2010年河津4.8級地震前物理場異常時空演化特征

李惠玲,張淑亮,李 麗,高云峰

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

0 引言

2010年河津M4.8地震是山西地球物理臺網(wǎng)數(shù)字化改造后發(fā)生在山西境內(nèi)的一次顯著地震。震前山西及鄰區(qū)多種地球物理場觀測記錄到豐富的異常信息。河津地震發(fā)生后，一些學(xué)者對這次地震前地球物理場異常特征進(jìn)行研究并取得一些成果。張淑亮等通過對河津地震臨汾臺VP寬頻帶傾斜儀震前異常的研究，討論了野外實(shí)際觀測中的亞失穩(wěn)現(xiàn)象[1]；楊俊芳等通過對韓城臺金屬擺傾斜資料的分析，總結(jié)了汾渭地震帶山西及陜西地區(qū)1989年-2010年間的幾次顯著地震及汶川8.0級地震前的異常變化特征[2-3]；李艷、張紅秀等通過對臨汾地傾斜、地應(yīng)變震前異常特征研究，討論了河津地震等一系列中強(qiáng)地震前捕捉到的顯著短臨異常信息[4-8]。上述研究對于了解河津地震地球物理場異常特征具有重要作用，但這些研究多是基于單臺站或單測項(xiàng)進(jìn)行，對于多臺多測項(xiàng)異常的時空特征涉及較少。

該文擬在河津地震前震源及鄰近地區(qū)形變、流體、電磁學(xué)科大量觀測數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理異常起始時間、異常形態(tài)、異常幅度等，分析震前異常的時、空演化特征，并應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法分析多種地球物理場觀測數(shù)據(jù)的時頻特征。研究結(jié)果有可能為地震綜合預(yù)測與研究提供震例支撐。

1 地球物理場異常概況

根據(jù)2010年-2011年山西省年度地震趨勢研究報(bào)告以及張淑亮等人的研究成果(1)山西省地震局.山西省2010年度地震趨勢研究報(bào)告,2009.(2)山西省地震局.山西省2011年度地震趨勢研究報(bào)告,2010.[1-11]，按照中國震例編寫規(guī)范中研究范圍的要求(5級地震研究區(qū)為200 km)[12]，同時為避免遺漏敏感點(diǎn)[13]的異常，分析時將研究區(qū)擴(kuò)大至距震中250 km的范圍。河津4.8級地震前，研究區(qū)內(nèi)共有22個地球物理場觀測臺站，17類地球物理場定點(diǎn)觀測項(xiàng)目(見第2頁圖1)，包括金屬擺、水管儀、伸縮儀、水平擺、VS垂直擺、VP垂直擺、體應(yīng)變、水準(zhǔn)、地電阻率、大地電場、地磁、水位、水溫、水氡、氣氡、水汞、氣汞等60個觀測手段。震前有19個測項(xiàng)存在異常，異常表現(xiàn)特征如第2頁表1及第3頁圖2至第4頁圖10所示。

可以看出，河津地震前地球物理場異常數(shù)量與張淑亮等人對山西地區(qū)中強(qiáng)地震研究結(jié)果[14](5級以上地震異常臺項(xiàng)數(shù)一般為15～17項(xiàng)，4.5～4.9級地震異常臺項(xiàng)數(shù)一般為10項(xiàng)左右)相比，異常數(shù)量是山西地區(qū)同等級別地震的2倍左右；異常在空間上主要分布在距離震中較近的山西南部至?xí)x陜交界區(qū)，在空間上表現(xiàn)出不均勻性；在時間上以短臨異常為主，且具有明顯的階段性特征。

圖1 河津4.8級地震250 km范圍內(nèi)定點(diǎn)地球物理場觀測臺站分布圖Fig.1 Distribution map of fixed-point geophysical observation stations within 250 km of Hejin M4.8 earthquake

2 異常時空特征

由第4頁表2可知，2010年山西河津4.8級地震前異常持續(xù)時間大于6個月的中期異常3項(xiàng)，占異?？倲?shù)的15.79%；短期異常和臨震異常16項(xiàng)，占異?？倲?shù)的84.21%。異常出現(xiàn)時間最早的是夏縣水氡反年變高值異常，出現(xiàn)在震前8～9個月；其次是臨汾臺短水準(zhǔn)、臨汾VP垂直擺，分別出現(xiàn)在震前7個月和5～6個月；16項(xiàng)短臨異常，出現(xiàn)的時間較為集中，主要在震前13天～4個月和2～6天兩個時段內(nèi)。異常在時間進(jìn)程上具有階段性和準(zhǔn)同步性特征，距離發(fā)震時間愈近，異常數(shù)量越多，震前20天就出現(xiàn)了11項(xiàng)異常表現(xiàn)出叢集性特征(見第4頁圖11)。

