2020年3月20日蒙古MS 5.9地震前地倾斜资料异常特征分析

张 录 张剑锋 周康云 候赛因·赛买提 木巴拉克·江布尔拜

（中国新疆维吾尔自治区 839000 哈密地震监测中心站）

0 引言

地倾斜用于观测地壳形变相对运动和固体潮汐动态变化，可为研究地球固体潮汐、地壳岩石性质及动力学等提供科学实验数据（中国地震局监测预报司，2008），同时为地震预测提供基础数据。由于观测数据中包含各种信息和干扰成分，需使用不同分析方法来突出地震前兆信息。如：吕品姬等（2010）通过汇总地倾斜数据与地震关系的文献，将常用倾斜资料处理方法大致归纳为形态法、拟合预估法、滤波法和固体潮汐分析法等。这些方法在地震监测预报工作中被广泛应用（孙甲宁等，2009；吕品姬等，2014；狄樑等，2017；许璐等，2017，2019；乌日乐，2020；贾媛等，2020）。

阿尔泰山是亚洲中部较活跃的地震构造区，与欧亚板块的碰撞作用及蒙古—西伯利亚地区的动力学过程有关，区域内曾发生1931 年富蕴8 级地震、1957 年戈壁阿尔泰8.3 级地震、1991 年斋桑7.3 级地震以及多次5—6 级地震（沈军等，2003）。2020 年3月20 日蒙古MS5.9 地震是近十年来哈密市及周边区域发生的最大震级地震，震中位于阿尔泰山东南缘哈尔乌苏湖断裂带南段，该区域新构造运动与地震活动强烈（洪顺英等，2006）。自2010 年哈密市区域内定点形变观测设备架设以来，观测到2012 年2 月10 日巴里坤MS5.3 和2014 年4 月30 日哈密MS5.1 地震，但均未对震前异常进行深入的总结分析。本文以此次蒙古MS5.9 地震为主，结合哈密区域2 次5 级地震，分析震前地倾斜异常变化特征。

1 台站基础资料及分析方法

1.1 台站基础资料

以2020 年3 月20 日11:03:15（UTC+8）蒙古MS5.9 地震震中附近400 km 范围内巴里坤（震中距260 km）、富蕴（震中距369 km）和芨芨台（震中距354 km）3 个定点形变观测站的倾斜资料为研究对象（图1），分析总结此次震前异常变化特征。为保证数据的可靠性，均选取仪器工作状态正常且运行稳定后的观测资料。

图1 蒙古MS 5.9 地震震中及周边观测台站分布Fig.1 Distribution of observation stations around the epicenter of Mongolia MS 5.9 earthquake

巴里坤观测站地处准噶尔盆地东缘，阿尔泰构造带富蕴—北塔山—纸房断裂东南端，巴里坤盆地东北缘断裂西北端，南侧为洛包泉—碱泉子断裂。观测室位于花岗岩山体的观测山洞内（山洞进深16 m，洞顶覆盖层厚度约11 m），2010 年8 月安装SQ-70D石英水平摆倾斜仪，2011 年正式入网观测，2018 年9 月进行数采和光源灯升级。

富蕴观测站位于阿尔泰山西南麓，富蕴—库尔提、额尔齐斯和可可托海—二台等断裂带交汇处，地质构造复杂。2011年11月架设CZB-2A竖直摆钻孔倾斜仪，钻孔深度18 m，花岗岩基底，2012 年试运行，2013 年正式入网观测。因2014 年3—7 月数采故障，数据异常，选取该台站2015—2020 年的数据进行分析。

芨芨台观测站位于天山褶皱带哈密盆地北缘断裂，台基岩性为花岗岩。2015 年1 月安装CZB-2A 型竖直摆钻孔倾斜仪，仪器置深23.8 m。2016 年7 月正式入网并进行日常资料处理，但前期因数采故障缺数较多，故取2017—2020 年的数据进行分析。

