砂層應(yīng)力資料的研究與應(yīng)用*1

陳 光 陳超賢 王青平 楊錦玲 趙文波

(福建省地震局，福州 350003)

砂層應(yīng)力資料的研究與應(yīng)用*1

陳 光 陳超賢 王青平 楊錦玲 趙文波

(福建省地震局，福州 350003)

對砂層應(yīng)力儀產(chǎn)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響數(shù)據(jù)分析的主要因素包括高頻與低頻信息中的噪聲、觀測信號的背景性變化、地震前兆的趨勢異常與短期異常等。為識別與消除干擾提取不同頻率的信息，采用小波分析方法對信號進(jìn)行了處理。

砂層應(yīng)力;小波分析;去噪;顆粒介質(zhì);同震形變

1 引言

砂層應(yīng)變是一種新型觀測資料，一定程度上反映了顆粒介質(zhì)的特性，在地震短臨預(yù)報(bào)中已獲得初步應(yīng)用，汶川8.0級大地震前，北京昌平地震臺砂層應(yīng)力儀記錄到完整的沙層應(yīng)變動態(tài)演化過程［1］。2009年福建省地震局在莆田市設(shè)立了砂層應(yīng)力臺站，迄今為止，已積累了四年的數(shù)據(jù)。本文分別選取福建地區(qū)2012年4月15日仙游4.1級地震、臺灣地區(qū)2009—2012年5.9級以上的地震、2012年4月11日蘇門答臘8.6級大地震資料進(jìn)行分析處理。

2 臺站概述

莆田市砂層應(yīng)力臺站(圖1)位于莆田荔城區(qū)北高鎮(zhèn)岱峰初級中學(xué)，距離市中心約16 km，地處莆田市北高鎮(zhèn)岱峰村，地理坐標(biāo)北緯 25.33°，東經(jīng)119.20°，海拔高程約11.00 m。該臺處于長樂-詔安斷裂帶中北段，場地為坡地，地勢北高南低，地貌上屬丘陵地貌，土層厚度可達(dá)15 m，穩(wěn)定水位埋深約3 m。臺站井位在校園北側(cè)山地緩坡，井位地面又高出校園地面約6 m。臺站地處莆田市遠(yuǎn)郊區(qū)，在校園保護(hù)區(qū)內(nèi)，觀測環(huán)境條件較好，供電、通訊條件十分理想。沙層應(yīng)力儀根據(jù)探頭擺放方向的不同分別監(jiān)測南北、東西、平行于斷層(北東向40°)三個方向的應(yīng)力變化情況。

圖1 莆田沙層應(yīng)力儀臺站位置示意圖Fig.1 Sketch map of sand stress in Putian

3 資料處理

砂層應(yīng)力儀記錄到的異常變化是一個地震發(fā)生前后的趨勢變化過程。一個大地震的孕育包括快速加載、平衡相持、快速卸載、短臨變化和臨震信號等幾個明顯不同特征的變化階段［2］，其動態(tài)演化過程具有完整性和連續(xù)性，特征上具有顯著性和階段差異性，特別是在后面幾個階段包含信息量較為豐富。孕震過程可以初步判斷為一類典型的地震趨勢前兆。運(yùn)用小波分析方法處理觀測資料，以去除干擾提取不同頻率的信息。

莆田臺砂層應(yīng)力資料背景性日變圖如圖2所示。從圖2可以看出，東西和平行斷層方向的分量比南北向的稍好，其中東西與跨斷層方向比較同步，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，砂層應(yīng)力三個分量的每日變化最大幅值一般在500以內(nèi)(去除非常明顯的階躍干擾信息)。

為了分析砂層應(yīng)力儀對地震量測的靈敏度，利用蘇門答臘ML8.6地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析其是否包含同震信息及前兆信息。數(shù)據(jù)的處理采用了原始的1 s采樣率，時間窗口為一天，數(shù)據(jù)的預(yù)處理利用兩點(diǎn)均值平滑技術(shù)(兩點(diǎn)間的階躍超過1 000幅值即用前兩點(diǎn)的均值進(jìn)行替代)。

3.1 蘇門答臘ML8.6大地震

2012年4月11日印尼蘇門答臘西北部海域發(fā)生ML8.6大地震，莆田砂層臺位于蘇門答臘東北方向，離震源4 000千米，從南北分量與斷層平行來看同震擾動不明顯，東西分量則清晰地記錄到了兩次疑是大地震后同震的擾動形態(tài)(圖3)。

