景泰MS4.7地震前的定點(diǎn)形變異常1

史小平王小娟劉洪斌

1）甘肅省地震局，蘭州 730000

2）蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，蘭州730000

景泰MS4.7地震前的定點(diǎn)形變異常1

史小平1）王小娟1）劉洪斌2）

1）甘肅省地震局，蘭州 730000

2）蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，蘭州730000

2014年11月15日，在甘肅省白銀市景泰縣發(fā)生MS4.7地震，震源深度10km。在震中附近200km以內(nèi)，甘肅省地震局共安裝架設(shè)有14臺各類形變觀測儀器。本文通過對這些形變觀測儀產(chǎn)出的分鐘值觀測資料做小波分析發(fā)現(xiàn)，在地震前1個月內(nèi)共有11臺（套）形變觀測儀記錄到了異常變化。其中：SSY、TJ、DSQ、SSQ型觀測儀記錄到異常的同步性非常好；CZB型觀測儀記錄到的異常比較亂，沒有固定的規(guī)律。通過對這些異常變化的總結(jié)能夠?yàn)榈卣痤A(yù)測提供一定的判斷依據(jù)。

景泰MS4.7地震 小波分析 定點(diǎn)形變 異常變化

史小平，王小娟，2015.景泰MS4.7地震前的定點(diǎn)形變異常.震災(zāi)防御技術(shù)，10（4）：941—952.doi：10.11899/zzfy20150412

引言

破壞性地震在其主破裂（主震）發(fā)生之前，會發(fā)生許多不同速度和不同規(guī)模的破裂。當(dāng)破裂速度較高時（例如V＞1km/s）就會產(chǎn)生波動，也就是短周期地震儀所記錄到的“地震”；但當(dāng)破裂速度較低時，所產(chǎn)生的波動難以被短周期地震儀所記錄，但能被長周期地震儀或某些形變連續(xù)觀測儀器所記錄，即所謂的“慢地震”；當(dāng)破裂速度更低時，所激發(fā)出的波動地震儀往往難以記錄，但可能被某些形變連續(xù)觀測儀器所記錄，即所謂的“靜地震”；當(dāng)破裂速度更更低時，就表現(xiàn)為“蠕滑”（例如斷層蠕滑）（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2008）。因此，當(dāng)?shù)卣鹪杏^程接近破裂臨界時，往往會出現(xiàn)“地震”、“慢地震”、“靜地震”、“蠕滑”等諸種破裂的密集和明顯漲落，并可能以波的形式向遠(yuǎn)方傳播，從而使一些地形變連續(xù)觀測臺站記錄到多姿多彩的各種異常變化，例如：各種短周期波動、階躍、突跳、擾動等。其中，階躍和突跳在模擬記錄時期就已經(jīng)開展了大量的研究；各種短周期波動和擾動的研究則是隨著數(shù)字化觀測的推進(jìn)而逐步推進(jìn)，特別是將小波分析方法引入地形變觀測數(shù)據(jù)的分析以后，越來越多的研究人員對地形變觀測中出現(xiàn)的各種短周期波動和擾動現(xiàn)象展開了深入的研究（宋治平等，2003；萬永革等，2003；張燕等，2003；2004；李杰等，2005）。本文將采用小波變換方法，對景泰MS4.7地震附近的多套連續(xù)形變觀測資料進(jìn)行分析和處理，提取資料當(dāng)中的非潮汐信息，找出震前的某些異常現(xiàn)象。

1 景泰地震、地形變觀測站簡介

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2014年11月15日07時03分（北京時間），在甘肅省白銀市景泰縣（震中位于北緯37.1°，東經(jīng)103.7°）發(fā)生MS4.7地震，震源深度10km。

