新疆精河6.6級地震前溫泉水平擺異常特征分析

許璐 張智慧 邢喜民

1）伊犁師范學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū)伊寧市解放西路448號 835000

2）河南省工業(yè)科技學(xué)校，河南新鄉(xiāng) 453000

3）新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

0 引言

我國是世界上受地震災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國家之一（李瑩等，2015）。地震能不能有效預(yù)測是目前困擾地震研究的科學(xué)難題（孟憲綱等，2016），通過分析國內(nèi)外預(yù)測成功與失敗的震例發(fā)現(xiàn)，地震前兆異常具有復(fù)雜性，異常與地震間關(guān)系的不確定性表現(xiàn)為“有異常無地震”“有地震無異常”不同地區(qū)因地殼結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致前兆時空分布特征的不同”“不同成因類型地震其前兆表現(xiàn)不同”“同一地區(qū)地震前兆的重復(fù)現(xiàn)象”等（焦明若等，1998a、1998b）。造成前兆復(fù)雜性的根本原因是孕震的物理力學(xué)過程的復(fù)雜性，這其中包括地質(zhì)構(gòu)造、孕震環(huán)境、動力學(xué)過程、震源破壞機制、破裂發(fā)展過程等多方面的復(fù)雜因素（焦明若等，1998a、1998b）。而形變臺站建在地殼表層，因此，不可避免地會受到各種因素的影響，這也就意味著在測量（觀測）值中不僅包含來自地球內(nèi)部的地形變信息，還可能不同程度地包含了來自地球外部的信息（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2008）。這給地震前兆異常的識別帶來了更大的困難。

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2017年8月9日7時27分，新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣發(fā)生 6.6級地震（44.27°N，82.89°E），震源深度 11km，極震區(qū)烈度Ⅷ度（8度），此次地震災(zāi)區(qū)主要涉及博爾塔拉蒙古自治州精河縣、博樂市，伊犁哈薩克自治州尼勒克縣、伊寧縣，塔城地區(qū)烏蘇市及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第5師8個團場的33個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。本文以溫泉臺水平擺測項為研究對象，首先研究溫度、水位對觀測數(shù)據(jù)的影響特征；然后利用回歸分析，選取適當(dāng)?shù)幕貧w模型剔除溫度、水位對觀測數(shù)據(jù)的影響；最后對回歸殘差序列進行分析，研究精河6.6級地震前溫泉臺該測項的異常特征。

1 臺站觀測環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造及觀測系統(tǒng)介紹

溫泉老臺位于北天山地震帶西段，地質(zhì)構(gòu)造上處于準(zhǔn)噶爾盆地西側(cè)、博羅科努山北麓、博爾塔拉斷凹西部。博爾塔拉深大斷裂（EW向）的南盤是上升盤，在地表可見巖石破碎，物探資料顯示有SN向次生斷裂存在。臺站周邊主要斷裂帶有阿拉套斷裂帶、科古琴斷裂帶、喀什河斷裂帶、庫木松契克斷裂帶、博阿斷裂帶等。該監(jiān)測區(qū)中強震活動強度較大，1765年以來共發(fā)生20次5級以上地震，其中，6級地震9次，7級地震1次，8級地震1次，如1765、1973年精河2次6級地震，1944年3月10日烏蘇縣與尼勒克交界處7.3級、6.5級地震，1812年伊犁盆地北緣斷裂上發(fā)生的尼勒克8級地震等，1978年在該地區(qū)發(fā)生溫泉震群（新疆維吾爾自治區(qū)地方志編纂委員會，2002）。溫泉水平擺觀測臺站在精河6.6級地震微觀震中的NW向，兩者相距167km（圖1）。

圖1 精河6.6級地震與溫泉水平擺觀測臺位置關(guān)系

溫泉水平擺觀測山洞地處準(zhǔn)噶爾盆地西側(cè)博魯克努山北麓的華力西期花崗巖山體中，地理坐標(biāo)為44.96°N、81.00°E，高程1410m，山洞進深43m，洞內(nèi)年溫差小于 1.2℃，日溫差小于0.1℃，被覆35m，被覆巖層存在小的裂隙，開春融雪水、夏季雨水可輕微滲入洞中，相對濕度較大，達到98%。傾斜觀測墩為花崗巖大理石，長120cm，寬90cm，高30cm。

