臨震微波動現(xiàn)象回溯性研究
——以青海地區(qū)為例

余 娜 王建軍 張曉清 楊曉霞

1 青海格爾木青藏高原內(nèi)部地球動力學野外科學觀測研究站,西寧市柴達木路153號,810005

2 青海省地震局,西寧市柴達木路153號,810005

3 甘肅省地震局,蘭州市東崗西路450號,730000

寬頻帶數(shù)字波形資料中隱含著豐富的信息。隨著我國寬頻帶數(shù)字記錄臺網(wǎng)建設完成,如何識別并提取與地震孕育有關(guān)的活動構(gòu)造微活動、微破裂等信息受到地震學者的廣泛關(guān)注。王玥琪[1]采用希爾伯特-黃變換對不同類型事件頻譜特征進行分析,總結(jié)不同事件的頻譜特征。楊立明等[2-4]利用四川、青海、甘肅等區(qū)域的寬頻帶數(shù)字波形資料,對2008年汶川MS8.0和2010年玉樹MS7.1地震進行對比研究,根據(jù)時間域和頻率域的表現(xiàn)特征初步識別臨震微波動現(xiàn)象,并通過對青藏塊體2012～2014年發(fā)生的5級以上地震進行實時跟蹤分析,驗證臨震微波動現(xiàn)象的重現(xiàn)性和客觀性,初步得出強震前臨震微波動現(xiàn)象的判定依據(jù):若某個臺站連續(xù)4 d及以上出現(xiàn)活動度N≥4 的現(xiàn)象,則表示該臺站存在臨震微波動異常。袁超等[5]對2015～2016年青藏塊體和新疆4次5.5級以上地震進行臨震微波動現(xiàn)象跟蹤分析,驗證強震前臨震微波動現(xiàn)象的存在。

本文對2020～2022年青海地區(qū)5.0級及以上地震震中距150 km以內(nèi)臺站的波形資料進行分析,總結(jié)青海地區(qū)5.0級及以上地震的臨震微波動異常特征,檢驗和完善臨震微波動現(xiàn)象的異常跟蹤指標。

1 研究方法

臨震微波動是在強震臨震階段疊加在正常地脈動上的事件,優(yōu)勢頻率集中在11～16 Hz左右,頻譜形態(tài)較為整齊。本文的波形資料來源于蘭州臨震微波動實時監(jiān)控與跟蹤系統(tǒng),該系統(tǒng)將青海、甘肅、西藏、云南和四川等多個區(qū)域260多個數(shù)字臺站的連續(xù)波形資料實時匯集,儀器采樣率為每秒100次,最大分辨頻率為50 Hz。該系統(tǒng)從2019-07開始自動接收青海地區(qū)的數(shù)據(jù)流,并且每小時自動識別臨震微波動事件。通過對波形進行高通濾波,以超出地脈動方差平均值若干倍為標準,當某一時段波形記錄超出方差控制線時,以該超出部分的中點為中心,其前后各延伸截取一定時間長度的波形記錄作為疑似臨震微波動事件,將疑似臨震微波動事件通過快速傅里葉變換進行頻譜分析,得到該事件的頻譜特征,最后對疑似臨震微波動事件進行人工識別,滿足條件的記為一次臨震微波動事件。

臨震微波動活動度N值表示一定時間段內(nèi)臨震微波動事件出現(xiàn)的總頻次[1],其定義為:

(1)

式中,i為時間(單位d),i=1,2,3…,j為該類事件出現(xiàn)的順序,n(i,j)表示臨震微波動現(xiàn)象在第i天第j次出現(xiàn),k為出現(xiàn)的總次數(shù)。

2 地震活動特征及資料分析

青海地區(qū)構(gòu)造運動強烈,歷史上曾多次發(fā)生強震,如2001-11-14昆侖山口西MS8.1地震、2010-04-14玉樹MS7.1地震和2021-05-22瑪多MS7.4地震等。選取2020-01-01～2022-12-31青海地區(qū)5.0級及以上地震事件為研究對象(表1),其中,MS5.0～5.9地震7次,MS6.0～6.9地震2次,MS7.0～7.9地震1次。10次地震的震中及測震臺站分布見圖1,本文詳細分析其中4次地震的臨震微波動現(xiàn)象。

