基于形變速率累加法研究北天山地區(qū)形變異常與孕震關(guān)系①

趙 磊， 丁 宇， 楊 磊， 李 瑞， 孫小旭， 李桂榮， 方 偉，艾力夏提·玉山， 劉代芹

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

地震是地殼運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，而GPS測(cè)量、跨斷層水準(zhǔn)等形變觀測(cè)是獲得地殼運(yùn)動(dòng)變化信息的直接途徑。作為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)手段，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者均對(duì)斷層活動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了大量的研究。郭良遷等根據(jù)斷層形變得到華北地區(qū)異常參數(shù)和應(yīng)變累積率，提出系統(tǒng)的斷層形變異常識(shí)別參數(shù)模型[1]。薄萬(wàn)舉等分析環(huán)渤海及北京地區(qū)布設(shè)的跨斷層形變觀測(cè)的數(shù)據(jù)資料，得出斷層形變與地震之間存在相關(guān)信息的結(jié)論[2]。車兆宏等分析華北地區(qū)跨斷層形變資料，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈地震發(fā)生前，認(rèn)為大范圍斷層活動(dòng)方式的轉(zhuǎn)折，可能是地震活動(dòng)分期的重要標(biāo)志之一[3]。方偉等分析北天山地區(qū)跨斷層水準(zhǔn)資料，認(rèn)為現(xiàn)今北天山山前地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)以繼承性運(yùn)動(dòng)為主，震前形變異常與發(fā)震具有一定的相關(guān)性[4]。利用斷層形變資料提取地震前兆信息有最小二乘配置、斜率差法、斷層形變異常強(qiáng)度、灰色關(guān)聯(lián)度以及地殼形變和應(yīng)力相關(guān)性等多種方法[5-7]，研究成果表明，異常識(shí)別指標(biāo)對(duì)地震預(yù)報(bào)有著積極的指導(dǎo)作用。本研究在前人的研究基礎(chǔ)上，運(yùn)用“形變速率累加”數(shù)學(xué)模型，對(duì)收集到的北天山形變觀測(cè)資料進(jìn)行解算，對(duì)異常數(shù)據(jù)積分，有效剔除突跳、非連續(xù)的速率異常變化，使得在某時(shí)間段內(nèi)較為頻繁的速率異常變化更為直觀和突出，異常幅度顯著，易于異常的識(shí)別和提取。結(jié)合MS≥6.0地震距離震中300 km范圍內(nèi)的垂直形變資料，分析形變速率累加異常與地震的關(guān)系，捕捉該地區(qū)地震異常信息，可為地震預(yù)報(bào)工作提供可靠依據(jù)。

1 資料選取與研究方法

1.1 資料選取

目前，北天山山前地區(qū)活動(dòng)斷層上共布設(shè)12個(gè)跨斷層水準(zhǔn)場(chǎng)地，觀測(cè)場(chǎng)地升級(jí)改造后，每年觀測(cè)2期，觀測(cè)精度每千米高差中數(shù)偶然中誤差0.23～0.25 mm，觀測(cè)精度優(yōu)于跨斷層測(cè)量規(guī)范要求，即MΔ=±0.50 mm，符合跨斷層水準(zhǔn)測(cè)量精度要求[8]，同時(shí)點(diǎn)位周圍環(huán)境等干擾因素較少，資料可信度較高。場(chǎng)地附近還布設(shè)有若干中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站(圖1)，通過計(jì)算每日的重復(fù)精度。除了粗差以外，最大的RMS值為東西向6.8 mm、南北向4.7 mm、垂直向8.4 mm，最小的RMS值為東西向0.8 mm、南北向0.4 mm、垂直向1.3 mm。剔除粗差，經(jīng)計(jì)算，平均重復(fù)精度東西向2.4 mm、南北向1.3 mm、垂直向4.0 mm。精度較高，均在毫米級(jí)，精度優(yōu)于平均值的NEU分別為55.9%、51.1%和55.1%。東西向精度優(yōu)勢(shì)區(qū)間0.8～4.8 mm，南北向的優(yōu)勢(shì)區(qū)間0.4～2.7 mm，垂直向略差，其優(yōu)勢(shì)區(qū)間1.5～7.2 mm，將三分量精度分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并繪制成圖(圖2)[9]。主要選取自2012年場(chǎng)地優(yōu)化改造以來(lái)12條跨斷層水準(zhǔn)場(chǎng)地觀測(cè)數(shù)據(jù)高差時(shí)間序列和GNSS基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)處理得到的NEU三分量日均值時(shí)間序列。

