基于數(shù)據(jù)挖掘的甘肅武都殿溝泉氡異常與地震活動統(tǒng)計(jì)關(guān)系研究

劉春國,余 丹,陶志剛,樊俊屹

(中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045)

0 引言

氡是目前國際上普遍認(rèn)可的七大地震前兆之一。長期的觀測結(jié)果表明氡存在顯著的震前異常變化。2008年5月12日發(fā)生的汶川M8.0地震引起了中國大陸多個井泉的氡濃度出現(xiàn)脈沖式、臺階式的異常變化,氡的震后效應(yīng)才開始引起人們的關(guān)注和研究[1-2]。

殿溝泉位于甘肅武都縣城西約3 km處的殿溝村,距汶川地震8.0級震中302 km。泉水出露于NEE向的斷層破碎帶上志留系的灰?guī)r中,屬于裂隙巖溶上升泉。水溫年變化范圍為17～18 ℃,流量為0.7～1.4 L/s。自2001年3月27日開始該泉采用SD-3A測氡儀,開始了連續(xù)自動觀測氣氡濃度,其采樣率為1次/h。氡濃度年動態(tài)為夏高冬低型,汶川地震氣氡同震效應(yīng)明顯,同時流量變化很大[3-4]。汶川地震后經(jīng)常出現(xiàn)成簇高頻震蕩異常變化,經(jīng)現(xiàn)場檢查與臺站調(diào)研,觀測系統(tǒng)運(yùn)行正常,周邊觀測環(huán)境無明顯變化,儀器觀測的氣氡濃度異常變化真實(shí)可信。

汶川地震發(fā)震斷層為NE向龍門山斷裂帶,與殿溝泉構(gòu)造上同屬于我國南北帶地質(zhì)構(gòu)造中段。汶川地震引發(fā)的數(shù)以萬計(jì)的余震空間展布尺度大,殿溝泉正好位于汶川地震余震分布的東北末端。殿溝泉氡出現(xiàn)的高頻震蕩異常出現(xiàn)的密集時段正好是汶川地震余震密集發(fā)生時段。

殿溝泉氡異常是否因汶川地震余震引起？泉點(diǎn)氣氡對不同區(qū)域的地震活動響應(yīng)是否存在差異性？為此,我們擬采用數(shù)據(jù)挖掘方法開展殿溝泉氡異常與地震活動統(tǒng)計(jì)關(guān)系研究。

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)已廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)、金融、服務(wù)及氣象等多個領(lǐng)域,而在地震監(jiān)測預(yù)報領(lǐng)域尚處于起步階段,主要研究集中在地震目錄及地震活動性等方面,而用于前兆異常研究尚未見報道,難點(diǎn)在于地震監(jiān)測數(shù)據(jù)為高維時間序列,其預(yù)處理方法是數(shù)據(jù)挖掘的關(guān)鍵技術(shù)。

研究思路是:首先對氡觀測數(shù)據(jù)和地震目錄數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理內(nèi)容包括數(shù)據(jù)的清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與分箱處理、異常特征值的提取、地震目錄聚類與地震空間參數(shù)的獲取等。然后對異常特征值、地震震級、地震空間參數(shù)等集成、統(tǒng)計(jì)分析研究異常與地震活動分區(qū)的關(guān)系。

1 預(yù)處理與集成

1.1 數(shù)據(jù)來源

殿溝泉?dú)怆睌?shù)據(jù)和地震目錄數(shù)據(jù)均來自于地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站(https://data.earthquake.cn)。時間從2008年1月1日至2010年12月30日。殿溝泉?dú)怆睘樾r值時間序列數(shù)據(jù),共計(jì)26 304個數(shù)據(jù)。本文采用中國大陸地震速報地震目錄,共計(jì)116 263條記錄(含汶川地震余震)。

1.2 氡濃度觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理

氣氡觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括觀測數(shù)據(jù)清洗和異常特征值的提取。氣氡觀測數(shù)據(jù)的清洗主要包括錯誤數(shù)據(jù)剔除和缺數(shù)標(biāo)志的統(tǒng)一。氣氡異常特征值用變量σ3表示,表征氣氡觀測數(shù)據(jù)是否異常,σ3為標(biāo)志變量,取值1(異常)和0(無異常)。氣氡異常參數(shù)σ3提取方法如下:

圖9：王小溪，張弛.《喜讀

氣氡觀測時間序列與殘差序列曲線如圖1所示。

圖1 氣氡小時值觀測序列與殘差序列對比曲線Fig.1 Comparison between curves of radon observation series and residual series

1.3 地震目錄預(yù)處理

地震目錄預(yù)處理包括地震目錄的篩選、震級的正規(guī)化和地震空間參數(shù)提取。

(1)地震目錄篩選

根據(jù)地震能量的衰減以及氣氡濃度對地震響應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)范圍,按3級以下地震影響范圍50 km以內(nèi),3.0～3.9級影響范圍100 km內(nèi),4.0～4.9級影響范圍300 km內(nèi),5.0～5.9級影響范圍600 km內(nèi),6.0～6.9級影響范圍1 000 km內(nèi),大于7級為全國范圍內(nèi),選取2008年1月1日至2010年12月30日期間可能與殿溝泉?dú)怆弊兓嚓P(guān)的地震目錄1 124條。