圖1 震中及臺站分布

表1 2020～2022年青海地區(qū)MS≥5.0地震事件及其震中距統(tǒng)計

2.1 2021年瑪多MS7.4地震

2021-05-22青海省瑪多縣發(fā)生MS7.4地震,震中附近測震臺站分布較稀疏,150 km半徑范圍內(nèi)僅有3個測震臺站,即瑪多臺(36 km)、巴顏喀拉臺(72 km)和清水河臺(145 km)。由圖2可知,瑪多臺、巴顏喀拉臺和清水河臺均記錄到了臨震微波動事件,而且這3個臺站3個測道(NS、EW、UD)的活動度N值都有明顯的高值變化。根據(jù)臨震微波動活動頻次圖(圖2)與測震臺站分布圖(圖1)可知,記錄到較多臨震微波動事件的巴顏喀拉臺和清水河臺均位于震中的西南側(cè),而位于震中北側(cè)的瑪多臺記錄到的臨震微波動事件非常少。

圖2 2021年瑪多MS7.4地震前震中距150 km范圍內(nèi)臺站N值變化

2021-01～05巴顏喀拉臺EW測道連續(xù)多日(4 d以上)活動度N值大于4,達到了臨震微波動現(xiàn)象異常跟蹤指標,異常幅度最大為10,從03-08出現(xiàn)異常至發(fā)震共74 d;NS測道在4月初存在單日活動度N值為5,但未出現(xiàn)連續(xù)活躍超過4 d的異常現(xiàn)象,在正常范圍內(nèi)隨機波動。清水河臺UD測道在05-12出現(xiàn)單日活動度N值為5,也未達到連續(xù)活躍4 d的異常指標,在正常范圍內(nèi)隨機波動。距震中最近的瑪多臺UD測道在震后出現(xiàn)單日活動度N值為5,在正常范圍內(nèi)隨機波動。

2.2 2021年茫崖MS5.8地震

2021-06-16青海省茫崖市發(fā)生MS5.8地震,震中附近測震臺站分布稀疏,150 km半徑范圍內(nèi)僅有2個測震臺站,即冷湖臺(84 km)和大柴旦臺(140 km)。由圖3可知,除冷湖臺UD測道沒有記錄到臨震微波動事件外,其他5個測道均記錄到了臨震微波動事件,而且活動度N值都有明顯的高值變化。根據(jù)微波動活動頻次圖(圖3)與測震臺站分布圖(圖1)可知,臨震微波動事件較為活躍的大柴旦臺位于震中東南側(cè),位于震中西北方向的冷湖臺記錄到的臨震微波動事件較少。

圖3 2021年茫崖MS5.8地震前震中距150 km范圍內(nèi)臺站N值變化

2021-01～06大柴旦臺NS、UD測道連續(xù)多日(4 d以上)活動度N值大于4,達到了臨震微波動現(xiàn)象異常跟蹤指標。UD測道從02-14出現(xiàn)異常至發(fā)震共122 d,異常幅度最大為12;NS測道從03-08出現(xiàn)異常至發(fā)震共98 d,異常幅度最大為13;EW測道存在單日活動度N值高于4,但未出現(xiàn)連續(xù)活躍超過4 d的異常現(xiàn)象,在正常范圍內(nèi)隨機波動。冷湖臺臨震微波動活動度N值小于4,在正常范圍內(nèi)隨機波動,無明顯異常。

2.3 2022年門源MS6.9地震

2022-01-08青海省門源縣發(fā)生MS6.9地震,震中附近測震臺站分布密集,150 km半徑范圍內(nèi)有10個測震臺站,分別為門源臺(36 km)、鏵尖臺(67 km)、大通臺(100 km)、河西堡臺(102 km)、祁連臺(103 km)、山丹臺(113 km)、龍王山臺(122 km)、湟源臺(124 km)、石崗臺(134 km)和西寧臺(134 km)。由圖4可知,10個測震臺中的9個記錄到了臨震微波動事件,僅山丹臺未記錄到。記錄到臨震微波動事件的9個臺站的3個測道(NS、EW、UD)的活動度N值在2021-08～2022-01期間存在明顯的高值變化。根據(jù)臨震微波動活動頻次圖(圖4)與測震臺站分布圖(圖1)可知,臨震微波動事件比較活躍的祁連臺、大通臺、龍王山臺、湟源臺和石崗臺位于震中的東南和西北方向,位于震中北側(cè)的山丹臺未記錄到臨震微波動事件,鏵尖臺、河西堡臺、門源臺和西寧臺記錄到的臨震微波動事件非常少。

