用超限率分析法提取精河6.6級地震前的高頻信號異常

高麗娟 李尚偉 滕海濤

新疆維吾爾自治區(qū)地震局,烏魯木齊 830011

0 引言

隨著數(shù)字化觀測網(wǎng)的逐漸普及,數(shù)字化前兆資料較模擬記錄資料具有信息量大、干擾多的特點。如何從數(shù)字化的形變資料中識別與消除觀測環(huán)境、儀器故障及氣象因素等造成的毛刺、階躍、畸變等干擾,是應(yīng)用前兆資料進行地震預(yù)測面臨的基礎(chǔ)問題。此類信號的研究可以為今后新疆及附近地區(qū)地震前兆的判定提供支持。那么,如何將這些高頻信號提取出來？這些變化是否為地震前兆異常？如何進行定量的描述？研究這些問題具有重要的現(xiàn)實意義。邱澤華等(2009、2012)用超限率分析法研究了汶川地震前姑咱臺的應(yīng)變異常變化。周龍壽等(2009a、2009b)使用超限率分析法來定量檢驗前驅(qū)波。劉琦等(2011、2014)利用S變換時頻方法提取到了姑咱臺四分量鉆孔應(yīng)變在汶川8.0級、蘆山7.0級地震前“壓性脈沖”和“潮汐畸變”信號。超限率和S變換時頻分析方法是目前提取高頻信號較實用的方法,它們都可以定量描述高頻信號。許多學(xué)者(趙彬彬等,2017；張治廣等,2017；艾薩·伊斯馬伊力等,2017)已對2018年8月9日精河MS6.6地震的前兆異常進行了初步分析和總結(jié),本文擬采用超限率分析方法提取震前部分鉆孔應(yīng)變臺出現(xiàn)的高頻信號異常。

1 基礎(chǔ)資料評價

本文用C95來描述分量鉆孔應(yīng)變觀測資料質(zhì)量信度,它可以刻畫1+3路和2+4路元件的自洽程度,越接近1表示信度越高。表1為新疆四分量鉆孔應(yīng)變臺觀測資料質(zhì)量評價結(jié)果。如表1 所示,結(jié)合偏差和自洽信度結(jié)果來看,鞏留臺最好,但實際上,考慮偏差時,也應(yīng)考慮4個元件的標(biāo)定系數(shù)k1、k2、k3和k4的值,鞏留臺的4個元件的標(biāo)定系數(shù)最偏離1,k1甚至為負(fù)數(shù),因此,綜合評價,鞏留臺的自洽信度最差,信度較好的是小泉溝臺和尼勒克臺。

表1 新疆四分量鉆孔應(yīng)變臺觀測資料質(zhì)量評價結(jié)果

臺項元件相對標(biāo)定系數(shù)(差分值)觀測信度C95k1k2k3k4平均值偏差(相對于1)校正前校正后小泉溝臺1.01050.97170.80430.74830.88370.18390.70480.7710尼勒克臺0.71401.07070.93480.9306臺0.91250.18870.50380.7469鞏留臺-0.33330.33330.99990.33330.33330.09760.05620.9982

圖 1 為小泉溝臺、尼勒克臺和鞏留臺鉆孔應(yīng)變四分量的潮汐因子中誤差曲線。國家臺評比標(biāo)準(zhǔn)中，潮汐因子中誤差≤0.05,表明觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量精度高,穩(wěn)定性好。小泉溝臺除了NW分量精度不高,其它3個分量潮汐因子中誤差基本都符合國家臺評比標(biāo)準(zhǔn)。鞏留臺NE分量數(shù)據(jù)質(zhì)量較差,其它3個分量潮汐因子中誤差也都基本符合國家臺評比標(biāo)準(zhǔn)。尼勒克臺除了個別超限點,潮汐因子中誤差基本都小于0.05。文中研究的信號異常多表現(xiàn)為階變、毛刺加粗等固體潮畸變,而潮汐因子變化一定程度上可以反映固體潮畸變,因此潮汐因子變化誤差可以反映觀測資料的穩(wěn)定性。

