天山中段2次6級(jí)地震前鉆孔應(yīng)變高頻異常分析

斯 琴, 關(guān)冬曉, 王 斌, 郭春生

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局, 新疆 烏魯木齊 830011)

0 引言

四分量鉆孔應(yīng)變儀是我國(guó)研制的一種新型地球動(dòng)力學(xué)觀測(cè)儀器,具有精度高、頻帶寬、受地表影響少等優(yōu)點(diǎn)。儀器可以記錄固體潮潮汐及地震孕育過(guò)程中的地殼變形及應(yīng)變變化,在地殼應(yīng)力應(yīng)變觀測(cè)及地震中短臨跟蹤分析預(yù)報(bào)中扮演著重要角色[1]。2014年以來(lái),在天山中段和援疆項(xiàng)目資金支持下,新疆天山中段地區(qū)先后布設(shè)了10套R(shí)ZB型分量式鉆孔應(yīng)變儀,初步形成了區(qū)域應(yīng)變觀測(cè)網(wǎng),極大地豐富了天山中段地球物理觀測(cè)資料。

天山中段是新疆中強(qiáng)地震活動(dòng)的相對(duì)集中區(qū)。2016年以來(lái),新疆境內(nèi)共發(fā)生5次6級(jí)以上地震,其中2次6級(jí)地震[2016年12月8日呼圖壁MS6.2地震(43.83°N,86.35°E)和2017年8月9日精河MS6.6地震(44.27°N,82.89°E)]位于天山中段地區(qū)。該地區(qū)1年內(nèi)相繼發(fā)生2次6級(jí)地震,引起了地球物理學(xué)者的廣泛關(guān)注。對(duì)這2次地震前兆異常的分析和震后反思很多,其中趙彬彬等[2]、高麗娟等[3]對(duì)震前部分分量鉆孔應(yīng)變資料出現(xiàn)的異常進(jìn)行了歸納總結(jié)。但這些研究?jī)H限于對(duì)原始數(shù)據(jù)曲線的形態(tài)分析,采用多種分析處理方法獲取短周期異常信息的較少。

很多學(xué)者利用時(shí)頻分析方法研究了分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄到的地震異常變化。邱澤華等[4-5]分別基于姑咱臺(tái)分量鉆孔應(yīng)變和寧陜臺(tái)體應(yīng)變數(shù)據(jù),采用超限率方法分析了汶川MS8.0地震的高頻異常變化;劉琦等[6-8]利用分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)資料研究了汶川MS8.0、門(mén)源MS6.4和蘆山MS7.0地震,發(fā)現(xiàn)經(jīng)S變換處理后的鉆孔應(yīng)變資料存在顯著的高頻異常信號(hào);武善藝等[9]、龔麗文等[10]結(jié)合S變換和超限率分析方法對(duì)汶川MS8.0和魯?shù)镸S6.5地震前的所有形變資料進(jìn)行了分析研究,在震前也提取到了與地震相關(guān)的高頻異常信息。

為此,本文以天山中段地區(qū)的分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)資料為對(duì)象,采用S變換和超限率分析方法,從長(zhǎng)、短不同時(shí)間尺度分別分析其記錄到的精河MS6.6和呼圖壁MS6.2地震的高頻異常信號(hào),總結(jié)其異常變化特征,為地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供參考。

1 觀測(cè)資料質(zhì)量評(píng)價(jià)

2014年以來(lái),新疆天山中段地區(qū)先后建成10個(gè)鉆孔應(yīng)變臺(tái)站,大致沿天山山脈南、北兩麓分布(圖1)。鉆孔深度多在100 m以上,僅榆樹(shù)溝為52 m。這10臺(tái)應(yīng)變儀均為RZB-2型分量式鉆孔應(yīng)變儀。自架設(shè)以來(lái),儀器工作狀態(tài)良好,為天山中段地區(qū)積累了豐富的鉆孔應(yīng)變觀測(cè)資料。應(yīng)變觀測(cè)資料基本信息列于表1。

