新源地震臺(tái)前兆數(shù)據(jù)跟蹤分析典型事件淺析①

沙木哈爾·葉爾肯， 趙鵬畢， 雷嘯宇

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局新源地震臺(tái)，新疆 新源 835800)

前兆數(shù)據(jù)跟蹤分析工作開(kāi)展以來(lái)，各區(qū)域前兆臺(tái)網(wǎng)開(kāi)展了如何改善跟蹤分析質(zhì)量及推進(jìn)產(chǎn)出應(yīng)用、臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)背景等方面的研究[1-3]，部分前兆觀測(cè)臺(tái)站也就自身存在的問(wèn)題提出解決方案[4]，前兆數(shù)據(jù)異常排查與判斷方法也進(jìn)一步拓展和深入[5-8]。新源地震臺(tái)始建于20世紀(jì)70年代，前兆觀測(cè)以形變學(xué)科為主，2015年5月對(duì)原有的前兆觀測(cè)儀器進(jìn)行升級(jí)改造，在新源GNSS陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站內(nèi)安裝鉆孔傾斜儀和分量式鉆孔應(yīng)變儀[9]。新源地震臺(tái)自2017年1月起開(kāi)展前兆數(shù)據(jù)跟蹤分析工作，分析得出大量的前兆數(shù)據(jù)分析結(jié)論。本文中從分析結(jié)論中選取最為典型、體現(xiàn)新源地震臺(tái)形變觀測(cè)數(shù)據(jù)特征的事件進(jìn)行討論，對(duì)其表現(xiàn)形式及規(guī)律做出歸納總結(jié)，目的是使前兆數(shù)據(jù)產(chǎn)品更好地服務(wù)地震預(yù)報(bào)工作。

數(shù)據(jù)跟蹤分析這項(xiàng)工作的根本目的是，在大量的前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)中找出明顯變化的數(shù)據(jù)，落實(shí)變化原因，并按照規(guī)范要求進(jìn)行分析記錄[10-12]。從體現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)行情況與資料變化情況的角度，篩選出具有代表性的事件進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)跟蹤分析將前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)變化類型分為正常動(dòng)態(tài)、觀測(cè)系統(tǒng)、自然環(huán)境、場(chǎng)地環(huán)境、人為干擾、地球物理事件和不明原因7大類。正常動(dòng)態(tài)分析為數(shù)據(jù)分析提供了背景參考，后6類非正常動(dòng)態(tài)中前5類都是對(duì)數(shù)據(jù)變化原因進(jìn)行干擾排查，不明原因類數(shù)據(jù)變化則很有可能是地震前兆異常。因此，對(duì)于數(shù)據(jù)跟蹤分析事件的特征做分類總結(jié)，可以為提取地震異常提供較好的干擾因素排查參考[13]。

1 觀測(cè)系統(tǒng)事件

觀測(cè)系統(tǒng)類事件是表示主機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)信號(hào)接收器、通訊網(wǎng)絡(luò)、避雷系統(tǒng)、供電裝置等故障或者更換配件等造成的數(shù)據(jù)變化。新源地震臺(tái)CBT型鉆孔傾斜儀2018年11月14日04:00儀器北南分向出現(xiàn)故障，經(jīng)工作人員現(xiàn)場(chǎng)檢查、地殼應(yīng)力研究所研發(fā)儀器專家遠(yuǎn)程登錄儀器檢查確定懸掛傾斜擺的彈簧片跳格(圖1)。15日03:50再次出現(xiàn)彈簧片跳格情況，故障期間數(shù)據(jù)產(chǎn)生大量的臺(tái)階畸變，東西分向沒(méi)有受到影響,2019年3月30日再次出現(xiàn)北南分向懸掛擺彈簧片跳格現(xiàn)象。雖然預(yù)處理時(shí)刪除了不可用錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并去除了臺(tái)階，保證了數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的連貫性，但是對(duì)于數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性和可信性產(chǎn)生了一定影響。新源地震臺(tái)RZB型分量式鉆孔應(yīng)變儀2019年2月18日09:40臺(tái)站人員巡檢時(shí)數(shù)采受靜電干擾造成死機(jī)，10:20重啟儀器，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常(圖2)。死機(jī)期間數(shù)據(jù)產(chǎn)生大的臺(tái)階和不可用數(shù)據(jù)，預(yù)處理時(shí)做刪除壞數(shù)處理，此現(xiàn)象在每次巡檢時(shí)都會(huì)出現(xiàn)，臺(tái)站人員巡檢完第一時(shí)間回到臺(tái)上重啟儀器，保證儀器運(yùn)行恢復(fù)正常。

