基于形变速率累加法研究北天山地区形变异常与孕震关系①

赵 磊， 丁 宇， 杨 磊， 李 瑞， 孙小旭， 李桂荣， 方 伟，艾力夏提·玉山， 刘代芹

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

地震是地壳运动的产物，而GPS测量、跨断层水准等形变观测是获得地壳运动变化信息的直接途径。作为地震监测预报手段，许多国内外学者均对断层活动状态和运动过程进行了大量的研究。郭良迁等根据断层形变得到华北地区异常参数和应变累积率，提出系统的断层形变异常识别参数模型[1]。薄万举等分析环渤海及北京地区布设的跨断层形变观测的数据资料，得出断层形变与地震之间存在相关信息的结论[2]。车兆宏等分析华北地区跨断层形变资料，发现强烈地震发生前，认为大范围断层活动方式的转折，可能是地震活动分期的重要标志之一[3]。方伟等分析北天山地区跨断层水准资料，认为现今北天山山前地区地壳运动以继承性运动为主，震前形变异常与发震具有一定的相关性[4]。利用断层形变资料提取地震前兆信息有最小二乘配置、斜率差法、断层形变异常强度、灰色关联度以及地壳形变和应力相关性等多种方法[5-7]，研究成果表明，异常识别指标对地震预报有着积极的指导作用。本研究在前人的研究基础上，运用“形变速率累加”数学模型，对收集到的北天山形变观测资料进行解算，对异常数据积分，有效剔除突跳、非连续的速率异常变化，使得在某时间段内较为频繁的速率异常变化更为直观和突出，异常幅度显著，易于异常的识别和提取。结合MS≥6.0地震距离震中300 km范围内的垂直形变资料，分析形变速率累加异常与地震的关系，捕捉该地区地震异常信息，可为地震预报工作提供可靠依据。

1 资料选取与研究方法

1.1 资料选取

目前，北天山山前地区活动断层上共布设12个跨断层水准场地，观测场地升级改造后，每年观测2期，观测精度每千米高差中数偶然中误差0.23～0.25 mm，观测精度优于跨断层测量规范要求，即MΔ=±0.50 mm，符合跨断层水准测量精度要求[8]，同时点位周围环境等干扰因素较少，资料可信度较高。场地附近还布设有若干中国大陆构造环境监测网络基准站(图1)，通过计算每日的重复精度。除了粗差以外，最大的RMS值为东西向6.8 mm、南北向4.7 mm、垂直向8.4 mm，最小的RMS值为东西向0.8 mm、南北向0.4 mm、垂直向1.3 mm。剔除粗差，经计算，平均重复精度东西向2.4 mm、南北向1.3 mm、垂直向4.0 mm。精度较高，均在毫米级，精度优于平均值的NEU分别为55.9%、51.1%和55.1%。东西向精度优势区间0.8～4.8 mm，南北向的优势区间0.4～2.7 mm，垂直向略差，其优势区间1.5～7.2 mm，将三分量精度分别进行统计并绘制成图(图2)[9]。主要选取自2012年场地优化改造以来12条跨断层水准场地观测数据高差时间序列和GNSS基准站的观测数据处理得到的NEU三分量日均值时间序列。

图1 北天山地区断层与跨断层形变观测场地、GNSS基准站以及MS≥6.0地震分布图 Fig.1 Observation site of fault and cross-fault deformation, GNSS reference station and

1.2 计算模型

数列的任意相邻两项，第n项an和第n-1项an-1的差组成的是一个特殊数列，那么这个数列的前n项和，可以采用累加法求数列通项公式。例如，断层形变观测的时间序列就可以做为一个特殊数列，应用上述数学理论方法对其进行理论模拟[10]。

图2 “陆态网络”基准站位移三分量数据重复精度(RMS)统计图(a) EW向 (b) NS向 (c) UD向Fig. 2 Statistical graph of three-component displacement data of reference stations in the “Land State Network”

形变速率累加法对原始数据做一阶差分处理，以两倍标准差作为判断依据，得到各测线的形变速率累加值，结合研究区域以往MS≥6.0震例，进行异常分析判断，可以更加直观和明显的展现出连续异常点积分后的形变速率累加变化，

V=|hi-hi-1| (1≤i≤n).

