地震前兆還是降雨干擾？
——與“寧強(qiáng)5.7級地震前陜西定點(diǎn)形變的異常現(xiàn)象”作者商榷

楊小林, 丁曉光, 楊錦玲, 危自根

(1. 陜西地震臺, 陜西 西安 710068; 2. 福建地震臺, 福建 福州 350003;3. 中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院, 湖北 武漢 430077)

0 引言

就地震前兆觀測和機(jī)理研究而言,雖然可從巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)[2]、數(shù)值模型[3]、統(tǒng)計模型[4]和觀測實(shí)證[5]等視角,來揭示前兆過程的形態(tài)及演化模式,但真實(shí)的震源物理、地殼介質(zhì)、場地效應(yīng)和非構(gòu)造影響因子等要遠(yuǎn)比理想假設(shè)復(fù)雜,故而在這些影響因子的驅(qū)動下,地震前兆往往會涌現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性,這也使得地震預(yù)測預(yù)報業(yè)務(wù)長期面臨艱巨的挑戰(zhàn)[6]。

盡管現(xiàn)在針對前兆“震相”的診斷能力有所提升,但總體而言不盡理想,仍不乏似是而非的誤報案例。單以定點(diǎn)地形變(以下簡稱地形變)中的降雨干擾而論,其在不同時空尺度上所產(chǎn)生的地殼變動具有高度的非線性,這就足以與構(gòu)造運(yùn)動混淆,所以地震前兆的判識難度也隨之加劇[7]。例如,1977年新西蘭6.2級地震前4個月,惠靈頓地傾斜臺便出現(xiàn)了大幅傾斜(震中距約50 km),但由于降雨影響的不當(dāng)校正,以致該現(xiàn)象被誤解為地震前兆[8-9];不僅如此,降雨的年際變化還會引起地形變臺出現(xiàn)群體性的趨勢異常[10]。可見,客觀判識和定量診斷降雨因子的干擾,是開展形變異常歸因研究的必要前提。

近年來,地震學(xué)者也在這一方面開展了大量而有意義的研究。例如,竹本修三[11]根據(jù)巖倉(Iwakura)地形變臺對不同降雨量的響應(yīng)關(guān)系,擬合出了該臺降雨干擾的時變函數(shù);Braitenberg[12]和Chen等[13]則分別采用預(yù)測和遞歸濾波等數(shù)字信號處理方法,來刻畫鉆孔應(yīng)變對降雨的響應(yīng)特性;此外,田中寅夫[14]還借助水箱模型(Tank Model)以定量模擬降雨對洞體應(yīng)變的干擾特征。但這些方法均未考慮滲流和局部裂隙等因子對觀測洞室形變場的動力學(xué)影響,因此,有的研究便采用時移電阻率層析成像方法(Time-lapse Electrical Resistivity Tomography),來反演山體內(nèi)雨水的滲流過程[15];更進(jìn)一步,基于這一關(guān)鍵的邊界條件,就能有效算出雨水引起孔隙彈性變形的數(shù)值解[16]。

2008年5月27日16時37分,在陜西寧強(qiáng)縣境內(nèi)的青川—平武斷裂上發(fā)生了MS5.7地震,震源機(jī)制解顯示該事件以右旋走滑為主,其質(zhì)心深度為24.1 km[圖1(a)]。地震之后,論文“寧強(qiáng)5.7級地震前陜西定點(diǎn)形變的異?，F(xiàn)象”[1],便對陜西6個地形變臺的觀測資料進(jìn)行了回溯分析,指出寶雞、西安、寧陜和安康等4臺[圖1(a),(b)]在震前2～6天普遍出現(xiàn)了較顯著的短臨前兆異常,且一些變化在震后3天依然持續(xù)。但在5月20—30日,陜西南部和西部地區(qū)又發(fā)生了大面積的降雨事件。從圖1(a)可以看出,除西安臺外,其余3臺均分布于降水落區(qū)內(nèi)。而日常觀測事實(shí)又表明,降雨是寶雞臺洞體應(yīng)變觀測的主要干擾源,從圖1(c)的逐日降雨量可以看出,在寧強(qiáng)MS5.7地震前2天即5月25日,與該臺相距約40 km的隴縣氣象站記錄到了16.8 mm的降雨量,這和寶雞臺洞體應(yīng)變異常的啟動時刻又非常吻合。那么就有理由懷疑,寶雞臺洞體應(yīng)變所出現(xiàn)的短臨大幅異常(NS分量:約101×10-9,EW分量:約110×10-9)可能是降雨干擾所致,但其擾動量有多大？擾動形態(tài)又如何,會呈指數(shù)形式的壓縮和拉張變化嗎？此外,當(dāng)青川—平武斷裂上發(fā)生類似中強(qiáng)地震前,該測項(xiàng)的異常形態(tài)能再現(xiàn)嗎？針對以上現(xiàn)象或問題,文獻(xiàn)[1]并未進(jìn)行縝密分析,反而僅依據(jù)寶雞臺洞體應(yīng)變異常時段與發(fā)震時刻的相關(guān)性,便倉促認(rèn)定其為地震前兆。若單從統(tǒng)計物理學(xué)的角度來檢視,相關(guān)關(guān)系也并不意味著因果關(guān)系。可見,該研究[1]對寶雞臺的判據(jù)尚存不足,值得商榷和實(shí)證檢驗(yàn)。

