王新安 黃繼攀 雍珊珊 張 興 梁意文

（1.北京大學(xué)深圳研究生院集成微系統(tǒng)科學(xué)工程與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東 深圳 518055；2．北京大學(xué)深圳地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)技術(shù)研究中心，廣東 深圳 518055；3．北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100871；4.武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)學(xué)院，武漢 430072）

0 引言

北京時(shí)間2017年8月8日,四川省阿壩州九寨溝縣發(fā)生了MS7.0級(jí)地震[1-2]，此次震中距離2008年汶川地震約246 km，距離2013年蘆山地震約331 km。

由于地球內(nèi)部 “不可入性”，地震構(gòu)造結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，大地震 “非頻發(fā)性”等因素限制，更為重要的是大地震在同一地點(diǎn)復(fù)發(fā)率極低，地震的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)相關(guān)研究進(jìn)展緩慢[3-4]。多位研究人員通過較少臺(tái)站的儀器發(fā)現(xiàn)了汶川地震、日本311地震等地震前的電離層異常、電磁異常或地電阻異常等[5-10]。邱認(rèn)為地震前兆研究受到個(gè)案觀測(cè)嚴(yán)重不足的限制[11]，提出以地震預(yù)報(bào)的要求為參照適當(dāng)加大區(qū)域前兆臺(tái)網(wǎng)的密度的建議[12]，讓監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄到相互印證的變化。

1 AETA系統(tǒng)介紹

本團(tuán)隊(duì)研制的多分量地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)——AETA(Acoustic and Electromagnetic Testing All in one system)[13-15]，主要監(jiān)測(cè)電磁擾動(dòng)和地聲，擬進(jìn)行大區(qū)域布設(shè)形成前兆監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)。整個(gè)系統(tǒng)使用了兩種傳感器-電磁擾動(dòng)傳感器和地聲傳感器。其中電磁擾動(dòng)傳感器基于法拉第電磁感應(yīng)定律[13，16]，地聲傳感器采用了壓電薄膜傳感器[15，17]。系統(tǒng)分為傳感探頭、數(shù)據(jù)預(yù)處理終端、云服務(wù)器和數(shù)據(jù)分析客戶端四部分[14]，如圖1所示。

圖1 AETA系統(tǒng)框圖Fig.1 The system block diagram of AETA

在設(shè)備可靠性方面，AETA設(shè)備作為地震前兆監(jiān)測(cè)的新型儀器，研發(fā)完成后由深交所上市公司卓翼科技[18-19]進(jìn)行生產(chǎn)。AETA設(shè)備在卓翼科技出廠前進(jìn)行了性能測(cè)試、靈敏度測(cè)試、噪聲水平測(cè)試、老化測(cè)試和防水測(cè)試等[13]，設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性得到了保證。

在AETA設(shè)備的數(shù)據(jù)一致性方面，在四川、云南、廣東和河北的部分臺(tái)站進(jìn)行了單臺(tái)站多設(shè)備的數(shù)據(jù)一致性對(duì)比，結(jié)果顯示單臺(tái)站內(nèi)的多設(shè)備數(shù)據(jù)完全一致。其中，在九寨溝防震減災(zāi)局臺(tái)站、青川姚渡臺(tái)站和冕寧防震減災(zāi)局臺(tái)站進(jìn)行一致性對(duì)比時(shí)，邀請(qǐng)了四川省地震局川滇國家地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)四川分中心相關(guān)負(fù)責(zé)同志現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督。

AETA設(shè)備90%以上布設(shè)于中國地震局下轄的臺(tái)站中，已最大可能避開了工業(yè)和生活的干擾信號(hào)，異常來自人類活動(dòng)的干擾的可能性較低。在中國地震局與相關(guān)省市縣局的支持下，從2015年9月開始進(jìn)行AETA設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，AETA3.0在四川省、云南省、河北省等地布設(shè)了200余套（2018年8月）。九寨溝地震發(fā)生時(shí)，四川省內(nèi)已布設(shè)36套AETA3.0設(shè)備（圖2），本文對(duì)AETA3.0的36套設(shè)備建立的監(jiān)測(cè)臺(tái)陣的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

圖2 四川省已布設(shè)AETA臺(tái)站Fig.2 The installed AETA stations in Sichuan Province

2 數(shù)據(jù)與異常判別方法

本文數(shù)據(jù)來自四川省的36個(gè)AETA3.0臺(tái)站，如表1所示。各個(gè)臺(tái)站由于安裝時(shí)間有先后，為了統(tǒng)一分析，均采用震前1個(gè)月的數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象。

