北武當觀測站形變資料綜合分析*

王曉霞，高翠珍，史雙雙，宮靜芝，薛錦明，薛生瑞

（1.太原地震監(jiān)測中心站，山西 太原 030021；2.山西省地震局，山西 太原 030021）

地震波前存在不規(guī)則變化已被大量地震實例所證實，地震前數(shù)據(jù)變化探尋已成為地震短臨預(yù)測的關(guān)鍵手段[1]。地球物理觀測形變數(shù)據(jù)產(chǎn)出有一套嚴格的管理制度、標準及規(guī)范，從而保證了觀測資料的完整性和精確性，北武當觀測站形變儀器自2010年安裝運行以來，運行狀況良好，尤其是水平擺和水管儀在2013—2018年度全國質(zhì)量評比中取得優(yōu)異的成績，數(shù)據(jù)觀測精度較高。因此，本文將探討北武當觀測站形變資料與地震之間的映震關(guān)系，試圖找出某種數(shù)據(jù)變化形態(tài)可能會發(fā)生地震，為日常會商及在異常跟蹤中提供幫助。

1 臺站概括及資料基本情況

北武當觀測站2011年正式投入使用，在運行水平擺、水管儀、伸縮儀，全部為數(shù)字化觀測，在運行的各儀器運轉(zhuǎn)情況良好，觀測站選在了國家級名勝風(fēng)景區(qū)，觀測環(huán)境較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)干擾較少。觀測站海拔高程1 475 m，洞深31 m，洞體覆蓋厚度43 m，山洞溫度年變化為0.5℃，日變化＜0.03℃。儀器洞室位于關(guān)帝山強烈隆起區(qū)，該區(qū)新構(gòu)造運動以來以持續(xù)抬升為主，斷塊內(nèi)差異運動極弱，屬穩(wěn)定的新構(gòu)造單元。距離洞室最近的斷裂為劉家岔斷裂，位于洞室NE向1.6 km處，斷裂為前第四紀斷裂，屬非活動斷裂[2]。洞室周邊500 m范圍內(nèi)無活動斷裂，且節(jié)理裂隙也不發(fā)育。

2 研究方法

本課題項目全面系統(tǒng)地收集、整理2012年1月1日—2019年12月31日的地形變產(chǎn)出數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)中的雷電、系統(tǒng)故障、人為干擾等造成錯誤數(shù)據(jù)的畸變圖像進行預(yù)處理。同時采用EIS2000地震前兆信息系統(tǒng)軟件中的潮汐變化分析、加卸載響應(yīng)比2種數(shù)據(jù)處理方法進行分析[3-4]，并與歷史地震相結(jié)合，對臺站形變資料數(shù)據(jù)進行作圖處理。

2.1 潮汐因子變化分析

潮汐因子變化分析是指計算采用觀測整時值序列，通常以48 h為滑動步長，30 d為窗長，采用月長度調(diào)和分析，解算各主要潮波的潮汐因子、相位滯后等參數(shù)，根據(jù)潮汐因子、相位滯后等參數(shù)變化與地震前兆的關(guān)系，提取地震前兆信息。在此給出2012年1月1日—2018年12月31日水平擺（M2波）整點值數(shù)據(jù)潮汐因子變化分析曲線，見第51頁圖1。

圖1 水平擺（M2波）整點值數(shù)據(jù)潮汐因子

2.2 加卸載響應(yīng)比分析

加卸載響應(yīng)比分析是將孕震區(qū)作為一個非線性系統(tǒng)，設(shè)法對該孕震系統(tǒng)輸入某種信號，然后重點觀測該系統(tǒng)在臨近失穩(wěn)時對輸入信號的各種響應(yīng)。在此利用MAPSIS軟件計算并給出2012年1月1日—2019年12月31日水管儀整點值數(shù)據(jù)加卸載響應(yīng)比振幅因子分析曲線，見第51頁圖2。

圖2 水管儀整點值數(shù)據(jù)加卸載響應(yīng)比振幅因子分析曲線圖

從圖2可以看出，通過2種方法處理得到的分析曲線在不同程度上都表現(xiàn)出或多或少的毛刺突跳變化。曲線異常變化特征主要歸納為以下兩個。

一是上升、下降、突跳、振幅變大。如，2014年水管儀東西（EW）向振幅因子2月開始持續(xù)上升出現(xiàn)（見圖3），2014-05-30 09:20:12在云南省德宏傣族景頗族自治州盈江縣發(fā)生6.1級地震。

圖3 2014年水管儀東西向振幅因子趨勢異常曲線圖

二是趨勢性異常。如，2013年伸縮儀北東（NE）向M2波潮汐因子從2013年5月底開始一直加速上升變化出現(xiàn)（見圖4），2013-07-22 07:45:55在甘肅省定西市岷縣、漳縣交界發(fā)生6.6級地震。