圖1 寧強(qiáng)MS5.7地震前寶雞臺洞體應(yīng)變的短臨異常變化Fig.1 Short-term and imminent abnormal changes of cave strain at Baoji station before Ningqiang MS5.7 earthquake

為此,本文著重對寶雞臺洞體應(yīng)變的短臨異常進(jìn)行了系統(tǒng)診斷,旨在揭示該變化的物理本質(zhì);相關(guān)結(jié)果,不僅有利于寧強(qiáng)MS5.7地震前兆的去偽存真,而且也能為類似異常變化的物理歸因等提供借鑒。

1 臺站和儀器概況

寶雞臺位于北秦嶺造山帶內(nèi),與隴縣—寶雞斷裂帶相鄰[圖1(a)],臺站海拔高1 050 m,臺基巖性為印支期的斑狀黑云母花崗巖,引洞長22 m,洞室進(jìn)深約60 m,覆蓋層最厚達(dá)47 m,洞室內(nèi)年溫差≤0.1 ℃,日溫差≤0.05 ℃,臺站地形及洞室布局如圖2所示。

圖2 寶雞臺地形及其觀測洞室布局Fig.2 Terrain of Baoji station and layout of observation cave

該臺伸縮儀為SS-Y型,其NS和EW分量的基線長度均為29.8 m,采樣率為1次/分鐘。在地面氣象要素觀測方面,由于該臺雨量計故障頻發(fā),所以本文選用了與之相距約40 km的隴縣氣象站的逐日降雨數(shù)據(jù)[圖1(a)]。需要指出的是,該臺地處山區(qū),而在復(fù)雜地形的強(qiáng)迫下,降雨量的時空分布會存在明顯差異[17-19]。因此,隴縣站與寶雞臺的降雨量可能有所差異,但尚可提供半定量的分析證據(jù)。

2 資料選取和數(shù)據(jù)處理

首先,本文將寶雞臺洞體應(yīng)變NS和EW分量在寧強(qiáng)MS5.7地震前的異常變化作為匹配模板,之后對2008—2019期間的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行人工檢測,并最終挑選出12個較典型的個例。此外,為增加震例樣本,本文也特別選定了一例“重復(fù)地震”以作對比。通常來講,在提取或分析地形變數(shù)據(jù)中的構(gòu)造信號或降雨影響時,首先要剔除其氣壓效應(yīng)。從實(shí)測結(jié)果來看[20],寶雞臺洞體應(yīng)變NS和EW分量的氣壓系數(shù)偏小,分別為1.84×10-9hPa和1.78×10-9hPa;加之,洞體應(yīng)變“異?！毙螒B(tài)與氣壓的相關(guān)性較差,且后者變幅也均小于10 hPa。因此,本研究未校正洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)中的氣壓負(fù)荷信號。

在洞體應(yīng)變異常信號提取時,鑒于文獻(xiàn)[1]所提的短臨異常為低頻成分,加之洞體應(yīng)變信號具有非線性非平穩(wěn)特性;所以,本文在剔除洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)的線性趨勢后,便采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(EEMD)[21]對預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波,以提取長周期(>1 800 min)的非潮汐變化。在此基礎(chǔ)上,我們依次將非潮汐變化的第1、2個趨勢轉(zhuǎn)折點(diǎn)所在位置,定義為起始和最大響應(yīng)時刻,二者的時差為持時,期間的應(yīng)變差值即為最大響應(yīng)量。

