常熟臺傾斜觀測資料的異常特征分析1

狄 樑 陸德明 丁建國 劉冬冬 錢文杰

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常熟臺傾斜觀測資料的異常特征分析1

狄 樑 陸德明 丁建國 劉冬冬 錢文杰

（江蘇省地震局常熟地震臺，江蘇常熟 215500）

在研究常熟臺水管儀與垂直擺多年傾斜觀測資料的基礎上，利用潮汐因子調和分析、Nakai擬合檢驗、小波分析等方法對臺站周邊約250km范圍內發生的高郵-寶應S4.9及如東近海S3.8等地震前的異常信息進行了提取，對數據異常分析方法進行評判，旨在為以后地震前及時發現地震提供參考。

傾斜觀測 水管儀 垂直擺 震前異常 分析方法

引言

地震是地殼巖石圈內的非線性事件，震前有很大的不確定性，這與形變前兆和構造環境有關，加之干擾和觀測誤差，更增加了形變前兆識別的難度。地震前兆需具備2個基本條件：①正常背景上出現異常變化；②出現與孕震過程相關聯的異常現象。傾斜觀測能較靈敏地反映地殼物性變化。本文利用EIS2000地震前兆信息軟件，采用潮汐因子調和分析、Nakai擬合檢驗、小波分析方法對常熟臺傾斜觀測儀器——水管儀、垂直擺從2009年到2015年共7年連續觀測數據進行分析和處理，從中查找、提取觀測資料中的非潮汐異常信息，同時對觀測資料異常分析方法進行對比分析。

1　觀測山洞概況及傾斜觀測儀基本情況

常熟地震臺形變山洞位于單斜山山體南麓，山體為北西走向，長軸5km，短軸2.5km，巖性為泥盆系五通組石英砂巖，最高峰海拔265m，山體西南陡峻，東北面為緩坡，巖層傾角小于15°。常熟臺形變觀測山洞原為軍用山洞，洞室條件較好，山洞主通道進深250m，洞高2.35m，寬2.50m，混凝土全被覆，復蓋厚20—30m，日溫差<0.01℃，年溫差<0.3℃，常年溫度為17.3℃，濕度100%（狄樑等，2003）。

常熟臺DSQ水管儀架設在1994年安裝的原有FSQ水管儀基墩和基線上（FSQ水管傾斜儀1993年10月安裝，2007年4月拆除），經過20多年的觀測，4個巖石基墩均處于穩定狀態。而垂直擺儀及其巖石基墩于2007年架設安裝。

DSQ水管儀基墩為花崗巖石，東西基線長29.94m，方位角139.5°，南北基線長43.59m，方位角32.4°，分辨率為0.0005″，漂移量<0.005″，采樣率1次/分鐘。VS垂直擺傾斜儀基墩為花崗巖石，東西方位角90°，南北方位角0°，分辨率為0.0001″，日漂移<0.005″，采樣率1次/分鐘。2臺儀器安裝在同一山洞內，水管儀和垂直擺傾斜儀分別安裝在距洞口約210m、190m的支洞內，直線距離不到10m。水管儀與垂直擺安裝工作至今，日觀測值記錄固體潮清晰，具有較好的年周期變化，觀測精度達全國傾斜I類臺站標準。

2　震例選取及異常特征簡介

地傾斜觀測一般在震中距250km左右可以接收到一定的前兆信息，常熟地震臺及周邊地區屬于少震弱震區，2009年至2015年臺站周圍250km內未發生過震級大于S5.0級的地震，僅在2012年發生過一次高郵-寶應S4.9級地震，中強地震震例較少，為研究需要，選取震中距在250km左右，震級大于S3.5的震例進行分析研究（表1）。

表1　常熟地震臺周邊5次震例目錄

對于表1中所列出的震例，除2012年7月20日高郵-寶應S4.9級地震在常熟臺垂直擺原始形態上未見明顯短臨異常外，在3次如東地震（震源位于同一地點）、1次黃海地震前，常熟臺垂直擺的南北分量均在震前原始形態曲線上檢測到了一些短臨異常信息。常熟臺傾斜儀降雨時，在山體及位于形變山洞西南4km、面積約6km2、水深約2.5m、與山體大體平行的湖泊的共同作用下，其日變值干擾形態均表現為東西分量向西傾，南北分量向南傾（圖1，丁建國等，2011）。但在這幾次震例前，垂直擺南北分量原始形態在降雨時表現為持續數天的向北傾斜加速異常，與正常的降水干擾向南傾相反，且在降雨停止后繼續急劇北傾，垂直擺東西分量異常不太明顯，傾斜觀測矢量上出現北偏東的加速異常。例如在2010年7月9日如東近海S3.8和2012年8月25日南黃海S4.3地震前，從圖2（a）、（b）可以看出降雨時垂直擺南北分量非但沒有向南傾，還出現了向北的拐點，觀測數據疊加了來自北部的構造活動，說明存在北傾的合力，應為孕震異常引起的地殼變形，可理解為“斷層運動加速（傾斜加速）-斷層彈性恢復（發震）”。在同一時段內，同一洞室的水管儀在原始形態上表現出正常的降雨干擾，無異常反映。