圖1 北天山地區(qū)斷層與跨斷層形變觀測(cè)場(chǎng)地、GNSS基準(zhǔn)站以及MS≥6.0地震分布圖 Fig.1 Observation site of fault and cross-fault deformation, GNSS reference station and

1.2 計(jì)算模型

數(shù)列的任意相鄰兩項(xiàng)，第n項(xiàng)an和第n-1項(xiàng)an-1的差組成的是一個(gè)特殊數(shù)列，那么這個(gè)數(shù)列的前n項(xiàng)和，可以采用累加法求數(shù)列通項(xiàng)公式。例如，斷層形變觀測(cè)的時(shí)間序列就可以做為一個(gè)特殊數(shù)列，應(yīng)用上述數(shù)學(xué)理論方法對(duì)其進(jìn)行理論模擬[10]。

圖2 “陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”基準(zhǔn)站位移三分量數(shù)據(jù)重復(fù)精度(RMS)統(tǒng)計(jì)圖(a) EW向 (b) NS向 (c) UD向Fig. 2 Statistical graph of three-component displacement data of reference stations in the “Land State Network”

形變速率累加法對(duì)原始數(shù)據(jù)做一階差分處理，以兩倍標(biāo)準(zhǔn)差作為判斷依據(jù)，得到各測(cè)線的形變速率累加值，結(jié)合研究區(qū)域以往MS≥6.0震例，進(jìn)行異常分析判斷，可以更加直觀和明顯的展現(xiàn)出連續(xù)異常點(diǎn)積分后的形變速率累加變化，

V=|hi-hi-1| (1≤i≤n).

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，h為原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的各期觀測(cè)值；(hi-hi-1)為相隔1個(gè)周期的一階差分值，可以消除原始觀測(cè)資料的趨勢(shì)變化；n為原始觀測(cè)總期數(shù)；σ為形變速率V的標(biāo)準(zhǔn)差；把V≥2σ的形變速率保留，將V<2σ的形變速率設(shè)為0，對(duì)T求累加計(jì)算，Z為累加形變速率。

以兩倍標(biāo)準(zhǔn)差作為判斷依據(jù)，若V在兩倍標(biāo)準(zhǔn)差以內(nèi)，表示斷層活動(dòng)無(wú)顯著變化；如果曲線發(fā)生一次階躍式或直線上升，表示形變速率超出控制限，階躍幅度為階躍前后形變速率累加值之差。而當(dāng)曲線的階躍在某段時(shí)間內(nèi)頻繁發(fā)生時(shí)，標(biāo)志著在此時(shí)間段內(nèi)斷層形變速率多次超出控制限，使得曲線在總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說明斷層活動(dòng)在此時(shí)段內(nèi)“連續(xù)”的發(fā)生顯著變化，在異常核實(shí)無(wú)干擾的情況下，可視為地震的綜合異常表現(xiàn)[11-13]。

2 計(jì)算結(jié)果與地震分析

通過上述方法，得到北天山地區(qū)跨斷層水準(zhǔn)觀測(cè)資料和GNSS基準(zhǔn)站NEU三分量時(shí)間序列的形變速率累加值。結(jié)合震例，重點(diǎn)分析尼勒克—鞏留MS6.0地震、新源—和靜MS6.6地震、呼圖壁MS6.2地震和精河MS6.6地震的形變異常對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1 跨斷層水準(zhǔn)時(shí)間序列

