2020年3月20日蒙古MS5.9地震前倾斜固体潮汐因子变化特征分析①

张 录，陈鲁刚，张 杰

(1.新疆维吾尔自治区地震局哈密地震监测中心站，新疆 哈密 839000；2.新疆维吾尔自治区地震局喀什地震监测中心站，新疆 喀什 844000)

固体地球在月亮、太阳引潮力作用下所产生的周期性形变称为固体潮汐，其特征数—固体潮汐因子，可为了解地球的弹性性质和地壳岩石的物理性质以及探索地震前兆异常提供途径[1]。在震前固体潮汐因子异常研究方面，已有学者做了大量的工作。吴翼麟[2]分析了倾斜固体潮振幅因子变化的物理意义，以此探索震前台站周缘应变积累程度及孕震可能；张晶等[3]通过计算华北、西南地区的重力、形变、应变等的潮汐因子、时间滞后等潮汐参数，提取并总结了震前异常信息及变化特征；李强等[4]发现南黄海MS6.1地震前区域潮汐因子有一年半时长的异常变化，最大异常幅度为0.28左右；傅再扬[5-6]、张肖[7]、苏维刚[8]等研究了倾斜固体潮汐因子的动态组合信息在中、强震前的异常变化特征；吕品姬等[9]通过潮汐因子和小波分解法提取了巴东MS5.1地震震中附近400 km范围内的形变观测数据的异常特征；王时[10]、候晓真[11]等通过计算河北省的定点形变台站观测资料的潮汐因子，分析了其在震前的异常变化特征，并进行映震效能评估；何斌等[12]研究了体应变仪观测层岩芯的单轴抗压强度和弹性模量与M2波视潮汐因子之间的关系；对于新疆区域形变台站的潮汐参数及其震前异常，亦有大量成果[13-17]。上述关于固体潮汐因子的研究，对于震前周边前兆观测资料异常信息的提取提供了很好的方法与借鉴。

2020年3月20日蒙古MS5.9地震所处区域及周边具有强震发生的背景(1914、1974年巴里坤发生过2次MS≥7.0地震)，但因定点形变观测设备自架设以来，中强震发生较少，这使得该地区形变数据的震前异常积累不足。因此，本文中通过研究此次蒙古MS5.9地震前哈密及附近地区地倾斜固体潮汐因子的变化特征，为研究该地区中强震的预测指标和震例总结提供一定参考。

1 资料选取及计算

1.1 资料选取

2020年3月20日11时03分15秒中国哈密市以北的蒙古国境内(94.14°E、46.03°N)发生MS5.9地震，震源深度10 km。该地震处于阿尔泰山东南缘的哈尔乌苏湖断裂带南段，此区域新构造运动与地震活动强烈[18-19]。以该地震震中附近400 km内的巴里坤(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所计算的连续固体潮汐因子为研究对象，分析总结震前潮汐因子的异常变化特征(图1)。为保证数据的可靠，选取仪器工作状态正常且运行稳定的观测资料(表1)。

表1 研究区倾斜观测站基本情况

图1 蒙古MS5.9地震震中及周边观测台站分布图

巴里坤观测站处于北塔山—纸房断裂东南端，巴里坤盆地东北缘断裂的西北端，南侧为洛包泉—碱泉子断裂。观测室位于花岗岩山体的山洞内(进深16 m，洞顶覆盖层厚度约11 m)，2010年8月于山洞内安装SQ-70D石英水平摆倾斜仪，2011年正式入网观测，2018年9月进行了数采和光源灯升级，目前运行稳定。富蕴观测站处于富蕴—库尔提、额尔齐斯及可可托海—二台等断裂带的交汇处，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。芨芨台观测站位于天山褶皱带，哈密盆地北缘断裂，基础岩性为花岗岩。2015年1月安装CZB-2A竖直摆钻孔倾斜仪，安装深度23.8 m，2016年7月正式入网并进行日常资料处理。

1.2 数据预处理

为保证计算出的倾斜固体潮汐因子的稳定和可靠性，选取资料时作数据预处理。以月为窗长，选取3个观测站的整点值数据进行处理，主要方法包括：消除数据突跳；去除地震引起的阶跃；剔除仪器校准、故障及施工干扰等造成的畸变数据。

1.3 计算方法

由于日波受气象要素日变的干扰，本文中以半日波M2波潮汐因子为研究对象。采用维尼迪可夫(Venedikov)调和分析方法计算倾斜固体潮汐因子，再通过小波分析和动态组合进行异常特征的提取，主要通过如下方法：

(1)维尼迪可夫(Venedikov)调和分析：设每个观测值由不同成分的潮汐波叠加而成，

y(tj)=∑ihicos(ωiti+φ(Tj))+Φ(tj) .