圖2 砂層資料日變化Fig.2 Diurnal variation of sand materials

圖3 蘇門答臘地震震前變化Fig.3 Change chart before the Sumatra earthquake

為了清晰識別出地震信號，利用小波分析法對砂層應(yīng)力東西分量數(shù)據(jù)進(jìn)行7層分解(圖4)，從圖4可以看到小波分解第2～6層都清楚顯示了震后擾動信息，第7層則為沖擊波，其中第2～6層還顯示在震前的07:00—10:00，砂層應(yīng)力數(shù)據(jù)有兩個階躍，第一個階躍是張性順勢脈沖在南北向上還有一個呼應(yīng)，第二個階躍是壓性順勢脈沖，這兩個脈沖的幅度大概在100。該脈沖是否是同震變形我們通過對比觀測來證實(shí)。

選取砂層臺附近的莆田荔城寬頻帶測震儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比處理，兩臺站相距22 km。通過對寬頻帶速度計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次積分得到位移，并對這兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉頻譜分析(圖5、6)。對比分析發(fā)現(xiàn)，砂層臺的數(shù)據(jù)記錄到的同震形變波要滯后于測震儀器記錄到數(shù)據(jù)，相差大概有600 s，根據(jù)顆粒介質(zhì)理論，該現(xiàn)象與顆粒介質(zhì)的力延遲傳播有關(guān)［3］。從頻譜圖來看，砂層臺的數(shù)據(jù)記錄到的優(yōu)勢頻譜與測震儀記錄到的優(yōu)勢頻譜一致，可認(rèn)為砂層臺記錄到的是同震形變信息。

3.2 臺灣地區(qū)2009—2012年5.9級以上的地震

圖4 蘇門答臘地震砂層應(yīng)力東西分量的小波7層分解Fig.4 7 layers of wavelet decomposition of EW component of sand stress in the Sumatra earthquake

臺灣地區(qū)多發(fā)中強(qiáng)以上地震，對福建地區(qū)影響較大。2009年11月5日17點(diǎn)32分臺灣南投縣發(fā)生5.9級地震，福建全省震感強(qiáng)烈，莆田臺距此次震中為219 km。從圖7可以看出，震前11點(diǎn)多開始，砂層應(yīng)力東西分量和平行斷層方向幾乎同步出現(xiàn)階躍，幅值約為100多，到13點(diǎn)又有一個階躍，后持續(xù)強(qiáng)烈的擾動(最大變化幅度有700多)，到16點(diǎn)出現(xiàn)平靜，至17點(diǎn)32分地震發(fā)生，有明顯同震波動。對比蘇門答臘地震，該地震前兆信息持續(xù)時間更長，變化幅度更大，這與南投與莆田距離很近，處于同一構(gòu)造帶上相符合。半年后，2010年3月4日8時18分在離南投110 km外的高雄又發(fā)生了一次6.7級地震，莆田臺距此次震中為304 km。通過分析，結(jié)果見圖8，在東西和平行跨斷層分量上，在地震前半個多小時(7點(diǎn)30分開始)，砂層應(yīng)力數(shù)據(jù)出現(xiàn)了類似南投地震的劇烈擾動，但變化幅值無南投的大，擾動持續(xù)了48分鐘后(8點(diǎn)18分)地震發(fā)生。兩次震例顯示在中強(qiáng)地震前，砂層應(yīng)力儀在短臨預(yù)報(bào)方面有一定的指標(biāo)作用。

4.3 福建陸地上4級以上地震

圖5 砂層應(yīng)力東西分量同震幅頻圖Fig.5 Amplitude-frequency diagram of EW component of sand stress

圖6 測震儀東西分量同震幅頻圖Fig.6 Amplitude-frequency diagram of EW component in seismometers

2009年以來，福建陸地上只發(fā)生了一次4級以上地震，即2012年4月15日17點(diǎn)仙游ML4.1地震。莆田臺距震中78km，對該天原始數(shù)據(jù)干擾后利用兩點(diǎn)均值平滑技術(shù)(兩點(diǎn)間的幅值階躍超過1 000即用前兩點(diǎn)的均值進(jìn)行替代)進(jìn)行處理獲得圖9。從圖9可發(fā)現(xiàn)臨震前11點(diǎn)30分開始砂層應(yīng)力數(shù)據(jù)在東西分量上有一個階梯下降，16點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折恢復(fù)過程中發(fā)震。這次地震離莆田臺較近(78 km)，但只有一個方向出現(xiàn)了明顯的變化，而且是階躍的變化，該震例表明地震異常信息在距震源遠(yuǎn)近不同時，表現(xiàn)出不同的差異，這與斷層走向及破裂方向不同有關(guān)。