圖4 2013年伸縮儀北東向M2波潮汐因子趨勢異常曲線圖

3 震例分析

本文對近十年來水管儀、水平擺、伸縮儀所記錄到的數(shù)據(jù)在同震響應(yīng)前的異常變化進行分析，旨在研究地震前北武當觀測站形變觀測數(shù)據(jù)的異常變化及各形變儀器的映震能力。實際觀測表明，地傾斜觀測能清晰地記錄到較大地震的波動響應(yīng)，特別是對于強震[5]。對近十年記錄到的地震統(tǒng)計，總共記錄到國內(nèi)5級以上地震21次，5級以下地方震記錄不明顯，同時發(fā)現(xiàn)水平擺和水管儀記錄地震效果好，有較高的靈敏度；伸縮儀相對較差。在此，選取具有代表性的地方震和強震，分析比較水平擺、水管儀和伸縮儀的記錄有關(guān)特征，典型地震基本參數(shù)見第52頁表1。

表1 典型地震基本參數(shù)

同震響應(yīng)特征分析。實際觀測表明，地傾斜觀測能清晰地記錄到較大地震的波動響應(yīng)，特別是對 于強遠震，典型遠震同震響應(yīng)特征參數(shù)統(tǒng)計見表2。

表2 典型遠震同震響應(yīng)特征參數(shù)統(tǒng)計

為了更直觀比較，本文選取遠、近各一次震例，來分析比較水平擺、水管儀與伸縮儀的記錄有關(guān)特征，原始的地震時序圖曲線特征見圖5、圖6。

圖5 2013年4月20日四川雅安蘆山7.0級地震時序圖曲線特征

圖6 2016年3月12日山西運城市鹽湖區(qū)4.4級地震時序圖曲線特征

從圖5分析得出，對于震中距比較遠的地震（Ms＞6.0的國內(nèi)地震），北武當觀測站各形變儀器時序圖曲線中能夠觀測到地震引起的同震響應(yīng)，水平擺、水管儀觀測效果較清晰，比伸縮儀更加明顯；從圖6看出，對于Ms＜5.0的地方震，各形變儀器時序圖曲線中難以觀測到地震波動，從時序圖曲線中尋找地震前兆異常也非常困難?？梢?，在時序圖曲線中難以捕捉到地震前兆異常信息特征的存在，需要通過其他方法來判斷。

4 模糊數(shù)學(xué)方法檢驗

模糊關(guān)系矩陣R作為一個從因素集U到評語集V的映射關(guān)系，每輸入一組因素的權(quán)重向量A，就可以得到一組相應(yīng)的評判結(jié)果B，采用最短距離法對異常變化指標權(quán)值注進行數(shù)學(xué)建模，其具體步驟如下。需要注意的是，異常變化指標權(quán)值為命中的概率，命中的概率=命中地震的次數(shù)/總共出現(xiàn)異常的次數(shù)，概率越高越準確。

1）設(shè)水平擺、水管儀、伸縮儀分別為變量x1、x2、x3，打結(jié)次數(shù)、轉(zhuǎn)折角度為二維變量y1、y2、y3、y4、y5、y6。異常變化指標權(quán)值見表3。

表3 異常變化指標權(quán)值

2）將所有元素自然歸為一類H，每一類平臺高度為零，根據(jù)公式

即f（yi）=0（i=1，2，3，4，5），這時D（Gp，Gq）=d（yp，yq）。將矩陣轉(zhuǎn)化為距離方陣，把平臺分為兩類。模糊綜合數(shù)學(xué)評價模型結(jié)果見圖7。

圖7 模糊綜合數(shù)學(xué)評價模型結(jié)果

模糊數(shù)學(xué)評價模型結(jié)果顯示水平擺、水管儀的權(quán)值在1.35以下，表示數(shù)據(jù)的映震水平較高；伸縮儀的權(quán)值較大，表示數(shù)據(jù)的映震水平較低。綜合潮汐因子變化分析、加卸載響應(yīng)比及同震變化分析，水平擺和水管儀數(shù)據(jù)質(zhì)量較優(yōu)。

5 結(jié)束語

通過分析形變資料時序圖曲線和運用EIS2000地震前兆信息系統(tǒng)軟件中的潮汐因子變化分析、加卸載響應(yīng)比分析2種方法，結(jié)合臺站異常有效評價范圍內(nèi)的歷史地震，本文得出以下4點認識。

一是水平擺、水管儀觀測地震效果好，伸縮儀相對較差。因此，在日常地震分析預(yù)報中，應(yīng)更加側(cè)重水平擺和水管儀的資料分析。

二是對于Ms＜4.5的地方震，各形變儀器時序圖曲線中難以觀測到地震波動；對于Ms＞6.0的大陸地震，各形變儀器時序圖曲線中能夠觀測到地震引起的波動，水平擺、水管儀記錄較清晰，比伸縮儀明顯。

三是應(yīng)用潮汐因子變化分析、加卸載響應(yīng)比分析時，如果發(fā)現(xiàn)曲線出現(xiàn)上升、下降突跳，振幅增大或呈現(xiàn)趨勢性異常，則有地震發(fā)生的可能。

四是震前異常與地震并非一一對應(yīng)關(guān)系，因此需要結(jié)合多臺陣、多學(xué)科分析，提供更準確、更可靠的數(shù)據(jù)研判。