用超限率分析法提取钻孔倾斜地震前兆异常信号

高丽娟 谢姆斯叶·艾尼瓦尔 邢喜民 高 歌 张治广 滕海涛

1 新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐市科学二街338号，830011

地震从孕育到破裂，地壳介质会产生形变、应变等信息的变化，可以为地区地震预测提供一定的参考。研究者提出了多种短临异常的识别和分析方法。陈德福［1］发现“前驱波”出现在倾斜仪、应变仪和重力仪观测记录中，周龙寿［2－4］提出用超限率分析法来定量检验前驱波，邱泽华［5－6］用超限率分析法研究汶川地震前姑咱台的应变异常，何香玲［7－8］对河南荥阳数字化水管观测中的高频抖动信号进行干扰分析，陈建国［9］和刘学谦［10］认为地震前高频抖动信息是普遍存在的。一般在原始曲线上难以察觉的异常变化，通过高通滤波处理，可以提取短周期异常信号。在此基础上，结合超限率分析方法，最大限度地突出异常信息，可以定量地描述信号特征。本文研究此类异常信号与地震的关系。

1 基本理论

地震信号经过平滑滤波处理，再进行高通滤波，观测曲线整体变化不大。将某观测资料短周期变化时间序列记为Xi（i＝1，…，N），N为数据点总数。其均值为：

标准差为：

︱Xi︱－SD称为超限强度。称单位时间内超限点数N′为数量超限率，所有超限点的超限强度之和为强度超限率：

2 资料选取

考虑钻孔倾斜一般在地下70～80 m 处，受气压影响小，在提取到的高频信号中，可以忽略气压的作用。选取发生在某个台站周围300km 范围内Ms≥5.0的地震作为研究对象。

表1为2008～2013年钻孔倾斜潮汐因子和中误差均值情况。NS向半日主波M2的潮汐因子均值在0.50～0.75之间，中误差在0.112 9～0.010 5之间；EW 向半日主波M2的潮汐因子均值为0.36～0.77，中误差在0.038 5～0.023 8之间。其中克拉玛依钻孔倾斜虽未达到I类台标准，但资料比其他未达标台稳定。部分钻孔倾斜台未达标，并不意味着数据不可靠，如哈拉峻、马场和乌恰台。

表1 钻孔倾斜潮汐因子和中误差均值Tab.1 The average value of tidal factor and the error for borehole tiltmeter

首先，结合台站仪器工作日志，排除人为影响、天气变化等干扰因素，剔除受影响的数据，对缺数利用插值方法进行拟合，对地震波采用平滑滤波的方式进行处理；其次，将处理好的分钟值数据进行高通滤波处理；然后，确定高通滤波残差值的阈值；最后，运用超限率分析法提取高频信号，分析此类信号与地震的关联性。

3 超限率前兆异常实例

3.1 标定结果、观测系统的状态

马场钻孔倾斜于2007－10－28安装，仪器型号CZB－1，2010－07以来工作状态良好。近3a来NS分量的格值变化小于0.1×10－3″／mV，EW 分量格值变化小于0.03×10－3″／mV，重复精度均小于0.8%，表明仪器工作状况稳定。

3.2 震例回顾

马场钻孔倾斜NS分量数量超限率背景值为10次／d，强度超限率背景值为30×10－3″；EW 分量数量超限率背景值为4次／d，强度超限率背景值为15×10－3″。如图1，经高通滤波后计算数量和强度的超限率，然后求其旬均值发现，该测项共出现3组高频异常变化（其中2010－12－08吉尔吉斯坦6.0级地震前出现的异常是仪器不稳定期间出现的，可靠性差，不计在内）：2012－07－26塔吉克斯坦5.4级（Δ＝156km）、2013－03－11阿图什5.2级（Δ＝204km）和2013－06－30中塔5.0级（Δ＝187km）地震前，NS和EW 分量的数量和强度超限率都出现明显的高值异常，持续时间集中在18～108d，地震多发生在异常过程中。

图1 马场钻孔倾斜高通滤波的超限率曲线Fig.1 Curves of overun－rate at Machang station

图2 马场台钻孔倾斜NS分量与气压水位的数量超限率曲线对照示意图Fig.2 Comparison of quantity－overun－rate between the NS component and the pressure at Machang station