圖4 2022年門源MS6.9地震前震中距150 km范圍內(nèi)臺站N值變化

2021-08～2022-01祁連臺NS測道連續(xù)多日(4 d以上)活動度N值大于4,達到臨震微波動現(xiàn)象異常跟蹤指標,異常幅度最大為10,從08-11出現(xiàn)異常至發(fā)震共146 d;其后有單日的突跳變化,但均在正常范圍內(nèi)隨機波動。湟源臺EW測道連續(xù)多日(4 d以上)活動度N值大于4,達到臨震微波動現(xiàn)象異常跟蹤指標,EW測道從09-08出現(xiàn)異常至發(fā)震共122 d,異常幅度最大為28;NS和UD測道存在多次活動度N值大于4,但未出現(xiàn)連續(xù)活躍超過4 d的異常現(xiàn)象,未達到異常跟蹤指標。大通臺NS測道在2021-11-02出現(xiàn)單日活動度N值為5,未達到連續(xù)活躍4 d的異常指標,在正常范圍內(nèi)隨機波動。

2.4 2022年德令哈MS5.8地震

2022-01-23青海省德令哈市發(fā)生MS5.8地震,震中附近測震臺站分布較稀疏,150 km半徑范圍內(nèi)僅有2個測震臺站,即德令哈臺(118 km)和青頭山臺(144 km)。由圖5可知,除青頭山臺UD測道沒有記錄到臨震微波動事件外,其他5個測道均記錄到臨震微波動事件,而且活動度N值都有明顯的高值變化。根據(jù)微波動活動頻次圖(圖5)與測震臺站分布圖(圖1)可知,臨震微波動事件較為活躍的德令哈臺位于震中正南方向,青頭山臺位于震中東北方向。

圖5 2022年德令哈MS5.8地震前震中距150 km范圍內(nèi)臺站N值變化

2021-08～2022-01青頭山臺NS測道和德令哈臺UD測道存在單日活動度N值高于4,但未出現(xiàn)連續(xù)活躍超過4 d的異常現(xiàn)象,未達到臨震微波動異常跟蹤指標,其余記錄到臨震微波動事件的臺站活動度N值均在正常范圍內(nèi)隨機波動。

3 討 論

依據(jù)上述思路逐一分析2020～2022年青海地區(qū)發(fā)生的10次5級以上地震(表1),結(jié)果發(fā)現(xiàn),震前半年震中150 km范圍內(nèi)的臺站幾乎都記錄到臨震微波動事件,達到臨震微波動異常指標的臺站不是震中距最小的臺站;記錄較多臨震微波動事件的臺站或者達到臨震微波動異常指標的臺站往往分布在震中的東南側(cè)或者西南側(cè),位于震中北側(cè)的臺站未記錄到臨震微波動事件或者記錄到的臨震微波動事件非常少(表1),這一現(xiàn)象與之前的認識有一定的差異。由圖1可知,研究區(qū)地震附近的斷層大多呈NW-SE向展布,地震類型是左旋走滑型[6-9],初步認為這可能是導致上述現(xiàn)象的原因。

在地震強度方面,這10次地震均記錄到臨震微波動事件。由表2可知,2次5.0～5.4級地震中,臨震微波動事件的活躍度N值未達到臨震微波動現(xiàn)象異常跟蹤指標,均在正常范圍內(nèi)隨機波動,映震率為0;5次5.5～5.9級地震中,有2次震前達到臨震微波動異常跟蹤指標,映震率為40%;3次6.0級及以上地震中,有2次震前達到臨震微波動異常跟蹤指標,映震率為66.7%。可以看出,震級越大,震前出現(xiàn)臨震微波動異常指標的可能越大,即映震效果越好。而且從這10個震例中發(fā)現(xiàn),從臨震微波動異常出現(xiàn)到主震發(fā)生,時間最長為116 d,最短為43 d,這與之前認識的12～14 d有一定的差異。

表2 不同震級的映震率

4 結(jié) 語

利用蘭州臨震微波動實時監(jiān)控與跟蹤系統(tǒng)的波形數(shù)據(jù),以臨震微波動活動度N值大于4并持續(xù)4 d以上作為震情異常跟蹤指標,對2020～2022年青海地區(qū)發(fā)生的10次5級及以上地震的臨震微波動現(xiàn)象進行分析,得出以下結(jié)論:

1)震中150 km半徑范圍內(nèi)的臺站幾乎都能記錄到臨震微波動事件,達到臨震微波動異常跟蹤指標的臺站不是距地震震中最近的臺站,而且達到臨震微波動異常指標的臺站多分布于震中東南側(cè)或者西南側(cè),這可能與區(qū)域構(gòu)造應力、發(fā)震斷層走向及地震破裂過程等有關(guān)。

2)地震強度方面,主震震級越大,震前出現(xiàn)臨震微波動異常指標的可能性越大。