2020年3月20日蒙古MS5.9地震前傾斜固體潮汐因子變化特征分析①

張 錄，陳魯剛，張 杰

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局哈密地震監(jiān)測中心站，新疆 哈密 839000；2.新疆維吾爾自治區(qū)地震局喀什地震監(jiān)測中心站，新疆 喀什 844000)

固體地球在月亮、太陽引潮力作用下所產(chǎn)生的周期性形變稱為固體潮汐，其特征數(shù)—固體潮汐因子，可為了解地球的彈性性質和地殼巖石的物理性質以及探索地震前兆異常提供途徑[1]。在震前固體潮汐因子異常研究方面，已有學者做了大量的工作。吳翼麟[2]分析了傾斜固體潮振幅因子變化的物理意義，以此探索震前臺站周緣應變積累程度及孕震可能；張晶等[3]通過計算華北、西南地區(qū)的重力、形變、應變等的潮汐因子、時間滯后等潮汐參數(shù)，提取并總結了震前異常信息及變化特征；李強等[4]發(fā)現(xiàn)南黃海MS6.1地震前區(qū)域潮汐因子有一年半時長的異常變化，最大異常幅度為0.28左右；傅再揚[5-6]、張肖[7]、蘇維剛[8]等研究了傾斜固體潮汐因子的動態(tài)組合信息在中、強震前的異常變化特征；呂品姬等[9]通過潮汐因子和小波分解法提取了巴東MS5.1地震震中附近400 km范圍內的形變觀測數(shù)據(jù)的異常特征；王時[10]、候曉真[11]等通過計算河北省的定點形變臺站觀測資料的潮汐因子，分析了其在震前的異常變化特征，并進行映震效能評估；何斌等[12]研究了體應變儀觀測層巖芯的單軸抗壓強度和彈性模量與M2波視潮汐因子之間的關系；對于新疆區(qū)域形變臺站的潮汐參數(shù)及其震前異常，亦有大量成果[13-17]。上述關于固體潮汐因子的研究，對于震前周邊前兆觀測資料異常信息的提取提供了很好的方法與借鑒。

2020年3月20日蒙古MS5.9地震所處區(qū)域及周邊具有強震發(fā)生的背景(1914、1974年巴里坤發(fā)生過2次MS≥7.0地震)，但因定點形變觀測設備自架設以來，中強震發(fā)生較少，這使得該地區(qū)形變數(shù)據(jù)的震前異常積累不足。因此，本文中通過研究此次蒙古MS5.9地震前哈密及附近地區(qū)地傾斜固體潮汐因子的變化特征，為研究該地區(qū)中強震的預測指標和震例總結提供一定參考。

1 資料選取及計算

1.1 資料選取

2020年3月20日11時03分15秒中國哈密市以北的蒙古國境內(94.14°E、46.03°N)發(fā)生MS5.9地震，震源深度10 km。該地震處于阿爾泰山東南緣的哈爾烏蘇湖斷裂帶南段，此區(qū)域新構造運動與地震活動強烈[18-19]。以該地震震中附近400 km內的巴里坤(震中距 260 km)、富蘊(震中距369 km)和芨芨臺(震中距354 km)3個定點形變觀測站的傾斜資料所計算的連續(xù)固體潮汐因子為研究對象，分析總結震前潮汐因子的異常變化特征(圖1)。為保證數(shù)據(jù)的可靠，選取儀器工作狀態(tài)正常且運行穩(wěn)定的觀測資料(表1)。

表1 研究區(qū)傾斜觀測站基本情況

圖1 蒙古MS5.9地震震中及周邊觀測臺站分布圖

巴里坤觀測站處于北塔山—紙房斷裂東南端，巴里坤盆地東北緣斷裂的西北端，南側為洛包泉—堿泉子斷裂。觀測室位于花崗巖山體的山洞內(進深16 m，洞頂覆蓋層厚度約11 m)，2010年8月于山洞內安裝SQ-70D石英水平擺傾斜儀，2011年正式入網(wǎng)觀測，2018年9月進行了數(shù)采和光源燈升級，目前運行穩(wěn)定。富蘊觀測站處于富蘊—庫爾提、額爾齊斯及可可托?！_等斷裂帶的交匯處，地質構造復雜。2011年11月架設CZB-2A豎直擺鉆孔傾斜儀，鉆孔深度18 m，花崗巖基底，2012年試運行，2013年正式入網(wǎng)觀測。芨芨臺觀測站位于天山褶皺帶，哈密盆地北緣斷裂，基礎巖性為花崗巖。2015年1月安裝CZB-2A豎直擺鉆孔傾斜儀，安裝深度23.8 m，2016年7月正式入網(wǎng)并進行日常資料處理。

1.2 數(shù)據(jù)預處理

為保證計算出的傾斜固體潮汐因子的穩(wěn)定和可靠性，選取資料時作數(shù)據(jù)預處理。以月為窗長，選取3個觀測站的整點值數(shù)據(jù)進行處理，主要方法包括：消除數(shù)據(jù)突跳；去除地震引起的階躍；剔除儀器校準、故障及施工干擾等造成的畸變數(shù)據(jù)。

1.3 計算方法

由于日波受氣象要素日變的干擾，本文中以半日波M2波潮汐因子為研究對象。采用維尼迪可夫(Venedikov)調和分析方法計算傾斜固體潮汐因子，再通過小波分析和動態(tài)組合進行異常特征的提取，主要通過如下方法：

(1)維尼迪可夫(Venedikov)調和分析：設每個觀測值由不同成分的潮汐波疊加而成，

y(tj)=∑ihicos(ωiti+φ(Tj))+Φ(tj) .