這幾次震前的短臨異常與降雨有密切的關系，說明地震的短期發震過程與環境是密切相關的，特別是到了應變積累的臨界狀態，小的應力擾動都可能加速地震的孕育過程（王梅等，2000；張立等，2005）。從幾次垂直擺南北分量“傾斜加速-數天后地震”的模式來看，幾天的傾斜加速就孕育數次L4左右的地震是難以想象的，這說明應力早已積累，地震前的傾斜加速僅是釋放前的標志，而水管儀及垂直擺南北分量觀測數據在震前均未從原始形態上檢測到明顯的異常反映，常熟臺傾斜儀直接從原始數據發現異常的比例比較低，因此有必要采用有效的數據處理分析方法來發現和提取異常信息。

3　異常特征識別與提取

本文對觀測數據中的人為干擾、影響幅度較大的環境因素（降雨等）、地震造成的突跳、階躍臺階，以及其它類型干擾明顯的非正常觀測時間段的觀測數據均進行相應的剔除和預處理，以提高觀測數據的可信度，進行數據分析時選取合適的計算長度，盡量避開有較大環境因素（降雨等）干擾的時間段。在認定異常時對照輔助觀測（如降雨、氣溫、氣壓）進行干擾識別，排除環境引起的變化。采用的異常判定的有效時間基本上是以震前半年左右，以超過2倍中誤差作為異常評價標準。對基于潮汐分析的方法使用整點值，對基于時間序列數據的分析法均使用日均值。

（1）潮汐因子調和分析

傾斜觀測信息的優勢頻率是潮汐信息，其噪聲相對較低，并且調和分析法能較為有效地去除潮汐頻段中的局部及氣象的干擾因素（張雁濱等，2001）。通過計算分析地傾斜儀潮汐因子值的變化，可以得到變化值與地震之間的對應關系和聯系特征。潮汐因子半日波M2穩定性好、靈敏度高，故以M2波的潮汐因子作為實用指標。

2012年高郵-寶應S4.9級及南黃海S4.3級地震之間相隔35天，震中地點均位于常熟臺近北南方位250km范圍內（表1）。從圖3可以看出垂直擺南北分量M2波潮汐因子值從2011年12月19日開始趨勢性增大，明顯高于正常變化水平，并且超過2倍均方差，至2012年2月5日偏離正常背景值21%，2012年3月5日恢復正常，異常持續3個月左右。潮汐參數異常一般為在地震前呈趨勢性變化或間斷性的非穩定擾動變化，它反映了巖石介質應變積累進入非彈性變化的失穩階段，為震前短期異常信息。

（2）Nakai擬合檢驗分析

Nakai擬合檢驗是較為經典的潮汐資料處理方法，建立在潮汐理論基礎上，用固體潮理論值與觀測值進行異常檢測，有利于對短時間序列資料進行計算分析，突出短期異常變化信息。

采用Nakai擬合檢驗計算了水管儀、垂直擺非潮汐應變加速度，從圖4可以看出5次地震前水管儀、垂直擺上均出現了顯著的異常，加速度值多次明顯地超出了2倍均方差，水管儀出現超差異常的時間段比垂直擺提前2—3個月，垂直擺一般在震前1個月左右超差異常較為明顯，震后恢復到正常水平，說明地震前常熟臺附近地殼的非潮汐應力均出現了短時間的異常變化。

（3）小波分析

傾斜觀測記錄到的整時值能記錄潮汐成分，也能記錄到比地球潮汐頻率更低的信號，這些信號可能包含前兆信息。常熟臺傾斜觀測受洞溫影響成分比較穩定且有周期性，一般很容易將其消除。氣壓影響主要以短周期微動態干擾導致固體潮畸變，對觀測數據的趨勢性變化影響很小。天氣波動、脈沖這類噪聲經過5階的分離基本消失。降雨干擾對傾斜觀測數據的日變化及年趨勢性變化有較大影響，利用小波分析的頻率多層分離方法能有效減弱降雨等自然環境影響，凸顯異常信號，同時弱化了干擾信號（劉建明等，2016），隨著分離層數的增加，觀測數據中包括干擾的高頻信息都能夠被剔除，使固體潮信號隨時間尺度的變化趨勢更加明顯、直觀。本文對常熟臺水管儀、垂直擺整點值觀測資料采用db4小波分析法，對細節部分進行9階分解，第7，8，9階則是頻率較低、信度較高的非潮汐變化信息（圖5）。