使用上述3 个观测站倾斜观测数据分析蒙古MS5.9 地震，对于哈密2 次5 级地震，选用巴里坤观测站水平摆倾斜数据进行分析（因芨芨台、富蕴观测站仪器架设晚，无2 次5级地震数据记录）。

1.2 分析方法

（1）形态法。在原始记录、整点值、日均值曲线正常变化背景上，利用形态法，分析倾斜加速变化、阶跃、脉冲、波动、“鼓包”等异常，以及矢量图显示倾斜方向的变化，如拐弯、打结、变速等异常（吕品姬等，2010）。

（2）小波分析。此为信号处理分析常用方法，利用时间和频率的局域变换，通过伸缩和平移等运算，对函数或信号进行多尺度细化分析，以提取有效信息（柳建新等，2006）。小波分析在地球物理学研究和数字化地震学资料分析中被广泛应用，已有研究成果有：张燕等（2004）采用db4 小波，将云南武定MS6.5 地震前震中附近5 个台站的整点值数据分解到第9 阶，发现在细节部分的第7、8 阶，均出现幅度较大的异常信号；杨从杰等（2005）采用db4 小波分析井水位（采用整点值）M2波潮汐因子，发现在细节部分的第2、3 阶有幅度较大的地震前兆异常信号；吕品姬等（2014）采用db4 小波，对巴东MS5.1 地震前周边形变观测整点值数据进行小波分解，发现部分资料在细节第9 阶出现幅度较大的异常；刘建明等（2016）利用db4 小波基函数，选取细节6 阶，捕捉不同台站相同频段的异常信号，分析震前异常时空特征。基于上述研究，文中拟采用db4 小波函数进行9 阶分解，以获取震前可能出现的异常信息。

2 异常特征分析

2.1 形态法

2.1.1 巴里坤水平摆倾斜异常。2011 年以来，巴里坤水平摆倾斜仪运行稳定，观测资料年变清晰，EW、NS 分量年变转向时间较为同步。NS 分量总体变化趋势为S 倾，在2014—2015 年出现N 倾变化，期间发生2014 年4 月30 日哈密MS5.1 地震；EW 分量2011—2017 年变化形态为缓慢W 倾，自2018 年起变化趋势反转为加速E 倾（图2），统计EW 分量每年12 月至次年6 月的年变幅度，2018—2019 年年变幅为4.96″，明显大于往年同期年变幅度（表1），后于2020 年3 月20 日发生蒙古MS5.9 地震。巴里坤水平摆观测背景清晰，变化趋势显著，除2012年2月10日巴里坤MS5.3地震无明显异常外（资料观测时间短），其余2 次5 级中强震前均出现较清晰的反向趋势变化异常，可为未来中强震的趋势预测提供参考。

图2 巴里坤水平摆倾斜日均值时序变化Fig.2 Time series of daily mean value of horizontal pendulum tiltmeter at Barkol station

表1 巴里坤水平摆倾斜EW 分量年变幅度统计Table 1 Statistics on annual variation amplitude of EW component of horizontal pendulum tiltmeter at Barkol station

2.1.2 富蕴钻孔倾斜异常。富蕴钻孔倾斜观测资料EW 分量整体变化形态为E 倾，相较于NS 分量，背景清晰且年变幅度较大。NS 分量在2015—2017 年变化趋势为N 倾，日均值曲线受干扰影响大，畸变较多，年变不清晰；2018 年开始缓慢S 倾，无显著干扰，曲线形态及年变逐渐清晰，每年4 月和10 月发生年变转向，见图3（a）。

蒙古MS5.9 地震前富蕴钻孔倾斜出现明显短期异常，且NS 分量变化特征更突出。NS分量自2019 年12 月30 日起，N 倾趋势转向为缓慢S 倾，打破正常年变形态，持续至2020年2 月3 日，后逐步恢复N 倾，异常持续50 天后发震，震后恢复正常年变。EW 分量自2020 年3 月1 日起E 倾趋势减缓，地震发生后减缓趋势仍较明显，持续至5 月5 日，后恢复正常年变形态，见图3（b）。

