臨近地震前云南地區(qū)水管傾斜潮汐及非潮汐變化分析

2017-04-10 18:32:28李智蓉白寶榮付虹

地震研究 2017年1期

李智蓉+白寶榮+付虹

摘要：利用減組合濾波方法對(duì)2008—2013年云南省內(nèi)7次M≥55地震前3個(gè)月10個(gè)臺(tái)站的水管傾斜觀測資料進(jìn)行處理，消除潮汐改正成分和零漂，探尋短臨同步異常變化。結(jié)果表明，減組合濾波方法提取的高頻成分，在震前存在同步異常，可嘗試用于短臨跟蹤工作中；利用“Nakai擬合模型”求解得到潮汐響應(yīng)率和線性漂移速率在短臨階段均未表現(xiàn)出易識(shí)別的異常，其反映的信息尚需進(jìn)一步挖掘。

關(guān)鍵詞：減組合濾波；Nakai擬合；水管傾斜；短臨異常

中圖分類號(hào)：P31563文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2017）01-0082-06

0引言

云南是我國破壞性地震頻發(fā)的區(qū)域之一，僅2014年就發(fā)生3次M≥6地震。隨著數(shù)字化形變觀測的發(fā)展，研究人員可以從整點(diǎn)值、分鐘值提取更多的短臨前兆異常信息（劉仲全，1997，2001；付虹，劉麗芳，2003；Harrison，1976；劉序儼，張雁濱，1991；李杰等，2003；張晶等，2004），本文嘗試尋找水管傾斜形變資料短臨階段潮汐及非潮汐變化特征，并淺析其與地震的關(guān)系。

地殼形變是地震發(fā)生過程中最直接的伴隨現(xiàn)象（陳德福，1993），它與地震的關(guān)系最為直接，因此歷來受到國內(nèi)外地震預(yù)報(bào)探索者們的高度重視，也常常作為地震預(yù)測的重要判據(jù)之一，尤其在云南，地殼形變作為中短期預(yù)測依據(jù)已有很多應(yīng)用實(shí)例，比僅用于趨勢異常判定的模擬觀測資料更具現(xiàn)實(shí)意義。識(shí)別形變觀測資料異常的難點(diǎn)在于排除干擾，有的干擾能定量排除，有的只能定性排除，對(duì)于這些干擾因素規(guī)律性的探索及其觀測值之間函數(shù)關(guān)系的研究，引起了許多學(xué)者的關(guān)注。

由于異常識(shí)別問題過于復(fù)雜，各個(gè)觀測點(diǎn)表現(xiàn)出明顯的地區(qū)性差異，因此這些研究未能獲得顯著的進(jìn)展（吳翼麟，周景明，1981）。為了降低干擾排除的難度，對(duì)幾個(gè)臺(tái)站同步異常的提取同時(shí)進(jìn)行觀測分析是比較簡便并且可信的方法，可排除局部環(huán)境所造成的影響，增加異常的可信度，同時(shí)假設(shè)異常信息來自震源體，在多個(gè)臺(tái)站同步出現(xiàn)異常信號(hào)也容易從機(jī)理上得到解釋。

目前，云南省共建有形變觀測臺(tái)站22個(gè)，其中，有水管傾斜儀的臺(tái)站有11個(gè)，最南端的勐臘臺(tái)因?yàn)榫嚯x研究地震的樣本較遠(yuǎn)，將其剔除，不參與分析。多年的觀測實(shí)踐表明，水管傾斜儀記錄的資料連續(xù)性、穩(wěn)定性較好，能記錄到清晰固體潮及年變趨勢。而固體潮是唯一能準(zhǔn)確計(jì)算出理論值的干擾（郗欽文，1982；郗欽文，侯天航，1986），對(duì)于已知的固體潮，可以采用均值法、別爾采夫?yàn)V波和組合濾波等方法剔除潮汐成分，提取高頻信息。也可以利用固體潮理論值對(duì)臺(tái)站觀測值進(jìn)行擬合，得到反映地殼介質(zhì)的特征參量，通過對(duì)其分析研究，有可能了解到地殼局部巖石彈性性質(zhì)的變化。