圖1 新源臺(tái)鉆孔傾斜NS分向分鐘值圖(a) 預(yù)處理數(shù)據(jù) (b) 原始數(shù)據(jù)Fig.1 Minute value of tilt NS component data in Xinyuan seismic station圖2 新源臺(tái)應(yīng)變儀分鐘值圖(a) 預(yù)處理數(shù)據(jù) (b) 原始數(shù)據(jù)Fig.2 Minute value of strain data in Xinyuan seismic station

2 自然環(huán)境事件

自然環(huán)境類事件指與自然環(huán)境相關(guān)的，風(fēng)、雨、雷、電、氣壓、濕度、溫度等變化引起的觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化趨勢(shì)轉(zhuǎn)向、臺(tái)階畸變等變化。新源縣每年3～4月是多雨季節(jié)，新源形變觀測(cè)站2套儀器均會(huì)受到降雨影響，應(yīng)變儀受氣壓變化的影響比較多。新源地震臺(tái)CBT型鉆孔傾斜儀2017年4月13～24日受降雨影響NS分向出現(xiàn)固體潮畸變，EW分向趨勢(shì)轉(zhuǎn)折和固體潮畸變，由于2017年本臺(tái)鉆孔傾斜儀沒(méi)有輔助觀測(cè)數(shù)據(jù)，參考?xì)庀缶痔峁┑慕涤陻?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示新源縣境內(nèi)4月12～19日持續(xù)降雨，降雨量達(dá)到52.21 mm，圖3可以看出降雨對(duì)EW分向影響更為顯著。新源地震臺(tái)RZB型分量式鉆孔應(yīng)變儀2019年2月16～22日受氣壓變化影響NS分向和EW分向出現(xiàn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折和固體潮畸變。應(yīng)變儀數(shù)據(jù)對(duì)于氣壓變化比較敏感，傾斜儀數(shù)據(jù)很少受到氣壓變化影響(圖4)。

圖3 新源臺(tái)鉆孔傾斜預(yù)處理分鐘值圖(a) NS分向 (b) EW分向Fig.3 Minute value of tilt pre-processing data in Xinyuan seismic station

圖4 新源臺(tái)應(yīng)變儀預(yù)處理分鐘值圖(a) NS分向 (b) EW分向 (c) 氣壓Fig.4 Minute value of strain pre-processing data in Xinyuan seismic station