圖5（a）是2010年2次地點和震級相同（均為S3.8），時間相差10天的如東近海（表1）小波細節部分第7階的結果。從圖中看出水管儀、垂直擺震前5個月也出現了周期為幾天到10多天、幅度明顯且超過2倍均方差的明顯異常信號。

圖5（b）是小波細節部分第8階的結果，從圖中可以看出在高郵-寶應S4.9級地震前水管儀、垂直擺均接收到一個相同頻段的較強異常信號，周期約為10到20多天，幅度比其他時間段出現的信號大，超過2倍中誤差，出現時間在震前2個月左右。高郵-寶應地震發生后，此異常信號并沒有消失，緊接著35天后南黃海又發生了S4.3級地震，南黃海地震發生10天前垂直擺南北分量原始形態上出現過臨震異常（圖2（b））。

圖5（c）是2014年如東近海S3.7地震（表1）小波細節部分第7階的結果，周期為幾天到10多天。從圖中看出，與2010年如東近海地震震中地點相同，震級基本相同的此次地震，在震前2個月出現了超2倍均方差的現象，但信號幅度強度不明顯。

信號在傳播過程中，無論經過的介質性質如何，它的頻率特性不會改變，即同一源發出的信號，在各個接受點上出現的頻段是一樣的（張燕等，2003）。震前2—6個月出現周期為幾天至10多天的同周期異常信號可能是地震前兆，反映了震前震源區地殼介質在震前出現微變形的過程。

4　結論和討論

（1）從以上震例看，運用潮汐因子調和分析、Nakai擬合檢驗、小波分析等方法對工作狀態正常、穩定的常熟臺2套傾斜儀的觀測數據進行處理時，在震前6個月左右都能檢測到一定數量的異常信息，對震級稍大或震級雖小但震中距較近的地震都有明顯超出2倍中誤差的超差異常，表明常熟臺傾斜儀有較強的映震能力。而水管儀在震前從未在原始形態上檢測到異常，但經過這幾種方法處理后顯示出了明顯的異常，這表明這幾種方法都具有較好的異常識別能力。

（2）Nakai擬合檢驗分析處理時發現垂直擺較水管儀在震前1—2個月內出現異常的次數較多，水管儀出現異常的時間段比垂直擺更早一些。運用小波分析法對常熟臺傾斜數據進行處理后，對于S4及以上的中強地震都能從相同的頻段（7、8、9階）上清晰檢測出異常信息，而通過潮汐因子調和分析結果發現垂直擺南北分量對高郵-寶應S4.9地震有明顯的異常反映，可信度高。

（3）傾斜觀測異常判別除原始形態直接判別異常外，潮汐因子調和分析及小波分析方法有較強抗自然環境干擾能力，實用性較高，Nakai擬合檢驗則有一定參考價值，可與其它分析方法結合使用。

（4）從上述震例表明，傾斜觀測異常出現后并不一定馬上發震，地震發生往往要滯后一些，一般在異常出現后1—6個月左右，但異常的幅度與震級卻無法看出明顯的關系，由于在觀測有效范圍內樣本較少，特別是缺少強震檢驗，還有待進一步積累資料并開展研究。

狄樑，陳洪軍，馮志生等，2003．常熟地震臺形變觀測儀數字化改造．地震地磁觀測與研究，24（4）：92—95．

丁建國，陸德明，狄梁等，2011．常熟臺傾斜儀降雨干擾定量分析．華南地震，31（3）：83—88．

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王梅，季愛東，2000．山東省定點形變傾斜觀測異常指標研究．地震研究，23（4）：398—404．

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Analysis of Anomaly Characteristics of Tilt Measuremennt Data from Changshu Seismic Station

Di Liang, Lu Deming, Ding Jianguo, Liu Dongdong and Qian Wenjie

(Changshu Seismic Station, Earthquake Administration of Jiangsu Province, Changshu 215500, Jiangsu, China)

Based on the year-observation data of vertical pendulum tilt and research of water pipe instrument in Changshu seismic station, we conducted the tide factor of harmonic analysis, Nakai test and wavelet analysis to extract the abnormal information of the range of 250km occurred near the station of the GaoyouS4.9 and RudongS3.8 offshore earthquakes. The abnormal data analysis method was evaluatedin order to find precursor reference before the earthquake in the future.

Tilt observation; Water Tube meter; Vertical pendulum; Anomalies before earthquake; Analysis method

1基金項目 中國地震局“三結合”課題（161004）

2016-08-29

狄樑，男，生于1972年。工程師。主要從事地震前兆觀測與研究。E-mail：jscswyn123456789@163.com

狄樑，陸德明，丁建國，劉冬冬，錢文杰，2017．常熟臺傾斜觀測資料的異常特征分析．震災防御技術，12（2）：415—422． doi：10.11899/zzfy20170219