圖 1 潮汐因子中誤差時序曲線

2 基本原理

觀測數(shù)據(jù)選取經(jīng)過高通濾波處理后的值,該值總是在0值的附近變化。將某觀測資料時間序列記為Xi(i=1,…,N),N為數(shù)據(jù)點總數(shù)。該時間序列的均值為

(1)

而其標(biāo)準(zhǔn)差為

(2)

可用SD來描述數(shù)據(jù)變化的一般范圍,把超出這個范圍的點稱為超限點,把這個點的觀測值Xi的絕對值|Xi|超出SD的部分|Xi|-SD稱為超限強度。稱單位時間內(nèi)的超限點數(shù)N為數(shù)量超限率,稱單位時間內(nèi)所有超限點的超限強度之和為強度超限率,即

(3)

這兩個超限率都是時間的函數(shù)(邱澤華等,2012)。

圖 2 尼勒克臺分量式鉆孔應(yīng)變高頻信號時序曲線

3 計算結(jié)果分析

本研究具體方案為：首先,結(jié)合臺站儀器工作日志,排除人為(標(biāo)定、調(diào)儀器)、雨雪、雷電等干擾因素,剔除受影響的數(shù)據(jù),對缺數(shù)利用插值方法進行擬合,對地震波采用平滑濾波的方式進行處理；其次,將處理好的分鐘值數(shù)據(jù)進行高通濾波處理；然后,確定高通濾波殘差值的閾值；最后,運用超限率統(tǒng)計方法分別提取鉆孔應(yīng)變的高頻信號,分析它們與地震的關(guān)聯(lián)性。閾值的確定折中考慮漏報率和時空占有率,即R值最大的點對應(yīng)的閾值作為最優(yōu)閾值。

圖 3 鞏留臺分量式鉆孔應(yīng)變高頻信號時序曲線

圖 4 2016年6月1日～2017年8月10日小泉溝臺分量式鉆孔應(yīng)變高頻信號時序曲線

圖2～4為3個臺分量式鉆孔應(yīng)變強度超限率時序曲線,此類高頻信號異常每個臺的4個分量均同步出現(xiàn),本文僅給出其中2個分量的變化。尼勒克臺和鞏留臺分量式鉆孔應(yīng)變的強度超限率于2017年7月13日同步開始出現(xiàn)超閾值現(xiàn)象,異常持續(xù)5天左右,之后22天發(fā)生精河6.6級地震。2016年2月11日新源5.0級地震前2個臺也同步出現(xiàn)過類似異常變化。小泉溝臺分量式鉆孔應(yīng)變的強度超限率于2017年1月開始超限,3月之后3個分量高頻信號基本結(jié)束,僅NW分量異常持續(xù),7月22日恢復(fù)正常,17天之后發(fā)生精河6.6級地震。

圖 5為尼勒克臺、鞏留臺和小泉溝臺鉆孔應(yīng)變的異常值與正常值的時序曲線。由圖5 可知,3個臺的正常值曲線固體潮光滑,形態(tài)呈“M”。尼勒克臺(圖5a)、鞏留臺(圖5b)和小泉溝臺(圖5(c))分量式鉆孔應(yīng)變在精河6.6級地震前出現(xiàn)了階變、突跳和毛刺加粗的高頻信號。尼勒克臺主要以臺階畸變?yōu)橹?持續(xù)時間較短,間隔出現(xiàn)；鞏留臺以突跳和毛刺加粗型畸變?yōu)橹?連續(xù)幾天持續(xù)出現(xiàn)；小泉溝臺以頻繁出現(xiàn)階變類信號為特征,類似信號連續(xù)出現(xiàn),持續(xù)了4個月,震前恢復(fù)。這些階變式的信號有如下共同特征：①階躍出現(xiàn)時間短,多在幾十分鐘；②階變信號多向下突變,即受壓為主；③階變幅度小,以幾個應(yīng)變單位變化為主,尼勒克臺較小泉溝臺幅度大；④小泉溝臺階變信號數(shù)量多,數(shù)天叢集出現(xiàn),尼勒克臺數(shù)量少,偶發(fā)性為主。