北天山地區(qū)布設(shè)的跨斷層水準(zhǔn)測(cè)線，屬于近斷裂區(qū)觀測(cè)，反映場(chǎng)地所在小區(qū)域斷層活動(dòng)或大區(qū)域應(yīng)力加載導(dǎo)致的形變。呼圖壁MS6.2與精河MS6.6地震發(fā)震構(gòu)造分別是齊古背斜以南深部隱伏斷層和庫(kù)松木契克山前斷裂，地震以逆斷為主[14]，震中200 km范圍內(nèi)分布有若干水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地(表1)。

表1 跨斷層水準(zhǔn)場(chǎng)地相關(guān)信息表

呼圖壁MS6.2地震異常主要分布在霍爾果斯斷裂的東段，在這條斷層上布設(shè)有大豐、紅山嘴、卡子灣3個(gè)場(chǎng)地4條測(cè)線(圖3)。

大豐2-1測(cè)線2016年9月累計(jì)變化量達(dá)到-7.35 mm 最高值(圖3a～d)，可以看出兩條測(cè)線具有同步性，累計(jì)時(shí)間4年，自2012年觀測(cè)以來(lái)該場(chǎng)地兩條測(cè)線高差曲線均呈現(xiàn)明顯的長(zhǎng)趨勢(shì)下降變化，累計(jì)變化量連續(xù)增高，擠壓作用明顯，逆斷性質(zhì)顯著，符合這一地區(qū)的地形地貌，與該地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征相吻合，這種形變過程反映了地殼內(nèi)應(yīng)變能的逐漸積累。2012年9月至2016年4月高差變化量變化平穩(wěn)基本保持在1.5 mm左右，沒有明顯的加速變化趨勢(shì)。2016年4月至2019年9月出現(xiàn)明顯的加速變化情況，變化量達(dá)2.63 mm，斷層活動(dòng)性較強(qiáng)，是震前4年間出現(xiàn)的最大變幅，大豐2-3變化幅度達(dá)-4.32 mm，與大豐2-1變化相似。同時(shí)，位于大豐測(cè)線場(chǎng)地上的呼圖壁定點(diǎn)跨斷層水準(zhǔn)測(cè)線出現(xiàn)了長(zhǎng)期閉鎖的異常情況。通過該區(qū)域的石河子至烏魯木齊GPS基線變化情況可以看出，震前基線年變轉(zhuǎn)向有所滯后，幅度減小(圖4)。從2016年11月7日～2016年12月12日對(duì)大豐測(cè)線進(jìn)行1周/次的加密觀測(cè)，加密觀測(cè)過程中2016年12月8日在距該測(cè)線35 km發(fā)生呼圖壁MS6.2地震。兩條測(cè)線對(duì)于同一地震都表現(xiàn)出非常相似的異常變化形式[15]，在轉(zhuǎn)折的過程中發(fā)生地震。但是，大豐2-1的原始曲線表現(xiàn)相對(duì)平緩，異常信息不明顯，而運(yùn)用形變速率累加法計(jì)算后，震前呈現(xiàn)出很好的異常累加效果，出現(xiàn)階躍異常變化，階躍前后異常幅度分別為0.905 mm和8.535 mm，說明此段時(shí)間內(nèi)斷層活動(dòng)相對(duì)活躍，速率超出了兩倍標(biāo)準(zhǔn)差控制限，異常曲線呈上升趨勢(shì)。圖3(e～f)為紅山嘴測(cè)線，曲線上下跳動(dòng)幅度較大，斷層活動(dòng)強(qiáng)度較高。測(cè)線距離呼圖壁MS6.2地震震中44 km，地震發(fā)生前的2期觀測(cè)分別在2016年4月和9月完成，出現(xiàn)量級(jí)較大的反向運(yùn)動(dòng)，變化量達(dá)到2.49 mm，形變速率累加結(jié)果顯示異常明顯。圖3(g～h)是卡子灣測(cè)線，該測(cè)線的觀測(cè)結(jié)果雖然沒有上述2條測(cè)線變化顯著，但是在同樣的時(shí)段出現(xiàn)加速變化過程，該測(cè)線持續(xù)保持非繼承性運(yùn)動(dòng)，差異性活動(dòng)明顯，這種長(zhǎng)趨勢(shì)變化值得關(guān)注。圖3(i～j)是獨(dú)山子測(cè)線，震前測(cè)線出現(xiàn)加速下降的變化趨勢(shì)，在下降過程中發(fā)震，通過形變速率累加分析后，曲線大幅上升，異常顯示明顯。4條測(cè)線在地震發(fā)生前都出現(xiàn)加速變化的異常情況，形變速率累加的結(jié)果與原始曲線異常變化對(duì)應(yīng)一致，尤其距離震中較近的大豐測(cè)線和紅山嘴測(cè)線階躍變化較明顯。