表1 AETA臺(tái)站信息表Table 1 Information of AETA stations

每個(gè)AETA臺(tái)站的數(shù)據(jù)包括電磁擾動(dòng)低頻、電磁擾動(dòng)高頻、地聲低頻、地聲高頻四種信號(hào)分量，每個(gè)分量有均值、振鈴計(jì)數(shù)和峰值頻率三種數(shù)據(jù)類型。這樣，每個(gè)AETA臺(tái)站有12條月數(shù)據(jù)，針對(duì)這12條月數(shù)據(jù)進(jìn)行月尺度下的異常對(duì)比分析，具體流程如圖3所示。首先從數(shù)據(jù)庫獲取12條月數(shù)據(jù)，第二步采用繪圖工具將其變化展示，第三步完成異常標(biāo)注，第四步進(jìn)行異常與本次九寨溝地震相關(guān)性的判定，如果相關(guān)則到第五步進(jìn)行異常統(tǒng)計(jì)，至此一個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)分析完畢。

圖3 數(shù)據(jù)異常分析流程Fig.3 The procedure of data anomaly analysis

上述過程中，前三步較為簡單不再解釋，下面將詳細(xì)講下第四步和第五步。第四步異常標(biāo)注的方法包括：①波動(dòng)規(guī)律變化；②幅值趨勢(shì)性變化；③ 幅值短時(shí)性變化；④ 單位時(shí)間范圍內(nèi)波動(dòng)頻度變化。

第五步是否為九寨溝地震異常的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：首先要排除人類活動(dòng)干擾；其次排除 “偽異常”，某種異常頻繁出現(xiàn)但始終周邊沒有地震稱之為 “偽異常”；最后，看該異常附近是否有更近距離的地震事件，如果有則根據(jù)是否在根據(jù)距離Dis和震級(jí)Mag的比值R來進(jìn)行判斷，若是與九寨溝地震的距離震級(jí)比較小，則認(rèn)為該異常為九寨溝地震異常。

以九寨溝防震減災(zāi)局（距離震中40.55 km）的數(shù)據(jù)為例，對(duì)本文采用的數(shù)據(jù)對(duì)比方法和流程進(jìn)行說明，圖4為該臺(tái)站震前一個(gè)月的12條月數(shù)據(jù)，通過如圖3所示的流程中的第一到第四步處理后得到。根據(jù)圖中發(fā)現(xiàn)，該臺(tái)站12條數(shù)據(jù)中有5條數(shù)據(jù)出現(xiàn)了一種或多種異常，在圖中用紅色矩形標(biāo)記出。

圖4 JZG震前一個(gè)月12條月數(shù)據(jù)異常標(biāo)注Fig.4 Data anomaly note of JZG Station one month before the earthquake

九寨溝臺(tái)站完成異常標(biāo)記后，為了區(qū)分是九寨溝震前異常還是青川4.9級(jí)地震震前異常，計(jì)算了距離震級(jí)比，如表2。九寨溝地震距離震級(jí)比R較小，這些異常應(yīng)屬于九寨溝地震震前異常。

表2 JZG異常統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistics result of JZG anomalies

3 異常分析結(jié)果與討論

3.1 地震前異常結(jié)果與討論

根據(jù)上述異常判別方法，對(duì)全部35個(gè)AETA臺(tái)站進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，共計(jì)13個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)了異常，其中10個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)地聲異常，6個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)電磁異常，如圖5和圖6所示，圖中用紅色五角星注明了地震發(fā)生當(dāng)天。

將數(shù)據(jù)異常進(jìn)行可視化展現(xiàn)，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)超過 50%（7/13， SP、 PW、 SMWJ、 XCXM、EMS、EB、MC）的異常臺(tái)站在地塊邊界。圖7中的中國大陸板塊邊界數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn) [20]。

對(duì)這些異常臺(tái)站的數(shù)據(jù)持續(xù)進(jìn)行跟蹤，大部分臺(tái)站的異常均在震后1 d內(nèi)消失了，未消失反而持續(xù)較長時(shí)間的有3個(gè)，它們是JZG、SP、QC

圖5 九寨溝地震震前地聲異常統(tǒng)計(jì)圖示Fig.5 Anomaly of geo-sound before the jiuzhaigou earthquake

圖6 九寨溝地震震前電磁擾動(dòng)異常統(tǒng)計(jì)圖示Fig.6 Anomalies statistics of EMD before the Jiuzhaigou earthquake

圖7 異常臺(tái)站與震中分布圖示Fig.7 Distribution map of abnormal stations and epicenters

以上結(jié)果顯示，九寨溝地震發(fā)生前，九寨溝周邊地區(qū)有多個(gè)AETA臺(tái)站出現(xiàn)不同程度的異常。

在AETA電磁數(shù)據(jù)是否受到磁暴干擾方面，可基本排除磁暴的干擾：據(jù)日本京都地磁數(shù)據(jù)中心[21]的數(shù)據(jù)，在7月8日至8月8間僅僅在7月18～19日發(fā)生約-80 nT的中等磁暴，其他時(shí)段AETA電磁數(shù)據(jù)未被磁暴干擾。

3.2 震后流動(dòng)觀測(cè)與SRSS波的發(fā)現(xiàn)