圖1 鉆孔應(yīng)變臺(tái)站及震中分布圖

四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)資料的質(zhì)量可以用信度指標(biāo)C95[11]來(lái)評(píng)價(jià),它可以定量說(shuō)明觀測(cè)的自洽程度。自洽情況越好,數(shù)據(jù)越可靠,其觀測(cè)信度C95越接近1;當(dāng)自洽情況較差時(shí),信度偏離1,需要通過(guò)相對(duì)實(shí)地標(biāo)定對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正。表2給出了天山中段10套四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)資料質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。

表2 四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)資料質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2可知,經(jīng)相對(duì)實(shí)地標(biāo)定矯正后,這10個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)信度都得到了明顯提高,其中鞏留臺(tái)信度甚至達(dá)到了0.965 0,但雀兒溝和新源的信度不足0.5,質(zhì)量最差。鞏留臺(tái)雖信度指標(biāo)較高,但是其元件相對(duì)標(biāo)定系數(shù)平均值僅為0.329 4,嚴(yán)重偏離1。所以結(jié)合信度、相對(duì)標(biāo)定系數(shù)和偏差,認(rèn)為資料質(zhì)量最好的是石場(chǎng)、巴侖臺(tái)、巴音溝,較好的是榆樹(shù)溝、庫(kù)米什、小泉溝和尼勒克,鞏留次之,可以用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析研究。

2 異常提取方法

2.1 方法原理

(1) S變換[12]原理:S變換作為時(shí)頻分析方法的一種,可以將一維的時(shí)間序列信號(hào)轉(zhuǎn)換成二維的時(shí)頻域信號(hào),為研究信號(hào)的時(shí)頻演化特征提供了便利[7]。它是在短時(shí)窗傅立葉變換和小波變換相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,所以很好地繼承了短時(shí)傅里葉變換和小波變換的優(yōu)點(diǎn)。

S變換的一維連續(xù)正變換表達(dá)式為:

(1)

式中:h(t)為原始信號(hào);S(τ,f)為相應(yīng)的S正變換;f為頻率;t為觀測(cè)時(shí)間;τ為時(shí)間軸上高斯窗所在的位置。

(2)

2.2 異常提取

首先選取觀測(cè)信度較好的石場(chǎng)、巴侖臺(tái)、巴音溝、榆樹(shù)溝、庫(kù)米什、小泉溝、尼勒克和鞏留這8個(gè)臺(tái)站的分量鉆孔應(yīng)變整點(diǎn)值數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)高通濾波處理后,分別從長(zhǎng)、短兩個(gè)不同時(shí)間尺度進(jìn)行分析計(jì)算。對(duì)于長(zhǎng)尺度(大于1年),同時(shí)采用S變換和超限率方法計(jì)算觀測(cè)數(shù)據(jù)在較長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)的高頻異常信息及超限情況,提取中長(zhǎng)期異常信息[13];而短尺度僅采用S變換方法,提取地震發(fā)生前后7天的短臨異常信息。然后針對(duì)這些高頻異常信息,結(jié)合相關(guān)觀測(cè)日志、核實(shí)報(bào)告等資料,排除因儀器故障、同震等干擾因素造成的高頻信息,提取與地震相關(guān)的高頻異常信息。

3 高頻異常特征分析

從長(zhǎng)短不同時(shí)間尺度對(duì)天山中段2次6級(jí)地震前的分量鉆孔應(yīng)變資料進(jìn)行超限率和S變換分析,提取到與地震相關(guān)的高頻信號(hào)6項(xiàng)。其中,精河MS6.6地震前存在3項(xiàng)長(zhǎng)尺度高頻異常;呼圖壁MS6.2地震前存在1項(xiàng)長(zhǎng)尺度高頻異常和2項(xiàng)短尺度高頻異常。

3.1 長(zhǎng)尺度高頻異常分析

(1) 小泉溝分量鉆孔應(yīng)變

小泉溝鉆孔應(yīng)變超限率和S變換分析結(jié)果顯示該臺(tái)數(shù)量超限率、強(qiáng)度超限率和S變換幅值于2017年1月均出現(xiàn)快速上升變化,2月中旬達(dá)到峰值,并持續(xù)至3月高頻信號(hào)才基本結(jié)束,僅有第4分量高頻異常持續(xù)至震后結(jié)束,異常整體變化形態(tài)比較顯著[13](圖2)。