另外,寧強(qiáng)和青川地震的震源參數(shù),則采用全球矩心矩張量解(GCMT)。

3 質(zhì)疑和舉證

3.1 震例實(shí)證

若假定寶雞臺洞體應(yīng)變短臨異常是寧強(qiáng)MS5.7地震的真實(shí)前兆,那么在“重復(fù)地震”且無或小雨(降水量<10 mm)的情況下,該現(xiàn)象還會重復(fù)么？為回答該問題,本文特意選定了2018年9月12日19時6分發(fā)生在青川—平武斷裂上的青川MS5.0地震(質(zhì)心深度為24.7 km)作為實(shí)證樣本[圖1(a)]。該事件與寧強(qiáng)地震有3點(diǎn)相似:(1)震級大體相當(dāng);(2)震源性質(zhì)皆以右旋走滑為主;(3)震中位置相近(間距僅9 km),且均與寶雞臺相隔約235 km[圖1(a)]。所以,本文將其視為“寬松意義”上的“重復(fù)地震”。

圖3顯示,在9月9日有2 mm的小雨天氣,但其影響極其微弱故可忽略。之后,再細(xì)觀洞體應(yīng)變NS和EW分量的非潮汐變化,可以看出寧強(qiáng)地震的短臨前兆異常(如果確有的話)并未在青川地震前再現(xiàn)[圖1(b),3(a)]。這也不難理解,該測項(xiàng)在寧強(qiáng)地震前的短臨異常很可能源自降雨而非地震。因此,文獻(xiàn)[1]的論斷難以通過實(shí)證檢驗(yàn)。

圖3 青川MS5.0地震前寶雞臺洞體應(yīng)變(a)和逐日降雨(b)的短期變化Fig.3 Short-term variation of cave strain (a) and daily rainfall (b) at Baoji station before the Qingchuan MS5.0 earthquake

3.2 降雨干擾的統(tǒng)計實(shí)證

為客觀論證寶雞臺洞體應(yīng)變在寧強(qiáng)地震前的短臨異常是降雨干擾所致,本文將其“異?！毙螒B(tài)與另外12個降雨干擾的典型特征進(jìn)行了半定量的統(tǒng)計實(shí)證。圖4給出了4例較為典型的干擾變化,其余8例的干擾統(tǒng)計特征詳見表1。需要指出的是,本文采用的是逐日降雨數(shù)據(jù),所以還無法精確給出洞體應(yīng)變響應(yīng)時段內(nèi)(分鐘級)的累計降雨量。為簡化問題,我們僅粗略統(tǒng)計了洞體應(yīng)變起始響應(yīng)前一日至最大響應(yīng)當(dāng)日的累計降雨量;此外,洞體應(yīng)變的最大響應(yīng)量即為降雨的擾動量。

從圖4大致可以看出,不同降雨量對洞體應(yīng)變的擾動過程具有明顯的共性特征,即當(dāng)累計降雨量較大時(>10 mm),NS和EW分量的非潮汐變化就會以指數(shù)形式響應(yīng)至極值,其中,前者皆為壓性應(yīng)變,后者反之;而后,兩者便會準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)折并延續(xù)降雨干擾前的走勢。此外,受控于降雨形式的多樣性,不同個例持時的差異也非常明顯,但主要集中在0.8～2.8天;而對于NS和EW分量而言,二者的持時分別為1.2～2.8天、0.8～2.5天,前者的響應(yīng)時間要略長于后者(表1,圖1、5);二者最大響應(yīng)幅度則介于34.8×10-9～476.1×10-9之間,其中,EW分量(34.8×10-9～476.1×10-9)普遍高于NS分量(-57.7×10-9～-282.4×10-9)(表1、圖1、5),最大可達(dá)193.7×10-9[圖1(b)]。再者,從這12個統(tǒng)計樣本來看,NS和EW分量最小的驅(qū)動降雨量均為16.6 mm。

更進(jìn)一步,將以上特征與寧強(qiáng)地震前的短臨異常進(jìn)行對比(圖5),便可發(fā)現(xiàn)該異常的形態(tài)[圖5(a)]、持時[圖5(a)]和量級[圖5(b)]均符合降雨干擾的統(tǒng)計特性。因此,從這一簡單統(tǒng)計所形成的半定量結(jié)果,便可有效推斷出該異常主要源于16.8 mm的降雨干擾。

