用超限率分析法提取鉆孔傾斜地震前兆異常信號

高麗娟 謝姆斯葉·艾尼瓦爾 邢喜民 高 歌 張治廣 滕海濤

1 新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊市科學二街338號，830011

地震從孕育到破裂，地殼介質會產生形變、應變等信息的變化，可以為地區地震預測提供一定的參考。研究者提出了多種短臨異常的識別和分析方法。陳德福［1］發現“前驅波”出現在傾斜儀、應變儀和重力儀觀測記錄中，周龍壽［2－4］提出用超限率分析法來定量檢驗前驅波，邱澤華［5－6］用超限率分析法研究汶川地震前姑咱臺的應變異常，何香玲［7－8］對河南滎陽數字化水管觀測中的高頻抖動信號進行干擾分析，陳建國［9］和劉學謙［10］認為地震前高頻抖動信息是普遍存在的。一般在原始曲線上難以察覺的異常變化，通過高通濾波處理，可以提取短周期異常信號。在此基礎上，結合超限率分析方法，最大限度地突出異常信息，可以定量地描述信號特征。本文研究此類異常信號與地震的關系。

1 基本理論

地震信號經過平滑濾波處理，再進行高通濾波，觀測曲線整體變化不大。將某觀測資料短周期變化時間序列記為Xi（i＝1，…，N），N為數據點總數。其均值為：

標準差為：

︱Xi︱－SD稱為超限強度。稱單位時間內超限點數N′為數量超限率，所有超限點的超限強度之和為強度超限率：

2 資料選取

考慮鉆孔傾斜一般在地下70～80 m 處，受氣壓影響小，在提取到的高頻信號中，可以忽略氣壓的作用。選取發生在某個臺站周圍300km 范圍內Ms≥5.0的地震作為研究對象。

表1為2008～2013年鉆孔傾斜潮汐因子和中誤差均值情況。NS向半日主波M2的潮汐因子均值在0.50～0.75之間，中誤差在0.112 9～0.010 5之間；EW 向半日主波M2的潮汐因子均值為0.36～0.77，中誤差在0.038 5～0.023 8之間。其中克拉瑪依鉆孔傾斜雖未達到I類臺標準，但資料比其他未達標臺穩定。部分鉆孔傾斜臺未達標，并不意味著數據不可靠，如哈拉峻、馬場和烏恰臺。

表1 鉆孔傾斜潮汐因子和中誤差均值Tab.1 The average value of tidal factor and the error for borehole tiltmeter

首先，結合臺站儀器工作日志，排除人為影響、天氣變化等干擾因素，剔除受影響的數據，對缺數利用插值方法進行擬合，對地震波采用平滑濾波的方式進行處理；其次，將處理好的分鐘值數據進行高通濾波處理；然后，確定高通濾波殘差值的閾值；最后，運用超限率分析法提取高頻信號，分析此類信號與地震的關聯性。

3 超限率前兆異常實例

3.1 標定結果、觀測系統的狀態

馬場鉆孔傾斜于2007－10－28安裝，儀器型號CZB－1，2010－07以來工作狀態良好。近3a來NS分量的格值變化小于0.1×10－3″／mV，EW 分量格值變化小于0.03×10－3″／mV，重復精度均小于0.8%，表明儀器工作狀況穩定。

3.2 震例回顧

馬場鉆孔傾斜NS分量數量超限率背景值為10次／d，強度超限率背景值為30×10－3″；EW 分量數量超限率背景值為4次／d，強度超限率背景值為15×10－3″。如圖1，經高通濾波后計算數量和強度的超限率，然后求其旬均值發現，該測項共出現3組高頻異常變化（其中2010－12－08吉爾吉斯坦6.0級地震前出現的異常是儀器不穩定期間出現的，可靠性差，不計在內）：2012－07－26塔吉克斯坦5.4級（Δ＝156km）、2013－03－11阿圖什5.2級（Δ＝204km）和2013－06－30中塔5.0級（Δ＝187km）地震前，NS和EW 分量的數量和強度超限率都出現明顯的高值異常，持續時間集中在18～108d，地震多發生在異常過程中。

圖1 馬場鉆孔傾斜高通濾波的超限率曲線Fig.1 Curves of overun－rate at Machang station

圖2 馬場臺鉆孔傾斜NS分量與氣壓水位的數量超限率曲線對照示意圖Fig.2 Comparison of quantity－overun－rate between the NS component and the pressure at Machang station

3.3 氣壓和水位的影響

圖2是對馬場的氣壓和水位觀測數據進行高通濾波和超限率計算得到的數量超限率曲線變化。對照NS向傾斜的數量超限率，NS分量高頻信號的數量超限率異常出現的時間分別在2012－04～06、2013－02～04、06～08，而氣壓和水位出現異常的時間基本在每年12月～翌年2月，存在規律性的年變。因此，氣壓和水位對傾斜的高頻信號影響小，相關性不大，可排除氣象因素的干擾。此外，氣壓和水位的相關性很好，這也符合一般規律，二者相互影響。同時也說明高通濾波與超限率分析結合應用，提取類似的高頻信號是可行的。

3.4 與附近臺站的同步性對比

圖3是馬場和哈拉峻臺（兩臺相距150km）兩分量數量超限率對比。分析發現，2 臺的高頻信號在某些時段同時出現，如2010－02～06、2012－10～12、2013－06～07，觀測的異常信號相似。不同的是，哈拉峻臺提取到的超限點多于馬場臺，即同步出現的高頻信號哈拉峻臺更顯著。此外，2臺出現的不相關的個別信號，可能是因為位置不同，對應力場作用的敏感性不同，造成感應的差異，從而反映到形變儀器記錄的差異。