溫泉臺水平擺觀測始于1986年6月，1986～2006年觀測儀器為SQ-70石英水平擺傾斜儀，記錄方式為照相式記錄。2007年12月，按照“十五”數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)項目改造要求對溫泉SQ-70型石英擺傾斜儀進行了數(shù)字化改造，改造后儀器為SQQ-Ⅱ型數(shù)字化石英傾斜儀，輔助觀測有氣象三要素儀等。SQQ-Ⅱ儀器故障率低，與原模擬觀測相比，降低了人為進洞帶來的干擾，觀測數(shù)據(jù)實現(xiàn)了自動采集及遠程調(diào)收、標(biāo)定等智能化；觀測曲線光滑，固體潮汐清晰、規(guī)則，資料連續(xù)可靠。

圖2 2010年 1月 1日～2017年 8月 8日溫泉臺水平擺傾斜量（a、b）、水位（c）、溫度（d）

2 數(shù)據(jù)分析

圖2為溫泉臺水平擺兩分量與水位、溫度間的時序曲線圖。由圖2可見，兩分量均與溫度、水位的趨勢性變化不一致。根據(jù)干擾異常成因上的相關(guān)性原則，出現(xiàn)的異常動態(tài)與其可能的影響因素之間存在成因上的相關(guān)性，例如大氣降水的滲入補給，一定表現(xiàn)為觀測井水位的上升（車用太等，2011）。溫泉水平擺的趨勢性變化與溫度、氣壓、水位的影響無關(guān)。因此，本文選用最佳逼近多項式去除溫泉臺水平擺兩分量變化趨勢（圖3）。

為研究溫泉臺水平擺傾斜量與氣溫、水位間的關(guān)系，我們計算了溫泉臺水平擺傾斜量與氣溫、水位間的相關(guān)系數(shù)及其與滯后天數(shù)間的關(guān)系（圖4）。由圖4可見，溫泉臺水平擺 NS向傾斜量滯后氣溫約114天時，它們之間的相關(guān)系數(shù)為－0.620195；EW向傾斜量滯后氣溫44天時，相關(guān)系數(shù)為0.8449978；NS向傾斜量滯后水位約17天時，相關(guān)系數(shù)為 －0.6886279。溫泉臺水平擺傾斜量與氣溫、水位的散點圖見圖5。

圖3 溫泉臺水平擺傾斜量與最佳逼近多項式擬合之差

圖4 溫泉臺水平擺兩分量滯后氣溫、水位天數(shù)與相關(guān)系數(shù)間的關(guān)系

回歸分析能在一定程度上剔除氣象因素的影響，有助于地震異常的識別（邢喜民等，2015）。為剔除溫度、水位對溫泉臺水平擺傾斜量的影響，由相關(guān)系數(shù)及圖5可記溫泉臺水平擺觀測數(shù)據(jù)為y，溫度為x，水位為z，對NS分量，利用回歸分析得到回歸方程

由回歸分析輸出結(jié)果可知，變量對應(yīng)的P值均小于0.05的顯著性水平，剩余方差的估計值σ2=119.52，F(xiàn)統(tǒng)計量的估計值為679.7，由對應(yīng)的P值為2.2e－16說明回歸方程是顯著的，但可決系數(shù)R2=0.4957、修正可決系數(shù)R2=0.495則說明，方程的擬合效果一般。因此，我們認(rèn)為式（1）在一定程度上能剔除溫度、水位對溫泉臺水平擺NS分量的影響。

對EW分量，得到回歸方程

從回歸分析輸出結(jié)果可知，變量對應(yīng)的P值均小于0.05的顯著性水平，剩余方差的估計值σ2=188.52，F(xiàn)統(tǒng)計量的估計值為7023，由對應(yīng)的P值為2.2e－16說明回歸方程是顯著的，由可決系數(shù)R2=0.7168、修正可決系數(shù)R2=0.7167則說明，方程的擬合較好。因此，我們認(rèn)為式（2）可以較好地剔除溫度對溫泉臺水平擺EW分量的影響。得到的回歸殘差序列見圖6。