图3 富蕴钻孔倾斜日均值时序变化(a)2015—2020 年；(b)2019—2020 年Fig.3 Time series of daily mean value of borehole tiltmeter at Fuyun station

2.1.3 芨芨台钻孔倾斜异常。芨芨台钻孔倾斜NS 分量呈N 倾趋势、EW 分量呈E 倾趋势变化。NS 分量在每年6 月至10 月有一段缓慢S 倾过程，之后呈快速N 倾；EW 分量则在每年3 月初至6 月中旬缓慢W 倾，后快速E 倾，见图4（a）。

自2019 年8 月4 日起，原本处于快速E 倾趋势的EW 分量，转向为W 倾，8 月21 日后逐步恢复E 倾，与往年同期相比，速率明显变缓，最大相差约1.1″，见图4（b）。蒙古MS5.9地震发生时，NS、EW分量均出现较大的同震阶跃，见图4（a），阶跃量分别为0.162″和0.42″。

图4 芨芨台钻孔倾斜时序变化(a)2017—2020 年日均值时序变化；(b) 2017—2020 年EW 分量年变曲线比较；绿色虚线为理论变化趋势Fig.4 Time series of borehole tiltmeter at Jijitai station

2.2 小波分析

对数据进行预处理，主要包括对缺数部分进行插值处理，消除人为干扰（仪器标定、进出观测室、施工等）引起的突变数据以及地震造成的突跳、阶跃干扰，以提高数据的可信度。考虑到小波分析时面临的边界效应（即边界失真）（吴国曾，2010；朱吉昌等，2017），使用震前6 个月和震后1 个月的连续整点值数据，进行db4 小波9 阶分解，以识别细节部分的震前短期异常（文中设定时段为3 个月左右），其中细节1 阶主要突出了高频干扰成分，细节2—4 阶主要是固体潮的高频变化信息，细节5 阶以后主要是比地球潮汐频率更低的信号，其中可能包含震前异常信息，以超过2 倍标准差控制线作为异常判定标准。

图5为蒙古MS5.9地震前后巴里坤水平摆EW分量整点值小波9阶分解曲线，结果显示，震前异常信号不显著，仅在12 月前后，细节7—9 阶出现超限异常。相较于细节部分，水平摆资料的震前趋势异常更为明显，分析2011 年以来巴里坤观测站日均值时序，其中EW分量趋势部分第8、9 阶，震前有明显的异常变化（图6），表现为在震前缓慢W 倾趋势背景下出现反向加速E 倾变化，直至地震的发生，震后恢复W 倾趋势。哈密2 次5 级地震前，趋势8 阶具有较为明显的异常特征，主要表现为加速W 倾—反转E 倾—发震。另外，对于哈密2 次5 级地震前水平摆观测资料的细节部分，巴里坤MS5.3 地震前3 个月未记录到明显的超限异常信息，仅EW 分量第7 阶在震前2 个月内出现一组异常信号（图7）；哈密MS5.1 地震前，NS、EW 分量整点值小波分解细节6—9 阶均出现明显的超限异常（图8）。

图5 巴里坤水平摆EW 分量整点值小波分析Fig.5 Wavelet analysis of hourly value of EW component of Barkol horizontal pendulum tiltmeter

图6 巴里坤水平摆EW 分量日均值小波分析Fig.6 Wavelet analysis of daily mean value of EW component of Barkol horizontal pendulum tiltmeter

图7 巴里坤MS 5.3 地震前后巴里坤水平摆整点值小波分析Fig.7 Wavelet analysis of hourly value of Barkol horizontal pendulum tiltmeter before and after Barkol MS 5.3 earthquake

