2010年河津4.8级地震前物理场异常时空演化特征

李惠玲,张淑亮,李 丽,高云峰

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

2010年河津M4.8地震是山西地球物理台网数字化改造后发生在山西境内的一次显著地震。震前山西及邻区多种地球物理场观测记录到丰富的异常信息。河津地震发生后，一些学者对这次地震前地球物理场异常特征进行研究并取得一些成果。张淑亮等通过对河津地震临汾台VP宽频带倾斜仪震前异常的研究，讨论了野外实际观测中的亚失稳现象[1]；杨俊芳等通过对韩城台金属摆倾斜资料的分析，总结了汾渭地震带山西及陕西地区1989年-2010年间的几次显著地震及汶川8.0级地震前的异常变化特征[2-3]；李艳、张红秀等通过对临汾地倾斜、地应变震前异常特征研究，讨论了河津地震等一系列中强地震前捕捉到的显著短临异常信息[4-8]。上述研究对于了解河津地震地球物理场异常特征具有重要作用，但这些研究多是基于单台站或单测项进行，对于多台多测项异常的时空特征涉及较少。

该文拟在河津地震前震源及邻近地区形变、流体、电磁学科大量观测数据分析基础上，系统梳理异常起始时间、异常形态、异常幅度等，分析震前异常的时、空演化特征，并应用相关数据处理方法分析多种地球物理场观测数据的时频特征。研究结果有可能为地震综合预测与研究提供震例支撑。

1 地球物理场异常概况

根据2010年-2011年山西省年度地震趋势研究报告以及张淑亮等人的研究成果(1)山西省地震局.山西省2010年度地震趋势研究报告,2009.(2)山西省地震局.山西省2011年度地震趋势研究报告,2010.[1-11]，按照中国震例编写规范中研究范围的要求(5级地震研究区为200 km)[12]，同时为避免遗漏敏感点[13]的异常，分析时将研究区扩大至距震中250 km的范围。河津4.8级地震前，研究区内共有22个地球物理场观测台站，17类地球物理场定点观测项目(见第2页图1)，包括金属摆、水管仪、伸缩仪、水平摆、VS垂直摆、VP垂直摆、体应变、水准、地电阻率、大地电场、地磁、水位、水温、水氡、气氡、水汞、气汞等60个观测手段。震前有19个测项存在异常，异常表现特征如第2页表1及第3页图2至第4页图10所示。

可以看出，河津地震前地球物理场异常数量与张淑亮等人对山西地区中强地震研究结果[14](5级以上地震异常台项数一般为15～17项，4.5～4.9级地震异常台项数一般为10项左右)相比，异常数量是山西地区同等级别地震的2倍左右；异常在空间上主要分布在距离震中较近的山西南部至晋陕交界区，在空间上表现出不均匀性；在时间上以短临异常为主，且具有明显的阶段性特征。

图1 河津4.8级地震250 km范围内定点地球物理场观测台站分布图Fig.1 Distribution map of fixed-point geophysical observation stations within 250 km of Hejin M4.8 earthquake

2 异常时空特征

由第4页表2可知，2010年山西河津4.8级地震前异常持续时间大于6个月的中期异常3项，占异常总数的15.79%；短期异常和临震异常16项，占异常总数的84.21%。异常出现时间最早的是夏县水氡反年变高值异常，出现在震前8～9个月；其次是临汾台短水准、临汾VP垂直摆，分别出现在震前7个月和5～6个月；16项短临异常，出现的时间较为集中，主要在震前13天～4个月和2～6天两个时段内。异常在时间进程上具有阶段性和准同步性特征，距离发震时间愈近，异常数量越多，震前20天就出现了11项异常表现出丛集性特征(见第4页图11)。

从河津4.8级地震多项地球物理测项异常空间演化图11看出，震前的19项异常分布在距震中40～248 km范围内。距离最近的异常为韩城金属摆和侯马水管倾斜，分别距震中40和58 km；最远为乾陵垂直摆，距震中248 km，异常分布范围较广。其中，距离震中100 km范围内的有11项，异常占比52%；101～200 km范围内异常有1项，异常占比4%；在201～250 km范围内有7项，异常占比41%(见表2)。可以看出，异常主要集中在0～100 km和200～250 km内，空间上表现出不均匀性。其原因可能与观测台点空间分布和震中区构造的复杂性有一定的关系。由图1看出，河津4.8级地震在250 km范围内，观测台点多数分布在与盆地走向一致的NE方向，在震中的东部与西部几乎无观测点，这种空间分布格局的不均匀性是造成异常空间不均匀性的主要原因；其次，由于震中及附近地区构造的复杂性，NE韩城断裂、NEE向的峨嵋台地北缘断裂和孤山断裂、NW向的西辛封断裂和NWW向罗云山断裂等在震中周围密集交错分布，在区域应力的作用下，因断裂的不均一性在某些部位介质结构发生了改变。河津4.8级地震波速比异常的分布特征也证实了这一推断。震中以北的临汾和安泽地震台，在震前具有持续2～3 年的中期波速比低值异常，临汾地震台西南方位和隰县地震台正南方位的波速比时间曲线出现短期异常变化，震中距最近的夏县台在震前无明显的波速异常[15]。

表1 河津4.8级地震前定点地球物理场观测映震效能分析统计Table 1 Analysis and statistics of earthquake reflecting efficiency of fixed point geophysical field observation before Hejin M4.8 earthquake

