青?，敹郙S7.4地震安西站VP寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)特征分析

閆 勛 高曙德 姜振海 馬武剛 楊 聰 李 娜 柴 源 曹 喜 馬 蘭 醴武權(quán) 桑曉鳳

1 嘉峪關(guān)地震監(jiān)測(cè)中心站，甘肅省嘉峪關(guān)市文物景區(qū)小巷31號(hào)，735100 2 中國(guó)地震局蘭州地震研究所，蘭州市東崗西路450號(hào)，730000 3 中國(guó)地震局地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071 4 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙市麓山南路932號(hào)，410083

強(qiáng)震發(fā)生時(shí)，同一臺(tái)站不同測(cè)項(xiàng)或不同臺(tái)站相同測(cè)項(xiàng)會(huì)記錄到同震波形。近年來(lái)，部分學(xué)者應(yīng)用頻譜分析、時(shí)頻分析方法對(duì)形變同震變化幅度、持續(xù)時(shí)間、數(shù)據(jù)曲線形態(tài)進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，VP寬頻帶傾斜儀比同類傾斜觀測(cè)儀器更加靈敏，同震曲線信號(hào)更加豐富[1-6]。部分學(xué)者對(duì)具有同址觀測(cè)條件的寬頻帶地震計(jì)以及VP寬頻帶傾斜儀的同震記錄進(jìn)行包括地震學(xué)震相識(shí)別在內(nèi)的融合分析[7-8]，結(jié)果表明，VP寬頻帶傾斜儀與寬頻帶地震計(jì)同震記錄具有可靠性與一致性。但以往研究主要是對(duì)儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分析，對(duì)2套儀器記錄差異成因的分析較少?；谇叭顺晒Y(jié)合2021-05-22青海省瑪多縣(98.34°E,34.59°N)MS7.4地震的同震波形，對(duì)2套儀器進(jìn)行關(guān)于此次地震的數(shù)據(jù)變化特征、地震學(xué)震相形態(tài)、頻譜特征對(duì)比分析，并結(jié)合儀器觀測(cè)參數(shù)及儀器結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討。同時(shí)結(jié)合區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的時(shí)間進(jìn)程，判斷VP寬頻帶傾斜儀在大震前能否用于地震異常信息的預(yù)測(cè)。

1 臺(tái)站基本情況

安西地震監(jiān)測(cè)站位于甘肅省酒泉市瓜州縣，測(cè)區(qū)位于阿爾金斷裂北側(cè)100 km處三危山斷裂南側(cè)的NE向擠壓破碎帶上，多期活動(dòng)以剪切變形為主，巖層受到應(yīng)力擠壓發(fā)育成多種形態(tài)的皺曲構(gòu)造，區(qū)域地震活動(dòng)較為活躍。山洞洞室頂部與側(cè)向覆蓋層厚度均大于30 m，巖性為輝巖，巖體堅(jiān)硬完整，地表以礫石及細(xì)砂為主，厚33 m，洞體附近為丘陵地貌和戈壁灘。洞內(nèi)年平均溫度為13.7 ℃，洞室溫度變化小于0.5 ℃/a。觀測(cè)環(huán)境均符合《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求。

2014-06 VP寬頻帶傾斜儀安裝完成并開始試運(yùn)行，采樣率為1 s，記錄頻段為(2～3)×107s。CTS-1地震計(jì)安裝時(shí)間較早，記錄頻段為0.02～120 s。2種儀器的觀測(cè)頻段部分重疊，VP 寬頻帶傾斜儀更側(cè)重于低頻測(cè)量，儀器的固有頻率決定了其融合分析的科學(xué)性和可行性[8]。青?，敹郙S7.4地震距離安西地震監(jiān)測(cè)站685 km(圖1)，安西臺(tái)站的測(cè)震、形變測(cè)項(xiàng)均記錄到此次地震的同震波形。