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，h为原始观测数据的各期观测值；(hi-hi-1)为相隔1个周期的一阶差分值，可以消除原始观测资料的趋势变化；n为原始观测总期数；σ为形变速率V的标准差；把V≥2σ的形变速率保留，将V<2σ的形变速率设为0，对T求累加计算，Z为累加形变速率。

以两倍标准差作为判断依据，若V在两倍标准差以内，表示断层活动无显著变化；如果曲线发生一次阶跃式或直线上升，表示形变速率超出控制限，阶跃幅度为阶跃前后形变速率累加值之差。而当曲线的阶跃在某段时间内频繁发生时，标志着在此时间段内断层形变速率多次超出控制限，使得曲线在总体上呈现上升趋势，说明断层活动在此时段内“连续”的发生显著变化，在异常核实无干扰的情况下，可视为地震的综合异常表现[11-13]。

2 计算结果与地震分析

通过上述方法，得到北天山地区跨断层水准观测资料和GNSS基准站NEU三分量时间序列的形变速率累加值。结合震例，重点分析尼勒克—巩留MS6.0地震、新源—和静MS6.6地震、呼图壁MS6.2地震和精河MS6.6地震的形变异常对应关系。

2.1 跨断层水准时间序列

北天山地区布设的跨断层水准测线，属于近断裂区观测，反映场地所在小区域断层活动或大区域应力加载导致的形变。呼图壁MS6.2与精河MS6.6地震发震构造分别是齐古背斜以南深部隐伏断层和库松木契克山前断裂，地震以逆断为主[14]，震中200 km范围内分布有若干水准观测场地(表1)。

表1 跨断层水准场地相关信息表

呼图壁MS6.2地震异常主要分布在霍尔果斯断裂的东段，在这条断层上布设有大丰、红山嘴、卡子湾3个场地4条测线(图3)。

大丰2-1测线2016年9月累计变化量达到-7.35 mm 最高值(图3a～d)，可以看出两条测线具有同步性，累计时间4年，自2012年观测以来该场地两条测线高差曲线均呈现明显的长趋势下降变化，累计变化量连续增高，挤压作用明显，逆断性质显著，符合这一地区的地形地貌，与该地区构造运动特征相吻合，这种形变过程反映了地壳内应变能的逐渐积累。2012年9月至2016年4月高差变化量变化平稳基本保持在1.5 mm左右，没有明显的加速变化趋势。2016年4月至2019年9月出现明显的加速变化情况，变化量达2.63 mm，断层活动性较强，是震前4年间出现的最大变幅，大丰2-3变化幅度达-4.32 mm，与大丰2-1变化相似。同时，位于大丰测线场地上的呼图壁定点跨断层水准测线出现了长期闭锁的异常情况。通过该区域的石河子至乌鲁木齐GPS基线变化情况可以看出，震前基线年变转向有所滞后，幅度减小(图4)。从2016年11月7日～2016年12月12日对大丰测线进行1周/次的加密观测，加密观测过程中2016年12月8日在距该测线35 km发生呼图壁MS6.2地震。两条测线对于同一地震都表现出非常相似的异常变化形式[15]，在转折的过程中发生地震。但是，大丰2-1的原始曲线表现相对平缓，异常信息不明显，而运用形变速率累加法计算后，震前呈现出很好的异常累加效果，出现阶跃异常变化，阶跃前后异常幅度分别为0.905 mm和8.535 mm，说明此段时间内断层活动相对活跃，速率超出了两倍标准差控制限，异常曲线呈上升趋势。图3(e～f)为红山嘴测线，曲线上下跳动幅度较大，断层活动强度较高。测线距离呼图壁MS6.2地震震中44 km，地震发生前的2期观测分别在2016年4月和9月完成，出现量级较大的反向运动，变化量达到2.49 mm，形变速率累加结果显示异常明显。图3(g～h)是卡子湾测线，该测线的观测结果虽然没有上述2条测线变化显著，但是在同样的时段出现加速变化过程，该测线持续保持非继承性运动，差异性活动明显，这种长趋势变化值得关注。图3(i～j)是独山子测线，震前测线出现加速下降的变化趋势，在下降过程中发震，通过形变速率累加分析后，曲线大幅上升，异常显示明显。4条测线在地震发生前都出现加速变化的异常情况，形变速率累加的结果与原始曲线异常变化对应一致，尤其距离震中较近的大丰测线和红山嘴测线阶跃变化较明显。