圖3 呼圖壁MS6.2地震各測(cè)線高差時(shí)序和形變速率累積對(duì)比圖(a) 大豐2-1時(shí)間序列 (b) 大豐2-1形變速率累加 (c) 大豐2-3時(shí)間序列 (d) 大豐2-3形變速率累加(e) 紅山嘴3-2時(shí)間序列 (f) 紅山嘴3-2形變速率累加 (g) 卡子灣3-1時(shí)間序列(h) 卡子灣3-1形變速率累加 (i) 獨(dú)山子3-1時(shí)間序列 (j) 獨(dú)山子3-1形變率累加Fig.3 Cumulative comparison diagram of elevation difference timing sequence and deformation rate of each seismic survey line in Hutubi MS6.2 earthquake

圖4 石河子至烏魯木齊GPS基線時(shí)間序列圖Fig.4 GPS baseline time series from Shihezi to Urumqi

精河MS6.6地震異常主要分布在準(zhǔn)噶爾南緣斷裂，表現(xiàn)為震前轉(zhuǎn)折異常。在這條斷層上布設(shè)寧家河、古爾圖兩條測(cè)線。巴音溝、獨(dú)山子場(chǎng)地雖不在該斷層上，但距離震中相對(duì)較近，地震發(fā)生前也出現(xiàn)了同步的異常變化。

圖5(a～b)是寧家河測(cè)線，距離精河MS6.6地震震中220 km。自2012年觀測(cè)以來(lái)該場(chǎng)地測(cè)線高差曲線均呈現(xiàn)明顯的長(zhǎng)趨勢(shì)下降變化，累計(jì)變化量連續(xù)降低，曲線形態(tài)表現(xiàn)為長(zhǎng)趨勢(shì)階梯狀緩慢下降，擠壓作用明顯，逆斷性質(zhì)顯著的特征[16]。精河MS6.6地震前，2017年3月的觀測(cè)結(jié)果顯示，趨勢(shì)線大幅度上升，變化量達(dá)到7.73 mm。2017年6月的觀測(cè)結(jié)果顯示，趨勢(shì)線又大幅下降，變化量達(dá)到7.86 mm，此次較大幅度的變化是由于春夏交季冰雪融水較多造成點(diǎn)位干擾，且地震發(fā)生時(shí)間與之接近，地震前兆異常與干擾相重合，用形變速率累積法無(wú)法準(zhǔn)確判斷。