從河津4.8級地震多項(xiàng)地球物理測項(xiàng)異?？臻g演化圖11看出，震前的19項(xiàng)異常分布在距震中40～248 km范圍內(nèi)。距離最近的異常為韓城金屬擺和侯馬水管傾斜，分別距震中40和58 km；最遠(yuǎn)為乾陵垂直擺，距震中248 km，異常分布范圍較廣。其中，距離震中100 km范圍內(nèi)的有11項(xiàng)，異常占比52%；101～200 km范圍內(nèi)異常有1項(xiàng)，異常占比4%；在201～250 km范圍內(nèi)有7項(xiàng)，異常占比41%(見表2)?？梢钥闯?，異常主要集中在0～100 km和200～250 km內(nèi)，空間上表現(xiàn)出不均勻性。其原因可能與觀測臺點(diǎn)空間分布和震中區(qū)構(gòu)造的復(fù)雜性有一定的關(guān)系。由圖1看出，河津4.8級地震在250 km范圍內(nèi)，觀測臺點(diǎn)多數(shù)分布在與盆地走向一致的NE方向，在震中的東部與西部幾乎無觀測點(diǎn)，這種空間分布格局的不均勻性是造成異?？臻g不均勻性的主要原因；其次，由于震中及附近地區(qū)構(gòu)造的復(fù)雜性，NE韓城斷裂、NEE向的峨嵋臺地北緣斷裂和孤山斷裂、NW向的西辛封斷裂和NWW向羅云山斷裂等在震中周圍密集交錯分布，在區(qū)域應(yīng)力的作用下，因斷裂的不均一性在某些部位介質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。河津4.8級地震波速比異常的分布特征也證實(shí)了這一推斷。震中以北的臨汾和安澤地震臺，在震前具有持續(xù)2～3 年的中期波速比低值異常，臨汾地震臺西南方位和隰縣地震臺正南方位的波速比時間曲線出現(xiàn)短期異常變化，震中距最近的夏縣臺在震前無明顯的波速異常[15]。

表1 河津4.8級地震前定點(diǎn)地球物理場觀測映震效能分析統(tǒng)計(jì)Table 1 Analysis and statistics of earthquake reflecting efficiency of fixed point geophysical field observation before Hejin M4.8 earthquake

圖2 河津4.8級地震夏縣臺水氡觀測曲線Fig.2 Water radon observation curve at Xiaxian station before Hejin M4.8 earthquake

圖3 河津4.8級地震前臨汾臺VP寬頻帶傾斜儀觀測曲線及局部放大圖Fig.3 VP broadband tiltmeter observation curveand partial enlarged figure at Linfen station before Hejin M4.8 earthquake

圖4 河津4.8級地震前韓城臺金屬擺NS分量日均值觀測曲線Fig.4 Daily mean observation curve of NS component of metal pendulum at Hancheng station before Hejin M4.8 earthquake

圖5 河津4.8級地震前西安臺VS垂直擺傾斜觀測曲線Fig.5 Tilt observation curve of VS vertical pendulum at Xi'an station before Hejin M4.8 earthquake

圖6 河津4.8級地震前西安臺水管傾斜觀測曲線Fig.6 Observation curve of water pipe inclination at Xi'an station before Hejin M4.8 earthquake

圖7 河津4.8級地震前西安臺洞體應(yīng)變觀測曲線Fig.7 Observation curve of body strain in Xi'an station cave before Hejin M4.8 earthquake

圖8 河津4.8級地震前夏縣臺氣汞觀測曲線Fig.8 Gas mercury observation curve at Xiaxian station before Hejin M4.8 earthquake

綜上所述，河津4.8級地震異常在時間上具有階段性、準(zhǔn)同步性和叢集性，在空間上表現(xiàn)出范圍廣和不均勻性，且異常圍繞震源區(qū)出現(xiàn)聚集或擴(kuò)散現(xiàn)象。中期階段異常從震源區(qū)向外圍地區(qū)擴(kuò)展，進(jìn)入短期階段后，異常有一個快速的擴(kuò)展過程，即從外圍地區(qū)向震源區(qū)快速收縮推進(jìn)，之后進(jìn)入以高、低頻波動為主的臨震異常階段(見圖11)。

圖9 河津4.8級地震前西安臺鉆孔水位觀測曲線Fig.9 Water level observation curve of boreholes at Xi'an station before Hejin M4.8 earthquake