3.3 降雨干擾的機(jī)理分析

從前文中可以看出,EW分量對降雨干擾的響應(yīng)幅度普遍要大于NS分量,這可能是由山體覆蓋層EW和NS向地形、介質(zhì)結(jié)構(gòu)及裂隙網(wǎng)絡(luò)的差異所致[22]。

另外一個值得注意的現(xiàn)象是,寶雞臺洞體應(yīng)變NS和EW分量對降雨的響應(yīng)性質(zhì)截然相反(圖5),其背后的動力學(xué)機(jī)制是什么？鑒于該臺所在山體精細(xì)的介質(zhì)結(jié)構(gòu)和裂隙網(wǎng)絡(luò)至今不詳,所以本文也只能定性地探討其降雨干擾的機(jī)理。

一般而言,當(dāng)降雨滲入到山體的孔隙和裂隙后,孔隙壓力便會驅(qū)動山體膨脹變形,這也是寶雞臺洞體應(yīng)變EW分量出現(xiàn)張性應(yīng)變的內(nèi)在機(jī)制,但其NS分量為何會呈壓性應(yīng)變？這可能主要有以下兩種原因:(1)當(dāng)覆蓋層山體EW向彈性拉張時,其NS向則應(yīng)以壓縮變形進(jìn)行響應(yīng);(2)可能是由于洞室覆蓋層NS剖面上的主導(dǎo)裂隙以大尺度和高傾角為主(圖6),即當(dāng)降雨擴(kuò)散到這些裂隙時,在不斷增強(qiáng)的孔隙壓力作用下,它們的開度也隨之變大,進(jìn)而導(dǎo)致NS分量所在的洞室區(qū)段產(chǎn)生壓性應(yīng)變[15]。

圖4 洞體應(yīng)變受降雨干擾的4個典型個例Fig.4 Four typical cases of cave strain disturbed by rainfall

表1 其余8個典型降雨干擾個例的統(tǒng)計特征

圖5 降雨干擾持時、累計降雨量與洞體應(yīng)變量之間的統(tǒng)計關(guān)系Fig.5 Statistical relationship among rainfall disturbance duration, accumulated rainfall, and cave strain

圖6 降雨干擾引致壓性應(yīng)變的機(jī)理示意圖(修改自Hermann等[15])Fig.6 Schematic diagram of the mechanism of compressive strain caused by rainfall interference (Modified from Hermann, et al.[15])

4 討論與結(jié)論

針對寧強(qiáng)MS5.7地震前,寶雞臺洞體應(yīng)變NS和EW分量所記錄到的短臨異常是否為地震前兆這一問題？本文利用“重復(fù)地震”和12個典型的降雨干擾實(shí)例,對其進(jìn)行了回溯檢驗(yàn)和半定量的統(tǒng)計實(shí)證,結(jié)果表明該異常難以通過“重復(fù)地震”檢驗(yàn),而其形態(tài)、幅度和持時等卻均符合降雨干擾的統(tǒng)計特征;有鑒于此,本文綜合推定該異常為降雨干擾所致。

但此處需要特別強(qiáng)調(diào)的是,由于寶雞臺降雨數(shù)據(jù)的缺失,加之所選取的降雨干擾的樣本數(shù)量有限,因此使得本文所統(tǒng)計的半定量降雨干擾特征可能與實(shí)況不符;另外,尚未探明的巖體裂隙結(jié)構(gòu),也增加了流固耦合滲流模型構(gòu)建的難度。因此,我們對該臺降雨干擾機(jī)制的認(rèn)識也只是定性的。

目前,地震預(yù)測預(yù)報的理論、方法和技術(shù)等仍處于探索階段;加之,地形變臺網(wǎng)的密集度較低,儀器的布設(shè)模式也非臺陣式[23]。所以,在形變異常的物理解釋方面,難免會存在單文孤證或穿鑿附會等問題。誠然,這無益于地震預(yù)測預(yù)報能力的提升。因此,加快發(fā)展適應(yīng)于未來臺陣式的觀測需求和相應(yīng)的動力診斷支撐體系,是解決地震前兆研究“軟肋”的關(guān)鍵途徑。

致謝:本文所用降雨數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。