精河6.6級地震前精河水管儀、伸縮儀異常特征分析1

張智慧 李 娜 邢喜民

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精河6.6級地震前精河水管儀、伸縮儀異常特征分析1

張智慧1）李 娜2）邢喜民2）

1）河南省工業(yè)科技學(xué)校，河南新鄉(xiāng) 453000 2）新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

2017年8月9日精河發(fā)生6.6級地震。本文首先利用相關(guān)、回歸分析研究了氣溫對水管儀、伸縮儀的影響，并進(jìn)行了干擾的定量剔除；其次，通過回歸殘差分析研究地震前水管儀、伸縮儀的異常特征，認(rèn)為精河6.6級地震前存在3項(xiàng)異常：①2016年5月22日起，水管儀NS分量S傾幅度0.53"；②2017年3月24日起，EW分量E傾幅度0.28"；③2016年9月10日起，伸縮儀NS分量出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象。

相關(guān)系數(shù) 氣溫 回歸分析 水管儀 伸縮儀

引言

由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的地應(yīng)力和地傾斜變化，在大地震發(fā)生前可能發(fā)生異常變化。由于臺(tái)站建立在地殼表層，位于巖石圈與大氣圈、水圈、生物圈的交界面上，其觀測不可避免地受到諸多因素影響（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2008）。許多臺(tái)站能觀測到地應(yīng)力（變）和傾斜的年度變化，且幅度因臺(tái)站條件不同而各異，造成這種隨季節(jié)變化的因素包括氣溫、氣壓、降水、地下水位的變化等，溫度引起熱彈性變形也被用來解釋地應(yīng)力和地形變的年變化（曹建玲等，2005）。Berge（1975）曾對正弦變化的沿水平地表傳播的熱波動(dòng)引起的地應(yīng)變和地傾斜給出了理論解。曹建玲等（2005）利用有限元方法考慮在平行山脊的地形條件下，氣溫年變化造成的應(yīng)力和傾斜的幅度及其隨深度的分布特征。就目前的認(rèn)識(shí)水平，外界干擾與地震前兆的變化形態(tài)有時(shí)難以區(qū)分（王梅等，2004）。于桂春等（2011）僅定性地分析了氣溫與阿合奇地震臺(tái)地傾斜變化關(guān)系。邢喜民等（2016）研究了溫度、水位、氣壓對烏什體應(yīng)變的影響，利用分段回歸研究氣象因素對精河、庫爾勒水平擺的影響（邢喜民等，2015），然而并沒有研究定量剔除氣象因素之后的形變觀測與周邊強(qiáng)震之間的關(guān)系。

由于地殼構(gòu)造的復(fù)雜性和震源區(qū)的不可直觀性，地震的孕育和發(fā)生、其成因和機(jī)制等問題，至今尚無完滿的解答（楊龍，2015）。眾多大地震的震例研究表明，前兆異常會(huì)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）。根據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)測定，2017年8月9日07時(shí)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）。本文首先嘗試?yán)孟嚓P(guān)、回歸分析研究氣溫對精河伸縮儀、水管儀的影響特征，并將其所造成的干擾定量剔除；其次，通過對回歸殘差進(jìn)行分析，研究精河6.6級地震前精河伸縮儀、水管儀的異常特征，以期推動(dòng)地震數(shù)值預(yù)測方面的研究。

1 臺(tái)站、儀器概況

精河地震臺(tái)（44.62°N，82.97°E）位于新疆維吾爾自治區(qū)博爾塔拉蒙古自治州精河縣境內(nèi)，海拔387.3m，處于博羅科努、準(zhǔn)格爾南緣、科古琴三大斷裂帶交匯區(qū)，該斷裂以北為準(zhǔn)噶爾中新生代凹陷和圍繞準(zhǔn)噶爾古老地塊形成的準(zhǔn)噶爾-北天山古生代褶皺系；斷裂以南為塔里木地臺(tái)北緣的多旋回地槽在晚古生代末期形成的天山褶皺系。歷史上該區(qū)曾多次發(fā)生6.0級以上的中強(qiáng)地震。精河地震臺(tái)與精河6.6級地震分布如圖1所示。

圖1 精河地震臺(tái)與精河6.6級地震分布

精河臺(tái)觀測山洞東西向?yàn)橹鞫?，進(jìn)深約90m，南北洞長約12m，寬約2.2m，洞內(nèi)年溫差0.5℃，日溫差小于0.1℃，精河FSQ水管儀、SSY-II型伸縮儀于1990年投入使用，水管、伸縮北南向長9.04m，東西向長29.98m（朱令人，2002）。2011年臺(tái)站進(jìn)行了數(shù)字化改造，儀器觀測精度高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。精河水管、伸縮臺(tái)站觀測環(huán)境、觀測條件均達(dá)到觀測規(guī)范要求。