圖1 青?，敹郙S7.4地震與安西站相對(duì)位置

2 數(shù)據(jù)分析

安西地震監(jiān)測(cè)站VP寬頻帶傾斜儀在瑪多MS7.4地震(發(fā)震時(shí)刻02:04)發(fā)生后的02:05(7 549 s)記錄到同震波形，06:18(22 680 s)左右同震波形結(jié)束。該過(guò)程中NS分量數(shù)據(jù)變化幅度為101.01 ms(VP寬頻帶傾斜儀觀測(cè)的數(shù)據(jù)物理量為傾角，單位ms)，EW分量數(shù)據(jù)變化幅度為129.72 ms(圖2)。NS分量同震效應(yīng)起始于南傾階躍變化，EW分量同震效應(yīng)起始于東傾階躍變化，隨后同震效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)突跳波動(dòng)，在不斷的振蕩過(guò)程中由東南方向傾斜逐漸恢復(fù)為向西北方向傾斜。傾斜變化大體為西北-東南方向，與震中偏向臺(tái)站的方位接近。

圖2 VP寬頻帶傾斜儀秒值數(shù)據(jù)

2.1 資料處理與對(duì)比分析

選取05-22 02:00～04:00 VP寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)以及NS向、EW向測(cè)震記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析?？紤]到VP寬頻帶傾斜儀為秒采樣，為統(tǒng)一分析，對(duì)原有100 Hz采樣率的CTS-1地震計(jì)數(shù)據(jù)重采樣后進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3所示(文中所有地震波形數(shù)據(jù)速度單位均為106μm/s，加速度單位均為106μm/s2)。計(jì)算02:00～04:00 VP寬頻帶傾斜儀秒數(shù)據(jù)及地震波秒采樣數(shù)據(jù)一階差分項(xiàng)并取絕對(duì)值，分析其變化速率和加速度特征(圖4)。

圖3 VP寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)與CTS-1地震計(jì)重采樣秒數(shù)據(jù)

圖4 VP寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)與CTS-1地震計(jì)數(shù)據(jù)的一階差分曲線

由圖3、4可見，2套儀器的秒值數(shù)據(jù)均能記錄到清晰的同震曲線，VP寬頻帶傾斜儀同震曲線及CTS-1地震計(jì)地震波曲線的變化幅度均呈現(xiàn)出小-大-小的變化特征。VP寬頻帶傾斜儀的波形數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出具有一定趨勢(shì)的“紡錘狀”形態(tài)特征，同震速率曲線幅度差異較??；CST-1地震計(jì)記錄的波形數(shù)據(jù)則呈現(xiàn)“包絡(luò)狀”的形態(tài)特征，同震加速度曲線幅度差異明顯。2套儀器的變化速率、加速度達(dá)到峰值后的衰減時(shí)間存在差異，衰減速度也不相同。

2.2 震相記錄特征對(duì)比

對(duì)地震計(jì)震相到時(shí)進(jìn)行標(biāo)注后發(fā)現(xiàn)，VP寬頻帶傾斜儀記錄的Pn(02:05:46, 346 s)、Sg(02:07:30, 450 s)及面波(02:07:51, 471 s)均存在突升突降變化(圖5)。由于儀器采樣率、響應(yīng)頻帶存在差異，因此CST-1地震計(jì)的震相同步變化主要以一定周期內(nèi)的密集波動(dòng)為主(Pn在地震波NS上較為發(fā)育)；VP寬頻帶傾斜儀同震曲線震相同步變化主要以漸變臺(tái)階、突跳為主。該變化特點(diǎn)與朱冰清等[8]的研究結(jié)果一致。從同震震動(dòng)(傾斜)變化持續(xù)時(shí)間來(lái)看，CTS-1地震計(jì)數(shù)據(jù)在02:06:20(500 s)附近面波達(dá)到峰值后迅速進(jìn)入衰減狀態(tài)，而VP寬頻帶傾斜儀的傾斜變化仍然持續(xù)。對(duì)儀器結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)原理、儀器采樣率及響應(yīng)頻帶的差別進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，CTS-1地震計(jì)設(shè)計(jì)中包含阻尼模塊[9-10]，而VP寬頻帶傾斜儀無(wú)阻尼模塊[11-12]，因此VP寬頻帶傾斜儀衰減(振蕩)時(shí)間較長(zhǎng)。

