2017 MS7.0九寨溝地震前后AETA數(shù)據(jù)分析

王新安 黃繼攀 雍珊珊 張 興 梁意文

（1.北京大學(xué)深圳研究生院集成微系統(tǒng)科學(xué)工程與應(yīng)用重點實驗室 廣東 深圳 518055；2．北京大學(xué)深圳地震監(jiān)測預(yù)測技術(shù)研究中心，廣東 深圳 518055；3．北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100871；4.武漢大學(xué)計算機技術(shù)學(xué)院，武漢 430072）

0 引言

北京時間2017年8月8日,四川省阿壩州九寨溝縣發(fā)生了MS7.0級地震[1-2]，此次震中距離2008年汶川地震約246 km，距離2013年蘆山地震約331 km。

由于地球內(nèi)部 “不可入性”，地震構(gòu)造結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，大地震 “非頻發(fā)性”等因素限制，更為重要的是大地震在同一地點復(fù)發(fā)率極低，地震的監(jiān)測預(yù)測相關(guān)研究進展緩慢[3-4]。多位研究人員通過較少臺站的儀器發(fā)現(xiàn)了汶川地震、日本311地震等地震前的電離層異常、電磁異常或地電阻異常等[5-10]。邱認為地震前兆研究受到個案觀測嚴(yán)重不足的限制[11]，提出以地震預(yù)報的要求為參照適當(dāng)加大區(qū)域前兆臺網(wǎng)的密度的建議[12]，讓監(jiān)測點記錄到相互印證的變化。

1 AETA系統(tǒng)介紹

本團隊研制的多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)——AETA(Acoustic and Electromagnetic Testing All in one system)[13-15]，主要監(jiān)測電磁擾動和地聲，擬進行大區(qū)域布設(shè)形成前兆監(jiān)測臺網(wǎng)。整個系統(tǒng)使用了兩種傳感器-電磁擾動傳感器和地聲傳感器。其中電磁擾動傳感器基于法拉第電磁感應(yīng)定律[13，16]，地聲傳感器采用了壓電薄膜傳感器[15，17]。系統(tǒng)分為傳感探頭、數(shù)據(jù)預(yù)處理終端、云服務(wù)器和數(shù)據(jù)分析客戶端四部分[14]，如圖1所示。

圖1 AETA系統(tǒng)框圖Fig.1 The system block diagram of AETA

在設(shè)備可靠性方面，AETA設(shè)備作為地震前兆監(jiān)測的新型儀器，研發(fā)完成后由深交所上市公司卓翼科技[18-19]進行生產(chǎn)。AETA設(shè)備在卓翼科技出廠前進行了性能測試、靈敏度測試、噪聲水平測試、老化測試和防水測試等[13]，設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性得到了保證。

在AETA設(shè)備的數(shù)據(jù)一致性方面，在四川、云南、廣東和河北的部分臺站進行了單臺站多設(shè)備的數(shù)據(jù)一致性對比，結(jié)果顯示單臺站內(nèi)的多設(shè)備數(shù)據(jù)完全一致。其中，在九寨溝防震減災(zāi)局臺站、青川姚渡臺站和冕寧防震減災(zāi)局臺站進行一致性對比時，邀請了四川省地震局川滇國家地震預(yù)報實驗場四川分中心相關(guān)負責(zé)同志現(xiàn)場監(jiān)督。

AETA設(shè)備90%以上布設(shè)于中國地震局下轄的臺站中，已最大可能避開了工業(yè)和生活的干擾信號，異常來自人類活動的干擾的可能性較低。在中國地震局與相關(guān)省市縣局的支持下，從2015年9月開始進行AETA設(shè)備現(xiàn)場試驗，AETA3.0在四川省、云南省、河北省等地布設(shè)了200余套（2018年8月）。九寨溝地震發(fā)生時，四川省內(nèi)已布設(shè)36套AETA3.0設(shè)備（圖2），本文對AETA3.0的36套設(shè)備建立的監(jiān)測臺陣的數(shù)據(jù)進行分析研究。

圖2 四川省已布設(shè)AETA臺站Fig.2 The installed AETA stations in Sichuan Province

2 數(shù)據(jù)與異常判別方法

本文數(shù)據(jù)來自四川省的36個AETA3.0臺站，如表1所示。各個臺站由于安裝時間有先后，為了統(tǒng)一分析，均采用震前1個月的數(shù)據(jù)作為分析對象。