(1)

式中，y(tj)为时间观测序列；hi是角频率为ωi的潮汐波观测振幅；φ(Tj)为同一潮汐波的初相位；Tj为观测序列中央时刻的时间间隔；Φ(tj)为tj时的零点漂移。利用维尼迪柯夫设计的偶数字滤波器和奇数字滤波器作用于连续48 h的固体潮观测整点值，经过数学变换后，可按最小二乘法原理求得各波群的潮汐因子和相位、残差矢量等参数，提取所需的固体潮信息[20]。

(2)小波分析：这是时间和频率的局域变换，能有效地从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析[21]。小波函数的选取及其分析提取地震前兆异常信息方面，已有学者[22-24]做了研究。刘建明等[25]根据紧支撑性、对称性和正则性原则，通过最大误差和平均误差判定，选用最优的db4小波基函数分析了新疆区域2次MS6.0地震前地倾斜异常信息。张燕[26]、吕品姬[9]、杨从杰[27]等亦采用db4小波分析获取地震前兆异常。基于上述学者的研究，本文中利用db4小波函数对固体潮汐因子进行分解，将其近似部分(低频)与细节部分(高频)分离，根据近似部分确定潮汐因子趋势变化，细节部分识别短期异常变化[27]。

2 结果与分析

2.1 倾斜变化特征分析

巴里坤水平摆倾斜观测资料自2011年以来运行稳定，年变清晰。两分量年变转向时间较为同步，每年6月份开始夏季转向，12月份冬季转向(图2a)。富蕴钻孔倾斜观测资料在2014年3～7月，两分量出现反向加速的异常变化，经检查为数采故障，后进行更换，至今运行稳定(1)富蕴地震台.2021年度可可托海—二台断裂带地震趋势研究报告，2020年10月.。其EW分量整体变化形态为E倾，背景清晰且年变幅度较大，每年6月份夏季转向，11月份冬季转向。NS分量在2013～2017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年开始转向为缓慢S倾，无显著干扰，曲线形态及年变逐渐清晰，每年的4月和10月份年变转向(图2b)。芨芨台钻孔倾斜观测NS分量呈N倾趋势，EW分量呈E倾趋势。NS分量在每年6～10月有一段缓慢南倾过程，之后呈快速N倾；EW分量则在每年3月初至6月中旬为缓慢W倾，后快速E倾(图2c)。

图2 各观测站倾斜变化时序

2.2 潮汐因子时序变化特征

通过调和分析计算所得巴里坤、富蕴和芨芨台观测站的EW、NS分量M2波潮汐因子时序变化，并对其进行了统计分析。因处内陆，受海潮汐影响小，这3个观测站的潮汐因子均值在0.5左右。对比标准差和变异系数，富蕴、芨芨台观测站潮汐因子离散程度低，而巴里坤观测站潮汐因子离散程度较高(表2)，这可能因富蕴、芨芨台为钻孔观测，相比于巴里坤的山洞观测(进深短且覆盖层薄)，其受环境干扰影响较小。

表2 各观测站M2波潮汐因子统计分析

对于蒙古MS5.9地震，巴里坤、芨芨台观测站潮汐因子时序变化在震前未见明显异常特征，仅巴里坤观测站EW分量在地震发生当月出现了同震响应(图3a和图3c)。而富蕴观测站潮汐因子时序有较为明显的异常，从整个时序变化来看，EW和NS两分量自2017年起，在震前均有3年的低值期，以EW分量更为明显。在整个低值变化过程中，又自2019年4月起，原本处于增大趋势的潮汐因子，出现了反向减小，后又逐步恢复增大的变化趋势，在近1年后发震，这一变化过程，可认为是此次地震前固体潮汐因子异常变化的直观体现(图3b)。