圖5 VP寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)與CTS-1地震計(jì)數(shù)據(jù)的震相分析

2.3 時(shí)頻曲線特征

本文基于MATLAB的傅里葉變換和連續(xù)小波變換對(duì)瑪多7.4級(jí)地震進(jìn)行頻譜分析及時(shí)頻分析，得到本次地震的優(yōu)勢(shì)頻率和時(shí)頻變化特征。

設(shè)φ(t)為一個(gè)基本小波，φa,b(t)為連續(xù)小波函數(shù)，對(duì)于f(t)∈L2(R)，其連續(xù)小波變換可表示為：

WTf(a,b)=

(1)

式中，a≠0、b、t均為連續(xù)變量，φ*(t)為φ(t)的共軛。

圖6為小波變換得到的2套儀器記錄數(shù)據(jù)的傅里葉變換頻譜，由圖可見，VP寬頻帶傾斜儀同震曲線的頻率主要分布在0～0.1 Hz，其中VP NS分量?jī)?yōu)勢(shì)頻率主要在0.06 Hz左右(圖6(a))，EW分量?jī)?yōu)勢(shì)頻率主要在0.07 Hz左右(圖6(b))；CTS-1地震計(jì)數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)頻率主要分布在0.03～0.2 Hz，其中北南道出現(xiàn)3處優(yōu)勢(shì)頻率，分別在0.03 Hz、0.08 Hz、0.12 Hz附近(圖6(c))，東西道出現(xiàn)4處優(yōu)勢(shì)頻率，分別在0.047 Hz、0.089 Hz、0.12 Hz、0.16 Hz附近(圖6(d))。VP寬頻帶傾斜儀與CTS-1地震計(jì)頻率的EW振幅均大于NS振幅，在各自主要頻率分布范圍內(nèi)，VP寬頻帶傾斜儀頻率振幅差異較小，在0.07 Hz附近達(dá)到峰值；CTS-1地震計(jì)數(shù)據(jù)主要頻率分別在0.03 Hz、0.08 Hz、0.012 Hz、0.17 Hz處達(dá)到峰值，振幅差異明顯。

圖6 VP寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)與CTS-1地震計(jì)數(shù)據(jù)頻譜

為對(duì)比2種觀測(cè)數(shù)據(jù)頻率成分的時(shí)間特性，使用連續(xù)小波函數(shù)進(jìn)行時(shí)頻分析。VP寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)時(shí)頻譜(圖7)中同震效應(yīng)開始后出現(xiàn)0～0.2 Hz的頻率信號(hào)，低頻信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間早、振幅較小，0.2 Hz左右信號(hào)出現(xiàn)延遲，隨后信號(hào)頻率趨于集中。02:33～02:50(2 000～3 000 s)出現(xiàn)最強(qiáng)振幅頻率信號(hào)，主要集中在0.68 Hz左右，03:06(4 000 s)以后0.02～0.7 Hz的頻率信號(hào)逐漸減弱。從CTS-1地震計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)頻譜中(圖8)可以看出，地震波開始后頻率分布在0～0.5 Hz，北南道在02:07～02:10(450～550 s)出現(xiàn)0.039 Hz、0.08 Hz、0.12 Hz、0.14 Hz四組優(yōu)勢(shì)頻率，隨后優(yōu)勢(shì)頻率振幅迅速衰減，02:58(3 500 s)左右基本恢復(fù)到震前水平。東西道在02:07～02:10(450～550 s)出現(xiàn)0.051 Hz、0.088 Hz、0.12 Hz三組優(yōu)勢(shì)頻率，隨后優(yōu)勢(shì)頻率振幅迅速衰減，02:58(3 500 s)左右基本恢復(fù)到震前水平。