表1 AETA臺站信息表Table 1 Information of AETA stations

每個AETA臺站的數(shù)據(jù)包括電磁擾動低頻、電磁擾動高頻、地聲低頻、地聲高頻四種信號分量，每個分量有均值、振鈴計數(shù)和峰值頻率三種數(shù)據(jù)類型。這樣，每個AETA臺站有12條月數(shù)據(jù)，針對這12條月數(shù)據(jù)進行月尺度下的異常對比分析，具體流程如圖3所示。首先從數(shù)據(jù)庫獲取12條月數(shù)據(jù)，第二步采用繪圖工具將其變化展示，第三步完成異常標(biāo)注，第四步進行異常與本次九寨溝地震相關(guān)性的判定，如果相關(guān)則到第五步進行異常統(tǒng)計，至此一個臺站的數(shù)據(jù)分析完畢。

圖3 數(shù)據(jù)異常分析流程Fig.3 The procedure of data anomaly analysis

上述過程中，前三步較為簡單不再解釋，下面將詳細講下第四步和第五步。第四步異常標(biāo)注的方法包括：①波動規(guī)律變化；②幅值趨勢性變化；③ 幅值短時性變化；④ 單位時間范圍內(nèi)波動頻度變化。

第五步是否為九寨溝地震異常的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：首先要排除人類活動干擾；其次排除 “偽異常”，某種異常頻繁出現(xiàn)但始終周邊沒有地震稱之為 “偽異?！保蛔詈?，看該異常附近是否有更近距離的地震事件，如果有則根據(jù)是否在根據(jù)距離Dis和震級Mag的比值R來進行判斷，若是與九寨溝地震的距離震級比較小，則認為該異常為九寨溝地震異常。

以九寨溝防震減災(zāi)局（距離震中40.55 km）的數(shù)據(jù)為例，對本文采用的數(shù)據(jù)對比方法和流程進行說明，圖4為該臺站震前一個月的12條月數(shù)據(jù)，通過如圖3所示的流程中的第一到第四步處理后得到。根據(jù)圖中發(fā)現(xiàn)，該臺站12條數(shù)據(jù)中有5條數(shù)據(jù)出現(xiàn)了一種或多種異常，在圖中用紅色矩形標(biāo)記出。

圖4 JZG震前一個月12條月數(shù)據(jù)異常標(biāo)注Fig.4 Data anomaly note of JZG Station one month before the earthquake

九寨溝臺站完成異常標(biāo)記后，為了區(qū)分是九寨溝震前異常還是青川4.9級地震震前異常，計算了距離震級比，如表2。九寨溝地震距離震級比R較小，這些異常應(yīng)屬于九寨溝地震震前異常。

表2 JZG異常統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistics result of JZG anomalies

3 異常分析結(jié)果與討論

3.1 地震前異常結(jié)果與討論

根據(jù)上述異常判別方法，對全部35個AETA臺站進行分析和統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，共計13個臺站出現(xiàn)了異常，其中10個臺站出現(xiàn)地聲異常，6個臺站出現(xiàn)電磁異常，如圖5和圖6所示，圖中用紅色五角星注明了地震發(fā)生當(dāng)天。

將數(shù)據(jù)異常進行可視化展現(xiàn)，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)超過 50%（7/13， SP、 PW、 SMWJ、 XCXM、EMS、EB、MC）的異常臺站在地塊邊界。圖7中的中國大陸板塊邊界數(shù)據(jù)來源于文獻 [20]。

對這些異常臺站的數(shù)據(jù)持續(xù)進行跟蹤，大部分臺站的異常均在震后1 d內(nèi)消失了，未消失反而持續(xù)較長時間的有3個，它們是JZG、SP、QC

圖5 九寨溝地震震前地聲異常統(tǒng)計圖示Fig.5 Anomaly of geo-sound before the jiuzhaigou earthquake

圖6 九寨溝地震震前電磁擾動異常統(tǒng)計圖示Fig.6 Anomalies statistics of EMD before the Jiuzhaigou earthquake

圖7 異常臺站與震中分布圖示Fig.7 Distribution map of abnormal stations and epicenters

以上結(jié)果顯示，九寨溝地震發(fā)生前，九寨溝周邊地區(qū)有多個AETA臺站出現(xiàn)不同程度的異常。

在AETA電磁數(shù)據(jù)是否受到磁暴干擾方面，可基本排除磁暴的干擾：據(jù)日本京都地磁數(shù)據(jù)中心[21]的數(shù)據(jù)，在7月8日至8月8間僅僅在7月18～19日發(fā)生約-80 nT的中等磁暴，其他時段AETA電磁數(shù)據(jù)未被磁暴干擾。

3.2 震后流動觀測與SRSS波的發(fā)現(xiàn)

大地震的臨震過程的前兆異常信號，有些震后立刻消失，有些震后會持續(xù)一段時間。對持續(xù)的異常信號進行分析，有助于加深對震前異常信號的理解。于是， JZG、SP、QC這三個臺站得到了進一步的觀察研究。

