定量與定性分析在2017 年精河MS6.6地震中的應用

張占陽，孫啟凱，何亞東，張俊青，劉 坤

（中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180）

0 引言

針對2017 年新疆精河發(fā)生的MS6.6 地震，前人做了大量研究工作，為震前異常識別與震后斷層性質(zhì)判定以及構(gòu)造應力場特征分析提供了重要的參考依據(jù)。如張治廣等[1]從熱紅外角度利用相對功率譜方法基于風云衛(wèi)星熱紅外亮溫數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)精河MS6.6 地震前存在明顯的前兆異常，震前28 d 在北天山地震帶的中東部地區(qū)出現(xiàn)相對功率譜的高值聚集現(xiàn)象，震前13 d 異常面積與幅度達到最大，隨后在轉(zhuǎn)折恢復過程中發(fā)震；艾力夏提·玉山等[2]從重力角度利用小波分解方法基于新疆地區(qū)2015—2017 年4 期流動重力數(shù)據(jù)分析認為震前2 個月震中以南60 km 處出現(xiàn)重力變化高梯度帶與零值線，且零值線兩側(cè)重力累積變化量達70 μGal，很可能為精河地震的前兆異常；趙彬彬等[3]從鉆孔應變角度利用形態(tài)分析法對天山中段9 項鉆孔應變數(shù)據(jù)進行分析，認為其中5 項存在明顯短期異常與臨震異常，異常特征主要表現(xiàn)為壓縮-拉張變化、壓縮速率變快、高頻抖動信息、規(guī)律性脈沖以及周期性臺階變化等；鐘駿等[4]從地下流體角度對精河MS6.6 地震震中400 km 范圍內(nèi)的51 個地下流體測項數(shù)據(jù)進行分析并確認了7 個測項為前兆異常，震前異常持續(xù)時間以1—8 個月為主，且具有階段性特點，異?？臻g分布也不均勻，部分異常形態(tài)特征具有明顯的重現(xiàn)性；宋秀青[5]采用PTD 方法與新疆“2015 地殼速度模型”基于新疆測震臺網(wǎng)的震相數(shù)據(jù)分析計算后得出本次地震主震震源深度約14 km；蔣祥華等[6]利用地震精定位研究余震空間分布發(fā)現(xiàn)此次地震的余震主要分布于主震西側(cè)，呈現(xiàn)由東至西的單側(cè)破裂特征，進而基于G-R 關(guān)系的b 值與衰減系數(shù)h 值證明了該次地震為主-余型地震；郭志等[7]采用矩張量反演方法基于W-Phase 震相資料與全球地震事件波形資料研究認為，精河MS6.6 地震為以逆沖型為主的地震破裂事件；劉兆才等[8]應用MSATSI軟件基于GCMT 目錄收集的253 個震源機制解反演了該地震及其鄰區(qū)的應力場，結(jié)果顯示西北區(qū)域應力場的最大主壓應力軸的方位由西至東呈現(xiàn)NNW-NS-NNE 的漸變過程，東南區(qū)域應力場的最大主壓應力軸的方位穩(wěn)定在NNE 向，傾角都較小，最大主張應力軸都大體呈EW 向，且傾角相對較大；翟亮等[9]通過CAP 與GPAT 兩種波形反演方法分析計算了精河MS6.6 地震主震及部分余震的震源機制解，并結(jié)合震源區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造推測近EW 走向的庫松木契克山前斷裂為本次地震的發(fā)震構(gòu)造。

從垂直形變角度來看，目前新疆地區(qū)跨斷層場地（含流動場地與定點臺站）共計14 處（圖1），距精河MS6.6 地震震中300 km 以內(nèi)的場地8 處，300 km以外場地6 處。張希等[10]通過斷層形變趨勢累積率方法分析新疆地區(qū)跨斷層場地2012—2017 年6 月的資料發(fā)現(xiàn)，距此次地震較近的古爾圖、巴音溝、伊寧3 處近場場地震前均出現(xiàn)了一定程度的高逆斷趨勢累積背景異常，又基于跨斷層灰色關(guān)聯(lián)度指標分析認為距震中越近，“逆斷加速”的異常幅度也越大。然而，震例回溯分析發(fā)現(xiàn)，作為新疆地區(qū)唯一的跨斷層定點臺站，同時也是距精河MS6.6地震震中約369 km 的遠場場地，烏魯木齊臺站的跨斷層短水準測段數(shù)據(jù)震前也出現(xiàn)了較為顯著的短臨異常。本文從數(shù)理統(tǒng)計角度利用離差統(tǒng)計分析方法、通過變差系數(shù)與滑動時間窗來定量分析測段數(shù)據(jù)在2017 年新疆精河MS6.6 強震前后的異常變化特征，進而結(jié)合測段數(shù)據(jù)原始曲線對該典型震例進行定性概括，并根據(jù)各自特點探索結(jié)合兩種方法分析數(shù)據(jù)異常的可行性。