图3 呼图壁MS6.2地震各测线高差时序和形变速率累积对比图(a) 大丰2-1时间序列 (b) 大丰2-1形变速率累加 (c) 大丰2-3时间序列 (d) 大丰2-3形变速率累加(e) 红山嘴3-2时间序列 (f) 红山嘴3-2形变速率累加 (g) 卡子湾3-1时间序列(h) 卡子湾3-1形变速率累加 (i) 独山子3-1时间序列 (j) 独山子3-1形变率累加Fig.3 Cumulative comparison diagram of elevation difference timing sequence and deformation rate of each seismic survey line in Hutubi MS6.2 earthquake

图4 石河子至乌鲁木齐GPS基线时间序列图Fig.4 GPS baseline time series from Shihezi to Urumqi

精河MS6.6地震异常主要分布在准噶尔南缘断裂，表现为震前转折异常。在这条断层上布设宁家河、古尔图两条测线。巴音沟、独山子场地虽不在该断层上，但距离震中相对较近，地震发生前也出现了同步的异常变化。

图5(a～b)是宁家河测线，距离精河MS6.6地震震中220 km。自2012年观测以来该场地测线高差曲线均呈现明显的长趋势下降变化，累计变化量连续降低，曲线形态表现为长趋势阶梯状缓慢下降，挤压作用明显，逆断性质显著的特征[16]。精河MS6.6地震前，2017年3月的观测结果显示，趋势线大幅度上升，变化量达到7.73 mm。2017年6月的观测结果显示，趋势线又大幅下降，变化量达到7.86 mm，此次较大幅度的变化是由于春夏交季冰雪融水较多造成点位干扰，且地震发生时间与之接近，地震前兆异常与干扰相重合，用形变速率累积法无法准确判断。

图5(c～j)分别为独山子、巴音沟、古尔图、伊宁县北4条测线，分别在距离精河MS6.6地震震中60 ～160 km范围内。巴音沟测线变化曲线也呈逐渐下降趋势运动，该测线持续保持非继承性运动，差异性活动明显，这种长趋势变化值得关注。独山子3-1测线变化曲线也呈逐渐下降趋势运动，但在精河MS6.6地震发生前，出现幅度较大的加速下降变化，形变速率累加后，连续异常点阶跃明显，地震发生前该测线保持非继承性运动，显示出明显的挤压变化，震后转折调整明显。古尔图测线变化曲线呈上下波动变化状态，2012～2015年呈现小幅下降变化，2015年9月至2016年9月垂直向变化的趋势发生转折，并在精河MS6.6地震前发生大幅下降变化，趋势再次转折，且幅度为历次观测量值的最大值。地震发生后，该测线再次呈现出上升的垂直向变化趋势，测线附近分别在2017年9月16日发生库车MS5.7地震和2018年10月16日精河MS5.4地震，地震发生后恢复为2012～2015年的正常状态，持续南北向挤压的继承性运动。地震前，这4条测线都同时出现一定幅度的变化，通过形变速率累加，连续异常点大幅上升和阶跃变化效果明显，映震效果较好，具有地震前兆异常指示意义。

图5 精河MS6.6地震各测线高差时序和形变速率累积对比图(a) 宁家河3-1时间序列 (b) 宁家河3-1形变速率累加 (c) 独山子3-1时间序列 (d) 独山子3-1形变速率累加(e) 巴音沟3-1时间序列 (f) 巴音沟3-1形变速率累加 (g) 古尔图4-1时间序列 (h) 古尔图4-1形变速率累加(i) 伊宁县北3-1时间序列 (j) 伊宁县北3-1形变率累加Fig.5 Cumulative comparison of elevation difference timing sequence and deformation rate