在景泰MS4.7地震附近200km以內(nèi)，甘肅省地震局建設(shè)有蘭州觀象臺（以下簡稱蘭州臺）、蘭州十里店形變臺（以下簡稱十里店臺）、白銀形變觀測站（以下簡稱白銀臺）、臨夏地震臺（以下簡稱臨夏臺）、橫梁臺、寺灘綜合臺、寺灘應(yīng)變臺、英鴿臺（圖1）。在這些臺站分別安裝有：DSQ型水管傾斜儀、CZB型鉆孔傾斜儀、SSQ型數(shù)字石英水平擺傾斜儀、SSY型伸縮儀、SSY-II型石英伸縮儀、YRY型分量應(yīng)變儀、TJ型體應(yīng)變儀等地形變觀測項(xiàng)目（詳見表1）。這些觀測項(xiàng)目大部分是“十五”期間新建或改造的觀測項(xiàng)目，運(yùn)行穩(wěn)定，為地震監(jiān)測提供了連續(xù)可靠的地形變觀測資料。

圖1 景泰MS4.7地震和定點(diǎn)形變臺站分布圖Fig. 1 Location of the Jingtai MS4.7 earthquake and the fixed point deformation stations

2 資料分析

地形變觀測數(shù)據(jù)中主要存在以下幾種成分：①地殼應(yīng)力積累導(dǎo)致的地殼形變；②日月引力作用引起的固體潮汐；③儀器電子部件的零漂影響；④氣象變化和觀測環(huán)境變化引起的干擾；⑤人為及儀器故障引起的干擾等。在數(shù)據(jù)處理分析中要排除②—⑤項(xiàng)，識別①項(xiàng)。其中，④和⑤項(xiàng)在日常的觀測當(dāng)中就進(jìn)行了識別和處理，并記錄在觀測日志中，因此能夠較好地辨別和排除。在①—③項(xiàng)中，成分②占主要優(yōu)勢，有可能掩蓋臨震前的異常變化。而小波分析能夠?qū)⒑铣尚盘柈?dāng)中的單純信號的頻率提取出來，讓各優(yōu)勢頻率出現(xiàn)在不同的尺度分量上，使不同頻率成分分開。根據(jù)需要可以用它提取一定范圍頻率的數(shù)據(jù)，將其它頻率范圍的數(shù)據(jù)去掉。

國內(nèi)學(xué)者利用小波分析方法對地形變觀測資料進(jìn)行處理后均得出了較有價值的結(jié)果（宋治平等，2003；萬永革等，2003；張燕等，2003；2004；李杰等，2005）。因此，本文也選用了小波分析的方法對觀測資料進(jìn)行處理分析，并將小波分解層數(shù)取6，即將2—128分鐘的信號分為6個不同頻段：2—4分鐘、4—8分鐘、8—16分鐘、16—32分鐘、32—64分鐘、64—128分鐘。

考慮到本文主要針對臨震前的異常變化進(jìn)行分析，因此，只截取了震前1個月和震后10天的分鐘值觀測資料進(jìn)行分析，即2014年10月17日至2014年11月25日的43200個分鐘值。分析結(jié)果見表1。

表1 小波分析結(jié)果統(tǒng)計Table 1 Statistical results of from the wavelet analysis

由表1可知，在景泰MS4.7地震200km以內(nèi)的14套地形變觀測儀器，有10套儀器記錄到異常變化（見圖3—圖7）。其中：伸縮儀記錄到的異常最為明顯，不但在小波分析的結(jié)果中存在明顯的異常（見圖3），而且在白銀臺的原始觀測的分鐘值曲線圖中都能看到11月14日的異常擾動（見圖2）；體應(yīng)變儀記錄到的異常也很明顯（見圖4），且與伸縮儀記錄到的異常基本一致；水管傾斜儀記錄到的異常變化就弱了一些（見圖5），特別是十里店臺的水管傾斜儀在11月9日之前幾乎沒有異常，但是9日以后的異常卻與伸縮儀的異常基本一致；十里店臺石英水平擺記錄到的異常與十里店臺水管傾斜儀記錄到的異常基本一致，即9日以后的異常與伸縮儀的異常基本一致（見圖6）；井下傾斜儀的異常變化比較凌亂，不但各套儀器之間的異常不一致，而且同一套儀器的不同測項(xiàng)分量記錄到的異常也不相同（見圖7）。另外，十里店臺的石英伸縮儀和臨夏臺的分量鉆孔應(yīng)變儀、井下傾斜儀均未記錄到異常變化。