圖1 新疆地區(qū)跨斷層場地分布圖

1 數(shù)據(jù)選取與處理方法

1.1 數(shù)據(jù)選取

使用烏魯木齊臺站W(wǎng)-N（k）測段數(shù)據(jù)作為基礎分析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)觀測方式為每日觀測，數(shù)據(jù)來源于中國地震局第一監(jiān)測中心全國大地形變測量技術(shù)管理部。臺站位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)，地處博格達弧形斷裂西端的雅瑪里克斷裂F2 分支斷裂上（圖2）。該斷裂附近1965 年11 月發(fā)生MS6.6 地震，此后又有多次中小地震發(fā)生[11-12]，臺站目前用以監(jiān)測斷層垂直形變的短水準測段有3 個：E-N（k）、E-W、W-N（k），測段數(shù)據(jù)自1986 年啟用后一直應用于該斷裂鄰近區(qū)域斷層垂直形變趨勢連續(xù)跟蹤與近場地震監(jiān)測，并取得了一定成效。經(jīng)驗分析表明，相對于E-N（k）與E-W 測段數(shù)據(jù)，W-N（k）測段數(shù)據(jù)的測量精度略高，對歷史地震的反映更為敏感，且2017年8 月9 日新疆精河MS6.6 地震前后該測段數(shù)據(jù)也出現(xiàn)了明顯的震前異常與震后恢復，從震例回溯分析角度來看基本符合遠場場地的震例特征。所以，本研究重點選取W-N（k）測段2017 年以來的原始觀測數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)包括測段往測高差、返測高差與往返測高差中數(shù)，所有數(shù)據(jù)均應符合臺站水準測量規(guī)定的相關(guān)精度技術(shù)指標[13-15]。

圖2 烏魯木齊地震臺場地分布圖

1.2 處理方法

測量數(shù)據(jù)離差統(tǒng)計分析方法的基本思路為：通過計算滑動時間窗范圍內(nèi)測量數(shù)據(jù)變差系數(shù)的變化趨勢來定量分析離差分布曲線與正態(tài)分布曲線的偏離程度，從而研判數(shù)據(jù)是否存在震前異常[16-17]。經(jīng)過前期對比研究發(fā)現(xiàn)，3 個月尺度的滑動時間窗對于短臨異常分析效果較好，基于其計算的臺站測段變差系數(shù)與離差分布曲線能更清晰地反映數(shù)據(jù)震前與震后的時空變化特征[18]。同時，為保證數(shù)據(jù)可靠性與穩(wěn)定性，首先需要對原始觀測數(shù)據(jù)進行預處理，利用公式（1）剔除掉測段中往返測高差不符值超限的數(shù)據(jù)。對于符合要求的數(shù)據(jù)，再通過離差統(tǒng)計分析方法生成并利用公式（2）計算出所有測段數(shù)據(jù)（往測高差、返測高差、往返測高差中數(shù)）在相應時間窗內(nèi)的離差分布曲線與變差系數(shù)。變差系數(shù)又稱變異系數(shù)，是用相對數(shù)的形式來刻畫數(shù)據(jù)離散程度的重要指標，可以衡量數(shù)據(jù)在時間與空間上的相對變化程度[19-21]。最后，在時間窗滑動的過程中根據(jù)變差系數(shù)的變化趨勢來定量分析離差分布曲線與正態(tài)分布曲線的偏離程度，并結(jié)合測段數(shù)據(jù)原始曲線研判數(shù)據(jù)是否存在震前短臨異常。

式（1）中：Δ限是測段往返測高差不符值限差；N 為測段的測站數(shù)。式（2）中：Cv是變差系數(shù)；S 是標準差；為 數(shù)據(jù)集的平均值；為離差；n 為數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)的個數(shù)（本文中指所選時間窗內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)個數(shù)）。從理論角度分析，在數(shù)據(jù)集均值恒定的情況下：標準差S 越小，則變差系數(shù)Cv 越小，說明數(shù)據(jù)的離散程度也越低，其形成的離差分布曲線形態(tài)也越接近正態(tài)分布；反之，標準差S 越大，則變差系數(shù)Cv 也越大，說明數(shù)據(jù)的離散程度也越高，其形成的離差分布曲線形態(tài)也越偏離正態(tài)分布。而實際情況下，由于本文使用滑動時間窗對測段數(shù)據(jù)進行分析，所以會導致數(shù)據(jù)集均值有細微變化，不過相對于標準差S 來說，值的大小為S 的幾百倍甚至千倍以上，所以值的細微變化并不會對變差系數(shù)Cv 造成大的影響。