(2)震級與震源深度處理

按照表1,對選取的地震目錄按震級劃分為9個區(qū)段,分別投射到整數(shù)0、1、2、3、4、5、6、7、8,并把這個整數(shù)稱為類震級。類似地,對地震深度也進(jìn)行了處理,劃分4個區(qū)段分別投射到整數(shù)1、2、3、4,把這個整數(shù)稱為類深度。

表1 類震級與地震震級、類深度與地震深度Table 1 Regular magnitud as well as earthquake magnitude and regular depth as well as earthquake depth

(3)地震空間參數(shù)提取

考慮到地震呈現(xiàn)條帶狀分布和沿地震斷裂帶分布的特點(diǎn),地震空間分布參數(shù)沒有采取將整個地震分布區(qū)域劃分為若干區(qū)域并編號的方式來提取[5],而是采用K-平均聚類方法(K-Means),對1 224個地震目錄樣本數(shù)據(jù)的地震經(jīng)度、緯度進(jìn)行聚類。地震空間參數(shù)即為地震所在區(qū)域的聚類編號。

K-平均聚類算法:首先隨機(jī)地選擇k個對象,每個對象初始代表了一個簇的平均值或中心。對剩余的每個對象根據(jù)其與各個簇中心的距離,將被賦給最近的簇,然后重新計(jì)算每個簇的平均值。這個過程不斷重復(fù),直至準(zhǔn)則函數(shù)收斂[6]。K-平均聚類算法的準(zhǔn)則函數(shù)定義為:

(1)

式中:x是空間中的點(diǎn),表示給定的數(shù)據(jù)對象;xi是簇Ci的平均值。這個準(zhǔn)則可以保證生成的簇盡可能的緊湊和獨(dú)立。

第一次聚類結(jié)果分出10個聚類區(qū)域。除聚類J1區(qū)和J7區(qū)之外,其他聚類區(qū)域地震個數(shù)較少,均小于5個,遠(yuǎn)離研究泉點(diǎn)區(qū)域。J1區(qū)緊鄰研究泉點(diǎn),包含的地震最多,又是本次研究的重點(diǎn)區(qū)域,對該區(qū)域進(jìn)行第二次聚類,又分出J1-1、J1-2、J1-3三個聚類區(qū)域。兩次聚類分區(qū)結(jié)果如表2所列,可見聚類分區(qū)基本與構(gòu)造分區(qū)吻合,反映了不同構(gòu)造單元地震活動的叢集性特征。

表2 地震聚類分區(qū)結(jié)果一覽表Table 2 The clustering results of earthquakes in the study area

特別是地震數(shù)目較多的J7、J1-1、J1-2和J1-3區(qū),這也是汶川地震及其余震分布密集區(qū)域,聚類分區(qū)結(jié)果與依據(jù)長度約60 km的余震稀疏段為標(biāo)志劃分的基本段落一致[7]。J7與J1(J1-2)的分區(qū)界線在北川—江油一線,而這正好是龍門山斷裂中段與北段的分界線,也是第四紀(jì)活動強(qiáng)弱的分界線[8-9],J1-3與J1-1分界正好是龍門山與西秦嶺構(gòu)造單元的分界。泉點(diǎn)緊鄰區(qū)域聚類分區(qū)地震分布如圖2所示。

圖2 泉點(diǎn)緊鄰區(qū)域分區(qū)地震分布圖Fig.2 Distribution of earthquakes in the surrounding areas of Diangou spring

1.4 挖掘數(shù)據(jù)集的形成

經(jīng)過預(yù)處理的氣氡觀測數(shù)據(jù)和地震目錄對比分析發(fā)現(xiàn),σ3=1的時段均出現(xiàn)有地震,而出現(xiàn)地震,氣氡σ3=1并不一定等于1。以地震目錄為基準(zhǔn),將地震目錄與氣氡異常信息集成作為數(shù)據(jù)挖掘集。數(shù)據(jù)集包括類震級、類深度、地震空間參數(shù)(聚類區(qū)域編號)、氣氡異常指標(biāo)σ3。

2 氡異常與地震活動關(guān)系分析

采用回歸、主成份分析法作初步分析發(fā)現(xiàn),氣氡異常與周邊地震三要素的關(guān)系不是一種簡單的線性關(guān)系,也不能用一種顯式的關(guān)系式來表達(dá)。本文選用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型(Bayesian Belief Networks,BBN)從統(tǒng)計(jì)概率的角度進(jìn)行分析。

