新疆于田7.3级地震前异常特征

冯建琴 张仰辉 程冬焱 张正霞沈晓松 李 艳 李 军 段跃荣

1)中国山西 041000 临汾中心地震台

2)中国山西 030025 太原大陆裂谷动力学国家野外观测站

3)中国太原 030021 山西省地震局

4)中国山西 030025 太原基准地震台

0 引言

与其他自然灾害相比，地震具有突发性强、破坏性大的特点。地震预报是世界难题，关键是寻找地震前兆。捕捉地震前兆信息，深入地震过程的研究、探索地震短临预报方法是一项富有挑战而艰巨的任务（罗灼礼，1980；陈德福，1993；顾国华，2012）。大地震前，近震源区域形变前兆变化是进行地震预报的基础，但震前如何变化仍有争议。基于扩容扩散和扩容引起的华东模型机地震破裂成核过程模型（Nur，1972；Mjachkin et al，1975），对小震可能有效，但对于强地震，临震前尽管观测到一些突出的短期异常，但通常远离震中区域（Mogi et al，1985；牛安福等，2009，2012）。地倾斜、地应变观测被认为是监测地壳形变和捕捉地震前兆的重要手段，本研究利用山西地区2013年12月至2014年4月10日地倾斜、应变数据，采用常规分析方法，对2014年2月12日新疆7.3级地震前异常进行分析。

1 资料选取

“十五”期间山西前兆地震台网逐步形成。数字化洞体形变是山西地震前兆主要观测手段包括水管、伸缩仪、水平摆、垂直摆、体应变，从北至南分布于灵丘、代县、太原、昔阳、离石、临汾、侯马7个台站。观测数据采用分采样记录。因灵丘、昔阳地震台运行时间短，观测资料不作为研究对象。2014年2月12日新疆于田7.3级地震前，太原、离石、临汾、侯马洞体形变仪器出现不同程度的异常。

2 前兆异常

2.1 水管、伸缩仪、水平摆原始记录图分析

侯马水管仪EW向正常年变曲线每年12月向西倾斜，次年1—2月开始回升，向东倾斜。2014年1月中旬至2月5日东倾，6日突然开始西倾，最大幅度达37.34×10-3″，7日恢复正常后持续东倾。临汾水平摆EW向正常年变曲线每年11—12月向东倾斜，次年6—7月向西倾斜；2014年变化趋势与往年一致，但观测背景值发生改变，高值比2010—2013年低，比2009年背景值高。2014年2月6—7日，临汾水平摆与侯马水管仪EW向同步趋于西倾变化（图1）；侯马水管仪EW向、伸缩仪EW向，太原水平摆NS向、临汾水平摆EW向与2014年2月6—9日同步转向、加速（图2）。几个观测手段的明显特征是：各测向在异常时间上呈明显的准同步性；侯马水管仪、伸缩仪EW分量同步转向、加速；临汾水平摆与太原水平摆同步转向。根据以往观测数据记录，尚未发现远震震前如此多的观测手段出现同步转向、加速。

图1 2008—2014年日均值曲线（a）侯马水管仪；（b）临汾水平摆Fig.1 The curve of daily mean value from the year 2008 to 2014

图2 2013年12月—2014年4月整点值曲线（a）侯马水管仪；（b）侯马伸缩仪；（c）临汾水平摆；（d）太原水平摆Fig.2 The curve of hourly value from Dec.2013 to Apr.2014

2.2 一阶异常分析

一阶差分是抑制较长周期信号、突出前兆信息的分析方法。差分值表示相邻两个测值的变化速率，反映地壳介质中应力变化较高的扰动，多属短临异常。在新疆于田2014年2月12日7.3级地震前，临汾、太原、离石水平摆，侯马水管、伸缩仪观测曲线均超过2倍均方（图3）。这些测项超过警戒线的时间主要集中在2014年2月4至10日，见表1。差分值的月频次和日频次反映应力扰动的月频次和日频次。不同台站所处地址构造、介质等环境不同，对应力扰动的响应也有所区别，由表1可知，侯马水管仪超过警戒线的幅度较大，约3倍均方差，离石台最小。一阶差分超过2倍均方差及速率加大视为异常，异常形态多表现为上下波形突跳，持续1—3个月，地震一般在异常结束后半年内发震（易志刚，2003）。于田7.3级地震在差分值恢复正常后发震。对比2008年3月21日新疆7.3级地震前兆异常发现，临汾、太原水平摆NS测向、临汾体应变日均值差分曲线，均存在超过2倍均方差现象。跟踪2014年2月12日新疆7.3级地震，震中距1 000 km范围内的16个定点形变观测台站28套仪器的观测资料，未发现速率变化异常。长期观测发现，对于国内强远地震的短临异常（速率），通常在远离震中区域有较好的映震性能（冯建琴，2011）。

图3 山西洞体形变2013-12—2014-04日均值一阶差分（a）侯马伸缩仪；（b）侯马水管仪；(c)离石水平摆；（ d）临汾水平摆；（d）太原水平摆Fig.3 The mean first order difference for Shanxi cave defor mation from Dec.2013 to Apr.2014

