運用小波-超限率方法提取霍山ML4.7 級地震體應(yīng)變異常

鄭海剛 ， 李軍輝 ， 王雪瑩 ， 何 康 ， 王 俊 ， 李玲利

（1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院， 合肥 230026； 2. 安徽省地震局， 合肥 230031；3. 蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站， 安徽 亳州 233500）

安徽省鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)經(jīng)過 “十一五”、 “十二五” 兩期建設(shè)， 目前共有觀測臺點20 個。 其中，體應(yīng)變 13 個， 地傾斜 4 個， 分量應(yīng)變 3 個， 主要觀測儀器為中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制的TJ-2 型體積式應(yīng)變儀、 RZB 型電容式鉆孔傾斜儀、RZB 型電容式四分量鉆孔應(yīng)變儀。

隨著觀測臺站的增加、 觀測數(shù)據(jù)的積累， 如何更好的分析數(shù)據(jù)、 提取異常信息， 已經(jīng)成為研究人員面對的重要問題。 邱澤華等運用超限率法提取了姑咱臺體應(yīng)變數(shù)據(jù)在汶川地震前的異常變化[1]，運用小波-超限率法提取了寧陜臺體應(yīng)變數(shù)據(jù)在汶川地震前的異常變化[2]， 都取得了較好的效果。 本文在前人研究的基礎(chǔ)上， 運用小波-超限率法獲取了2012 年4 月20 日霍山ML4.7 級地震前體應(yīng)變小波超限率異常。

1 小波分析法細(xì)節(jié)提取

小波分析理論是近幾十年來發(fā)展起來的新的信號處理技術(shù)， 因其在時間域和頻率域都可以達(dá)到較高的分辨率， 被稱為 “數(shù)學(xué)顯微鏡”[3-4]。 小波變換是一種工具， 它把數(shù)據(jù)、 函數(shù)或算子分割成不同頻率的成分， 然后再用分解的方法去研究對應(yīng)尺度下的成分， 所以在數(shù)據(jù)信號處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5]。 國內(nèi)眾多地震學(xué)者將小波理論應(yīng)用于地殼形變觀測資料分析， 宋志平等應(yīng)用小波方法對形變數(shù)字化資料進(jìn)行處理， 提取了不同頻率信息， 識別和消除了資料中的干擾[6]； 王波等將小波技術(shù)應(yīng)用于GPS 單歷元信號降噪研究[7]； 采用小波變換方法相繼對包頭臺洞體應(yīng)變和水管傾斜進(jìn)行處理， 研究形變數(shù)據(jù)固體潮、 同震響應(yīng)和周期性特征等[8]。

圖1 安徽鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)分布圖Fig.1 Distribution map of borehole strain gauge network in Anhui province

小波方法對識別與消除數(shù)字化前兆資料中的干擾， 以及對不同頻率信息的識別功能較強(qiáng)。 本文在前人研究基礎(chǔ)上， 以合肥、 六安、 滁州和嘉山臺體應(yīng)變原始觀測數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)（具體觀測時段見表1）， 在排除氣溫、 氣壓、 水位及外圍環(huán)境變化影響的同時， 利用Mapsis 地震預(yù)報分析系統(tǒng)提供的小波分析算法對上述體應(yīng)變進(jìn)行小波細(xì)節(jié)提取。 結(jié)果顯示： 合肥臺體應(yīng)變1-2 階小波結(jié)果受到短期突跳變化的壓制， 幾乎看不到其它有效信息； 3-4 階小波結(jié)果除了短期突跳變化外， 其它時段變化平穩(wěn)， 很難識別其它有效信息； 5-6 階小波結(jié)果有效過濾了短期突跳， 突顯了部分長周期變化， 數(shù)據(jù)變化周期性較明顯（圖2）。 六安臺體應(yīng)變1-5 階小波結(jié)果幾乎全部被短期突跳變化所壓制， 僅第6 階數(shù)據(jù)呈現(xiàn)一定的周期性（圖3）。 滁州臺體應(yīng)變與合肥臺體應(yīng)變小波結(jié)果類似， 5-6 階數(shù)據(jù)呈現(xiàn)較好的周期性（圖4）。 嘉山臺體應(yīng)變小波結(jié)果1 階受短期變化壓制嚴(yán)重， 2-6 階受短期壓制不明顯， 但是2-4 階變化平穩(wěn)， 不利于后期信息提取， 5-6 階有較好的周期變化（圖 5）。 鑒于， 上述4 個臺站的體應(yīng)變小波分析結(jié)果第6 階都有較好的周期性， 本文選擇合肥、 六安、 滁州和嘉山臺體應(yīng)變小波分析結(jié)果第6 階開展超限率計算及震前異常信息提取。

表1 數(shù)據(jù)使用時間段列表Table 1 List of data usage time periods

圖2 合肥臺體應(yīng)變小波分析結(jié)果Fig.2 Wavelet result of volumetric strain at Hefei Station