圖 5 分量式鉆孔應(yīng)變時序曲線

小泉溝臺出現(xiàn)的類似高頻信號經(jīng)異常核實已排除氣壓和水位的干擾,詳情見核實報告[注]趙彬彬、楊紹富、張嘉敏，2018，異常核實——2018年3月3日新疆小泉溝臺鉆孔分量應(yīng)變。。鞏留臺出現(xiàn)的毛刺加粗信號,與應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)中風(fēng)擾的現(xiàn)象類似,但鞏留臺異常變化時段未見風(fēng)擾記錄,查閱氣壓相關(guān)數(shù)據(jù)曲線,未見明顯氣壓異常,因此排除風(fēng)擾影響。而尼勒克臺的固體潮畸變現(xiàn)象以往也出現(xiàn)過類似變化,未發(fā)現(xiàn)與氣壓等氣象因素明顯相關(guān),也可能是受區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變偶發(fā)性調(diào)整的影響,本文暫列為地震前兆異常,主要考慮與鞏留臺異常出現(xiàn)時間上較為同步。

尼勒克臺和小泉溝臺類似階變信號在2008年汶川MS8.0、2010年蘆山MS7.0、2012年新源和靜交界MS6.6 地震前出現(xiàn)過。鞏留臺這種毛刺加粗的信號,楊又陵等(2003)[等在昆侖山口西MS8.0地震前捕捉到類似信號。精河地震前尼勒克臺和鞏留臺高頻信號震前1個月出現(xiàn),持續(xù)時間僅5天左右,無規(guī)律,偶發(fā)性；而小泉溝臺高頻信號震前半年出現(xiàn),震前半個月恢復(fù)正常,持續(xù)時間長,有一定規(guī)律可循。下文將對小泉溝臺階變異常信號細(xì)節(jié)進行分析,其特征表現(xiàn)為：第1階段為2018年1～2月,4個分量高頻信號以大尺度階變突跳為主；第2階段為2018年3月之后,僅NW分量出現(xiàn)小尺度階變,呈現(xiàn)一定規(guī)律,其它分量恢復(fù)正常。下文以NW分量為例,來研究其信號特征,提取的基本思路是：首先,提取出階變或者脈沖等高頻信號的發(fā)生時間和幅度大??；其次,將幅度大小視為震級整理成地震目錄格式,繪制時間掃描曲線；最后,分析其信號特征。

圖 6 2016年5月30日～2017年11月27日階變信號預(yù)處理后各類時間掃描曲線圖(a)M-t圖；(b)頻度圖；(c)累積頻度圖；(d)階變信號發(fā)生時間間隔ΔT-T圖

圖 6為階變信號經(jīng)整理后繪制的時間掃描曲線,窗長取1天,步長也取1天。細(xì)節(jié)特征表現(xiàn)為：①階變信號幅度,最大達到10×10-10個,2017年1～2月階變信號幅度大,多集中在幾個應(yīng)變變化,3～7月的階變幅度多在0.5個應(yīng)變單位(圖6(a))；②階變信號頻度分3階段,第1階段為1月15～21日,日變化頻度由14個/日迅速增加到255個/日,1月24日之后迅速降到18個/日以下,第2階段為2月12～28日,12日這天階變頻度達到97個/日,之后逐漸減小,截至28日,基本達到21個/日,之后更加趨于減少,第3階段為3月11日～7月22日,日變化基本在10個/日以下(圖6(b))；③階變信號累積頻度顯示,1、2月分別出現(xiàn)2次突增變化,3月之后增加變緩(圖6(c))；④階變信號發(fā)生時間間隔顯示,2017年1月之前偶爾出現(xiàn),1～7月頻繁間隔出現(xiàn),7月中旬之后階變信號基本消失(圖6(d)),其細(xì)節(jié)特征表現(xiàn)為,1月階變信號發(fā)生的平均時間間隔為0.03天,2月為0.04天,3月為0.24天,4月為0.34天,5月為0.22天,6月為0.53天,基本呈現(xiàn)間隔時間越來越大的態(tài)勢。階變信號出現(xiàn)的平均間隔時間由43min逐漸發(fā)展成1hr左右,然后又增大發(fā)展成5hr、8hr,甚至12hr左右(圖7)。