2 結(jié)果分析

以新疆精河MS6.6 地震為例，利用離差統(tǒng)計分析方法對烏魯木齊臺站W(wǎng)-N（k）測段數(shù)據(jù)的變差系數(shù)與離差分布曲線震前特征與震后變化進行定量分析，并結(jié)合原始曲線定性分析臺站所處斷裂地震前后的活動狀況，研究了二者聯(lián)合分析的可行性。

2.1 離差統(tǒng)計定量分析

圖3a～3j 為通過3 個月滑動時間窗分析計算生成的烏魯木齊臺站W(wǎng)-N（k）測段數(shù)據(jù)在地震前后的離差分布曲線與變差系數(shù)，圖中橫軸為根據(jù)測段各數(shù)據(jù)劃分的離差區(qū)間（deviations sections），縱軸為落在離差區(qū)間內(nèi)測段各數(shù)據(jù)（往測高差、返測高差與往返測高差中數(shù)）的離差頻率（deviations frequencies），并分別以go-k/n、co-k/n 與me-k/n 表示。此外，go-Cv、co-Cv與me-Cv分別表示往測高差、返測高差與往返測高差中數(shù)在對應時間窗范圍內(nèi)的變差系數(shù)。通過分析效果圖可以看出：當時間窗從圖3a（20170201—20170501）滑動到圖3b（20170301—20170601）時，WN（k）測段數(shù)據(jù)的3 個變差系數(shù)變化不明顯，基本屬于正常的背景值，其對應的離差分布曲線也都基本符合正態(tài)分布；當時間窗滑動到圖3c（20170401—20170701）時（震前1 個月8 天），該測段數(shù)據(jù)的3 個變差系數(shù)出現(xiàn)了急劇增大，其離差分布曲線也明顯偏離了正態(tài)分布；當時間窗滑動到圖3d（20170501—20170801）時（震前8 d），該測段數(shù)據(jù)的3 個變差系數(shù)仍然維持高值狀態(tài)，其離差分布曲線在偏離正態(tài)分布的同時也變得更加紊亂，并于2017 年8 月9 日發(fā)生了新疆精河MS6.6 地震，震中位于臺站西偏北約369 km 處（圖1）；當時間窗滑動到圖3e（20170601—20170901）～3h（20170901—20171201）時，該測段數(shù)據(jù)的3 個變差系數(shù)呈現(xiàn)出增大—減小的趨勢，其離差分布曲線也表現(xiàn)出恢復到正態(tài)分布的跡象；當時間窗滑動到圖3i（20171001—20180101）～3j（20171101—20180201）時（震后5 個月余），該測段數(shù)據(jù)的3 個變差系數(shù)逐步恢復到正常的背景值范圍，其對應的離差分布曲線也恢復為正態(tài)分布。

當然，為更清晰表達圖3 中變差系數(shù)數(shù)值隨時間窗滑動的變化趨勢，可通過時序圖予以展示（圖4）。圖4 中橫軸為日期，縱軸為測段各數(shù)據(jù)在相應時間窗內(nèi)的變差系數(shù)數(shù)值。通過圖4 可以看出W-N（k）測段數(shù)據(jù)的3 個變差系數(shù)在新疆精河MS6.6 地震前1 個月左右均出現(xiàn)了明顯增大，震后5 個月左右又逐漸恢復到正常范圍。從異常時間進程來看，WN（k）測段數(shù)據(jù)異常在精河MS6.6 地震前3 個月內(nèi)出現(xiàn)，震后6 個月內(nèi)緩和或消失，應屬于短臨異常時間范圍，加之臺站距此次地震震中約369 km，故該測段數(shù)據(jù)對于精河MS6.6 地震所反映的異常變化特征應屬于典型的遠場場地震例特征。