4 其他實例分析

全疆其他幾個臺的鉆孔傾斜超限率震例對應效果較好，如圖4所示，烏恰臺數量和強度超限率在2011－08－11阿圖什5.8級（Δ＝169km）、2012－02－05吉爾吉斯坦5.2級（Δ＝212km）、2012－07－26塔吉克斯坦5.4級（Δ＝179km）地震前，高頻信號均出現增多現象。2012－06－30新源、和靜交界6.6級地震（Δ＝249km）前，克拉瑪依觀測曲線上記錄到方向一致的階變信號，經超限率分析法提取后，異常顯而易見。和田臺鉆孔傾斜2012年以來高頻信號異常共出現4組，其中3組對應地震，分 別 是2012－03－09 洛 浦6.0 級（Δ＝285 km）、2012－08－12于田6.2級（Δ＝263km）和2014－07－09麥蓋提5.1級地震（Δ＝286km）。6級地震前異常持續時間1個月左右，5級地震前異常持續時間2個月，地震均發生在異常結束后。

圖3 馬場和哈拉峻臺鉆孔傾斜EW 分量和NS分量數量超限率曲線對比Fig.3 Comparison of quantity－overun－rate between the Machang station and the Halajun station for the EW component and the NS component

圖4 鉆孔傾斜的超限率曲線示意圖Fig.4 Overrun rate analysis curves of the borehole tiltmeters

5 結 語

1）高頻信號有時兩個分向同時出現，有時只在1個分量出現；

2）高頻信號異常持續時間較短，持續時間≤1個月的占28%，1～3個月的占52%，3～6個月的占17%，大于6個月的占3%，主要集中在3個月內，屬短期變化異常；

3）高頻信號異常結束至發震時間分布相對集中，異常過程中發震的占28%，異常結束3 個月內發震的占52%，異常結束6 個月內發震的占10%，大于6 個月的占10%，異常結束至發震時間多集中在3個月內或異常過程中；

4）高頻信號對應的周邊地震距離不超過300 km，多在震源區外圍。

致謝：中國地震局地震預測研究所張晶研究員和劉琦工程師在本研究中給予悉心指導，在此一并致謝。

［1］陳德福.潮汐形變前驅波的時空特征［J］.大地測量與地球動力學，2006，26（2）：24－30（Chen Defu.Space－Time Characteristics of Tidal Deformation Precursor［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，26（2）：24－30）

［2］周龍壽，邱澤華，唐磊.汶川8.0級地震前驅波的統計檢驗［J］.大地測量與地球動力學，2009，29（2）：24－38（Zhou Longshou，Qiu Zehua，Tang Lei.Statistical Test of Precursory Waves before Wenchuan MS8.0Earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，29（2）：24－38）

［3］周龍壽.用小波方法系統檢驗強震“前驅波”［J］.地震學報，2009，31（1）：1－12（Zhou Longshou.Systemically Checking－up Strong Earthquake Precursory Waves with Wavelet Analysis［J］.Acta Seismologicasinica，2009，31（1）：1－12）

［4］周龍壽.用中國鉆孔應變臺網資料檢驗大震“前驅波”［J］.地震，2009，29（3）：67－78（Zhou Longshou.Testing Precursory Wave before Strong Earthquakes Using Borehole Strain Data［J］.Eaethquake，2009，29（3）：67－78）

［5］邱澤華.用小波－超限率分析提取寧陜臺汶川地震體應變異常［J］.地球物理學報，2012，55（2）：538－546（Qiu Zehua.Extracting Anomaly of the Wenchuan Earthquake from the Dilatometer Record at NSH by Means of Wavelet－Overrun Rate Analysis［J］.Chinese Journal of Geophysics，2012，55（2）：538－546）

［6］邱澤華，周龍壽，池順良.用超限率分析法研究汶川地震的前兆應變變化［J］.大地測量與地球動力學，2009，29（4）：1－9（Qiu Zehua，Zhou Longshou，Chi Shunliang，Study on Precursory Strain Changes of Wenchuan Earthquake with ORA Method［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，29（4）：1－9）

［7］何香玲，劉學謙，蘇麗華.河南滎陽臺水管觀測的高頻抖動信號分 析［J］.山西地震，2010，141（1）：33－38（He Xiangling，Liu Xueqian，Su Lihua.Analysis on High－Frequency Dithering Signal in Water Tube Observation of Xingyang Seismological Station in Henan［J］.Earthquake Research in Shanxi，2010，141（1）：33－38）

［8］何香玲，劉學謙，蘇麗華.數字形變觀測的高頻抖動信號對地震前兆響應分析［J］.地震地磁觀測與研究，2011，32（6）：116－121（He Xiangling，Liu Xueqian，Su Lihua.Response Analysis of Earthquake Precursors about High－Frequency Tremble Signal of Digital Deformation Observation［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2011，32（6）：116－121）

［9］陳建國，張娜.形變數字化資料對山西地區地震前兆反應研究［J］.山西地震，2009，137（1）：1－8（Chen Jianguo，Zhang Na.Study on the Response of Digital Deformation Data to Earthquake Precursor of Shanxi［J］.Earthquake Research in Shanxi，2009，137（1）：1－8）

［10］劉學謙，何香玲，蘇麗華.山西河津Ms4.8地震前滎陽數字形變異常信號分析［J］.內陸地震，2012，26（1）：36－44（Liu Xueqian，He Xiangling，Su Lihua.Study on Deformation Anomaly Signal in Xingyang Station before Hejing（Shanxi）Earthquake with Ms4.8［J］.Inland Earthquake，2012，26（1）：36－44）