形变速率累加指标对呼图壁MS6.2和精河MS6. 6地震都有前兆异常。从2012年场地改造以来的观测数据分析，北天山地区是以逆断挤压为主的构造活动特性[17]。地震前异常变化特征主要表现在以下两个方面：(1) 在空间上主要集中在霍尔果斯断裂上和准噶尔南缘断裂、测线变化量明显增大，表明局部应力增强。(2) 在时间上明显的异常变化均出现在震前150 d左右，在这个时间段内的中长期地震异常背景下，出现量级较大的形变变化[14]。

2.2 GNSS位移时间序列

距离地震震中300 km范围内有13座中国大陆构造环境监测网络GNSS基准站(XJSH、URU2、XJKL、XJWL、XJDS、XJXY、XJZS、XJWQ、XJBY、XJYN、XJTC、XJKE、XJKC)，均为连续观测站，观测数据采用武汉大学卫星导航定位技术研究中心开发的精密定轨定位软件(PANDA)进行处理，采用ITRF14参考框架下的NEU结果，分别是NS、EW和UD 3个方向的日均值时间序列，目前已经累计有8年的数据。

在日常的地震预报分析工作中只是通过判别3个方向的时间序列出现的突跳、阶变、年度畸变、加减速、超预值、年变转向提前或滞后等原始图像变化判断异常，这些异常变化大多都是短期发生，而目前积累的庞大数据量导致出现的异常变化仅通过原始图像直接判断难度加大，不易识别。通过引入形变速率累加法，对NEU 3个方向的分量进行计算处理，结合该地区MS≥6.0震例，形变速率累加结果对于震前异常识别更加快捷、直观(图6)。

3 映震特征分析

从所列历史地震可知，表2中异常持续时间从61～242 d不等，平均持续时间为108 d；从异常出现到地震发生最短时间为7 d，最长220 d，平均为146 d，基本在1～7个月内，可作为地震中、短期预报指标。从震例的空间特征上看，MS≥6.0地震的平均震中距约 99 km，映震范围在200 km以内。表3中统计北天山地区距离震中300 km范围内的13座GNSS基准站自有观测记录以来的异常对应特征信息(图4)，得出NEU 3个分量的发震最优异常持续时间为95 d 左右，最优异常幅度分别为(N)13.0 mm、(E)23.3 mm、(U)55.3 mm符合北天山地区GNSS基准站东西向变化比南北向变化大的整体运动特征，发震的最优时间在117 d左右，与跨断层水准得出的时间较为接近，从震例的时空映震特征上看，该方法对北天山跨断层水准和GNSS基准站NEU 3分量数据的连续异常点积分区域与震例的对应关系较好。

图6 13座GNSS基准站NEU三分量形变速率累积图(a) EW向 (b) NS向 (c) UD向Fig. 6 Three-component deformation rate accumulation diagram of NEU at 13 GNSS reference stations

表2 跨断层水准异常特征信息表

表3 GNSS基准站综合异常特征信息表

4 结 语

使用形变速率累加法使得异常过程直观，有明显的拐点和阶跃上升变化，曲线斜率加大，更容易显示出异常的起止时间和变化幅度。从映震的时空分布看，异常开始至地震发生的平均时间为125 d，MS≥6.0地震的震中距平均在250 km范围内，形变速率累加法适用于北天山地区的形变观测的异常识别计算，可作为地震中短期预测指标。该方法用于处理新疆区域GNSS数据，通过震例分析，对应效果较好，可真实反映出北天山地区GNSS基准站东西向变化比南北向变化大的整体运动特征，此方法基本适用于GNSS数据的异常识别。仪器的运行情况和外界干扰因素对计算结果的影响较大，在异常识别判断时需要仔细排除这些“异常”，使得结果可信度更高。利用历史资料记录以来仅有的4个MS≥6.0震例进行分析讨论，虽然整体上震例对应情况较好，但是也存在不足之处，需要通过更多资料和震例来检验，才能够更好地服务于地震监测预报工作。