強(qiáng)遠(yuǎn)震前鉆孔體應(yīng)變潮汐響應(yīng)及同震特征分析

陳永前

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

從1966年邢臺(tái)地震后，在李四光先生的倡導(dǎo)下，我國(guó)開展了以地震預(yù)報(bào)為目的的鉆孔應(yīng)力應(yīng)變連續(xù)觀測(cè)。其中，體應(yīng)變儀探頭埋在地下幾十米深處，傳感器的膨脹水泥與基巖結(jié)合為一體，工作原理簡(jiǎn)單，儀器精度達(dá)到10-9。因此，避免了調(diào)試儀器、人為活動(dòng)等引起的干擾，在很大程度上減少了外部因素的影響，使其能清晰地記錄到各種應(yīng)變潮汐和非應(yīng)變信息[1]。隨著鉆孔體應(yīng)變資料的積累，從事地震科學(xué)研究的學(xué)者對(duì)鉆孔體應(yīng)變的研究也越來(lái)越多，如何從中提取出與地震有關(guān)的前兆信息是地震分析預(yù)報(bào)人員一直想要攻克的難題。地震預(yù)報(bào)的關(guān)鍵是尋找地震前兆，基于淺源大地震的成因是地殼運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，監(jiān)測(cè)地殼變形或運(yùn)動(dòng)，獲取地震前兆，早已是各國(guó)開展地震預(yù)報(bào)的重點(diǎn)[2]。地震的孕育和發(fā)生是震源區(qū)及其附近地殼應(yīng)變能量積累和快速釋放的過(guò)程[3]。當(dāng)?shù)卣鹪杏胶笃冢鹪磪^(qū)及其附近應(yīng)變能高度積累，處于臨界狀態(tài)。固體潮是臨界狀態(tài)的一種重要觸發(fā)因素，深入研究固體潮對(duì)地震的觸發(fā)作用及機(jī)制不僅對(duì)地震成因有重要的理論意義，而且在地震預(yù)報(bào)上也有重大實(shí)際意義[4-5]。從2007年山西地區(qū)地震監(jiān)測(cè)資料數(shù)字化以來(lái)，鉆孔體應(yīng)儀觀測(cè)資料就具備觀測(cè)質(zhì)量高，連續(xù)性較好的特點(diǎn)，能清晰記錄到8級(jí)以上強(qiáng)遠(yuǎn)震及初動(dòng)明顯且波形完整的地震同震響應(yīng)。因此，為進(jìn)一步深入分析與挖掘數(shù)據(jù)，試圖通過(guò)維尼迪科夫Venidikov調(diào)和分析方法及小波分解法對(duì)鉆孔體應(yīng)變前兆異常信號(hào)進(jìn)行分析和提取，同時(shí)對(duì)強(qiáng)遠(yuǎn)震引起的同震響應(yīng)也進(jìn)行研究。

1 計(jì)算原理

地球在日、月等天體引潮力的作用下產(chǎn)生周期性的彈性形變，即固體潮。固體潮是目前唯一能夠預(yù)先準(zhǔn)確計(jì)算出理論值的地球物理現(xiàn)象，主要是利用不同諧波運(yùn)動(dòng)角度速度不同這一差異性，對(duì)固體潮進(jìn)行調(diào)和分析。維尼迪科夫(Venidikov)方法對(duì)資料連續(xù)性要求相對(duì)較低，只需48 h內(nèi)連續(xù)即可，這對(duì)多年觀測(cè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)處理是非常有利的[6]。固體潮觀測(cè)值可以表示為：

(1)

(2)

Mj、Nj還可以表示為：

(3)

每連續(xù)48 h的觀測(cè)值經(jīng)濾波后，對(duì)各類分波波群得到兩個(gè)方程，取一段時(shí)間內(nèi)的觀測(cè)資料，使方程的個(gè)數(shù)多于未知數(shù)的個(gè)數(shù)，便可根據(jù)式(2)、(3)，經(jīng)過(guò)變換后，利用最小二乘法求出分波波群的潮汐因子和相位滯后等參數(shù)。

2 研究區(qū)域及資料選取

研究時(shí)挑選并收集整理了山西太原、代縣、大同和臨汾4個(gè)臺(tái)站的鉆孔體應(yīng)變分鐘值數(shù)據(jù)，由于這些臺(tái)站的數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，所以具備數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去除間斷、階躍、突跳和氣壓干擾等。選取2008年以來(lái)全球13次M≥8.0強(qiáng)遠(yuǎn)震，統(tǒng)計(jì)其對(duì)山西地區(qū)的4套鉆孔體應(yīng)變儀記錄資料的影響，包括潮汐因子變化、同震響應(yīng)延遲時(shí)間等信息。