3.3 气压和水位的影响

图2是对马场的气压和水位观测数据进行高通滤波和超限率计算得到的数量超限率曲线变化。对照NS向倾斜的数量超限率，NS分量高频信号的数量超限率异常出现的时间分别在2012－04～06、2013－02～04、06～08，而气压和水位出现异常的时间基本在每年12月～翌年2月，存在规律性的年变。因此，气压和水位对倾斜的高频信号影响小，相关性不大，可排除气象因素的干扰。此外，气压和水位的相关性很好，这也符合一般规律，二者相互影响。同时也说明高通滤波与超限率分析结合应用，提取类似的高频信号是可行的。

3.4 与附近台站的同步性对比

图3是马场和哈拉峻台（两台相距150km）两分量数量超限率对比。分析发现，2 台的高频信号在某些时段同时出现，如2010－02～06、2012－10～12、2013－06～07，观测的异常信号相似。不同的是，哈拉峻台提取到的超限点多于马场台，即同步出现的高频信号哈拉峻台更显著。此外，2台出现的不相关的个别信号，可能是因为位置不同，对应力场作用的敏感性不同，造成感应的差异，从而反映到形变仪器记录的差异。

4 其他实例分析

全疆其他几个台的钻孔倾斜超限率震例对应效果较好，如图4所示，乌恰台数量和强度超限率在2011－08－11阿图什5.8级（Δ＝169km）、2012－02－05吉尔吉斯坦5.2级（Δ＝212km）、2012－07－26塔吉克斯坦5.4级（Δ＝179km）地震前，高频信号均出现增多现象。2012－06－30新源、和静交界6.6级地震（Δ＝249km）前，克拉玛依观测曲线上记录到方向一致的阶变信号，经超限率分析法提取后，异常显而易见。和田台钻孔倾斜2012年以来高频信号异常共出现4组，其中3组对应地震，分 别 是2012－03－09 洛 浦6.0 级（Δ＝285 km）、2012－08－12于田6.2级（Δ＝263km）和2014－07－09麦盖提5.1级地震（Δ＝286km）。6级地震前异常持续时间1个月左右，5级地震前异常持续时间2个月，地震均发生在异常结束后。

图3 马场和哈拉峻台钻孔倾斜EW 分量和NS分量数量超限率曲线对比Fig.3 Comparison of quantity－overun－rate between the Machang station and the Halajun station for the EW component and the NS component

图4 钻孔倾斜的超限率曲线示意图Fig.4 Overrun rate analysis curves of the borehole tiltmeters

5 结 语

1）高频信号有时两个分向同时出现，有时只在1个分量出现；

2）高频信号异常持续时间较短，持续时间≤1个月的占28%，1～3个月的占52%，3～6个月的占17%，大于6个月的占3%，主要集中在3个月内，属短期变化异常；

3）高频信号异常结束至发震时间分布相对集中，异常过程中发震的占28%，异常结束3 个月内发震的占52%，异常结束6 个月内发震的占10%，大于6 个月的占10%，异常结束至发震时间多集中在3个月内或异常过程中；

4）高频信号对应的周边地震距离不超过300 km，多在震源区外围。

致谢：中国地震局地震预测研究所张晶研究员和刘琦工程师在本研究中给予悉心指导，在此一并致谢。

［1］陈德福.潮汐形变前驱波的时空特征［J］.大地测量与地球动力学，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］周龙寿，邱泽华，唐磊.汶川8.0级地震前驱波的统计检验［J］.大地测量与地球动力学，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］周龙寿.用小波方法系统检验强震“前驱波”［J］.地震学报，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］周龙寿.用中国钻孔应变台网资料检验大震“前驱波”［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］邱泽华.用小波－超限率分析提取宁陕台汶川地震体应变异常［J］.地球物理学报，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］邱泽华，周龙寿，池顺良.用超限率分析法研究汶川地震的前兆应变变化［J］.大地测量与地球动力学，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，刘学谦，苏丽华.河南荥阳台水管观测的高频抖动信号分 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，刘学谦，苏丽华.数字形变观测的高频抖动信号对地震前兆响应分析［J］.地震地磁观测与研究，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］陈建国，张娜.形变数字化资料对山西地区地震前兆反应研究［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）

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