圖5(c～j)分別為獨(dú)山子、巴音溝、古爾圖、伊寧縣北4條測(cè)線，分別在距離精河MS6.6地震震中60 ～160 km范圍內(nèi)。巴音溝測(cè)線變化曲線也呈逐漸下降趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)，該測(cè)線持續(xù)保持非繼承性運(yùn)動(dòng)，差異性活動(dòng)明顯，這種長(zhǎng)趨勢(shì)變化值得關(guān)注。獨(dú)山子3-1測(cè)線變化曲線也呈逐漸下降趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)，但在精河MS6.6地震發(fā)生前，出現(xiàn)幅度較大的加速下降變化，形變速率累加后，連續(xù)異常點(diǎn)階躍明顯，地震發(fā)生前該測(cè)線保持非繼承性運(yùn)動(dòng)，顯示出明顯的擠壓變化，震后轉(zhuǎn)折調(diào)整明顯。古爾圖測(cè)線變化曲線呈上下波動(dòng)變化狀態(tài)，2012～2015年呈現(xiàn)小幅下降變化，2015年9月至2016年9月垂直向變化的趨勢(shì)發(fā)生轉(zhuǎn)折，并在精河MS6.6地震前發(fā)生大幅下降變化，趨勢(shì)再次轉(zhuǎn)折，且幅度為歷次觀測(cè)量值的最大值。地震發(fā)生后，該測(cè)線再次呈現(xiàn)出上升的垂直向變化趨勢(shì)，測(cè)線附近分別在2017年9月16日發(fā)生庫(kù)車MS5.7地震和2018年10月16日精河MS5.4地震，地震發(fā)生后恢復(fù)為2012～2015年的正常狀態(tài)，持續(xù)南北向擠壓的繼承性運(yùn)動(dòng)。地震前，這4條測(cè)線都同時(shí)出現(xiàn)一定幅度的變化，通過形變速率累加，連續(xù)異常點(diǎn)大幅上升和階躍變化效果明顯，映震效果較好，具有地震前兆異常指示意義。

圖5 精河MS6.6地震各測(cè)線高差時(shí)序和形變速率累積對(duì)比圖(a) 寧家河3-1時(shí)間序列 (b) 寧家河3-1形變速率累加 (c) 獨(dú)山子3-1時(shí)間序列 (d) 獨(dú)山子3-1形變速率累加(e) 巴音溝3-1時(shí)間序列 (f) 巴音溝3-1形變速率累加 (g) 古爾圖4-1時(shí)間序列 (h) 古爾圖4-1形變速率累加(i) 伊寧縣北3-1時(shí)間序列 (j) 伊寧縣北3-1形變率累加Fig.5 Cumulative comparison of elevation difference timing sequence and deformation rate

形變速率累加指標(biāo)對(duì)呼圖壁MS6.2和精河MS6. 6地震都有前兆異常。從2012年場(chǎng)地改造以來(lái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，北天山地區(qū)是以逆斷擠壓為主的構(gòu)造活動(dòng)特性[17]。地震前異常變化特征主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1) 在空間上主要集中在霍爾果斯斷裂上和準(zhǔn)噶爾南緣斷裂、測(cè)線變化量明顯增大，表明局部應(yīng)力增強(qiáng)。(2) 在時(shí)間上明顯的異常變化均出現(xiàn)在震前150 d左右，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的中長(zhǎng)期地震異常背景下，出現(xiàn)量級(jí)較大的形變變化[14]。

2.2 GNSS位移時(shí)間序列

距離地震震中300 km范圍內(nèi)有13座中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)GNSS基準(zhǔn)站(XJSH、URU2、XJKL、XJWL、XJDS、XJXY、XJZS、XJWQ、XJBY、XJYN、XJTC、XJKE、XJKC)，均為連續(xù)觀測(cè)站，觀測(cè)數(shù)據(jù)采用武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心開發(fā)的精密定軌定位軟件(PANDA)進(jìn)行處理，采用ITRF14參考框架下的NEU結(jié)果，分別是NS、EW和UD 3個(gè)方向的日均值時(shí)間序列，目前已經(jīng)累計(jì)有8年的數(shù)據(jù)。