图3 各观测站M2波潮汐因子时序变化

2.3 潮汐因子小波分析

采用db4小波函数对3个观测站的潮汐因子时序进行6阶分解。结果显示，其细节部分(主要识别中短期异常变化)6阶分解结果均无异常特征(可能与其处于震源区外围，距离震中较远，中短期异常不明显；同时与潮汐因子的计算窗长为月，其所包含的高频信息少有关)，但是趋势部分的4阶(与之对应的细节4阶的周期为16～32个月)则有较为明显的震前异常信息，其主要表现为震前有超出1倍标准差的异常时段。

巴里坤观测站EW分量出现3次超出1倍标准差的异常时段，第1时段在2012年9月～2013年9月(13个月)，超限异常后发生2014年4月30日哈密MS5.1地震，震后变化趋势恢复平稳。第2时段在2016年9月～2017年11月，超限15个月后逐步恢复，但无地震对应。第3时段从2019年6月起超限，10个月后发生蒙古MS5.9地震。NS分量有2次超限异常时段，为2011年2月～2012年9月和2019年3月～2020年6月，分别对应哈密MS5.1和蒙古MS5.9地震。2012年2月10日巴里坤MS5.3地震，因距仪器架设仅17个月，背景累积不够，所以震前无明显异常(图4a)。富蕴观测站两分量潮汐因子2013～2016年变化稳定，但从2017年起逐渐减小。EW分量在2017年9月～2019年4月为超限异常，持续时长20个月；NS分量2017年11月～2019年10月出现了超限，持续时长24个月。异常恢复过程中发生了此次MS5.9地震(图4b)。芨芨台观测站的潮汐因子时序虽有趋势波动变化，但无明显超限异常，仅EW分量在震前有过低值时段，且震前2个月出现超限异常(图4c)。

图4 各观测站潮汐因子小波分解趋势4阶变化

2.4 潮汐因子组合特征

将3个倾斜观测站2分量固体潮潮汐因子分别进行组合，得到了面膨胀因子、剪切应变和介质的各向异性这3种特征量，每个特征量以超出其1倍标准差阈值线为异常，结果如图5所示。

图5 各观测站潮汐因子组合特征变化

蒙古MS5.9地震前，巴里坤观测站潮汐因子组合特征量有2个超限异常，为震前1年出现的面膨胀因子和震前6个月出现的介质各向异性。在地震发生当月，面膨胀因子和剪切应变出现了较为明显的同震响应，这可能与该站离震区近，受震源区破裂影响较大有关。富蕴观测站潮汐因子组合特征量仅面膨胀因子在震前10个月有明显的超限异常，而剪切应变和介质的各向异性则无明显异常。芨芨台观测站的3种潮汐因子组合特征量在震前1年均有超限异常，但是相对于整体的背景变化则不太明显，这与其离震源区较远且震级小有一定的关系。

对于哈密区域内的MS5.3和MS5.1地震，因震级小，巴里坤观测站3种潮汐因子组合特征量异常不显著，虽有超限，但无法很好的从背景变化中区分。

3 结 语

地震孕育过程中，持续的构造力作用，使得区域应力场不断增强，引起震源体介质的物理性质发生变化，固体潮汐因子是反应岩石弹性力学性质的物理量，通过该因子的变化可推断介质状态的变化过程及震前异常。本文中对蒙古MS5.9地震前，震中附近400 km内的巴里坤、富蕴和芨芨台3个倾斜观测站M2波固体潮汐因子进行分析，通过不同分析方法初步得出以下结论：(1)巴里坤观测站因距震源区近，在地震发生当月，潮汐因子及其组合有同震响应现象。富蕴观测站因与震源区地质构造联系紧密(均处于阿尔泰山地区)，其固体潮汐因子在震前的异常变化显著，主要体现在震前有3年时长的低值期，且在地震发生的前1年出现“增大—减小—增大”的异常特征。芨芨台观测站距震源区较远，虽其固体潮汐因子小波分析和组合特征有震前异常信息，但不显著。(2)3个观测站固体潮汐因子小波分析均无细节(高频)部分的震前异常，主要以趋势(低频)异常为主，表现在震前3年内有明显超出1倍标准差的异常时段。(3)在潮汐因子组合特征信息中，巴里坤、富蕴观测站面膨胀因子在震前1年内有超出1倍标准差的异常期；巴里坤观测站介质各向异性在震前6个月出现异常；芨芨台观测站潮汐因子组合特征量在震前1年均有超限异常，但是相对于整体的背景变化则不显著。