圖2 小泉溝鉆孔應(yīng)變S變換及超限率分析結(jié)果

(2) 尼勒克分量鉆孔應(yīng)變

2017年7月13日尼勒克分量鉆孔應(yīng)變超限率和S變換幅度同步出現(xiàn)快速上升變化,16日達(dá)到峰值,18日高頻異?；窘Y(jié)束(圖3),8月9日發(fā)生精河6.6級(jí)震。8月25日,該臺(tái)高頻異常信號(hào)再次出現(xiàn)增強(qiáng),持續(xù)至9月16日庫(kù)車(chē)5.7級(jí)地震發(fā)生后才消失[13]。對(duì)比這兩次地震前尼勒克鉆孔應(yīng)變的高頻異常信息,可以發(fā)現(xiàn)兩次異常的演化過(guò)程相似,但頻度和強(qiáng)度有所不同。

圖3 尼勒克鉆孔應(yīng)變S變換及超限率分析結(jié)果

(3) 鞏留分量鉆孔應(yīng)變

鞏留分量鉆孔應(yīng)變超限率及S變換分析結(jié)果顯示,第2和第4分量于7月13日開(kāi)始出現(xiàn)高頻信號(hào)增強(qiáng)現(xiàn)象,異常僅持續(xù)5天后消失,8月9日發(fā)生精河6.6級(jí)地震[13]。此異常變化與尼勒克鉆孔應(yīng)變高頻異常出現(xiàn)的時(shí)間、形態(tài)都基本一致,這種相距不遠(yuǎn)(約38 km)的兩個(gè)臺(tái)站,幾乎同步觀測(cè)到相似的高頻異常變化,應(yīng)該不是偶然發(fā)生的,可能反映了同一區(qū)域應(yīng)力的變化。圖4顯示的由儀器故障導(dǎo)致的高頻信息與地震導(dǎo)致的高頻異常信息形態(tài)不同,儀器故障導(dǎo)致的高頻信息幅度、強(qiáng)度不隨時(shí)間變化,而且故障消失時(shí)高頻信號(hào)也瞬間消失,不存在逐漸增強(qiáng)-逐漸消失的變化過(guò)程。

圖4 鞏留鉆孔應(yīng)變S變換及超限率分析結(jié)果

(4) 巴侖臺(tái)分量鉆孔應(yīng)變

巴侖臺(tái)分量鉆孔應(yīng)變4個(gè)分量2016年12月7日14:22-14:42同步出現(xiàn)大幅壓縮變化,變化幅度和形態(tài)相當(dāng),12月8日13時(shí)15分,相距102 km的呼圖壁發(fā)生6.2級(jí)地震。超限率及S變換分析結(jié)果顯示,12月6-8日,巴侖臺(tái)高頻異常信號(hào)呈現(xiàn)“開(kāi)始出現(xiàn)-達(dá)到峰值-衰減消失”的演化過(guò)程 (其他分量變化形態(tài)類(lèi)似),異常僅持續(xù)2天左右(圖5)。

圖5 巴侖臺(tái)鉆孔應(yīng)變S變換及超限率分析結(jié)果

3.2 短尺度高頻異常分析

(1) 榆樹(shù)溝分量鉆孔應(yīng)變

榆樹(shù)溝分量鉆孔應(yīng)變第2和第4分量原始數(shù)據(jù)于2016年12月7日出現(xiàn)小幅階躍變化,第2分量比第4分量明顯;而短尺度S變換分析結(jié)果顯示,除正常的半日波、日波信號(hào)以外,12月7日出現(xiàn)了一簇高頻信號(hào),能量主要集中在60～1 440 min頻段。其中在240～1 440 min頻段,異常的頻度和強(qiáng)度都比較顯著,最大信號(hào)強(qiáng)度達(dá)25×10-10,第2分量比第4分量更明顯(圖6)。

圖6 榆樹(shù)溝鉆孔應(yīng)變S變換分析結(jié)果(2016年)

(2) 巴侖臺(tái)分量鉆孔應(yīng)變

巴侖臺(tái)分量鉆孔應(yīng)變4個(gè)分量在呼圖壁MS6.2地震前同步出現(xiàn)階變異常,采用15天作為窗長(zhǎng)進(jìn)行S變換。分析結(jié)果顯示,在正常數(shù)據(jù)時(shí)段,數(shù)據(jù)信號(hào)主要以半日波和全日波信號(hào)為主,而在12月7日出現(xiàn)一簇顯著的高頻信號(hào),信號(hào)強(qiáng)度在720～10 min,持續(xù)時(shí)間較短,臨震前消失。圖7僅給出了第1、3分量時(shí)頻分析結(jié)果(其他分量形態(tài)類(lèi)似)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