(1)

式中，y(tj)為時間觀測序列；hi是角頻率為ωi的潮汐波觀測振幅；φ(Tj)為同一潮汐波的初相位；Tj為觀測序列中央時刻的時間間隔；Φ(tj)為tj時的零點漂移。利用維尼迪柯夫設計的偶數(shù)字濾波器和奇數(shù)字濾波器作用于連續(xù)48 h的固體潮觀測整點值，經(jīng)過數(shù)學變換后，可按最小二乘法原理求得各波群的潮汐因子和相位、殘差矢量等參數(shù)，提取所需的固體潮信息[20]。

(2)小波分析：這是時間和頻率的局域變換，能有效地從信號中提取信息，通過伸縮和平移等運算功能對函數(shù)或信號進行多尺度細化分析[21]。小波函數(shù)的選取及其分析提取地震前兆異常信息方面，已有學者[22-24]做了研究。劉建明等[25]根據(jù)緊支撐性、對稱性和正則性原則，通過最大誤差和平均誤差判定，選用最優(yōu)的db4小波基函數(shù)分析了新疆區(qū)域2次MS6.0地震前地傾斜異常信息。張燕[26]、呂品姬[9]、楊從杰[27]等亦采用db4小波分析獲取地震前兆異常?；谏鲜鰧W者的研究，本文中利用db4小波函數(shù)對固體潮汐因子進行分解，將其近似部分(低頻)與細節(jié)部分(高頻)分離，根據(jù)近似部分確定潮汐因子趨勢變化，細節(jié)部分識別短期異常變化[27]。

2 結果與分析

2.1 傾斜變化特征分析

巴里坤水平擺傾斜觀測資料自2011年以來運行穩(wěn)定，年變清晰。兩分量年變轉向時間較為同步，每年6月份開始夏季轉向，12月份冬季轉向(圖2a)。富蘊鉆孔傾斜觀測資料在2014年3～7月，兩分量出現(xiàn)反向加速的異常變化，經(jīng)檢查為數(shù)采故障，后進行更換，至今運行穩(wěn)定(1)富蘊地震臺.2021年度可可托?！_斷裂帶地震趨勢研究報告，2020年10月.。其EW分量整體變化形態(tài)為E傾，背景清晰且年變幅度較大，每年6月份夏季轉向，11月份冬季轉向。NS分量在2013～2017年變化趨勢為N傾，日均值曲線受干擾影響大，畸變較多，年變不清晰；2018年開始轉向為緩慢S傾，無顯著干擾，曲線形態(tài)及年變逐漸清晰，每年的4月和10月份年變轉向(圖2b)。芨芨臺鉆孔傾斜觀測NS分量呈N傾趨勢，EW分量呈E傾趨勢。NS分量在每年6～10月有一段緩慢南傾過程，之后呈快速N傾；EW分量則在每年3月初至6月中旬為緩慢W傾，后快速E傾(圖2c)。

圖2 各觀測站傾斜變化時序

2.2 潮汐因子時序變化特征

通過調和分析計算所得巴里坤、富蘊和芨芨臺觀測站的EW、NS分量M2波潮汐因子時序變化，并對其進行了統(tǒng)計分析。因處內陸，受海潮汐影響小，這3個觀測站的潮汐因子均值在0.5左右。對比標準差和變異系數(shù)，富蘊、芨芨臺觀測站潮汐因子離散程度低，而巴里坤觀測站潮汐因子離散程度較高(表2)，這可能因富蘊、芨芨臺為鉆孔觀測，相比于巴里坤的山洞觀測(進深短且覆蓋層薄)，其受環(huán)境干擾影響較小。

表2 各觀測站M2波潮汐因子統(tǒng)計分析

對于蒙古MS5.9地震，巴里坤、芨芨臺觀測站潮汐因子時序變化在震前未見明顯異常特征，僅巴里坤觀測站EW分量在地震發(fā)生當月出現(xiàn)了同震響應(圖3a和圖3c)。而富蘊觀測站潮汐因子時序有較為明顯的異常，從整個時序變化來看，EW和NS兩分量自2017年起，在震前均有3年的低值期，以EW分量更為明顯。在整個低值變化過程中，又自2019年4月起，原本處于增大趨勢的潮汐因子，出現(xiàn)了反向減小，后又逐步恢復增大的變化趨勢，在近1年后發(fā)震，這一變化過程，可認為是此次地震前固體潮汐因子異常變化的直觀體現(xiàn)(圖3b)。