在日常的地震預(yù)報(bào)分析工作中只是通過判別3個(gè)方向的時(shí)間序列出現(xiàn)的突跳、階變、年度畸變、加減速、超預(yù)值、年變轉(zhuǎn)向提前或滯后等原始圖像變化判斷異常，這些異常變化大多都是短期發(fā)生，而目前積累的龐大數(shù)據(jù)量導(dǎo)致出現(xiàn)的異常變化僅通過原始圖像直接判斷難度加大，不易識(shí)別。通過引入形變速率累加法，對(duì)NEU 3個(gè)方向的分量進(jìn)行計(jì)算處理，結(jié)合該地區(qū)MS≥6.0震例，形變速率累加結(jié)果對(duì)于震前異常識(shí)別更加快捷、直觀(圖6)。

3 映震特征分析

從所列歷史地震可知，表2中異常持續(xù)時(shí)間從61～242 d不等，平均持續(xù)時(shí)間為108 d；從異常出現(xiàn)到地震發(fā)生最短時(shí)間為7 d，最長(zhǎng)220 d，平均為146 d，基本在1～7個(gè)月內(nèi)，可作為地震中、短期預(yù)報(bào)指標(biāo)。從震例的空間特征上看，MS≥6.0地震的平均震中距約 99 km，映震范圍在200 km以內(nèi)。表3中統(tǒng)計(jì)北天山地區(qū)距離震中300 km范圍內(nèi)的13座GNSS基準(zhǔn)站自有觀測(cè)記錄以來(lái)的異常對(duì)應(yīng)特征信息(圖4)，得出NEU 3個(gè)分量的發(fā)震最優(yōu)異常持續(xù)時(shí)間為95 d 左右，最優(yōu)異常幅度分別為(N)13.0 mm、(E)23.3 mm、(U)55.3 mm符合北天山地區(qū)GNSS基準(zhǔn)站東西向變化比南北向變化大的整體運(yùn)動(dòng)特征，發(fā)震的最優(yōu)時(shí)間在117 d左右，與跨斷層水準(zhǔn)得出的時(shí)間較為接近，從震例的時(shí)空映震特征上看，該方法對(duì)北天山跨斷層水準(zhǔn)和GNSS基準(zhǔn)站NEU 3分量數(shù)據(jù)的連續(xù)異常點(diǎn)積分區(qū)域與震例的對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。

圖6 13座GNSS基準(zhǔn)站NEU三分量形變速率累積圖(a) EW向 (b) NS向 (c) UD向Fig. 6 Three-component deformation rate accumulation diagram of NEU at 13 GNSS reference stations

表2 跨斷層水準(zhǔn)異常特征信息表

表3 GNSS基準(zhǔn)站綜合異常特征信息表

4 結(jié) 語(yǔ)

使用形變速率累加法使得異常過程直觀，有明顯的拐點(diǎn)和階躍上升變化，曲線斜率加大，更容易顯示出異常的起止時(shí)間和變化幅度。從映震的時(shí)空分布看，異常開始至地震發(fā)生的平均時(shí)間為125 d，MS≥6.0地震的震中距平均在250 km范圍內(nèi)，形變速率累加法適用于北天山地區(qū)的形變觀測(cè)的異常識(shí)別計(jì)算，可作為地震中短期預(yù)測(cè)指標(biāo)。該方法用于處理新疆區(qū)域GNSS數(shù)據(jù)，通過震例分析，對(duì)應(yīng)效果較好，可真實(shí)反映出北天山地區(qū)GNSS基準(zhǔn)站東西向變化比南北向變化大的整體運(yùn)動(dòng)特征，此方法基本適用于GNSS數(shù)據(jù)的異常識(shí)別。儀器的運(yùn)行情況和外界干擾因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大，在異常識(shí)別判斷時(shí)需要仔細(xì)排除這些“異?！?，使得結(jié)果可信度更高。利用歷史資料記錄以來(lái)僅有的4個(gè)MS≥6.0震例進(jìn)行分析討論，雖然整體上震例對(duì)應(yīng)情況較好，但是也存在不足之處，需要通過更多資料和震例來(lái)檢驗(yàn)，才能夠更好地服務(wù)于地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作。