大地震的臨震過程的前兆異常信號(hào)，有些震后立刻消失，有些震后會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。對(duì)持續(xù)的異常信號(hào)進(jìn)行分析，有助于加深對(duì)震前異常信號(hào)的理解。于是， JZG、SP、QC這三個(gè)臺(tái)站得到了進(jìn)一步的觀察研究。

觀察研究后發(fā)現(xiàn)JZG、SP、QC均出現(xiàn)一種與 “日升日落”幾乎同步的電磁擾動(dòng)特征值波動(dòng)波形，如圖8所示：日升下降、日落上升，本文稱之為 SRSS（Sunrise-Sunset）波，其中 JZG該波形出現(xiàn)時(shí)間為6月10日至11月5日，SP為6月12日至9月16日、QC為7月25日至9月26日、10月 27日到 11月 4日， 如圖 8（a）、8（b）、8（c）所示。 JZG 和 SP 臺(tái)站自從臺(tái)站安裝便出現(xiàn)SRSS波，QC臺(tái)站是過了一個(gè)多月才出現(xiàn)SRSS波 （JZG臺(tái)站安裝于2017年6月10日，SP臺(tái)站安裝于2017年6月12日，QC臺(tái)站安裝于2017年6月8日）。

圖8 SRSS波出現(xiàn)的臺(tái)站Fig.8 The stations which occur SRSS wave appear

震后第二天筆者在震中周邊的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和縣城緊急布設(shè)了3臺(tái)AETA設(shè)備在多個(gè)地點(diǎn)流動(dòng)觀測(cè)，觀測(cè)地點(diǎn)分布如圖9所示，其中每個(gè)地點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間約一天。

各個(gè)流動(dòng)站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖10所示。圖10中左列為九寨溝縣城各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，九寨溝縣城中魯能大廈、縣派出所、防震減災(zāi)局、小九寨農(nóng)莊和黃浦酒店均出現(xiàn)SRSS波，九力大廈、九江農(nóng)莊和悅榕莊波形較為平靜、幾乎沒有波動(dòng)，九寨莊園酒店和永樂鎮(zhèn)波形介于二者中間、呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)。圖10中右列為九寨溝縣各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的流動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置圖，同樣用紅色、綠色和藍(lán)色來代表波動(dòng)劇烈、波動(dòng)平靜和波動(dòng)一般的臺(tái)站。從圖中可以看到，在震中附近的干海子、羅伊鄉(xiāng)出現(xiàn)類似SRSS波，漳扎鎮(zhèn)、永和鄉(xiāng)、黃龍機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，玉瓦鄉(xiāng)、白河鄉(xiāng)、樹正寨、保華鄉(xiāng)波形比較平靜、波動(dòng)較小。震后流動(dòng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，證實(shí)了震中周邊幾十公里范圍內(nèi)多處存在SRSS波。

為了深入研究這一波形的出現(xiàn)與地震發(fā)生的相關(guān)性，對(duì)四川省AETA臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)了2017年1月1日至12月31日所有3級(jí)以上地震（排除掉九寨溝地震及其余震），在震中100 km范圍內(nèi)有AETA臺(tái)站的情況下，檢查這些AETA臺(tái)站是否出現(xiàn)SRSS波。統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，符合條件的地震有8個(gè)，每個(gè)地震事件中周邊AETA臺(tái)站均至少有一個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)了SRSS波，具體如圖11所示。

這種在日升前幅值變大，日落后幅值變小的SRSS波形，不僅僅在四川發(fā)現(xiàn)，在云南、河北和廣東均有發(fā)現(xiàn)。可見是一種典型的波形，很可能是地下地質(zhì)活動(dòng)的反映。

圖9 九寨溝流動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)Fig.9 The mobile observation sites in JZG County

圖10 流動(dòng)觀測(cè)電磁均值示意圖Fig.10 The EM mean-value samples of mobile observation sites

圖11 2017年四川省地震與SRSS波關(guān)系Fig.11 The relationship between earthquakes and SRSS wave in 2017 Sichuan Province

4 結(jié)語

通過對(duì)九寨溝地震前AETA臺(tái)站和震后流動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)臺(tái)站異常和SRSS波，很可能是九寨溝地震前的前兆異常。未來將進(jìn)一步研究更多震例下AETA數(shù)據(jù)異常的規(guī)律，能否根據(jù)這些異常數(shù)據(jù)進(jìn)行地震三要素的預(yù)測(cè)。在進(jìn)一步的觀測(cè)研究過程中，提高AETA臺(tái)陣布設(shè)密度是有必要的。

致謝：本文的實(shí)驗(yàn)工作得到四川省地震局的支持和配合，尤其是阿壩州、九寨溝縣防震減災(zāi)局的支持和配合；本文的研究工作得到深圳深創(chuàng)谷等企業(yè)的技術(shù)支持和多方位的合作，得到王陽元院士、楊芙清院士的指導(dǎo)；數(shù)據(jù)整理和圖表繪制工作得到了北京大學(xué)深圳地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)技術(shù)研究中心的同學(xué)幫助，在此一并表示深深的感謝！