圖10 河津4.8級地震前乾陵臺VS垂直擺觀測曲線Fig.10 Observation curve of VS vertical pendulum at Qianling station before Hejin M4.8 earthquake

表2 河津4.8級地震前定點(diǎn)地球物理場測項(xiàng)及異常數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of fixed-point geophysical field measurement items and anomaly number before Hejin M4.8 earthquake

圖11 河津4.8級地震前地球物理場異常時空演化及進(jìn)程圖Fig.11 The spatio-temporal evolution and process diagram of geophysical field anomalies before Hejin M4.8 earthquake

3 異常時頻特征

異常的時頻特征研究是定量識別異常的一種有效方法，前述的異常識別基本以定性判別為主，為了快速準(zhǔn)確地判別異常，采用小波多分辨率時頻分析方法[16]對震前異常進(jìn)行處理。這是由于這種信號分解的能力可將各種交織在一起的不同頻率組成的混合信號分解成不同頻帶的子信號，在研究非穩(wěn)態(tài)信號、識別異常信息方面具有優(yōu)勢[17-18]。

從河津地震前各異常測項(xiàng)小波時頻分析結(jié)果看出，震前3個多月始，有17個測項(xiàng)存在不同程度的異常(限于篇幅，小波分解僅給出異常最先出現(xiàn)的細(xì)節(jié)層)。如圖12a所示,震中距100 km范圍內(nèi)的異常主要集中在小波分解細(xì)節(jié)部分第5層(32～64 h)或第6層(64～128 h)；距震中100～200 km范圍內(nèi)的異常集中在第7層，周期為128～256 h(見第6頁圖12b)；距震中200～250 km范圍內(nèi)的異常主要集中在第6層(64～128 h)或第7層(128～256 h),如圖12c所示。

圖13中，橫軸為出現(xiàn)異常的細(xì)節(jié)層，縱軸為處理結(jié)果在此細(xì)節(jié)層上有異常的測項(xiàng)數(shù)與總異常項(xiàng)的百分比。可以看出，距震中100 km范圍內(nèi)，第4層出現(xiàn)異常的比率為0.08，第5層為0.69，第6層為0.23，第7層無異常出現(xiàn)(見圖13a)；距震中101～200 km范圍內(nèi)出現(xiàn)的異常僅1項(xiàng)(見圖13b),出現(xiàn)在第7層；距震中201～250km范圍內(nèi)異常資料處理結(jié)果，第4層和第5層無異常出現(xiàn)，第6層和第7層出現(xiàn)異常的比率分別為0.64和0.36(見圖13c)。結(jié)果表明，隨著臺站距震中的由近到遠(yuǎn)，其頻率越來越低，周期亦越來越長。各測項(xiàng)異常信息特征如第7頁表3所示。

圖12 小波分解結(jié)果Fig.12 Wavelet decomposition results

圖13 小波分解異常頻段統(tǒng)計(jì)圖Fig.13 Statistical chart of abnormal frequency band by wavelet decomposition

表3 河津4.8級地震前定點(diǎn)地球物理場觀測小波時頻分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of wavelet time-frequency analysis results of fixed-point geophysical field observations before Hejin M4.8 earthquake

4 結(jié)論

通過對山西河津4.8級地震前250 km范圍內(nèi)地球物理場測項(xiàng)異常信息分析，得出到如下認(rèn)識：

(1) 在時間上，以短臨異常為主，主要集中在震前13天～4個月及2～6天內(nèi)，異常在時間上具有階段性和準(zhǔn)同步性特征，并且距離發(fā)震時間愈近異常數(shù)量越多，表現(xiàn)出叢集性特征。

(2) 在空間上，異常分布范圍較廣(40～248 km)，主要集中在距離震中200 km范圍內(nèi)，中期異常由震中內(nèi)向外圍擴(kuò)展，短臨階段表現(xiàn)為震中與外圍交替出現(xiàn)。異常在空間的分布隨時間而變化，具有不均勻性。

(3) 震前異常測項(xiàng)時頻分析結(jié)果顯示，異常包含的周期成分較復(fù)雜，隨著臺站距離震中的遠(yuǎn)近，異常頻段表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。離震中越近的測項(xiàng)，異常高頻信息相對豐富；反之，異常低頻信息相對豐富。這一規(guī)律對未來地震震中判定具有一定的參考意義。

致謝：國家地震臺網(wǎng)中心和陜西省地震局為該研究提供了數(shù)據(jù)支持，在此深表感謝！