圖3 烏魯木齊地震臺W-N（k）測段2017 年精河MS6.6 地震前后不同時間窗內(nèi)離差分布曲線

圖4 烏魯木齊地震臺W-N(k)測段變差系數(shù)時序圖

2.2 原始曲線定性分析

烏魯木齊臺站W(wǎng)-N（k）測段橫跨雅瑪里克斷裂南側(cè)的F2 分支斷裂，該斷裂走向為NE60°，傾向SE，傾角60°～70°，W 點位于斷裂上盤（南盤），N 點位于斷裂下盤（北盤）（圖2）。從數(shù)據(jù)趨勢層面來看：圖5 中W-N（k）測段數(shù)據(jù)原始曲線顯示其2017 年6 月后出現(xiàn)加速下降，至6 月20 日到達階段性低點-1 587.05 mm，之后加速拉升，在拉升過程中于8 月9 日發(fā)生新疆精河MS6.6 地震，至11 月17 日達到階段性高點-1 585.51 mm，最大拉升幅度達1.54 mm，之后轉(zhuǎn)為波動下降趨勢。數(shù)據(jù)趨勢反映到斷層活動層面來看：雅瑪里克斷裂南側(cè)F2 分支斷裂的兩盤2017 年6 月后出現(xiàn)快速擠壓，6 月20 日后轉(zhuǎn)為快速拉張，在拉張過程中發(fā)生新疆精河MS6.6 地震，11 月17 日后又轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓趨勢。所以，綜合兩個層面看，斷層活動性質(zhì)出現(xiàn)較明顯的快速轉(zhuǎn)變時可能會造成斷層面破裂，從而引發(fā)地震。而新疆精河MS6.6 地震位于近EW 走向的庫松木契克山前斷裂，較大的震級致使地震能量由西至東傳遞到博格達弧形斷裂西端的雅瑪里克斷裂上，導致遠場場地烏魯木齊臺站W(wǎng)-N（k）測段數(shù)據(jù)大幅變化。前文提及，新疆地區(qū)跨斷層流動場地中，除古爾圖、巴音溝、伊寧等幾處近場場地在精河MS6.6地震前出現(xiàn)一定程度的異常，其他場地震前異常變化并不是很明顯，可能與這些流動場地觀測周期較長（2 次/a）且距此次地震震中較遠，無法精準捕捉、連續(xù)跟蹤斷層活動有一定關(guān)系，后續(xù)還需要繼續(xù)研究。

圖5 烏魯木齊地震臺W-N（k）測段原始曲線

對比兩種分析方法，不難看出：離差統(tǒng)計分析能基于變差系數(shù)數(shù)值變化定量地反映出測段數(shù)據(jù)離差分布曲線的變化趨勢，變差系數(shù)數(shù)值的成倍或多倍增大往往說明離差分布曲線正在明顯的偏離正態(tài)分布，而經(jīng)核實在無明顯干擾因素存在的情況下，測段數(shù)據(jù)的離差偏離正態(tài)分布往往預示著測段所跨斷裂可能存在垂直形變異常，這也是導致地震發(fā)生的直接原因；原始曲線分析則基于測段數(shù)據(jù)曲線的變化趨勢直觀、定性地反映斷層活動規(guī)律，對于斷層面上下盤長-短趨勢變化分析具有明顯的優(yōu)勢。綜合來看，同樣是從垂直形變角度出發(fā)，離差統(tǒng)計定量分析比原始曲線定性的描述測段數(shù)據(jù)變化更為科學、精確，但后者對于斷層活動趨勢較前者又更為準確。所以，同一數(shù)據(jù)下兩種分析方法共用可取長補短，使定量分析與定性分析相結(jié)合，準確研判數(shù)據(jù)異常，為震前異常分析與識別提供參考。

3 結(jié)論與討論

本文以新疆精河MS6.6 地震的遠場場地烏魯木齊臺站為例，基于臺站W(wǎng)-N（k）測段數(shù)據(jù)，利用離差統(tǒng)計分析方法通過變差系數(shù)數(shù)值的定量變化回溯分析其離差分布曲線地震前后的變化趨勢與形態(tài)特征，并結(jié)合原始曲線對臺站所跨斷層地震前后的活動趨勢進行了概括，并對比研究了兩種分析方法的特點。

1）目前分析概括的震例有限，初步認為離差統(tǒng)計分析中3 個月尺度滑動時間窗范圍內(nèi)進行短臨異常定量分析是可行的。

2）在排除其他干擾因素的條件下，測段數(shù)據(jù)的變差系數(shù)增大，其對應的離差分布曲線往往偏離正態(tài)分布，地震危險性增強；反之亦然。

3）同一測段數(shù)據(jù)分析時，可結(jié)合離差統(tǒng)計分析與原始曲線分析兩種方法，從定量與定性兩個角度，以互為印證的方式分析數(shù)據(jù)異常。

4）后續(xù)還需開展對同一臺站多個震例、不同臺站同一震例以及其他分析方法的對比研究工作，探索該方法的實用效能。

致謝特別感謝中國地震局第一監(jiān)測中心楊國華研究員與薄萬舉研究員在前期工作中給予的細心指導與建議，感謝評審專家對本文提出的寶貴建議。