2.3 频谱异常特征分析

频谱特征分析可以揭示地形变信息域中各种信息变化的特性，从而识别震前存在的异常信息，即异常信号的周期信息（李艳，2013）。对2013年12月至2014年4月10日，侯马水管EW向、临汾体应变、太原水平摆NS向观测数据进行快速傅里叶变换（FFT），频谱分析结果见图4。从图4可见，3种形变仪器在相同频段内记录到明显异常，在0.000 37—0.000 43 Hz、0.000 76—0.000 87 Hz频段，幅值出现明显增大，其中侯马水管仪的异常幅值最为明显。

图4 2013年12月至2014年4月分钟曲线频谱（a）侯马水管仪；(b)临汾体应变；(c)太原水平摆Fig.4 The minutes curve of frequency spectrum from Dec.2013 to Apr.2014

表1 水平摆、水管仪、伸缩仪一阶差分曲线对应参数Table 1 Horizontal pendulum, water tube tiltmeter, extensometer fi rst-order difference curve parameters

2.4 小波函数分析

小波分析是一种处理信号的时频分析工具，其多分辨率分析将信号在不同分辨级别分解，分解得到低一级上的反映信号概貌的平滑信号和高一级上存在低一级上消失信号，这种信号的分解能力，能将各种交织在一起的不同频率组成的混合信号，分解成不同频带的子信号（李世雄，1995；张燕，2009），本文采用Matlab软件中db4小波，进行小波分解，在细节部分的第一层是频率最高的信息，如突跳等，第2、3、4层出现的是明显的固体潮信息；5层以后的分解尺度中则是去除固体潮汐后长周期、低频率的信息。分别选取了侯马水管、太原台水平摆、临汾体应变 2013年12月至2014年4月10日整点值数据，进行小波细节分析，发现细节6阶后曲线出现长周期、低频率信号，异常信号的优势周期为64—128小时（图5），3台形变仪器观测曲线的异常信号主要体现在1月下旬至4月上旬，2月12日发生了新疆7.3级地震，4月4日发生平遥3.7级地震。长周期的低频信号均出现在2次地震之前。距离震中最近的和田台（震中距约254 km）钻孔倾斜仪观测资料小波分析结果和潮汐因子计算结果显示在震前3个月、1年有潮汐因子增大异常出现[图6(a)]。小波分解细节部分的第7层在2013年1月到2014年1月出现了超限异常，增幅达10%[图6(b)]。

图5 2013年12月至2014年4月小波细节分析（a）侯马水管仪；（b）太原水平摆；（c）临汾体应变Fig.5 The wavelet detail analysis chart from Dec.2013 to Apr.2014

图6 和田小波分析及潮汐因子（a）小波分解；（b）潮汐因子Fig.6 Wavelet detail analysis and tidal factor diagram for Hetian

2.5 加卸载响应比异常

地震的孕育与发展是一个非线性系统的失稳过程，在临近失稳时加载与卸载的响应是不同的，理论上加载响应远大于卸载响应，因此加卸载响应比值反应了孕震系统的失稳程度（尹祥础，2004）。2013年2月12日新疆7.3级地震前 ，临汾台体应变整点值数据拟合方差、振幅因子相应比、非潮汐响应比、非潮汐加速度响应比、时间滞后均出现大幅偏离正常的现象[图7(a)]，新疆7.3级地震后恢复正常。对比分析2008年3月21日新疆于田7.3地震前，临汾台体应变的加载响应比也存在偏离正常值的现象，只是偏离幅度小于本次新疆地震前响应比幅度[图7(b)]。

图7 临汾体应变加载响应比曲线（a）2013年12月—2014年4月；（b）2008年3月—2008年4月Fig.7 Loading response ratio curve of Linfen body strain

3 结论

通过对山西洞体形变仪器在2013年12月2014年4月观测数据的分析得到以下结论。

（1）倾斜、应变仪器观测数据异常期间，经排查，观测仪器仪器、观测环境正常，无人为干扰。

（2）洞体形变仪器差分曲线清晰地反映新疆于田7.3级地震，孕育过中地形变的短临阶段速率变化特征：即远震源区（山西）地壳介质中应力变化出现较高的扰动。

（3）频谱特征分析表明，新疆于田7.3级地震前5—8天，侯马水管、临汾体应变、太原水平摆同频段内频谱曲线出现了幅值明显增大现象。即在0.000 37—0.000 43 Hz、0.000 76—0.000 87 Hz频段，记录到异常信息。

（4）小波分析6阶后曲线有长周期低频率异常信号，异常信号的优势周期为64—128小时，新疆7.3级地震前的低频信号主要体现在震前10天左右。

（5）在新疆于田7.3级地震前，临汾台体应变整点值数据拟合方差、振幅因子相应比、非潮汐响应比、非潮汐加速度响应比、时间滞后均出现大幅偏离正常的现象，加卸载响应比出现显著地高、低变化，说明孕震区已进入失稳的临界变化状态。

（6）新疆于田7.3级地震的形变特征，主要体现在远震源区（山西）的速率变化异常，近震源区（和田）潮汐因子异常，不仅有垂直错动体现在倾斜仪器，而且有水平压应变体现在应变仪器。

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