本文主要利用觀測質(zhì)量相對(duì)較好的水管傾斜儀資料，采用減組合濾波分析方法消除潮汐改正成分和零漂，對(duì)2008—2013年云南地區(qū)M≥55地震前3個(gè)月的資料進(jìn)行處理，尋求同步異常特征，從時(shí)間尺度和空間尺度加以分析。同時(shí)利用傾斜固體潮觀測模型求解潮汐響應(yīng)率和線性漂移速率，從這些反應(yīng)地殼介質(zhì)的參數(shù)上，尋求震前的同步異常變化。

1數(shù)據(jù)選取及預(yù)處理

本文選用2008—2013年以來云南省內(nèi)7次M≥55地震作為研究震例（表1，彝良為雙震），選用震前3個(gè)月的水管傾斜資料整點(diǎn)值作為研究對(duì)象，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挑選及預(yù)處理。

（1）對(duì)所研究的地震，逐個(gè)檢查震前3個(gè)月水管傾斜整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，要求記錄連續(xù)完整，剔除缺數(shù)個(gè)數(shù)超過24小時(shí)（一天）的數(shù)據(jù)。

（2）查閱觀測日志，對(duì)“十五”預(yù)處理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)一步篩選。剔除觀測質(zhì)量差、可信度低的數(shù)據(jù)。對(duì)無觀測日志且數(shù)據(jù)變化不正常的也進(jìn)行剔除。由于本研究是建立在預(yù)處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)的完整性、真實(shí)性對(duì)結(jié)果影響很大。因此在處理過程中，根據(jù)日志記錄，只對(duì)明確由于停電、調(diào)儀器、歸零、人為干擾產(chǎn)生觀測誤差的數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)震造成的干擾分不同情況進(jìn)行了去臺(tái)階、擦除、補(bǔ)差值等處理。其余數(shù)據(jù)均不做改動(dòng)，盡量保持?jǐn)?shù)據(jù)真實(shí)性，并對(duì)每一個(gè)測項(xiàng)數(shù)據(jù)情況以及處理過程都做了詳細(xì)記錄，便于日后檢查分析。

地震研究40卷第1期李智蓉等：臨近地震前云南地區(qū)水管傾斜潮汐及非潮汐變化分析（3）經(jīng)過前兩步，可得減組合濾波的研究數(shù)據(jù)；在Nakai擬合中，考慮到形變觀測受氣壓影響較大，對(duì)挑選出的數(shù)據(jù)，還要進(jìn)一步挑選出氣壓正常且連續(xù)的水管傾斜觀測資料作為最終擬合的研究樣本。

2理論模型與計(jì)算方法

21減組合濾波分析方法對(duì)形變固體潮觀測的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)序列{y（j）}（j=1，2，…，n），采用下列減組合濾波（蔣駿等，2000）公式求取中心時(shí)刻的濾波值：

式中，Z（i）=y（i）-y（-i）為減組合。

減組合濾波能同時(shí)消除潮汐改正和零漂，最終得到高頻信息，運(yùn)用此方法對(duì)較短時(shí)段的觀測資料處理可有效地識(shí)別出觀測資料中存在的高頻異常。

22Nakai擬合模型

傾斜固體潮理論值NS向分量ξ和EW向分量η可用下列公式計(jì)算（郗欽文，1982；張晶等，2003），下標(biāo)s代表太陽的作用，未標(biāo)注代表月亮的作用：

其中，ρ/ρ0=1+0001 679 26cos2φ，θ為地心天頂距，φ為測點(diǎn)地理緯度，τ為地方時(shí)角，δ為赤緯，R為天體至地心的距離，C為天體至地心的平均距離。