圖7 VP寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)時(shí)頻譜

圖8 CTS-1地震計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)頻譜

結(jié)合震相到時(shí)可知，CTS-1地震計(jì)優(yōu)勢(shì)頻率信號(hào)(紅色強(qiáng)振幅信號(hào))主要集中在地震學(xué)震相出現(xiàn)的時(shí)段附近，而VP寬頻帶傾斜儀最強(qiáng)振幅出現(xiàn)在主要震相結(jié)束后0.5～1 h內(nèi)。對(duì)比2套儀器結(jié)構(gòu)及頻帶寬度后發(fā)現(xiàn)，VP寬頻帶傾斜儀位移傳感器動(dòng)塊為金屬塊狀擺體，儀器頻帶寬度為(2～3)×107s，儀器分辨率為0.001 ms，無(wú)阻尼模塊[11-12]，反映在同震曲線頻譜圖、時(shí)頻圖上為儀器對(duì)0.2 Hz以下(周期大于5 s)的信號(hào)記錄較好，不同震相引起的同震變化振幅集中、衰減慢、變化幅度差異不明顯；CTS-1地震計(jì)位移傳感器動(dòng)塊則為葉簧及質(zhì)量塊，頻帶寬度為50 Hz～120 s，儀器靈敏度為2 000 count·s·m-1[9-10]，儀器包含阻尼模塊，反映在同震曲線頻譜圖、時(shí)頻圖上為高頻部分信號(hào)更加豐富，不同震相引起的同震曲線變化幅度差異明顯，時(shí)間-頻率分布特征與震相變化聯(lián)系更緊密。

2.4 VP寬頻帶傾斜儀震前異常信號(hào)分析

研究表明，強(qiáng)震前VP寬頻帶傾斜儀可記錄到異常信號(hào)[13-14]。安西地震監(jiān)測(cè)站VP寬頻帶傾斜儀在2020-01檢修EW分量后運(yùn)行穩(wěn)定，除標(biāo)定、調(diào)零外無(wú)其他明顯干擾。選取VP寬頻帶傾斜儀2020-02～2021-08時(shí)均值數(shù)據(jù)(圖9)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，NS分量在2021-04-17～07-31出現(xiàn)倒“V”形變化，EW分量在2021-04-17～05-21出現(xiàn)加速下降變化。在該變化過(guò)程中，2021-04-17～05-13 EW分量加速上升，隨后轉(zhuǎn)為加速下降；EW分量加速下降結(jié)束后趨勢(shì)減緩，隨后05-22發(fā)生青?，敹郙S7.4地震(圖9(a)、9(b))。對(duì)該時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析(圖9(c)、9(d))可知，VP寬頻帶傾斜儀固體潮信號(hào)明顯，NS、EW分量均具有2.17×10-5Hz(周期為12 h)的頻率信號(hào)(半日潮)，NS分量具有1.194×10-5Hz(周期為23 h)的頻率信號(hào)(日潮)，振幅變化不穩(wěn)定，EW分量振幅明顯。除固體潮這類基礎(chǔ)頻率信號(hào)外，上述分量的異常變化數(shù)據(jù)反映在時(shí)頻譜上為同時(shí)段出現(xiàn)明顯的(1.085～4.340)×10-6Hz(周期為64～128 h)低頻信號(hào)，說(shuō)明此次異常過(guò)程中VP寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)曲線具有正常的固體潮汐背景，在此基礎(chǔ)上疊加地質(zhì)構(gòu)造變化或區(qū)域應(yīng)力調(diào)整引起的長(zhǎng)周期應(yīng)力場(chǎng)變化。由于目前記錄的震例較少，后續(xù)需要更多震例進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)上述分析能有效記錄到固體潮和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化，對(duì)未來(lái)的地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)具有實(shí)際意義。

圖9 2020-02-01～2021-08-31VP寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)時(shí)頻譜

圖10 VP寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)同期對(duì)比

選取歷年儀器正常工作時(shí)段日均值數(shù)據(jù)進(jìn)行同期對(duì)比(圖10)發(fā)現(xiàn)，安西地震監(jiān)測(cè)站VP寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)具有一定的年變規(guī)律。2月至8月的NS分量呈下降(南傾)趨勢(shì)，9月至次年2月呈上升(北傾)趨勢(shì)，EW分量呈長(zhǎng)期下降(西傾)趨勢(shì)。青?，敹郙S7.4地震前打破原有2月至8月向西南方向傾斜的變化趨勢(shì)，轉(zhuǎn)為快速向西北方向傾斜，05-13恢復(fù)為加速向西南方向傾斜，在恢復(fù)過(guò)程中發(fā)生青?，敹郙S7.4地震。依據(jù)VP寬頻帶傾斜儀觀測(cè)量的傾角角度，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型反演傾斜平面并進(jìn)行空間投影，進(jìn)而研究?jī)A斜面的空間變化特征。