選取天山中段分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)資料作為研究對(duì)象,采用S變換和超限率分析方法進(jìn)行長(zhǎng)、短尺度分析,在精河MS6.6和呼圖壁MS6.2地震前提取到6項(xiàng)高頻異常信息,經(jīng)過(guò)對(duì)這些高頻異常特征參數(shù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)(表3),得到以下結(jié)論:

(1) 精河MS6.6地震的高頻異常主要特征:以中長(zhǎng)期異常為主,這些高頻異常信息均在地震前出現(xiàn),隨后達(dá)到峰值,臨震前或者地震后衰減消失;高頻異常持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短與震中距有一定關(guān)系,距離震中越遠(yuǎn),異常時(shí)間越長(zhǎng)(如小泉溝),距離震中越近,異常持續(xù)時(shí)間越短(如尼勒克和鞏留)。

(2) 呼圖壁MS6.2地震的高頻異常主要特征:以短臨異常為主,異常持續(xù)時(shí)間較短,一般在震前1～2天瞬間變化;異常信號(hào)頻帶較寬(10～720 min),震前出現(xiàn),臨震前消失,與曲線階躍、固體潮畸變對(duì)應(yīng)較好,可能反映鉆孔周邊塊體因應(yīng)力積累而造成的瞬間錯(cuò)動(dòng)或者變形[9]。

(3) S變換與超限率分析結(jié)果具有很好的同步性。

天山中段2次6級(jí)地震前的應(yīng)變高頻異常特征有相似之處,也有一定的差異,這與地震發(fā)生的構(gòu)造背景、臺(tái)站附近地殼介質(zhì)的穩(wěn)定性、震中距等有一定的關(guān)系。

4.2 討論

據(jù)彭克銀等[14]提出的震級(jí)M與孕震區(qū)臨界半徑R的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系:lgR=0.29M+0.49,可以估算出精河MS6.6地震和呼圖壁MS6.2地震的孕震區(qū)域臨界半徑R分別是253 km和194 km。由表3可以看出,這些高頻異常大多在其孕震區(qū)域范圍內(nèi)(除小泉溝),說(shuō)明用這兩種方法提取到的高頻異常信息是真實(shí)可信的。

從精河MS6.6地震高頻異常出現(xiàn)的先后順序,我們知道最早出現(xiàn)異常的是小泉溝,之后是尼勒克和鞏留臺(tái),異常臺(tái)站整體分布呈NW-SE方向延展。結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造我們知道,尼勒克附近的伊犁盆地北緣斷裂、小泉溝附近的洪水溝斷裂和鞏留臺(tái)附近的烏孫山山脊斷裂都是走滑斷裂,而在走滑斷裂當(dāng)中,地震孕育的應(yīng)力傳遞方向與斷層走向一致[15]。天山中段地區(qū)的主要斷裂走向?yàn)镹WW-SEE,則應(yīng)力傳遞方向也應(yīng)與該方向一致,實(shí)際上精河MS6.6地震高頻異常出現(xiàn)的先后順序與應(yīng)力傳遞的方向一致。

根據(jù)前人GPS觀測(cè)資料研究結(jié)果,精河MS6.6地震前,在震中附近區(qū)域出現(xiàn)的速度場(chǎng)和主壓應(yīng)變率變化異?，F(xiàn)象,反映出地殼應(yīng)力能量在該區(qū)域有顯著的積累和增強(qiáng)[16]。應(yīng)力的積累和主壓應(yīng)變方向的偏轉(zhuǎn)很容易造成斷層的失穩(wěn),在斷層失穩(wěn)階段,高頻異常是極易出現(xiàn)的[17]。這說(shuō)明通過(guò)S變換和超限率方法提取的應(yīng)變高頻異常反映的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)與GPS場(chǎng)上觀測(cè)結(jié)果還是有較好的一致性的,這種一致性從另一方面說(shuō)明這種應(yīng)變高頻異常是可信的。