天山中段2次6级地震前钻孔应变高频异常分析

斯 琴, 关冬晓, 王 斌, 郭春生

(新疆维吾尔自治区地震局, 新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引言

四分量钻孔应变仪是我国研制的一种新型地球动力学观测仪器,具有精度高、频带宽、受地表影响少等优点。仪器可以记录固体潮潮汐及地震孕育过程中的地壳变形及应变变化,在地壳应力应变观测及地震中短临跟踪分析预报中扮演着重要角色[1]。2014年以来,在天山中段和援疆项目资金支持下,新疆天山中段地区先后布设了10套RZB型分量式钻孔应变仪,初步形成了区域应变观测网,极大地丰富了天山中段地球物理观测资料。

天山中段是新疆中强地震活动的相对集中区。2016年以来,新疆境内共发生5次6级以上地震,其中2次6级地震[2016年12月8日呼图壁MS6.2地震(43.83°N,86.35°E)和2017年8月9日精河MS6.6地震(44.27°N,82.89°E)]位于天山中段地区。该地区1年内相继发生2次6级地震,引起了地球物理学者的广泛关注。对这2次地震前兆异常的分析和震后反思很多,其中赵彬彬等[2]、高丽娟等[3]对震前部分分量钻孔应变资料出现的异常进行了归纳总结。但这些研究仅限于对原始数据曲线的形态分析,采用多种分析处理方法获取短周期异常信息的较少。

很多学者利用时频分析方法研究了分量钻孔应变观测数据记录到的地震异常变化。邱泽华等[4-5]分别基于姑咱台分量钻孔应变和宁陕台体应变数据,采用超限率方法分析了汶川MS8.0地震的高频异常变化;刘琦等[6-8]利用分量钻孔应变观测资料研究了汶川MS8.0、门源MS6.4和芦山MS7.0地震,发现经S变换处理后的钻孔应变资料存在显著的高频异常信号;武善艺等[9]、龚丽文等[10]结合S变换和超限率分析方法对汶川MS8.0和鲁甸MS6.5地震前的所有形变资料进行了分析研究,在震前也提取到了与地震相关的高频异常信息。

为此,本文以天山中段地区的分量钻孔应变观测资料为对象,采用S变换和超限率分析方法,从长、短不同时间尺度分别分析其记录到的精河MS6.6和呼图壁MS6.2地震的高频异常信号,总结其异常变化特征,为地震预测预报提供参考。

1 观测资料质量评价

2014年以来,新疆天山中段地区先后建成10个钻孔应变台站,大致沿天山山脉南、北两麓分布(图1)。钻孔深度多在100 m以上,仅榆树沟为52 m。这10台应变仪均为RZB-2型分量式钻孔应变仪。自架设以来,仪器工作状态良好,为天山中段地区积累了丰富的钻孔应变观测资料。应变观测资料基本信息列于表1。

图1 钻孔应变台站及震中分布图

四分量钻孔应变观测资料的质量可以用信度指标C95[11]来评价,它可以定量说明观测的自洽程度。自洽情况越好,数据越可靠,其观测信度C95越接近1;当自洽情况较差时,信度偏离1,需要通过相对实地标定对数据进行矫正。表2给出了天山中段10套四分量钻孔应变观测资料质量评价结果。

表2 四分量钻孔应变观测资料质量评价结果

由表2可知,经相对实地标定矫正后,这10个台站的观测信度都得到了明显提高,其中巩留台信度甚至达到了0.965 0,但雀儿沟和新源的信度不足0.5,质量最差。巩留台虽信度指标较高,但是其元件相对标定系数平均值仅为0.329 4,严重偏离1。所以结合信度、相对标定系数和偏差,认为资料质量最好的是石场、巴仑台、巴音沟,较好的是榆树沟、库米什、小泉沟和尼勒克,巩留次之,可以用于后续的数据分析研究。