在傾斜潮汐觀測資料中，除潮汐成分外，還包含有長期漂移項(xiàng)及氣壓項(xiàng)的影響，觀測值的數(shù)學(xué)模型如下（楊林章等，1994）：Yt=RV（t+Δt）+KPP（t+ΔtP）+K0+K1t+K2t2（4）式中，Yt為傾斜觀測值，R為觀測值相對(duì)于理論值V的響應(yīng)率，Δt為觀測值相對(duì)理論值的時(shí)間滯后，KP為氣壓系數(shù)，P為觀測點(diǎn)上的氣壓值，ΔtP為傾斜相對(duì)氣壓的滯后時(shí)間，K0、K1、K2分別為常數(shù)項(xiàng)、線性漂移速率、非線性加速率。

對(duì)式

以兩天為單位進(jìn)行最小二乘擬合計(jì)算，可求得潮汐和非潮汐參數(shù)和每小時(shí)的潮汐殘差值。

3結(jié)果分析

31減組合濾波結(jié)果分析（1）異常的提取：①減組合濾波后所得殘差，規(guī)定變化幅度超過2倍均方差視為異常，出現(xiàn)一次異常記為1；②逐日統(tǒng)計(jì)各測項(xiàng)異常數(shù)量之和，得到每日異常次數(shù)Ai，其中i為距離發(fā)震的時(shí)間；③將研究時(shí)段內(nèi)所有異常次數(shù)累加得S；④考慮到異常出現(xiàn)的臺(tái)站數(shù)（同步異常要求至少兩個(gè)臺(tái)站同時(shí)出現(xiàn)）和頻次，研究規(guī)定當(dāng)異常測項(xiàng)數(shù)大于等于3，且Ai≥2×（S/L）（異常頻次日均值的2倍，其中L為窗長）時(shí)，認(rèn)為在震前第i天出現(xiàn)同步異常。在統(tǒng)計(jì)同步異常過程中，未對(duì)異常方向作區(qū)分，不同臺(tái)站各方向測項(xiàng)出現(xiàn)一次異常即記為1，因此所得結(jié)論中不能區(qū)分異常方向信息。表2列出了各臺(tái)站在2008年8月21日盈江59級(jí)地震前出現(xiàn)同步異常時(shí)間段的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

（2）計(jì)算結(jié)果特征分析：7次震例同步異常分布時(shí)間、連續(xù)性各異，具體分布情況如圖2所示。在日常跟蹤中，連續(xù)性異常（異常持續(xù)時(shí)間超過3天）比較容易識(shí)別，因此本研究著重分析了連續(xù)性同步異常出現(xiàn)的時(shí)間段及頻次，結(jié)果如表3所示。除中甸地震外，其余6次地震均出現(xiàn)連續(xù)性同步異常，持續(xù)時(shí)間為4～10 d不等，且出現(xiàn)的頻次占各異常總頻次的40%～100%；盈江M58、寧蒗M57、彝良M57、洱源M55地震的連續(xù)時(shí)段是重疊的，盈江M59、姚安M60地震的連續(xù)時(shí)段雖未重疊，但均分布在震前40～55 d左右。

（3）僅針對(duì)本次研究而言，連續(xù)性同步異常出現(xiàn)率達(dá)86%（6/7），且持續(xù)時(shí)間均在10 d以內(nèi)，該方法可以嘗試用于短臨預(yù)測跟蹤工作。

研究震例連續(xù)性同步異常時(shí)段/d占總異常頻次的百分比震源機(jī)制類型序列類型2008-08-21盈江M5946～56625%（10/16）走滑前主余型2009-07-09姚安M6041～4550%（5/10）走滑主余型2011-03-10盈江M5871～79692%（9/13）走滑主余型2012-06-24寧蒗M5772～76100%（5/5）走滑主余型2012-09-07彝良M5724～2740%（4/10）走滑雙震型2013-03-03洱源M5522～2656%（5/9）正斷雙震型2013-08-31中甸M59無0正斷前主余型32Nakai擬合結(jié)果分析