圖5 溫泉臺水平擺傾斜量與氣溫、水位散點圖

圖6 溫泉臺水平擺兩分量與氣溫回歸分析殘差曲線

3 溫泉臺水平擺傾斜量異常特征分析

由圖6可見，溫泉臺水平擺傾斜量在利用回歸分析剔除氣溫、水位的影響后，NS分量每年基本都有雙峰、雙谷的特征，其波峰波谷轉(zhuǎn)折時間統(tǒng)計見表1。由表1可見，NS分量第2個波峰轉(zhuǎn)折時間基本均為 12月，但2015年第2個波峰轉(zhuǎn)折時間為10月29日，之后持續(xù) S傾，2016年 2月 11日發(fā)生了新源MS5.0地震，之后溫泉臺水平擺NS分量持續(xù) S傾，至 2016年 6月7日轉(zhuǎn)向N傾，與以往3月份轉(zhuǎn)向N傾相比，推遲了近3個月，其異常變化特征與之前完全不符。因此分析認(rèn)為，2017年8月9日精河MS6.6地震前溫泉臺水平擺傾斜量的異常特征為：①NS分量自2015年10月29日之后的年變畸變，結(jié)合圖2可見，精河MS6.6地震發(fā)生后，于2017年8月11日轉(zhuǎn)向N傾，異常結(jié)束；②EW分量自2016年5月13日起出現(xiàn)持續(xù)E傾變化，截至地震發(fā)生時E傾幅度達0.88″，目前，異常依然持續(xù)。對比圖6與圖2、3發(fā)現(xiàn)，在剔除溫度、水位之后，溫泉臺水平擺傾斜量異常特征更加清晰、明顯。

4 討論與結(jié)論

地震是一種極其普通和常見的自然現(xiàn)象，由于地殼構(gòu)造的復(fù)雜性和震源區(qū)的不可直觀性，對其孕育、發(fā)生及成因、機制，至今尚無完滿的解答（楊龍，2015）。雖然對“地震能否預(yù)報”一直存在爭論，但眾多大地震的震例研究表明，前兆異常會或多或少地出現(xiàn)在地震孕育過程的不同階段（吳中海等，2013）。另一方面，由于形變臺站是一個多輸入、單輸出的精密動態(tài)觀測系統(tǒng)，這就意味著在其測量值中不僅包含來自地球內(nèi)部的地形變信息，還包含來自地球外部的信息，這對于異常的識別會帶來更大的困難。本文研究表明，溫泉臺水平擺NS向傾斜量年變形態(tài)主要受氣溫、水位的影響，其中，相位滯后氣溫約114天，它們之間的相關(guān)系數(shù)為－0.620195，滯后水位約17天，相關(guān)系數(shù)為－0.6886279；溫泉臺水平擺EW向傾斜量年變主要受氣溫的影響，其中，相位滯后氣溫44天，相關(guān)系數(shù)為0.8449978。利用回歸分析得到回歸殘差序列，對殘差序列的分析表明，2017年8月9日精河MS6.6地震前溫泉臺水平擺的異常特征為：NS分量自2015年10月29日之后的年變畸變，結(jié)合圖2可見，精河地震發(fā)生后，于2017年8月11日轉(zhuǎn)向N傾，異常結(jié)束；EW向傾斜量自2016年5月13日起出現(xiàn)持續(xù)E傾變化，截至地震發(fā)生時E傾幅度達0.88″。由回歸方程檢驗參數(shù)可知，由于溫泉臺水平擺NS分量受溫度、水位的雙重影響，雖然回歸方程是顯著的，但擬合效果卻一般。這可能是由于溫泉臺水平擺NS分量受溫度、水位的雙重影響，單獨分析每一影響因素對其影響特征時，另一影響因素會影響正確的判定。此外，研究震前異常的幅度仍有一定的困難，雖然在此次地震異常的識別中仍未能建立異常幅度、異常持續(xù)時間與地震之間的關(guān)系，但筆者認(rèn)為這種嘗試仍將有助于促進地震的物理與數(shù)值預(yù)測的發(fā)展。