2 异常提取方法

2.1 方法原理

(1) S变换[12]原理:S变换作为时频分析方法的一种,可以将一维的时间序列信号转换成二维的时频域信号,为研究信号的时频演化特征提供了便利[7]。它是在短时窗傅立叶变换和小波变换相结合的基础上发展起来的,所以很好地继承了短时傅里叶变换和小波变换的优点。

S变换的一维连续正变换表达式为:

(1)

式中:h(t)为原始信号;S(τ,f)为相应的S正变换;f为频率;t为观测时间;τ为时间轴上高斯窗所在的位置。

(2)

2.2 异常提取

首先选取观测信度较好的石场、巴仑台、巴音沟、榆树沟、库米什、小泉沟、尼勒克和巩留这8个台站的分量钻孔应变整点值数据,经过高通滤波处理后,分别从长、短两个不同时间尺度进行分析计算。对于长尺度(大于1年),同时采用S变换和超限率方法计算观测数据在较长时间尺度内的高频异常信息及超限情况,提取中长期异常信息[13];而短尺度仅采用S变换方法,提取地震发生前后7天的短临异常信息。然后针对这些高频异常信息,结合相关观测日志、核实报告等资料,排除因仪器故障、同震等干扰因素造成的高频信息,提取与地震相关的高频异常信息。

3 高频异常特征分析

从长短不同时间尺度对天山中段2次6级地震前的分量钻孔应变资料进行超限率和S变换分析,提取到与地震相关的高频信号6项。其中,精河MS6.6地震前存在3项长尺度高频异常;呼图壁MS6.2地震前存在1项长尺度高频异常和2项短尺度高频异常。

3.1 长尺度高频异常分析

(1) 小泉沟分量钻孔应变

小泉沟钻孔应变超限率和S变换分析结果显示该台数量超限率、强度超限率和S变换幅值于2017年1月均出现快速上升变化,2月中旬达到峰值,并持续至3月高频信号才基本结束,仅有第4分量高频异常持续至震后结束,异常整体变化形态比较显著[13](图2)。

图2 小泉沟钻孔应变S变换及超限率分析结果

(2) 尼勒克分量钻孔应变

2017年7月13日尼勒克分量钻孔应变超限率和S变换幅度同步出现快速上升变化,16日达到峰值,18日高频异常基本结束(图3),8月9日发生精河6.6级震。8月25日,该台高频异常信号再次出现增强,持续至9月16日库车5.7级地震发生后才消失[13]。对比这两次地震前尼勒克钻孔应变的高频异常信息,可以发现两次异常的演化过程相似,但频度和强度有所不同。

图3 尼勒克钻孔应变S变换及超限率分析结果

(3) 巩留分量钻孔应变

巩留分量钻孔应变超限率及S变换分析结果显示,第2和第4分量于7月13日开始出现高频信号增强现象,异常仅持续5天后消失,8月9日发生精河6.6级地震[13]。此异常变化与尼勒克钻孔应变高频异常出现的时间、形态都基本一致,这种相距不远(约38 km)的两个台站,几乎同步观测到相似的高频异常变化,应该不是偶然发生的,可能反映了同一区域应力的变化。图4显示的由仪器故障导致的高频信息与地震导致的高频异常信息形态不同,仪器故障导致的高频信息幅度、强度不随时间变化,而且故障消失时高频信号也瞬间消失,不存在逐渐增强-逐渐消失的变化过程。

图4 巩留钻孔应变S变换及超限率分析结果

(4) 巴仑台分量钻孔应变

巴仑台分量钻孔应变4个分量2016年12月7日14:22-14:42同步出现大幅压缩变化,变化幅度和形态相当,12月8日13时15分,相距102 km的呼图壁发生6.2级地震。超限率及S变换分析结果显示,12月6-8日,巴仑台高频异常信号呈现“开始出现-达到峰值-衰减消失”的演化过程 (其他分量变化形态类似),异常仅持续2天左右(图5)。