采用Clementinel2.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型共設(shè)置3個屬性變量(類震級、類深度、聚類區(qū)類別)作為輸入節(jié)點(diǎn),1個標(biāo)志變量(氣氡異常指標(biāo)σ3)作為輸出節(jié)點(diǎn)。采用TAN貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,參數(shù)學(xué)習(xí)方法采用最大似然法。

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示,氣氡顯著異常與震級、地震發(fā)生的區(qū)域和震源深度均有關(guān)系,引起殿溝泉?dú)怆睌?shù)據(jù)出現(xiàn)顯著性異常的重要因素是地震所在的特定構(gòu)造區(qū)域,其次是地震震級和地震深度。

不同聚類區(qū)域的概率分布如表3所列。聚類區(qū)域J2、J3、J5、J6、J9及J10區(qū)發(fā)生的地震,殿溝泉?dú)怆本闯霈F(xiàn)顯著異常;聚類區(qū)域J4和J8區(qū)地震少,均有1次7級以上地震,對應(yīng)這些大震各出現(xiàn)1次顯著異常。J1和J7區(qū)區(qū)域發(fā)生的地震,殿溝泉?dú)怆背霈F(xiàn)的異常次數(shù)最多(表3),其中以J7區(qū)最多,其次為J1-3、J1-2區(qū)。當(dāng)?shù)卣鹫鸺壭∮?.5級時,氣氡異常與否的概率基本上相當(dāng)?shù)?而當(dāng)震級大于5.5級以后,氣氡異常的概率明顯比無異常概率要大。

表3 不同聚類區(qū)域的概率分布表Table 3 Probability distribution table of different clustering zones

不同的聚類區(qū)域引起氡濃度異常的地震的能量是否存在明顯差異？我們又計(jì)算了考慮地震震級(M)和泉與震中距離(r)的地震能量密度(e)。其計(jì)算公式[10]為:

lg(e)=(0.48*M-lg(r)-1.4)/0.33

(2)

以發(fā)震時間為橫軸,分別繪制J7、J1-1、J1-2、J1-3地震能量密度散點(diǎn)圖(圖3),用顏色標(biāo)識氡濃度異常與否。從圖3可以看出汶川地震余震一直延續(xù)到2010年12月,其中在大震后一年內(nèi)尤為密集。引起氡異常的地震集中分布在大震及震后3個月內(nèi)。為了能夠看到密集時段引起氡異常的地震情況,又以地震序號為橫軸,分別繪制了J7、J1-1、J1-2、J1-3區(qū)地震能量密度散點(diǎn)圖(圖4)。從圖4可以清晰地看到J7和J1-3區(qū)對應(yīng)氡異常的地震能量密度較小,約10-6J/m3,而J2區(qū)明顯偏高,約為10-5J/m3。

圖3 J7、J1-1、J1-2、J1-3聚類區(qū)域發(fā)震時間與地震能量密度的散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of occurrence time and seismic energy density in clustering areas J7,J1-1,J1-2 and J1-3

圖4 J7、J1-1、J1-2、J1-3聚類區(qū)域發(fā)震序號與地震能量密度的散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plot of seismic occurrence number and seismic energy density in clustering areas J7,J1-1,J1-2 and J1-3

3 結(jié)論

本文引入聚類、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型等數(shù)據(jù)挖掘方法,對汶川地震后殿溝泉氡出現(xiàn)異常與周邊地震的發(fā)震時間、震級與構(gòu)造位置的統(tǒng)計(jì)關(guān)系進(jìn)行了研究。獲得了如下認(rèn)識:

(1)2008—2010年殿溝泉?dú)怆钡亩啻萎惓ｏ@著變化是由泉點(diǎn)區(qū)周邊地區(qū)地震活動引起,主要是龍門山斷裂中段(汶川地震主震區(qū))和北段(青川斷裂)汶川地震及其余震活動引起。當(dāng)?shù)卣鹫鸺壌笥?.5級,氣氡出現(xiàn)異常的概率明顯增大。

(2)氡值異常受地震所在構(gòu)造單元的影響較為顯著,其次是地震震級、地震深度。龍門山斷裂中段和北段地震活動更易引起殿溝泉?dú)怆钡漠惓！?/p>

(3)氣氡的地震響應(yīng)異常機(jī)理研究目前還處于探索階段?？紤]到氡異常源在地下水中的遷移遵循水動力彌散機(jī)制[11-12],氣氡地震響應(yīng)異常形成可能是一種水動力學(xué)機(jī)制[13-15],與地震瞬時流量變化有關(guān)。

本項(xiàng)研究結(jié)果有助于了解泉點(diǎn)氣氡對周邊地震響應(yīng)的差異性特征,對未來殿溝泉?dú)怆碑惓５呐袛嗯c分析預(yù)測有參考意義。本項(xiàng)研究是數(shù)據(jù)挖掘方法應(yīng)用于前兆異常分析研究的一次嘗試,其數(shù)據(jù)處理方法及流程具有借鑒意義。此外,利用聚類開展的地震分區(qū)結(jié)果令人滿意,為地震活動分區(qū)提供了一種新的思路。