高麗娟 謝姆斯葉·艾尼瓦爾 邢喜民 高 歌 張治廣 滕海濤

1 新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊市科學(xué)二街338號(hào)，830011

地震從孕育到破裂，地殼介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生形變、應(yīng)變等信息的變化，可以為地區(qū)地震預(yù)測(cè)提供一定的參考。研究者提出了多種短臨異常的識(shí)別和分析方法。陳德福［1］發(fā)現(xiàn)“前驅(qū)波”出現(xiàn)在傾斜儀、應(yīng)變儀和重力儀觀測(cè)記錄中，周龍壽［2－4］提出用超限率分析法來(lái)定量檢驗(yàn)前驅(qū)波，邱澤華［5－6］用超限率分析法研究汶川地震前姑咱臺(tái)的應(yīng)變異常，何香玲［7－8］對(duì)河南滎陽(yáng)數(shù)字化水管觀測(cè)中的高頻抖動(dòng)信號(hào)進(jìn)行干擾分析，陳建國(guó)［9］和劉學(xué)謙［10］認(rèn)為地震前高頻抖動(dòng)信息是普遍存在的。一般在原始曲線上難以察覺的異常變化，通過(guò)高通濾波處理，可以提取短周期異常信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合超限率分析方法，最大限度地突出異常信息，可以定量地描述信號(hào)特征。本文研究此類異常信號(hào)與地震的關(guān)系。

1 基本理論

地震信號(hào)經(jīng)過(guò)平滑濾波處理，再進(jìn)行高通濾波，觀測(cè)曲線整體變化不大。將某觀測(cè)資料短周期變化時(shí)間序列記為Xi（i＝1，…，N），N為數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)。其均值為：

標(biāo)準(zhǔn)差為：

︱Xi︱－SD稱為超限強(qiáng)度。稱單位時(shí)間內(nèi)超限點(diǎn)數(shù)N′為數(shù)量超限率，所有超限點(diǎn)的超限強(qiáng)度之和為強(qiáng)度超限率：

2 資料選取

考慮鉆孔傾斜一般在地下70～80 m 處，受氣壓影響小，在提取到的高頻信號(hào)中，可以忽略氣壓的作用。選取發(fā)生在某個(gè)臺(tái)站周圍300km 范圍內(nèi)Ms≥5.0的地震作為研究對(duì)象。

表1為2008～2013年鉆孔傾斜潮汐因子和中誤差均值情況。NS向半日主波M2的潮汐因子均值在0.50～0.75之間，中誤差在0.112 9～0.010 5之間；EW 向半日主波M2的潮汐因子均值為0.36～0.77，中誤差在0.038 5～0.023 8之間。其中克拉瑪依鉆孔傾斜雖未達(dá)到I類臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)，但資料比其他未達(dá)標(biāo)臺(tái)穩(wěn)定。部分鉆孔傾斜臺(tái)未達(dá)標(biāo)，并不意味著數(shù)據(jù)不可靠，如哈拉峻、馬場(chǎng)和烏恰臺(tái)。

表1 鉆孔傾斜潮汐因子和中誤差均值Tab.1 The average value of tidal factor and the error for borehole tiltmeter

首先，結(jié)合臺(tái)站儀器工作日志，排除人為影響、天氣變化等干擾因素，剔除受影響的數(shù)據(jù)，對(duì)缺數(shù)利用插值方法進(jìn)行擬合，對(duì)地震波采用平滑濾波的方式進(jìn)行處理；其次，將處理好的分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波處理；然后，確定高通濾波殘差值的閾值；最后，運(yùn)用超限率分析法提取高頻信號(hào)，分析此類信號(hào)與地震的關(guān)聯(lián)性。

3 超限率前兆異常實(shí)例

3.1 標(biāo)定結(jié)果、觀測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)

馬場(chǎng)鉆孔傾斜于2007－10－28安裝，儀器型號(hào)CZB－1，2010－07以來(lái)工作狀態(tài)良好。近3a來(lái)NS分量的格值變化小于0.1×10－3″／mV，EW 分量格值變化小于0.03×10－3″／mV，重復(fù)精度均小于0.8%，表明儀器工作狀況穩(wěn)定。

3.2 震例回顧

馬場(chǎng)鉆孔傾斜NS分量數(shù)量超限率背景值為10次／d，強(qiáng)度超限率背景值為30×10－3″；EW 分量數(shù)量超限率背景值為4次／d，強(qiáng)度超限率背景值為15×10－3″。如圖1，經(jīng)高通濾波后計(jì)算數(shù)量和強(qiáng)度的超限率，然后求其旬均值發(fā)現(xiàn)，該測(cè)項(xiàng)共出現(xiàn)3組高頻異常變化（其中2010－12－08吉爾吉斯坦6.0級(jí)地震前出現(xiàn)的異常是儀器不穩(wěn)定期間出現(xiàn)的，可靠性差，不計(jì)在內(nèi)）：2012－07－26塔吉克斯坦5.4級(jí)（Δ＝156km）、2013－03－11阿圖什5.2級(jí)（Δ＝204km）和2013－06－30中塔5.0級(jí)（Δ＝187km）地震前，NS和EW 分量的數(shù)量和強(qiáng)度超限率都出現(xiàn)明顯的高值異常，持續(xù)時(shí)間集中在18～108d，地震多發(fā)生在異常過(guò)程中。