图5 巴仑台钻孔应变S变换及超限率分析结果

3.2 短尺度高频异常分析

(1) 榆树沟分量钻孔应变

榆树沟分量钻孔应变第2和第4分量原始数据于2016年12月7日出现小幅阶跃变化,第2分量比第4分量明显;而短尺度S变换分析结果显示,除正常的半日波、日波信号以外,12月7日出现了一簇高频信号,能量主要集中在60～1 440 min频段。其中在240～1 440 min频段,异常的频度和强度都比较显著,最大信号强度达25×10-10,第2分量比第4分量更明显(图6)。

图6 榆树沟钻孔应变S变换分析结果(2016年)

(2) 巴仑台分量钻孔应变

巴仑台分量钻孔应变4个分量在呼图壁MS6.2地震前同步出现阶变异常,采用15天作为窗长进行S变换。分析结果显示,在正常数据时段,数据信号主要以半日波和全日波信号为主,而在12月7日出现一簇显著的高频信号,信号强度在720～10 min,持续时间较短,临震前消失。图7仅给出了第1、3分量时频分析结果(其他分量形态类似)。

4 结论与讨论

4.1 结论

选取天山中段分量钻孔应变观测资料作为研究对象,采用S变换和超限率分析方法进行长、短尺度分析,在精河MS6.6和呼图壁MS6.2地震前提取到6项高频异常信息,经过对这些高频异常特征参数进行分析统计(表3),得到以下结论:

(1) 精河MS6.6地震的高频异常主要特征:以中长期异常为主,这些高频异常信息均在地震前出现,随后达到峰值,临震前或者地震后衰减消失;高频异常持续时间的长短与震中距有一定关系,距离震中越远,异常时间越长(如小泉沟),距离震中越近,异常持续时间越短(如尼勒克和巩留)。

(2) 呼图壁MS6.2地震的高频异常主要特征:以短临异常为主,异常持续时间较短,一般在震前1～2天瞬间变化;异常信号频带较宽(10～720 min),震前出现,临震前消失,与曲线阶跃、固体潮畸变对应较好,可能反映钻孔周边块体因应力积累而造成的瞬间错动或者变形[9]。

(3) S变换与超限率分析结果具有很好的同步性。

天山中段2次6级地震前的应变高频异常特征有相似之处,也有一定的差异,这与地震发生的构造背景、台站附近地壳介质的稳定性、震中距等有一定的关系。

4.2 讨论

据彭克银等[14]提出的震级M与孕震区临界半径R的经验关系:lgR=0.29M+0.49,可以估算出精河MS6.6地震和呼图壁MS6.2地震的孕震区域临界半径R分别是253 km和194 km。由表3可以看出,这些高频异常大多在其孕震区域范围内(除小泉沟),说明用这两种方法提取到的高频异常信息是真实可信的。

从精河MS6.6地震高频异常出现的先后顺序,我们知道最早出现异常的是小泉沟,之后是尼勒克和巩留台,异常台站整体分布呈NW-SE方向延展。结合地质构造我们知道,尼勒克附近的伊犁盆地北缘断裂、小泉沟附近的洪水沟断裂和巩留台附近的乌孙山山脊断裂都是走滑断裂,而在走滑断裂当中,地震孕育的应力传递方向与断层走向一致[15]。天山中段地区的主要断裂走向为NWW-SEE,则应力传递方向也应与该方向一致,实际上精河MS6.6地震高频异常出现的先后顺序与应力传递的方向一致。

根据前人GPS观测资料研究结果,精河MS6.6地震前,在震中附近区域出现的速度场和主压应变率变化异常现象,反映出地壳应力能量在该区域有显著的积累和增强[16]。应力的积累和主压应变方向的偏转很容易造成断层的失稳,在断层失稳阶段,高频异常是极易出现的[17]。这说明通过S变换和超限率方法提取的应变高频异常反映的应力应变状态与GPS场上观测结果还是有较好的一致性的,这种一致性从另一方面说明这种应变高频异常是可信的。