圖3 六安臺體應(yīng)變小波分析結(jié)果Fig.3 Wavelet result of volumetric strain at Lu"an Station

圖4 滁州臺體應(yīng)變小波分析結(jié)果Fig.4 Wavelet analysis result of volumetric strain at Chuzhou Station

圖5 嘉山臺體應(yīng)變小波分析結(jié)果Fig.5 Wavelet analysis result of volumetric at Jishan Station

圖6 合肥臺小波-超限率結(jié)果Fig.6 Wavelet-overrun rate result at Hefei Station

圖7 六安臺體應(yīng)變小波-超限率結(jié)果Fig.7 Wavelet-overrun rate result at Lu"an Station

圖8 滁州臺小波-超限率結(jié)果Fig.8 Wavelet-overrun rate result at Chuzhou Station

圖9 嘉山臺小波-超限率結(jié)果Fig.9 Wavelet-overrun rate result at Jishan Station

2 超限率法異常分析

地震預(yù)報目前仍然是一項世界性科學(xué)難題，原因之一是觀測數(shù)據(jù)受干擾較多。 合理剔除干擾及科學(xué)提取地震異常是目前前兆數(shù)據(jù)分析的重點工作[9-10]。 多年以來， 隨著觀測儀器的數(shù)字化改造，大量新的前兆分析方法涌現(xiàn)出來， 超限率方法就是其中之一。 周龍壽等用超限率方法進(jìn)一步驗證汶川地震前驅(qū)波[11]； 高麗娟等應(yīng)用超限率方法提取鉆孔傾斜地震前兆異常信號[12]； 李軍輝等應(yīng)用超限率方法分析了安徽阜陽4.3 級地震前電磁擾動數(shù)據(jù)， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)電磁擾動脈沖超限頻次和超限幅度均出現(xiàn)明顯的增強(qiáng)現(xiàn)象[13]； 武善藝等應(yīng)用超限率方法提取了汶川地震前定點形變高頻異常， 并分析了其變化特征[14]； 高麗娟等還應(yīng)用超限率分析法提取了精河6.6 級地震前鉆孔應(yīng)變的高頻信號異常[15]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上， 采用超限率法對合肥、 六安、 滁州和嘉山臺4 個臺體應(yīng)變小波分析結(jié)果進(jìn)行了異常提取， 結(jié)果顯示： 2014 年4 月20 日霍山ML4.7 地震前[16]， 合肥臺體應(yīng)變小波超限率結(jié)果在2013 年 1 月至2013 年 5 月之間出現(xiàn)多次強(qiáng)度超限率異常（圖6）； 六安臺體應(yīng)變小波超限率結(jié)果在2012 年12 月至2014 年1 月間多次出現(xiàn)強(qiáng)度超限率異常（圖7）； 滁州臺體應(yīng)變小波超限率結(jié)果在2012 年12 月至2013 年5 月間多次出現(xiàn)強(qiáng)度超限率異常（圖8）； 嘉山臺體應(yīng)變小波超限率在2012 年12 月至2013 年5 月間多次出現(xiàn)強(qiáng)度超限率異常（圖9）。 這些異常不僅在時間上具有一定同步性， 而且均為強(qiáng)度超限率異常。 盡管在2014 年4 月20 日霍山ML4.7 地震前， 也有很多數(shù)量超限率異常， 但由于其數(shù)量較多， 對地震預(yù)報意義不明顯， 本文未做重點討論。

3 結(jié)論

本文收集了安徽省全部20 個鉆孔應(yīng)變原始數(shù)據(jù)資料， 對觀測時間較長、 連續(xù)率較好的合肥、六安、 滁州和嘉山臺運用小波-超限率方法進(jìn)行了異常信息提取， 將提取結(jié)果與安徽省2010 年以來ML4.0 級以上地震進(jìn)行了對比分析， 得出了如下結(jié)論；

（1）2014 年 4 月 20 日霍山 ML4.7 級地 震前 ，安徽合肥、 六安、 滁州、 嘉山4 個體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)小波-超限率結(jié)果均出現(xiàn)了一定多次強(qiáng)度超限率異常變化， 說明安徽省體應(yīng)變小波-強(qiáng)度超限率異常對省內(nèi)中等地震強(qiáng)度具有一定指示意義。

（2）2014 年 4 月 20 日霍山 ML4.7 級地震前一年內(nèi)， 安徽合肥、 六安、 滁州、 嘉山 4 個體應(yīng)變小波-超限率異常， 具有一定準(zhǔn)同步性， 且出現(xiàn)時間均在地震發(fā)生前一年內(nèi)， 說明安徽省體應(yīng)變小波-強(qiáng)度超限率異常對省內(nèi)中等地震時間具有較好指示意義。