2 氣溫對水管儀、伸縮儀影響的定量剔除

為研究精河水管儀EW向、伸縮儀NS向分量與氣溫之間的關(guān)系，選取2013年以來水管儀、伸縮儀和氣溫的觀測數(shù)據(jù)為研究對象。由日均值曲線圖（圖2）可以看出，精河水管儀EW向具有趨勢E傾、伸縮儀NS向具有趨勢壓縮的變化，而精河的氣溫卻沒有與之一致的趨勢變化。根據(jù)干擾異常識(shí)別與排除的4個(gè)“相關(guān)性”原則（車用太等，2011），認(rèn)為精河水管儀EW向、伸縮儀NS向的趨勢性變化與氣溫?zé)o關(guān)。選用最佳逼近多項(xiàng)式對精河水管儀EW向、伸縮儀NS向進(jìn)行擬合，去掉2分量觀測資料趨勢，結(jié)果見圖3。

（a）水管儀NS向；（b）水管儀EW向；（c）伸縮儀NS向；（d）伸縮儀EW向；（e）氣溫

（a）水管儀EW向；（b）伸縮儀NS向

通過研究精河水管儀、伸縮儀各分量與氣溫的相關(guān)系數(shù)和滯后天數(shù)之間的關(guān)系，得到了相關(guān)系數(shù)與滯后天數(shù)的計(jì)算結(jié)果（表1）及關(guān)系曲線（圖4）。同時(shí)，為判定觀測數(shù)據(jù)與氣溫的相關(guān)特征，繪制了其與氣溫的散點(diǎn)圖，如圖5所示。

表1 精河水管儀、伸縮儀各分量和氣溫的相關(guān)系數(shù)與滯后天數(shù)

（a）水管儀NS向；（b）水管儀EW向；（c）伸縮儀NS向；（d）伸縮儀EW向

（a）水管儀NS分量；（b）水管儀EW分量

（c）水管儀EW分量去傾后；（d）伸縮儀NS分量；（e）伸縮儀NS分量去傾后；（f）伸縮儀EW分量

由表1及圖5可知，為定量剔除氣溫對精河水管儀、伸縮儀各分量的影響，以氣溫作為自變量，選用適合的回歸模型進(jìn)行回歸分析。為了方便記錄，記定點(diǎn)形變觀測數(shù)據(jù)為，氣溫為（℃），殘差為，并通過可決系數(shù)評價(jià)各回歸方程的擬合效果，其結(jié)果見表2。

表2 精河水管儀、伸縮儀與氣溫回歸分析結(jié)果

通過回歸分析得到的回歸殘差序列見圖6。由上述分析可知，氣溫是影響精河水管儀、伸縮儀年變的主要影響因素，氣溫與水管儀、伸縮儀各分量具有準(zhǔn)線性關(guān)系，且水管儀NS、EW向，伸縮儀NS、EW向分別滯后氣溫天數(shù)約為33、92、82、73天。

（a）水管儀NS向；（b）水管儀EW向；（c）伸縮儀NS向；（d）伸縮儀EW向

3 精河6.6級地震前的異常特征分析

由圖6可以看出，在剔除氣溫對精河水管儀、伸縮儀的影響之后，2013年起水管儀NS分量持續(xù)N傾，并于2016年5月22日出現(xiàn)轉(zhuǎn)向S傾的異常，S傾幅度達(dá)0.53"，精河6.6級地震發(fā)生后異常恢復(fù)；2014年沙灣5.0級地震前，水管儀EW分量出現(xiàn)E傾變化，并于2015年9月由E傾轉(zhuǎn)為W傾，之后發(fā)生了新源5.0級地震；在精河6.6級地震前，2017年3月24日水管儀再次出現(xiàn)E傾異常變化，至精河地震發(fā)生時(shí)E傾幅度達(dá)0.28"，地震發(fā)生后持續(xù)E傾，2017年9月29日E傾結(jié)束，異?；謴?fù)。此外，自2013年起精河伸縮儀NS分量變化較平穩(wěn)，而自2016年9月10日起出現(xiàn)拉張的異常變化，2017年5月20日拉張速率減慢，精河6.6級地震發(fā)生后出現(xiàn)壓縮變化，異?；謴?fù)；2017年以來伸縮儀EW向雖有拉張跡象，但異常并不明顯。由精河6.6級地震構(gòu)造應(yīng)力場圖（圖7）可以看出，精河地震臺(tái)附近區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場水平最大主應(yīng)力優(yōu)勢方向?yàn)榻麼S向，區(qū)域壓應(yīng)力軸為近NS向，這說明精河6.6級地震前伸縮儀NS分量的趨勢壓縮異常是可靠的。