分析2021-04-01～08-31傾斜面相對(duì)于2021-01-01的變化情況。由圖11可見，04-17～05-13傾斜面出現(xiàn)由西南方向傾斜轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅狈较騼A斜的逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，西北-東南方位的傾角急劇增大，傾角急劇增大的方位與地震震中到臺(tái)站的方位接近，同時(shí)也與同震期間傾斜變化方位接近。地質(zhì)構(gòu)造研究表明，甘肅地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力主要來(lái)源于青藏高原板塊NE向運(yùn)動(dòng)，西段最大主壓應(yīng)力軸為NS向[15]，此次安西地震監(jiān)測(cè)站VP寬頻帶傾斜儀在震前記錄到的傾角急劇增大的方位與震中至臺(tái)站的方位一致，傾斜旋轉(zhuǎn)變化方向與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向一致。由于安西地震監(jiān)測(cè)站與瑪多MS7.4地震震中跨越了包括東昆侖斷裂、柴達(dá)木盆地?cái)嗔选柦鸨本墧嗔训仍趦?nèi)的多條斷裂帶(圖1)，因此孕震過(guò)程中跨斷層、跨地塊的應(yīng)力傳遞規(guī)律及儀器響應(yīng)特征有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖11 2021-04-01～08-29 VP寬頻帶傾斜儀反演地表傾斜變化

3 結(jié) 語(yǔ)

1)2套儀器均記錄到青?，敹郙S7.4地震的同震曲線以及測(cè)震學(xué)定義的Pn、Sg、面波等震相，表明安西地震監(jiān)測(cè)站VP寬頻帶傾斜儀及CTS-1地震計(jì)具有可靠性和一致性。

2)2套儀器同震記錄曲線的頻譜圖、時(shí)頻圖在頻率分布、時(shí)頻特征方面差異明顯，這可能與2套儀器不同的擺體結(jié)構(gòu)、頻帶寬度、儀器觀測(cè)靈敏度、阻尼模塊等有關(guān)。

3)VP寬頻帶傾斜儀記錄到震前異常，該異常傾斜變化特征與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造具有一致性。

4)通過(guò)同震曲線頻譜和震前數(shù)據(jù)曲線時(shí)頻分析發(fā)現(xiàn)，VP寬頻帶傾斜儀對(duì)中長(zhǎng)周期信號(hào)的反應(yīng)較為靈敏，能記錄到震前異常信號(hào)，可以通過(guò)在地震危險(xiǎn)區(qū)安裝VP儀器來(lái)捕捉震前地塊的預(yù)滑、微破裂或慢地震現(xiàn)象，對(duì)臨震預(yù)報(bào)具有實(shí)際意義。

2套儀器同震記錄的一致性表明，可以利用VP寬頻帶傾斜儀同震記錄構(gòu)建三維地表模型，進(jìn)行地表傾斜運(yùn)動(dòng)反演分析，為地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征與地震計(jì)地面同震運(yùn)動(dòng)反演結(jié)果的跨學(xué)科融合提供依據(jù)。在儀器架設(shè)方面，VP寬頻帶傾斜儀及寬頻帶地震計(jì)同址觀測(cè)，可進(jìn)一步排除地傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)短臨異常中由地震引起的振動(dòng)干擾。在危險(xiǎn)區(qū)同址安裝VP寬頻帶傾斜儀及寬頻帶地震計(jì)，可同時(shí)滿足地震活動(dòng)性監(jiān)測(cè)和地傾斜異常跟蹤的需求，為地震預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)提供有價(jià)值的參考。

致謝：感謝嘉峪關(guān)地震監(jiān)測(cè)中心站同事在工作中給予的幫助。