圖7 臺灣南投5.9級地震砂層應(yīng)力三分量圖Fig.7 Three components diagram of sand stress in the magnitude 5.9 Nantou earthquake

圖8 臺灣高雄6.7級地震砂層應(yīng)力三分量圖Fig.8 Three components diagram of sand stress in the magnitude 6.7 Taiwan Gaoxiong earthquake

5 結(jié)束語

通過近四年砂層應(yīng)力儀觀測數(shù)據(jù)的分析表明:

圖9 福建仙游4.1級地震砂層應(yīng)力三分量圖Fig.9 Three components diagram of sand stress in the magnitude 4.1 Fujian Xianyou earthquake

1)砂層應(yīng)力非地震前兆異常的背景變化特征較為明顯。秒值、分鐘值細(xì)化了觀測資料地下介質(zhì)實(shí)時變化情況，彌補(bǔ)了常規(guī)儀器采樣率偏低的問題;整點(diǎn)值、日均值記錄特征明顯;儀器三分量之間差異較大，有利于判斷各方向的地震前兆異常。

2)砂層應(yīng)力數(shù)據(jù)具有一定的物理意義，傳感器對地殼形變具有比較好的響應(yīng)，能記錄到比較規(guī)則的固體潮日變信息。其中砂層的東西分量的變化規(guī)律最好，平行跨斷層分量次之，南北分量最差，對地震的同震響應(yīng)及前兆靈敏度貌似也有如此規(guī)律，推測與福建主應(yīng)力方向?yàn)楸蔽飨蛴嘘P(guān)。

3)砂層應(yīng)力數(shù)據(jù)的處理中運(yùn)用了傅里葉頻譜分析法(驗(yàn)證比對不同儀器對同一種信號源的頻率響應(yīng))、小波分析方法(對信號不同頻率域細(xì)節(jié)的分辨)、兩點(diǎn)均值平滑方法(對原始信號不同分量數(shù)據(jù)共同背景干擾的剔除)，這些方法的應(yīng)用與預(yù)期結(jié)果比較相符。

通過砂層應(yīng)力資料分析遠(yuǎn)震巨震、臺灣陸地5.9級以上地震和福建4級地震前后同震響應(yīng)及可能的前兆信息，獲取了一定的規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)。但由于資料較短震例太少，目前總結(jié)的一些可能的前兆應(yīng)變規(guī)律只能說是對特定的幾個地震的一個歸納總結(jié)，還有待搜集更多的地震做進(jìn)一步的研究驗(yàn)證。

1 武安緒，等.從昌平臺砂層應(yīng)變記錄看汶川大地震孕震過程［J］.國際地震動態(tài)，2009，17(4):13 －18.

2 孫偉.破壞性地震史可以預(yù)測的孕震物理模型和臨震信號［J］.中國工程科學(xué)，2007，9(7):23 －36.

3 陸坤權(quán)，等.顆粒介質(zhì)中探測地震前兆和前兆應(yīng)力-應(yīng)變傳播模型［J］.科學(xué)通報(bào)，2011，56(6):63－70.

RESEARCH AND APPLICATION ON SAND STRESS DATA

Chen Guang，Chen Chaoxian，Wang Qingping，Yang Jinling and Zhao Wenbo
(Earthquake Administration of Fujian Province，F(xiàn)uzhou 350003)

Based on the output data of sand stress meter，it is found that the impact of the main factors include the noise in high frequency and low frequency，the background changes of the observed signals，the trend anomalies and short-term anomalies of earthquake precursor.For identifing the different frequency information，the signal is processed using the wavelet analysis method.

sand stress;wavelet analysis;denoising;granular media;coseismic deformation

P315.5

A

1671-5942(2013)Supp.(Ⅰ)-0122-04

2013-04-08

福建省地震局科技基金(FJ2011008)

陳光，男，1980年生，工程師，主要從事地震預(yù)報(bào)、GPS大地測量與地震波應(yīng)用的研究.E－mail:chenguang0912@163.com