圖3 各觀測站M2波潮汐因子時序變化

2.3 潮汐因子小波分析

采用db4小波函數(shù)對3個觀測站的潮汐因子時序進行6階分解。結果顯示，其細節(jié)部分(主要識別中短期異常變化)6階分解結果均無異常特征(可能與其處于震源區(qū)外圍，距離震中較遠，中短期異常不明顯；同時與潮汐因子的計算窗長為月，其所包含的高頻信息少有關)，但是趨勢部分的4階(與之對應的細節(jié)4階的周期為16～32個月)則有較為明顯的震前異常信息，其主要表現(xiàn)為震前有超出1倍標準差的異常時段。

巴里坤觀測站EW分量出現(xiàn)3次超出1倍標準差的異常時段，第1時段在2012年9月～2013年9月(13個月)，超限異常后發(fā)生2014年4月30日哈密MS5.1地震，震后變化趨勢恢復平穩(wěn)。第2時段在2016年9月～2017年11月，超限15個月后逐步恢復，但無地震對應。第3時段從2019年6月起超限，10個月后發(fā)生蒙古MS5.9地震。NS分量有2次超限異常時段，為2011年2月～2012年9月和2019年3月～2020年6月，分別對應哈密MS5.1和蒙古MS5.9地震。2012年2月10日巴里坤MS5.3地震，因距儀器架設僅17個月，背景累積不夠，所以震前無明顯異常(圖4a)。富蘊觀測站兩分量潮汐因子2013～2016年變化穩(wěn)定，但從2017年起逐漸減小。EW分量在2017年9月～2019年4月為超限異常，持續(xù)時長20個月；NS分量2017年11月～2019年10月出現(xiàn)了超限，持續(xù)時長24個月。異常恢復過程中發(fā)生了此次MS5.9地震(圖4b)。芨芨臺觀測站的潮汐因子時序雖有趨勢波動變化，但無明顯超限異常，僅EW分量在震前有過低值時段，且震前2個月出現(xiàn)超限異常(圖4c)。

圖4 各觀測站潮汐因子小波分解趨勢4階變化

2.4 潮汐因子組合特征

將3個傾斜觀測站2分量固體潮潮汐因子分別進行組合，得到了面膨脹因子、剪切應變和介質的各向異性這3種特征量，每個特征量以超出其1倍標準差閾值線為異常，結果如圖5所示。

圖5 各觀測站潮汐因子組合特征變化

蒙古MS5.9地震前，巴里坤觀測站潮汐因子組合特征量有2個超限異常，為震前1年出現(xiàn)的面膨脹因子和震前6個月出現(xiàn)的介質各向異性。在地震發(fā)生當月，面膨脹因子和剪切應變出現(xiàn)了較為明顯的同震響應，這可能與該站離震區(qū)近，受震源區(qū)破裂影響較大有關。富蘊觀測站潮汐因子組合特征量僅面膨脹因子在震前10個月有明顯的超限異常，而剪切應變和介質的各向異性則無明顯異常。芨芨臺觀測站的3種潮汐因子組合特征量在震前1年均有超限異常，但是相對于整體的背景變化則不太明顯，這與其離震源區(qū)較遠且震級小有一定的關系。

對于哈密區(qū)域內的MS5.3和MS5.1地震，因震級小，巴里坤觀測站3種潮汐因子組合特征量異常不顯著，雖有超限，但無法很好的從背景變化中區(qū)分。

3 結 語

地震孕育過程中，持續(xù)的構造力作用，使得區(qū)域應力場不斷增強，引起震源體介質的物理性質發(fā)生變化，固體潮汐因子是反應巖石彈性力學性質的物理量，通過該因子的變化可推斷介質狀態(tài)的變化過程及震前異常。本文中對蒙古MS5.9地震前，震中附近400 km內的巴里坤、富蘊和芨芨臺3個傾斜觀測站M2波固體潮汐因子進行分析，通過不同分析方法初步得出以下結論：(1)巴里坤觀測站因距震源區(qū)近，在地震發(fā)生當月，潮汐因子及其組合有同震響應現(xiàn)象。富蘊觀測站因與震源區(qū)地質構造聯(lián)系緊密(均處于阿爾泰山地區(qū))，其固體潮汐因子在震前的異常變化顯著，主要體現(xiàn)在震前有3年時長的低值期，且在地震發(fā)生的前1年出現(xiàn)“增大—減小—增大”的異常特征。芨芨臺觀測站距震源區(qū)較遠，雖其固體潮汐因子小波分析和組合特征有震前異常信息，但不顯著。(2)3個觀測站固體潮汐因子小波分析均無細節(jié)(高頻)部分的震前異常，主要以趨勢(低頻)異常為主，表現(xiàn)在震前3年內有明顯超出1倍標準差的異常時段。(3)在潮汐因子組合特征信息中，巴里坤、富蘊觀測站面膨脹因子在震前1年內有超出1倍標準差的異常期；巴里坤觀測站介質各向異性在震前6個月出現(xiàn)異常；芨芨臺觀測站潮汐因子組合特征量在震前1年均有超限異常，但是相對于整體的背景變化則不顯著。