（1）異常的提取：利用Nakai擬合模型，以2 d（48 h）為單位進(jìn)行最小二乘擬合計(jì)算，可求得潮汐響應(yīng)率、時(shí)間滯后、氣壓系數(shù)、氣壓滯后、線性漂移速率以及非線性加速率等參數(shù)，并求出每小時(shí)的潮汐殘差值。由于模型中每項(xiàng)參數(shù)彼此之間是相關(guān)聯(lián)的，因此文中挑選了潮汐響應(yīng)率、線性漂移速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。

對(duì)于不同臺(tái)站不同測項(xiàng)，規(guī)定所求得的各參數(shù)變化超出2倍均方差視為異常。針對(duì)每個(gè)震例，以2 d為單位，統(tǒng)計(jì)異常測項(xiàng)數(shù)目，將異常測項(xiàng)數(shù)N≥3視為有同步異常出現(xiàn)（保證至少有2個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)異常，即測項(xiàng)至少為3項(xiàng)）。

（2）計(jì)算結(jié)果特征分析：7次震例參數(shù)同步異常分布情況如圖3所示，對(duì)于不同地震，潮汐響應(yīng)率和線性漂移速率在震前3個(gè)月異常出現(xiàn)時(shí)段各異，持續(xù)時(shí)間短，在短臨跟蹤中難以識(shí)別。將潮汐觀測值與擬合值作差（擬合精度各測項(xiàng)各時(shí)段均不相同，最小為096×10-3角秒，最大為46532×10-3角秒，其均值為2760×10-3角秒，具體不詳述）可得每個(gè)測項(xiàng)潮汐殘差時(shí)間序列圖。殘差計(jì)算結(jié)果中有一些大幅度的變化信息（圖4a），這部分信息可能與儀器問題、遠(yuǎn)震或干擾信號(hào)等有關(guān)，根據(jù)每條殘差曲線具體情況進(jìn)行限幅后（圖4b），分析殘差成分，并未發(fā)現(xiàn)有用的規(guī)律。

4結(jié)論和討論

利用減組合濾波方法提取高頻成分，Nakai擬合求取潮汐和非潮汐參數(shù)，試圖尋找短臨階段同步異常變化特征。由于數(shù)字化資料靈敏性高，易受周圍各種已知和未知因素的干擾，且數(shù)據(jù)預(yù)處理情況會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定影響，尤其是插值對(duì)高頻成分的影響。因此在研究中為保證結(jié)果的可靠性，除了預(yù)處理過程需格外謹(jǐn)慎外，在異常提取中應(yīng)選擇至少3個(gè)測項(xiàng)（最少兩個(gè)臺(tái)站）同時(shí)段出現(xiàn)異常以保證異常的信度。經(jīng)過分析研究，可得以下初步認(rèn)識(shí)：

（1）減組合濾波后數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：所研究的7組地震中，除中甸地震外，其余6組地震均存在異常信息，連續(xù)性同步異常出現(xiàn)率達(dá)86%（6/7），異常出現(xiàn)在震前40～50 d之間。從機(jī)理上分析減組合濾波方法提取的是高頻信息，表明這些55級(jí)以上地震，震前短期階段有高頻信息增多的現(xiàn)象出現(xiàn)，且這些高頻信息可以被多臺(tái)同時(shí)記錄到。中甸地震前沒有異常，可能與震中附近沒有臺(tái)站和高頻信息傳播的方向有關(guān)。從其他6次地震前得到的結(jié)果，可以認(rèn)為，當(dāng)有3個(gè)以上測項(xiàng)同時(shí)記錄到持續(xù)的用減組合濾波方法提取的高頻信息時(shí)，地震孕育可能進(jìn)入了短臨階段，因此可以用該方法進(jìn)行地震發(fā)震時(shí)間的短臨跟蹤。

（2）Nakai擬合結(jié)果在所選震例前未反映出有規(guī)律的異常變化，且潮汐殘差值中夾雜一些大幅變化的干擾信息，因此目前該方法難以用于前兆短臨異常的識(shí)別。

感謝中國地震局地震預(yù)測研究所張晶研究員的多次指導(dǎo)和劉琦提供的“鉆孔應(yīng)變處理程序V11”，感謝審稿專家的寶貴建議。

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