圖1 馬場(chǎng)鉆孔傾斜高通濾波的超限率曲線Fig.1 Curves of overun－rate at Machang station

圖2 馬場(chǎng)臺(tái)鉆孔傾斜NS分量與氣壓水位的數(shù)量超限率曲線對(duì)照示意圖Fig.2 Comparison of quantity－overun－rate between the NS component and the pressure at Machang station

3.3 氣壓和水位的影響

圖2是對(duì)馬場(chǎng)的氣壓和水位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波和超限率計(jì)算得到的數(shù)量超限率曲線變化。對(duì)照NS向傾斜的數(shù)量超限率，NS分量高頻信號(hào)的數(shù)量超限率異常出現(xiàn)的時(shí)間分別在2012－04～06、2013－02～04、06～08，而氣壓和水位出現(xiàn)異常的時(shí)間基本在每年12月～翌年2月，存在規(guī)律性的年變。因此，氣壓和水位對(duì)傾斜的高頻信號(hào)影響小，相關(guān)性不大，可排除氣象因素的干擾。此外，氣壓和水位的相關(guān)性很好，這也符合一般規(guī)律，二者相互影響。同時(shí)也說(shuō)明高通濾波與超限率分析結(jié)合應(yīng)用，提取類似的高頻信號(hào)是可行的。

3.4 與附近臺(tái)站的同步性對(duì)比

圖3是馬場(chǎng)和哈拉峻臺(tái)（兩臺(tái)相距150km）兩分量數(shù)量超限率對(duì)比。分析發(fā)現(xiàn)，2 臺(tái)的高頻信號(hào)在某些時(shí)段同時(shí)出現(xiàn)，如2010－02～06、2012－10～12、2013－06～07，觀測(cè)的異常信號(hào)相似。不同的是，哈拉峻臺(tái)提取到的超限點(diǎn)多于馬場(chǎng)臺(tái)，即同步出現(xiàn)的高頻信號(hào)哈拉峻臺(tái)更顯著。此外，2臺(tái)出現(xiàn)的不相關(guān)的個(gè)別信號(hào)，可能是因?yàn)槲恢貌煌?，?duì)應(yīng)力場(chǎng)作用的敏感性不同，造成感應(yīng)的差異，從而反映到形變儀器記錄的差異。

4 其他實(shí)例分析

全疆其他幾個(gè)臺(tái)的鉆孔傾斜超限率震例對(duì)應(yīng)效果較好，如圖4所示，烏恰臺(tái)數(shù)量和強(qiáng)度超限率在2011－08－11阿圖什5.8級(jí)（Δ＝169km）、2012－02－05吉爾吉斯坦5.2級(jí)（Δ＝212km）、2012－07－26塔吉克斯坦5.4級(jí)（Δ＝179km）地震前，高頻信號(hào)均出現(xiàn)增多現(xiàn)象。2012－06－30新源、和靜交界6.6級(jí)地震（Δ＝249km）前，克拉瑪依觀測(cè)曲線上記錄到方向一致的階變信號(hào)，經(jīng)超限率分析法提取后，異常顯而易見。和田臺(tái)鉆孔傾斜2012年以來(lái)高頻信號(hào)異常共出現(xiàn)4組，其中3組對(duì)應(yīng)地震，分 別 是2012－03－09 洛 浦6.0 級(jí)（Δ＝285 km）、2012－08－12于田6.2級(jí)（Δ＝263km）和2014－07－09麥蓋提5.1級(jí)地震（Δ＝286km）。6級(jí)地震前異常持續(xù)時(shí)間1個(gè)月左右，5級(jí)地震前異常持續(xù)時(shí)間2個(gè)月，地震均發(fā)生在異常結(jié)束后。

圖3 馬場(chǎng)和哈拉峻臺(tái)鉆孔傾斜EW 分量和NS分量數(shù)量超限率曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of quantity－overun－rate between the Machang station and the Halajun station for the EW component and the NS component

圖4 鉆孔傾斜的超限率曲線示意圖Fig.4 Overrun rate analysis curves of the borehole tiltmeters

5 結(jié) 語(yǔ)