图8 哈密MS 5.1 地震前后巴里坤水平摆整点值小波分析Fig.8 Wavelet analysis of hourly value of Barkol horizontal pendulum tiltmeter before and after Hami MS 5.1 earthquake

富蕴、芨芨台钻孔倾斜观测数据在蒙古MS5.9 地震前的细节部分出现超限异常。其中，富蕴EW 分量第6 阶和NS 分量第6—8 阶、芨芨台EW 分量6—8 阶，均在震前3 个月出现周期几天至十几天的超限异常（图9，图10）。

图9 富蕴钻孔倾斜整点值小波分析Fig.9 Wavelet analysis of hourly value of Fuyun borehole tiltmeter

图10 芨芨台钻孔倾斜整点值小波分析Fig.10 Wavelet analysis of hourly value of Jijitai borehole tiltmeter

综上可知，在小波分析时，所选时段的9—11 月3 套观测资料的细节6—8 阶出现明显的超限现象，但不作为地震异常。这是因为，数据受小波边界效应影响，且查阅观测日志可知，应为受降雨所致短期变化。因此，在震前异常识别时，应查阅日志、对照辅助观测资料（降水、气压和气温等）进行干扰排除，以避免误判。

通过对比3 个观测站NS、EW 分量的小波分解结果，发现蒙古MS5.9 地震前异常信息集中在细节6—9 阶，同时巴里坤水平摆观测资料趋势部分8—9 阶异常显著。

2.3 异常总结

此次蒙古MS5.9地震发生在新疆东北部中国边境以外地带（图1），与2014年哈密MS5.1地震发生时间相隔6 年。据统计，1800 年以来巴里坤观测站周边300 km 范围（涵盖哈密市及相邻区域）内，共发生5 级以上地震24 次（新疆地震目录），其中6—6.9 级地震2 次，7级以上地震3 次，表明该区域有强震发生背景，但是相较于新疆区域的乌恰—喀什地区（张琳琳等，2017），5 级以上地震频度较低，有较长时段处于中强地震平静期。该区域形变观测背景较清晰，3 个台站观测仪器架设时间短，但数据连续率高、质量好，部分时段虽有人为干扰，但无显著仪器故障和中强震震后效应，在排除气象要素和可能的环境干扰后，蒙古MS5.9 地震前的倾斜异常信度较高。巴里坤和芨芨台观测站形变资料均在震前1 年左右出现趋势异常变化，富蕴站钻孔倾斜资料则在震前3 个月内出现短期异常，反映了在持续的构造力作用下，同一区域应力场会出现一些较为同步的群体变化特征。若哈密及周边区域未来出现地震前兆异常，可将3 个观测站资料进行同步分析对比，以获取较为可靠的信息。

对3 个观测站两分量资料进行小波分析，不仅可快速识别并消除干扰、分离不同频率的波形，而且有助于提取趋势和短期（细节部分，3 个月左右内）异常信息，同时提高了采用传统方法（如形态法）获取地震前兆异常的可信度。

3 结论

（1）蒙古MS5.9 地震前，在震中400 km 范围内，3 套倾斜观测资料出现明显的中短期异常。其中，巴里坤水平摆倾斜仪EW 分量在2018 年由趋势W 倾转为反向加速E 倾，且震前1 年，其年变幅明显大于往年。富蕴钻孔倾斜NS 分量在震前50 天由N 倾趋势转向为缓慢S 倾，出现打破正常年变形态的异常。芨芨台钻孔倾斜EW 分量在震前7 个月左右出现明显低于往年变化速率的异常（最大相差约1.1″）。

（2）使用db4 小波函数对巴里坤、富蕴和芨芨台地倾斜资料进行9 阶分解。蒙古MS5.9地震前，在3 套仪器数据两分量细节部分的6—9 阶，均可获取周期为几天至十几天的异常信息；巴里坤水平摆EW 分量趋势部分的第8—9 阶显示，在W 倾背景趋势下具有明显反向加速E 倾的异常形态特征。