图2 河津4.8级地震夏县台水氡观测曲线Fig.2 Water radon observation curve at Xiaxian station before Hejin M4.8 earthquake

图3 河津4.8级地震前临汾台VP宽频带倾斜仪观测曲线及局部放大图Fig.3 VP broadband tiltmeter observation curveand partial enlarged figure at Linfen station before Hejin M4.8 earthquake

图4 河津4.8级地震前韩城台金属摆NS分量日均值观测曲线Fig.4 Daily mean observation curve of NS component of metal pendulum at Hancheng station before Hejin M4.8 earthquake

图5 河津4.8级地震前西安台VS垂直摆倾斜观测曲线Fig.5 Tilt observation curve of VS vertical pendulum at Xi'an station before Hejin M4.8 earthquake

图6 河津4.8级地震前西安台水管倾斜观测曲线Fig.6 Observation curve of water pipe inclination at Xi'an station before Hejin M4.8 earthquake

图7 河津4.8级地震前西安台洞体应变观测曲线Fig.7 Observation curve of body strain in Xi'an station cave before Hejin M4.8 earthquake

图8 河津4.8级地震前夏县台气汞观测曲线Fig.8 Gas mercury observation curve at Xiaxian station before Hejin M4.8 earthquake

综上所述，河津4.8级地震异常在时间上具有阶段性、准同步性和丛集性，在空间上表现出范围广和不均匀性，且异常围绕震源区出现聚集或扩散现象。中期阶段异常从震源区向外围地区扩展，进入短期阶段后，异常有一个快速的扩展过程，即从外围地区向震源区快速收缩推进，之后进入以高、低频波动为主的临震异常阶段(见图11)。

图9 河津4.8级地震前西安台钻孔水位观测曲线Fig.9 Water level observation curve of boreholes at Xi'an station before Hejin M4.8 earthquake

图10 河津4.8级地震前乾陵台VS垂直摆观测曲线Fig.10 Observation curve of VS vertical pendulum at Qianling station before Hejin M4.8 earthquake

表2 河津4.8级地震前定点地球物理场测项及异常数量统计Table 2 Statistics of fixed-point geophysical field measurement items and anomaly number before Hejin M4.8 earthquake

图11 河津4.8级地震前地球物理场异常时空演化及进程图Fig.11 The spatio-temporal evolution and process diagram of geophysical field anomalies before Hejin M4.8 earthquake

3 异常时频特征

异常的时频特征研究是定量识别异常的一种有效方法，前述的异常识别基本以定性判别为主，为了快速准确地判别异常，采用小波多分辨率时频分析方法[16]对震前异常进行处理。这是由于这种信号分解的能力可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，在研究非稳态信号、识别异常信息方面具有优势[17-18]。

从河津地震前各异常测项小波时频分析结果看出，震前3个多月始，有17个测项存在不同程度的异常(限于篇幅，小波分解仅给出异常最先出现的细节层)。如图12a所示,震中距100 km范围内的异常主要集中在小波分解细节部分第5层(32～64 h)或第6层(64～128 h)；距震中100～200 km范围内的异常集中在第7层，周期为128～256 h(见第6页图12b)；距震中200～250 km范围内的异常主要集中在第6层(64～128 h)或第7层(128～256 h),如图12c所示。

图13中，横轴为出现异常的细节层，纵轴为处理结果在此细节层上有异常的测项数与总异常项的百分比。可以看出，距震中100 km范围内，第4层出现异常的比率为0.08，第5层为0.69，第6层为0.23，第7层无异常出现(见图13a)；距震中101～200 km范围内出现的异常仅1项(见图13b),出现在第7层；距震中201～250km范围内异常资料处理结果，第4层和第5层无异常出现，第6层和第7层出现异常的比率分别为0.64和0.36(见图13c)。结果表明，随着台站距震中的由近到远，其频率越来越低，周期亦越来越长。各测项异常信息特征如第7页表3所示。

图12 小波分解结果Fig.12 Wavelet decomposition results

图13 小波分解异常频段统计图Fig.13 Statistical chart of abnormal frequency band by wavelet decomposition

表3 河津4.8级地震前定点地球物理场观测小波时频分析结果统计Table 3 Statistics of wavelet time-frequency analysis results of fixed-point geophysical field observations before Hejin M4.8 earthquake

4 结论

通过对山西河津4.8级地震前250 km范围内地球物理场测项异常信息分析，得出到如下认识：

(1) 在时间上，以短临异常为主，主要集中在震前13天～4个月及2～6天内，异常在时间上具有阶段性和准同步性特征，并且距离发震时间愈近异常数量越多，表现出丛集性特征。

(2) 在空间上，异常分布范围较广(40～248 km)，主要集中在距离震中200 km范围内，中期异常由震中内向外围扩展，短临阶段表现为震中与外围交替出现。异常在空间的分布随时间而变化，具有不均匀性。

(3) 震前异常测项时频分析结果显示，异常包含的周期成分较复杂，随着台站距离震中的远近，异常频段表现出一定的规律性。离震中越近的测项，异常高频信息相对丰富；反之，异常低频信息相对丰富。这一规律对未来地震震中判定具有一定的参考意义。

致谢：国家地震台网中心和陕西省地震局为该研究提供了数据支持，在此深表感谢！