW、UD)的活動度N值在2021-08～2022-01期間存在明顯的高值變化。根據臨震微波動活動頻次圖(圖4)與測震臺站分布圖(圖1)可知,臨震微波動事件比較活躍的祁連臺、大通臺、龍王山臺、湟源臺和石崗臺位于震中的東南和西北方向,位于震中北側的山丹臺未記錄到臨震微波動事件,鏵尖臺、河西堡臺、門源臺和西寧臺記錄到的臨震微波動事件非常少。

圖4 2022年門源MS6.9地震前震中距150 km范圍內臺站N值變化

2021-08～2022-01祁連臺NS測道連續多日(4 d以上)活動度N值大于4,達到臨震微波動現象異常跟蹤指標,異常幅度最大為10,從08-11出現異常至發震共146 d;其后有單日的突跳變化,但均在正常范圍內隨機波動。湟源臺EW測道連續多日(4 d以上)活動度N值大于4,達到臨震微波動現象異常跟蹤指標,EW測道從09-08出現異常至發震共122 d,異常幅度最大為28;NS和UD測道存在多次活動度N值大于4,但未出現連續活躍超過4 d的異常現象,未達到異常跟蹤指標。大通臺NS測道在2021-11-02出現單日活動度N值為5,未達到連續活躍4 d的異常指標,在正常范圍內隨機波動。

2.4 2022年德令哈MS5.8地震

2022-01-23青海省德令哈市發生MS5.8地震,震中附近測震臺站分布較稀疏,150 km半徑范圍內僅有2個測震臺站,即德令哈臺(118 km)和青頭山臺(144 km)。由圖5可知,除青頭山臺UD測道沒有記錄到臨震微波動事件外,其他5個測道均記錄到臨震微波動事件,而且活動度N值都有明顯的高值變化。根據微波動活動頻次圖(圖5)與測震臺站分布圖(圖1)可知,臨震微波動事件較為活躍的德令哈臺位于震中正南方向,青頭山臺位于震中東北方向。

圖5 2022年德令哈MS5.8地震前震中距150 km范圍內臺站N值變化

2021-08～2022-01青頭山臺NS測道和德令哈臺UD測道存在單日活動度N值高于4,但未出現連續活躍超過4 d的異常現象,未達到臨震微波動異常跟蹤指標,其余記錄到臨震微波動事件的臺站活動度N值均在正常范圍內隨機波動。

3 討論

依據上述思路逐一分析2020～2022年青海地區發生的10次5級以上地震(表1),結果發現,震前半年震中150 km范圍內的臺站幾乎都記錄到臨震微波動事件,達到臨震微波動異常指標的臺站不是震中距最小的臺站;記錄較多臨震微波動事件的臺站或者達到臨震微波動異常指標的臺站往往分布在震中的東南側或者西南側,位于震中北側的臺站未記錄到臨震微波動事件或者記錄到的臨震微波動事件非常少(表1),這一現象與之前的認識有一定的差異。由圖1可知,研究區地震附近的斷層大多呈NW-SE向展布,地震類型是左旋走滑型[6-9],初步認為這可能是導致上述現象的原因。

在地震強度方面,這10次地震均記錄到臨震微波動事件。由表2可知,2次5.0～5.4級地震中,臨震微波動事件的活躍度N值未達到臨震微波動現象異常跟蹤指標,均在正常范圍內隨機波動,映震率為0;5次5.5～5.9級地震中,有2次震前達到臨震微波動異常跟蹤指標,映震率為40%;3次6.0級及以上地震中,有2次震前達到臨震微波動異常跟蹤指標,映震率為66.7%。可以看出,震級越大,震前出現臨震微波動異常指標的可能越大,即映震效果越好。而且從這10個震例中發現,從臨震微波動異常出現到主震發生,時間最長為116 d,最短為43 d,這與之前認識的12～14 d有一定的差異。