3 分析過(guò)程

3.1 同震響應(yīng)分析

對(duì)山西地區(qū)2008年以來(lái)13次強(qiáng)遠(yuǎn)震同震響應(yīng)波進(jìn)行計(jì)算，分析了13次地震對(duì)4個(gè)臺(tái)站的體應(yīng)變同震響應(yīng)特征，根據(jù)其變化形態(tài)來(lái)判斷其變化性質(zhì)。為充分分析體應(yīng)變對(duì)地震波的響應(yīng)過(guò)程，選取地震當(dāng)天體應(yīng)變變化形態(tài)，從響應(yīng)延遲時(shí)間、響應(yīng)幅度、顯示的應(yīng)力特征等方面進(jìn)行分析(見表1)。

表1 4個(gè)臺(tái)站同震響應(yīng)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of coseismic response of 4 stations

從上表看出，鉆孔體應(yīng)變的同震響應(yīng)特征主要以壓縮波為主，個(gè)別存在突跳形態(tài)，只有新西蘭8.0級(jí)地震沒(méi)有記錄到同震響應(yīng)，而且都具有不同長(zhǎng)短的延長(zhǎng)時(shí)間，在4個(gè)臺(tái)站鉆孔體應(yīng)變響應(yīng)幅度大小方面，基本是同步的。文章只統(tǒng)計(jì)了4個(gè)鉆孔體應(yīng)變臺(tái)在8級(jí)以上地震的同震形態(tài)，臺(tái)站和震中距之間的關(guān)系對(duì)于同震響應(yīng)特征的影響，還需要進(jìn)一步研究。

3.2 震前潮汐因子變化特征

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，潮汐因子等參數(shù)的時(shí)間序列變化能在一定程度上反映周邊介質(zhì)物性的非線性變化過(guò)程[7]。正常情況下，一個(gè)地方的潮汐因子會(huì)在一定幅度內(nèi)上下波動(dòng)。借助這一基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算各臺(tái)站鉆孔體應(yīng)變的M2波潮汐因子，對(duì)強(qiáng)遠(yuǎn)震前體應(yīng)變震例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)13次強(qiáng)遠(yuǎn)震震前1 a的潮汐因子進(jìn)行計(jì)算，由結(jié)果得知，薩摩亞群島地區(qū)8級(jí)地震、鄂霍次克海8.2級(jí)地震、智利北部沿岸近海8.1級(jí)地震和墨西哥沿岸近海8.2級(jí)地震在震前1 a時(shí)間內(nèi)固體潮變化幅度較大。其中薩摩亞群島地區(qū)8級(jí)地震前，大同臺(tái)和代縣臺(tái)240多天時(shí)變化較大，潮汐因子分別由3.75和2降到了1附近，太原臺(tái)和臨汾臺(tái)相對(duì)大同臺(tái)和代縣臺(tái)的潮汐因子變化較小(見第3頁(yè)圖1)；在鄂霍次克海8.2級(jí)地震前，太原臺(tái)的潮汐因子變化較為顯著，在這次地震前約150 d時(shí)，潮汐因子由1.5突升至6.75左右，持續(xù)45 d后又突降至1.5左右，并處于穩(wěn)定狀態(tài)，其他3個(gè)臺(tái)站的潮汐因子變化不大(見第3頁(yè)圖2)；在智利北部沿岸近海8.1級(jí)地震前，臨汾臺(tái)和大同臺(tái)的潮汐因子變化較大，臨汾臺(tái)由0.25升至3.2的峰值后突降再突升，最后降至穩(wěn)定狀態(tài)，大同臺(tái)由0.5升至2.5后突降到1附近的穩(wěn)定狀態(tài)(見第3頁(yè)圖3)；在墨西哥沿岸近海8.2級(jí)地震前，臨汾臺(tái)的潮汐因子由1.5降至0，后緩慢上升至1.25的水平，太原臺(tái)在1.25的水平波動(dòng)，大同臺(tái)和代縣臺(tái)穩(wěn)定在0.5的水平，呈水平直線狀態(tài)(見第3頁(yè)圖4)。

圖1 薩摩亞群島地區(qū)8級(jí)地震前潮汐因子變化Fig.1 Change of tide factors before M 8 earthquake in Samoa area