圖7 精河6.6級地震構(gòu)造應(yīng)力場圖（引自中國地震局地殼應(yīng)力研究所）

4 結(jié)論與討論

形變臺(tái)站（測點(diǎn)）作為多輸入、單輸出（觀測值）的系統(tǒng)，在觀測值序列中不僅包含著來自地球內(nèi)部的地形變信息，還包含著各種影響因素的信息。觀測值序列既然是多種信息的綜合，必然也是可分離的（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2008）。

本文利用相關(guān)、回歸分析研究了氣溫對精河水管儀、伸縮儀的影響特征，并嘗試定量剔除氣溫對其影響，結(jié)果表明精河水管儀、伸縮儀觀測數(shù)據(jù)的趨勢性變化與氣溫?zé)o關(guān)；氣溫與精河水管儀、伸縮儀各分量具有準(zhǔn)線性關(guān)系；氣溫是影響精河水管儀、伸縮儀各分量年變形態(tài)的主要影響因素；精河水管儀NS、EW向，伸縮儀NS、EW向滯后氣溫天數(shù)分別為33、92、82、73天；另外，對回歸殘差序列進(jìn)行了分析，在精河6.6級地震前出現(xiàn)水管儀NS分量S傾0.53"，EW分量E傾0.28"以及2016年9月10日起伸縮儀的壓縮變化等異常變化。通過對比圖2、圖6可知，剔除氣象因素對形變觀測數(shù)據(jù)的影響后，震前異常特征與幅度將更接近由地震引起的異常變化。今后，可通過對大量震例進(jìn)行總結(jié)，嘗試建立異常幅度、異常持續(xù)時(shí)間等異常特征與地震關(guān)系，以期推動(dòng)地震數(shù)值預(yù)測的發(fā)展。

曹建玲，石耀霖，2005．地表溫度年變化對地應(yīng)力和地傾斜的影響．中國科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，22（3）：303—308．

車用太，魚金子，劉成龍等，2011．判別地下水異常的干擾性與前兆性的原則及其應(yīng)用實(shí)例．地震學(xué)報(bào)，33（6）：800—808．

王梅，李峰，孔向陽等，2004．?dāng)?shù)字化形變觀測干擾識(shí)別．大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，24（1）：94—98．

吳中海，趙根模，2013．地震預(yù)報(bào)現(xiàn)狀及相關(guān)問題綜述．地質(zhì)通報(bào)，32（10）：1493—1512．

邢喜民，張濤，2015．分段回歸在剔除精河、庫爾勒水平擺氣象因素影響的探索．地震工程學(xué)報(bào)，37（2）：623—628．

邢喜民，孫吉澤，張治廣，2016．烏什臺(tái)鉆孔體應(yīng)變年頻段及日頻段信息的影響因素探索，大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，36（5）：456—459．

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中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2008．地形變測量．北京：地震出版社．

朱令人，2002．新疆通志-第十一卷-地震志．烏魯木齊：新疆人民出版社．

Berger J., 1975. A note on thermoelastic strains and tilts. Journal of Geophysical Research, 80(2): 274—277

Analysis of Anomalous Characteristics of Jinghe Water Tube Tilt and Extensometer Temperature before the JingheS6.6 Earthquake

Zhang Zhihui1), Li Na2)and Xing Ximin2)

1) Henan Industrial Technology Institute, Xinxiang 453000, Henan, China 2) Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China

TheS6.6 earthquake occurred on August 9, 2017 in Jinghe. In order to investigate the anomaly characteristics from water tube tiltmeter and extensometer in Jinghe station, we analyzed the effects of air temperature on water tube tiltmeter and extensometer in Jinghe by using the correlation and regression analysis then rejected the interference of air temperature quantitatively. The analysis of regression residuals shows that there existed three abnormalities before the earthquake: ① S tilt amplitude 0.53" in NS component from water tube tiltmeter since May 22, 2016; ② EW component tilt amplitude 0.28" from March 24, 2017; ③From September 10, 2016, the NS component of the telescopic instrument appears to be compressed.

Correlation coefficient; Air temperature; Regression analysis; Water tube tiltmeter; Extensometer

張智慧，李娜，邢喜民，2018．精河6.6級地震前精河水管儀、伸縮儀異常特征分析．震災(zāi)防御技術(shù)，13（3）：671—678．

10.11899/zzfy20180318

中國地震局地震科技星火計(jì)劃（XH19049），中國地震局2018年度地震監(jiān)測、預(yù)測、科研三結(jié)合課題項(xiàng)目（CEA- JC/3JH-173103）

2017-12-20

張智慧，男，生于1982年。講師。主要從事數(shù)學(xué)的實(shí)際應(yīng)用與教學(xué)研究。E-mail：632821511@qq.com

邢喜民，男，生于1980年。高級工程師。主要從事大地測量、定點(diǎn)形變數(shù)據(jù)分析方面研究。 E-mail：442635690@ qq.com