圖2 白銀臺SSY分鐘值曲線圖Fig. 2 SSY minute value curve of Baiyin station

圖3 SSY小波分析結(jié)果Fig. 3 The wavelet analysis results of the SSY

圖4 TJ小波分析結(jié)果Fig. 4 The wavelet analysis results of the TJ

圖5 DSQ小波分析結(jié)果Fig. 5 The wavelet analysis results of the DSQ

圖6 SSQ小波分析結(jié)果Fig. 6 The wavelet analysis results of the SSQ

圖7 CZB小波分析結(jié)果Fig. 7 The wavelet analysis results of the CZB

圖8 白銀臺DSQ小波分析結(jié)果Fig.8 The wavelet analysis results of the DSQ in Baiyin station

圖9 十里店臺DSQ小波分析結(jié)果Fig.9 The wavelet analysis results of the DSQ in Shilidian station

圖10 十里店臺SSQ小波分析結(jié)果Fig.10 The wavelet analysis results of the SSQ in Shilidian station

圖11 寺灘臺CZB小波分析結(jié)果Fig.11 The wavelet analysis results of the CZB in Sitan station

圖12 橫梁臺CZB小波分析結(jié)果Fig.12 The wavelet analysis results of the CZB in Hengliang station

圖13 英鴿臺CZB小波分析結(jié)果Fig.13 The wavelet analysis results of the CZB in Yingge station

圖14 蘭州臺CZB小波分析結(jié)果Fig.14 The wavelet analysis results of the CZB in Lanzhou station

圖15 臨夏臺CZB小波分析結(jié)果Fig.15 The wavelet analysis results of the CZB in Linxia station

3 討論與結(jié)論

地震觀測研究表明，震源過程是一個持續(xù)時間較長的復(fù)雜過程，常規(guī)地震發(fā)生時所釋放的能量只是其中一部分，有很大一部分能量是在常規(guī)地震前后以各種形式緩慢釋放的。前蘇聯(lián)的梅謝里柯夫、美國的肖爾茨、日本的藤井陽一郎等根據(jù)大量震例總結(jié)出形變前兆的階段性特征，即：穩(wěn)定變化段α，加速變化段β1，失穩(wěn)段β2，震前突變段γ1，同震位錯段γ2和震后恢復(fù)段δ。因此，本文認(rèn)為在地震前的突變段γ1和同震位錯段γ2期間，會有很大一部分的能量被釋放出來，這種能量緩慢釋放的現(xiàn)象通常被稱為“慢地震”或“靜地震”，反映到觀測記錄中被稱為“前驅(qū)波”。到目前為止，許多學(xué)者均對此現(xiàn)象進(jìn)行過不同程度的研究，結(jié)果表明：水平擺、水管儀、垂直擺、重力儀、伸縮儀、鉆孔應(yīng)變儀、水位儀、長周期地震儀、海洋潮位儀、脈動儀、應(yīng)力儀等多種儀器能夠記錄到“前驅(qū)波”。而本文選取的觀測項(xiàng)目中，蘭州臺的CZB型鉆孔傾斜儀安裝于2000年5月，在2003年岷縣MS5.2和2013年岷縣-漳縣MS6.6地震前記錄到明顯的異常變化（姜振海等，2005；2006；2013）；十里店臺的水平擺傾斜觀測、水管傾斜觀測和洞體應(yīng)變觀測始建于1987年，在“十五”期間進(jìn)行了數(shù)字化改造，在1990年天祝-景泰MS6.1、1995年MS5.9、1996年MS5.4、2000年MS5.9和2013年岷縣-漳縣MS6.6地震之前均有不同程度的異常出現(xiàn)（唐磊等，2013；姜振海等，2013；唐九安等，1992；1995a；1995b；沈旭章等，2004），說明這些儀器均具備記錄震前異常變化的能力。而小波變換的時頻分析和獨(dú)特的奇異性檢測特性更能充分地識別出地震前的一些異常信息。因此本文在采用小波分析方法對這些地形變觀測資料進(jìn)行處理后，發(fā)現(xiàn)除臨夏臺的兩套地形變觀測和十里店的石英伸縮儀沒有記錄到異常變化外，其它地形變觀測項(xiàng)目均記錄到不同程度的異常變化。其中，應(yīng)變類的觀測項(xiàng)目記錄到的異常變化要比傾斜類的記錄到的異常明顯；伸縮儀、體應(yīng)變儀、水管傾斜儀和水平擺傾斜儀記錄到的異常變化具有很好的同步性；井下傾斜儀記錄到的異常變化比較凌亂，不但各套儀器之間的異常不一致，而且同一套儀器的不同測項(xiàng)分量記錄到的異常也不盡相同，這是一個值得研究的遺留問題。