觀察研究后發(fā)現(xiàn)JZG、SP、QC均出現(xiàn)一種與 “日升日落”幾乎同步的電磁擾動特征值波動波形，如圖8所示：日升下降、日落上升，本文稱之為 SRSS（Sunrise-Sunset）波，其中 JZG該波形出現(xiàn)時間為6月10日至11月5日，SP為6月12日至9月16日、QC為7月25日至9月26日、10月 27日到 11月 4日， 如圖 8（a）、8（b）、8（c）所示。 JZG 和 SP 臺站自從臺站安裝便出現(xiàn)SRSS波，QC臺站是過了一個多月才出現(xiàn)SRSS波 （JZG臺站安裝于2017年6月10日，SP臺站安裝于2017年6月12日，QC臺站安裝于2017年6月8日）。

圖8 SRSS波出現(xiàn)的臺站Fig.8 The stations which occur SRSS wave appear

震后第二天筆者在震中周邊的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和縣城緊急布設(shè)了3臺AETA設(shè)備在多個地點流動觀測，觀測地點分布如圖9所示，其中每個地點觀測時間約一天。

各個流動站點的觀測數(shù)據(jù)結(jié)果如圖10所示。圖10中左列為九寨溝縣城各個觀測點的數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，九寨溝縣城中魯能大廈、縣派出所、防震減災(zāi)局、小九寨農(nóng)莊和黃浦酒店均出現(xiàn)SRSS波，九力大廈、九江農(nóng)莊和悅榕莊波形較為平靜、幾乎沒有波動，九寨莊園酒店和永樂鎮(zhèn)波形介于二者中間、呈現(xiàn)出一定的波動。圖10中右列為九寨溝縣各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的流動測點位置圖，同樣用紅色、綠色和藍色來代表波動劇烈、波動平靜和波動一般的臺站。從圖中可以看到，在震中附近的干海子、羅伊鄉(xiāng)出現(xiàn)類似SRSS波，漳扎鎮(zhèn)、永和鄉(xiāng)、黃龍機場出現(xiàn)一定的波動，玉瓦鄉(xiāng)、白河鄉(xiāng)、樹正寨、保華鄉(xiāng)波形比較平靜、波動較小。震后流動觀測的數(shù)據(jù)，證實了震中周邊幾十公里范圍內(nèi)多處存在SRSS波。

為了深入研究這一波形的出現(xiàn)與地震發(fā)生的相關(guān)性，對四川省AETA臺站數(shù)據(jù)進行了相關(guān)統(tǒng)計分析。統(tǒng)計了2017年1月1日至12月31日所有3級以上地震（排除掉九寨溝地震及其余震），在震中100 km范圍內(nèi)有AETA臺站的情況下，檢查這些AETA臺站是否出現(xiàn)SRSS波。統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，符合條件的地震有8個，每個地震事件中周邊AETA臺站均至少有一個臺站出現(xiàn)了SRSS波，具體如圖11所示。

這種在日升前幅值變大，日落后幅值變小的SRSS波形，不僅僅在四川發(fā)現(xiàn)，在云南、河北和廣東均有發(fā)現(xiàn)?？梢娛且环N典型的波形，很可能是地下地質(zhì)活動的反映。

圖9 九寨溝流動觀測點Fig.9 The mobile observation sites in JZG County

圖10 流動觀測電磁均值示意圖Fig.10 The EM mean-value samples of mobile observation sites

圖11 2017年四川省地震與SRSS波關(guān)系Fig.11 The relationship between earthquakes and SRSS wave in 2017 Sichuan Province

4 結(jié)語

通過對九寨溝地震前AETA臺站和震后流動觀測點的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了多個臺站異常和SRSS波，很可能是九寨溝地震前的前兆異常。未來將進一步研究更多震例下AETA數(shù)據(jù)異常的規(guī)律，能否根據(jù)這些異常數(shù)據(jù)進行地震三要素的預(yù)測。在進一步的觀測研究過程中，提高AETA臺陣布設(shè)密度是有必要的。

致謝：本文的實驗工作得到四川省地震局的支持和配合，尤其是阿壩州、九寨溝縣防震減災(zāi)局的支持和配合；本文的研究工作得到深圳深創(chuàng)谷等企業(yè)的技術(shù)支持和多方位的合作，得到王陽元院士、楊芙清院士的指導(dǎo)；數(shù)據(jù)整理和圖表繪制工作得到了北京大學(xué)深圳地震監(jiān)測預(yù)測技術(shù)研究中心的同學(xué)幫助，在此一并表示深深的感謝！