1）高頻信號(hào)有時(shí)兩個(gè)分向同時(shí)出現(xiàn)，有時(shí)只在1個(gè)分量出現(xiàn)；

2）高頻信號(hào)異常持續(xù)時(shí)間較短，持續(xù)時(shí)間≤1個(gè)月的占28%，1～3個(gè)月的占52%，3～6個(gè)月的占17%，大于6個(gè)月的占3%，主要集中在3個(gè)月內(nèi)，屬短期變化異常；

3）高頻信號(hào)異常結(jié)束至發(fā)震時(shí)間分布相對(duì)集中，異常過(guò)程中發(fā)震的占28%，異常結(jié)束3 個(gè)月內(nèi)發(fā)震的占52%，異常結(jié)束6 個(gè)月內(nèi)發(fā)震的占10%，大于6 個(gè)月的占10%，異常結(jié)束至發(fā)震時(shí)間多集中在3個(gè)月內(nèi)或異常過(guò)程中；

4）高頻信號(hào)對(duì)應(yīng)的周邊地震距離不超過(guò)300 km，多在震源區(qū)外圍。

致謝：中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所張晶研究員和劉琦工程師在本研究中給予悉心指導(dǎo)，在此一并致謝。

［1］陳德福.潮汐形變前驅(qū)波的時(shí)空特征［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2006，26（2）：24－30（Chen Defu.Space－Time Characteristics of Tidal Deformation Precursor［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，26（2）：24－30）

［2］周龍壽，邱澤華，唐磊.汶川8.0級(jí)地震前驅(qū)波的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2009，29（2）：24－38（Zhou Longshou，Qiu Zehua，Tang Lei.Statistical Test of Precursory Waves before Wenchuan MS8.0Earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，29（2）：24－38）

［3］周龍壽.用小波方法系統(tǒng)檢驗(yàn)強(qiáng)震“前驅(qū)波”［J］.地震學(xué)報(bào)，2009，31（1）：1－12（Zhou Longshou.Systemically Checking－up Strong Earthquake Precursory Waves with Wavelet Analysis［J］.Acta Seismologicasinica，2009，31（1）：1－12）

［4］周龍壽.用中國(guó)鉆孔應(yīng)變臺(tái)網(wǎng)資料檢驗(yàn)大震“前驅(qū)波”［J］.地震，2009，29（3）：67－78（Zhou Longshou.Testing Precursory Wave before Strong Earthquakes Using Borehole Strain Data［J］.Eaethquake，2009，29（3）：67－78）

［5］邱澤華.用小波－超限率分析提取寧陜臺(tái)汶川地震體應(yīng)變異常［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（2）：538－546（Qiu Zehua.Extracting Anomaly of the Wenchuan Earthquake from the Dilatometer Record at NSH by Means of Wavelet－Overrun Rate Analysis［J］.Chinese Journal of Geophysics，2012，55（2）：538－546）

［6］邱澤華，周龍壽，池順良.用超限率分析法研究汶川地震的前兆應(yīng)變變化［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2009，29（4）：1－9（Qiu Zehua，Zhou Longshou，Chi Shunliang，Study on Precursory Strain Changes of Wenchuan Earthquake with ORA Method［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，29（4）：1－9）

［7］何香玲，劉學(xué)謙，蘇麗華.河南滎陽(yáng)臺(tái)水管觀測(cè)的高頻抖動(dòng)信號(hào)分 析［J］.山西地震，2010，141（1）：33－38（He Xiangling，Liu Xueqian，Su Lihua.Analysis on High－Frequency Dithering Signal in Water Tube Observation of Xingyang Seismological Station in Henan［J］.Earthquake Research in Shanxi，2010，141（1）：33－38）

［8］何香玲，劉學(xué)謙，蘇麗華.數(shù)字形變觀測(cè)的高頻抖動(dòng)信號(hào)對(duì)地震前兆響應(yīng)分析［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，2011，32（6）：116－121（He Xiangling，Liu Xueqian，Su Lihua.Response Analysis of Earthquake Precursors about High－Frequency Tremble Signal of Digital Deformation Observation［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2011，32（6）：116－121）

［9］陳建國(guó)，張娜.形變數(shù)字化資料對(duì)山西地區(qū)地震前兆反應(yīng)研究［J］.山西地震，2009，137（1）：1－8（Chen Jianguo，Zhang Na.Study on the Response of Digital Deformation Data to Earthquake Precursor of Shanxi［J］.Earthquake Research in Shanxi，2009，137（1）：1－8）

［10］劉學(xué)謙，何香玲，蘇麗華.山西河津Ms4.8地震前滎陽(yáng)數(shù)字形變異常信號(hào)分析［J］.內(nèi)陸地震，2012，26（1）：36－44（Liu Xueqian，He Xiangling，Su Lihua.Study on Deformation Anomaly Signal in Xingyang Station before Hejing（Shanxi）Earthquake with Ms4.8［J］.Inland Earthquake，2012，26（1）：36－44）