致謝：審稿專家對本文提出了寶貴的修改意見和建議，謹(jǐn)表謝忱。

姜振海，曾文浩，張立光等，2005.甘肅岷縣MS5.2地震前后蘭州臺前兆資料異常變化研究.西北地震學(xué)報，27（增刊）：117—123.

姜振海，史小平，2006.蘭州臺CZB-1型豎直擺傾斜儀觀測資料初步分析.地震研究，29（1）：55—59.

姜振海，翟偉，王小娟，2013.岷縣、漳縣交界MS6.6級地震與甘肅形變異常情況探討.地震工程學(xué)報，35（3）：549—556.

李杰，劉希強(qiáng)，李紅等，2005.利用小波變換方法分析形變觀測資料的正常背景變化換特征.地震學(xué)報，（1）：33—41.

沈旭章，常千軍，梅秀蘋，2004.蘭州形變臺水管傾斜儀映震能力的分析研究.西北地震學(xué)報，26（4）：368—370.

宋治平，武安緒，王梅等，2003.小波分析方法在形變數(shù)字化資料處理中的應(yīng)用.大地測量與地球動力學(xué)，23（4）：21—27.

唐九安，彭偉榮，常千軍等，1995a.蘭州形變與景泰地震的短臨前兆.地震地磁觀測與研究，16（3）：41—45.

唐九安，常千軍，彭偉榮等，1995b.景泰地震前后蘭州臺的中期形變異常.地殼形變與地震，15（3）：54—59.

唐九安，楊嘉文，周志宇等，1992.蘭州臺潮汐形變觀測結(jié)果與景泰6.2級地震.地殼形變與地震，12（3）：55—60.

唐磊，荊燕，2013.川滇地區(qū)鉆孔四分量應(yīng)變儀記錄的同震應(yīng)變階分析.震災(zāi)防御技術(shù)，8（4）：370-376.

萬永革，齊福榮，孟曉春等，2003.中國大陸及華北地區(qū)地震資料的小波分析.大地測量與地球動力學(xué)，23（4）：28—33.

張燕，吳云，劉永啟等，2003.潮汐形變資料中地震前兆信息的識別與提取.大地測量與地球動力學(xué)，23（4）：34—39.

張燕，吳云，劉永啟等，2004.小波分析在地殼形變資料處理中的應(yīng)用.地震學(xué)報，26（增刊）：103—109.

中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2008.地形變測量.北京：地震出版社.

Abnormality in the Deformation Observation Data before the Jingtai MS4.7 Earthquake

Shi Xiaoping， Wang Xiaojuan and Liu Hongbin

（Earthquake Administration of Gansu Province， Lanzhou 730000， China）

On November 15， 2014， the MS4.7 earthquake occurred in Jingtai County of Baiyin， Gansu Province，with the focal depth of 10km. Within 200km near the epicenter， Earthquake Administration of Gansu Province has installed 14 deformation instruments. Through the study of the wavelet analysis of minute value observation data，abnormal signals just one months before the earthquake from 11 deformation observation instruments were detected. In these instruments， the SSY， the TJ， the DSQ and the SSQ recorded anomaly has good synchronization， but the CZB observation instruments failed to record good results. Careful analysis of these anomalies can provide some evidence for earthquake prediction.

Jingtai MS4.7 earthquake；Wavelet analysis；The fixed point deformation；Abnormal change

甘肅省地震科技發(fā)展基金（2014Y05）資助

2015-03-26

史小平，女，生于1973年。工程師。主要從事地震前兆觀測與研究工作。E-mall：lz-sxp@yeah.net