3 場(chǎng)地環(huán)境事件

場(chǎng)地環(huán)境類事件指觀測(cè)點(diǎn)附近工程建設(shè)、采礦作業(yè)、抽地下水、田地灌溉、高壓電線輸電等引起的數(shù)據(jù)干擾變化。新源臺(tái)形變觀測(cè)點(diǎn)附近縣林業(yè)局規(guī)劃建設(shè)山頂景觀花園，按照林業(yè)局提供的規(guī)劃資料需要建設(shè)儲(chǔ)水池、輸水管道、安裝抽水泵、植樹(shù)、建亭子等輔助設(shè)施，因此儀器受此工程影響較大。新源地震臺(tái)CBT型鉆孔傾斜儀2017年12月16日10:10～26日12:43受觀測(cè)點(diǎn)附近修建儲(chǔ)水池和輸水管道影響，NS分向出現(xiàn)臺(tái)階畸變和轉(zhuǎn)向北傾干擾，EW分向受影響小(圖5)。儲(chǔ)水池位于觀測(cè)點(diǎn)以北1 km山頂上，面積300 m2，抽水管道經(jīng)過(guò)觀測(cè)點(diǎn)以東10 m處，此儲(chǔ)水池用于灌溉樹(shù)木，施工時(shí)間持續(xù)10 d，施工時(shí)間短，并且一次性完工，由于儲(chǔ)水池面積小，水經(jīng)過(guò)管道運(yùn)輸，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)影響有限。工作人員已與林業(yè)局相關(guān)部門(mén)協(xié)商，每次抽水會(huì)得到通知，以便掌握儲(chǔ)水池儲(chǔ)水澆水作業(yè)對(duì)資料的影響情況。新源地震臺(tái)RZB型分量應(yīng)變儀2017年12月27日09:02受觀測(cè)點(diǎn)以東10 m處挖坑安裝水管道影響，4個(gè)分向同時(shí)出現(xiàn)臺(tái)階畸變和拉張壓縮干擾，28日04:00開(kāi)始恢復(fù)正常(圖6)。

圖5 新源鉆孔傾斜預(yù)處理分鐘值圖(a) NS分向 (b) EW分向Fig.5 Minute value of tilt pre-processing data in Xinyuan seismic station

圖6 新源應(yīng)變儀預(yù)處理分鐘值圖(a) NS分向 (b) EW分向 (c) NE分向 (d) NW分向Fig.6 Minute value of strain pre-processing data in Xinyuan seismic station

4 人為干擾事件

人為干擾類事件是指儀器檢查、維修、安裝、更換設(shè)備、進(jìn)觀測(cè)山洞等由于人為活動(dòng)引起觀測(cè)儀器或觀測(cè)裝置發(fā)生變化，觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)干擾。鉆孔類儀器大部分在井底下100 m處，很少會(huì)受人為干擾，但是新源臺(tái)鉆孔傾斜儀比較特殊，觀測(cè)點(diǎn)附近只要有人為活動(dòng)均會(huì)受到干擾，是儀器的典型干擾特征。新源地震臺(tái)CBT型鉆孔傾斜儀受臺(tái)站人員巡檢干擾，造成兩分向畸變，每次巡檢臺(tái)站，檢查儀器都會(huì)造成干擾。以2018年8月2日為例(圖7)，為減少干擾，臺(tái)站工作人員盡量減少巡檢次數(shù)和巡檢作業(yè)時(shí)間。

5 地球物理事件

前兆各學(xué)科地球物理事件包括“地脈動(dòng)、地球自由震蕩、核爆、火山噴發(fā)、爆炸、滑坡、震前擾動(dòng)、同震變化、震后效應(yīng)”等因素[14]。形變儀器地球物理事件都以同震變化形式出現(xiàn)，一般情況下，同震變化是表示地震波向外傳播時(shí)發(fā)生的形變儀器“共振”現(xiàn)象[15]。形變數(shù)字化儀器記錄到的地震波形雖然不能像地震波那樣完全表現(xiàn)出地震震源的相關(guān)信息，但是地震波傳播的過(guò)程和特征也能部分體現(xiàn)出來(lái)，觀測(cè)到的震動(dòng)振幅、震動(dòng)持續(xù)時(shí)間與地震大小之間存在一定的關(guān)系[16]。新源地震臺(tái)CBT型鉆孔傾斜儀2017年9月8日兩分向13:15～16:27曲線記錄到墨西哥沿岸近海MS8.2地震(發(fā)震時(shí)刻12:48:15、15.05°N、93.90°W、震源深度20 km、震中距13 524 km)，在曲線形態(tài)上表現(xiàn)為高頻震蕩及突跳，NS向最大突跳量348.075 ms、EW向最大突跳量198.507 ms，地震波干擾持續(xù)了192 min(圖8)。