圖 7 階變信號預(yù)處理后階變信號發(fā)生時間間隔圖取每月12～28日數(shù)據(jù)

總結(jié)來看,小泉溝臺分量鉆孔應(yīng)變NW分量出現(xiàn)的階變信號,以壓性變化為主,幅度為0.5～10.0個應(yīng)變單位,信號發(fā)生的間隔時間呈現(xiàn)出隨著距主震震中越近,間隔越大的特征,1～2月信號叢集出現(xiàn)2次突增變化,一定程度表明該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力在1～2月可能存在增強的變化。

圖 8 震中周圍臺站分布示意圖

4 討論與結(jié)論

通過超限率分析方法,提取出了小泉溝臺分量鉆孔應(yīng)變在精河6.6級地震前的高頻信號異常,同時,尼勒克臺和鞏留臺在震前也配套出現(xiàn)了類似異常變化。然后對小泉溝臺類似階變的高頻信號進行了細(xì)節(jié)分析,并總結(jié)其特征,得出以下幾點認(rèn)識：

(1)在精河6.6級地震前3個臺出現(xiàn)了階變、突跳和毛刺加粗的高頻信號,類似的發(fā)現(xiàn)在以往新疆多次中強震前都出現(xiàn)過,一定程度上表明,該類信號是客觀存在的自然現(xiàn)象,與地震的孕育可能存在某種關(guān)聯(lián),只是目前的認(rèn)識還不夠充分和深入,仍需更多的關(guān)注和研究。

(2)小泉溝臺分量鉆孔應(yīng)變4個分量出現(xiàn)的高頻信號同步出現(xiàn),相互映證,僅NW分量在異常后期表現(xiàn)出獨有的異常變化信號。但我們發(fā)現(xiàn),NW分量元件的方向恰恰是與震中位置交角最小的方向,指向震中,在該方向上應(yīng)力觸發(fā)是否更敏感,表現(xiàn)出的異常是否更顯著,有待我們進一步的積累和驗證。

(3)小泉溝臺高頻信號異常是4個分量同時出現(xiàn),異常后期僅NW分量出現(xiàn)；尼勒克臺也是4個分量同時有畸變現(xiàn)象,鞏留臺是EW、NW分量同步出現(xiàn)毛刺加粗變化。超限率結(jié)果表明,鞏留臺和小泉溝臺異常變化幅度最大的分量為NW向,尼勒克臺變化最大的為NE向,如圖8 所示,3個臺異常變化最大的方位正好都與震中交角最小,即指向震中。

(4)根據(jù)前人總結(jié)的應(yīng)變積累的4個特征,即穩(wěn)定變化段、加速變化段、失穩(wěn)段和震前突變段。其中在失穩(wěn)段,應(yīng)變變化極不穩(wěn)定,是可能出現(xiàn)類似階變、毛刺加粗等高頻信號的階段。其它巖石力學(xué)實驗也觀察到類似結(jié)果：巖石破壞之前,聲發(fā)射活動存在穩(wěn)定期、聲發(fā)射活動初期、聲發(fā)射活動加劇期和反轉(zhuǎn)期等4個階段。因此,從機制分析或者實驗觀察,在巖石破壞之前,類似高頻信號的出現(xiàn)可能是客觀存在的現(xiàn)象。

致謝：由中國地震局地殼應(yīng)力研究所邱澤華研究員提供了本文所用程序,并在理論與方法上給予了諸多指導(dǎo)和幫助,審稿專家對本文細(xì)致審閱并提出了富有建設(shè)性的修改意見,在此深表謝意。