圖2 鄂霍次克海8.2級(jí)地震前潮汐因子變化Fig.2 Variation of tidal factors before the M 8.2 earthquake in the sea of Okhotsk

圖3 智利北部沿岸近海8.1級(jí)地震前潮汐因子變化Fig.3 Variation of tidal factors before the M 8.1 earthquake in the coastal waters of northern Chile

圖4 墨西哥沿岸近海8.2級(jí)地震前潮汐因子變化Fig.4 Variation of tidal factors before M 8.2 earthquake in coastal waters of Mexico

筆者整理了2008年以來(lái)全球8級(jí)以上地震、國(guó)內(nèi)南北地震帶6級(jí)以上地震和山西地區(qū)4級(jí)以上地震，如第3頁(yè)表2所示，通過(guò)計(jì)算山西地區(qū)4套鉆孔體應(yīng)變儀的潮汐因子發(fā)現(xiàn)，上述4次國(guó)外地震前后也伴有國(guó)內(nèi)6級(jí)以上地震發(fā)生。如2009年9月30日薩摩亞群島地區(qū)發(fā)生8.0級(jí)地震前，我國(guó)汶川縣發(fā)生了8.0級(jí)地震。那么，大同臺(tái)和臨汾臺(tái)潮汐因子的異常變化到底對(duì)應(yīng)哪次地震呢？筆者認(rèn)為，以目前的研究水平來(lái)看，還無(wú)法區(qū)分是近震還是遠(yuǎn)震引起的，現(xiàn)在可以明確的是在大地震前，鉆孔體應(yīng)變的潮汐因子確實(shí)存在較大的異常變化，這對(duì)研究和預(yù)測(cè)地震有一定的意義。

表2 2008年以來(lái)國(guó)內(nèi)外主要地震目錄Table 2 Main earthquake catalogue at home and abroad since 2008

3.3 小波分解

為進(jìn)一步分析強(qiáng)遠(yuǎn)震前體應(yīng)變臨震異常特征，對(duì)13次強(qiáng)遠(yuǎn)震前的數(shù)據(jù)進(jìn)行5階小波處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，部分地震在震前有相對(duì)微弱的高頻信號(hào)出現(xiàn)，以薩摩亞群島地區(qū)8級(jí)地震前10 d的小波分析結(jié)果為例。如圖5所示，階數(shù)越高信號(hào)越微弱，振幅主要在±30×10-9之間，持續(xù)時(shí)間較短。

圖5 薩摩亞群島地區(qū)8級(jí)地震5階小波分析結(jié)果Fig.5 5th order wavelet analysis results of M 8 earthquake in Samoa area

4 結(jié)論及討論

利用太原臺(tái)、代縣臺(tái)、大同臺(tái)和臨汾臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)資料，采用多種數(shù)學(xué)方法對(duì)2008年以來(lái)體應(yīng)變觀測(cè)資料進(jìn)行處理，系統(tǒng)分析強(qiáng)震前異常信息和特征，初步形成以下結(jié)論：

(1) 4個(gè)臺(tái)站有11次強(qiáng)震記錄到了同震響應(yīng)，僅有2016年11月14日新西蘭8.0級(jí)地震和2015年10月21日瓦努阿圖群島8.2級(jí)地震無(wú)同震響應(yīng)。汶川地震引起4個(gè)臺(tái)站的同震響應(yīng)特征以突跳為主，其他地震引起的則以波動(dòng)壓縮為主。

(2) 對(duì)體應(yīng)變的潮汐因子分析，發(fā)現(xiàn)震前潮汐因子變化較大，主要變化特征為突升突降，說(shuō)明在孕震過(guò)程中地殼活動(dòng)有一個(gè)相對(duì)活躍的狀態(tài)。但目前還無(wú)法區(qū)分是強(qiáng)遠(yuǎn)震還是近震引起，可以參考水位、水溫同震響應(yīng)研究成果，針對(duì)某一鉆孔應(yīng)變臺(tái)站，結(jié)合地質(zhì)、水位、構(gòu)造、溫度等背景材料，從機(jī)理上做進(jìn)一步的分析研究。

(3) 小波變換可給出不同層數(shù)下信號(hào)分解的近似和細(xì)節(jié)部分，可以進(jìn)一步了解數(shù)據(jù)在不同頻段內(nèi)的變化。通過(guò)利用小波分析法對(duì)強(qiáng)遠(yuǎn)震前10 d日值數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn)，某些類型的地震在震前存在一些微弱的高頻信號(hào)，但容易被信號(hào)中的其他優(yōu)勢(shì)成分所掩蓋。