6 不明原因事件

經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析發(fā)現(xiàn)，該組變化不能歸類到以上5種變化類型中，并且不能確定產(chǎn)生變化的原因，因此認(rèn)定為不明原因事件。確定不明原因事件后需要繼續(xù)跟蹤數(shù)據(jù)變化，一直到找出變化原因?yàn)橹?，如果確定為地震前兆異常，那么需要做異常跟蹤分析并論證。

圖7 新源臺(tái)鉆孔傾斜原始數(shù)據(jù)圖(a) NS分向 (b) EW分向Fig.7 Tilt original data in Xinyuan seismic station圖8 新源臺(tái)鉆孔傾斜儀原始秒數(shù)據(jù)圖(a) NS分向 (b) EW分向Fig.8 Tilt original data in Xinyuan seismic station

新源地震臺(tái)RZB型分量式應(yīng)變儀自2017年8月1日后， NS、EW兩個(gè)分量出現(xiàn)階梯式的異常變化，主要表現(xiàn)為NS向由拉張轉(zhuǎn)為壓縮，EW向由壓縮轉(zhuǎn)為拉張，2種狀態(tài)同步交替出現(xiàn)，其中NS分向出現(xiàn)的變化幅度小于EW分向，變化延續(xù)時(shí)間一般為8～18 d。異常結(jié)束1～2個(gè)月再次出現(xiàn)類似異常變化。截至2019年2月異常仍然持續(xù)，共出現(xiàn)10組異常。10組異常的形態(tài)較為一致，異常幅度和持續(xù)時(shí)間相似。多次到觀測(cè)場(chǎng)地對(duì)應(yīng)變儀器數(shù)據(jù)采集器、傳感器、通訊系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和觀測(cè)井等進(jìn)行檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯不正常情況，說(shuō)明儀器工作狀況正常。異常變化期間，沒(méi)有發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間停電、降水，冬季異常時(shí)沒(méi)有灌溉山頂上的樹(shù)木，因此排除周?chē)h(huán)境影響。綜合分析認(rèn)為，新源鉆孔應(yīng)變儀8月1日開(kāi)始出現(xiàn)的變化屬實(shí)，并且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯干擾源，因此做為異常跟蹤(圖9)。

圖9 新源臺(tái)應(yīng)變儀預(yù)處理日均值圖(a) NS分向 (b) EW分向Fig.9 Daily mean value of strain pre-processing data in Xinyuan seismic station

7 結(jié) 語(yǔ)

本文中分類歸納新源地震臺(tái)形變觀測(cè)前兆數(shù)據(jù)跟蹤分析的典型事件，并初步探索其出現(xiàn)形式及變化規(guī)律，觀測(cè)系統(tǒng)事件傾斜儀主要為懸掛傾斜擺彈簧片跳格，應(yīng)變?yōu)槭莒o電干擾死機(jī)。自然干擾事件受降水和氣壓變化影響。場(chǎng)地環(huán)境事件受建造儲(chǔ)水池施工干擾。人為干擾事件為傾斜儀受臺(tái)站巡檢人為活動(dòng)干擾。地球物理事件基本上是天然地震事件。不明原因事件為應(yīng)變儀出現(xiàn)階梯狀變化。這些事件的出現(xiàn)形式具有明顯特征，為進(jìn)一步深入剖析數(shù)據(jù)異常提供基礎(chǔ)性的資料。通過(guò)不斷的積累經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)驗(yàn)證，新源地震臺(tái)的跟蹤分析工作在總結(jié)規(guī)律的基礎(chǔ)上向前推進(jìn)，隨著前兆臺(tái)站觀測(cè)手段的進(jìn)一步建設(shè)和完善，數(shù)據(jù)跟蹤分析的發(fā)展和成熟，這項(xiàng)工作一定能夠在地震分析預(yù)報(bào)中發(fā)揮重要作用。