張 希 唐紅濤 李瑞莎 鞏守文 賈 鵬

（中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054）

甘肅及與青海、寧夏交界區(qū)布設(shè)有50 多處跨斷層短水準觀測場地，20 世紀80 年代末起測并基本于每年的3，7，11 月觀測，2004～2008 年曾加密為每年6 期；控制了祁連山—海原—六盤山斷裂帶及西秦嶺構(gòu)造區(qū)；多數(shù)測線跨度數(shù)百米、個別測線達1 km 左右。其形變測值時序變化能直接反映所控制斷層段的運動變化過程，具有強震預測的中短期前兆意義。

盡管如此，對跨斷層形變前兆觀測識別異常，仍是地震預報的難點。所謂“異?！?，是對正常狀態(tài)的某種程度背離、或者說“失穩(wěn)”；而經(jīng)常發(fā)生的、有規(guī)律可循的可視為正常。當觀測曲線出現(xiàn)顯著的加速、轉(zhuǎn)折、突跳時，如果沒有找到確定的干擾源，認定異常相對容易；但實際觀測卻常出現(xiàn)模棱兩可的所謂“異?！保瑺幾h較大，異常識別具有人為性、經(jīng)驗性。以往提取的異常指標以統(tǒng)計學意義為主，如反映某兩期變化相對正常變幅之比的形變強度比、增加正-逆斷區(qū)別的特征強度等，作為基準的正常變幅基本為常量；而視變化量超出兩倍均方差為異常也存在類似問題，與觀測曲線可能分階段（在趨勢方向或幅度上）動態(tài)演變的實際情況有差異。即使構(gòu)建動態(tài)基值線，也不能管得太久，距建模時段越遠偏差越大，原因就是前兆系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。巖石力學實驗顯示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有分段特性。在持續(xù)應(yīng)力作用下，巖石從微觀結(jié)構(gòu)改變到宏觀結(jié)構(gòu)破壞的過程，必然伴隨著物質(zhì)屬性和物理結(jié)構(gòu)的變化；蠕變曲線也有類似特性。故前兆觀測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不是定常系統(tǒng)，而是時變系統(tǒng)。鑒于跨斷層形變觀測序列不是快速跳動、改變的，可視為慢時變系統(tǒng)。

慢時變系統(tǒng)構(gòu)建的思路，來源于已在航空、生物、醫(yī)學等多學科得到應(yīng)用的自適應(yīng)系統(tǒng)控制理論，其研究對象是具有不確定性的系統(tǒng)。從系統(tǒng)內(nèi)部來講，描述被控對象動態(tài)過程的數(shù)理模型的結(jié)構(gòu)或參數(shù)事先不一定能確切知道，而外部環(huán)境也可能對系統(tǒng)產(chǎn)生影響；此外，還有一些測量的噪聲從不同的測量反饋回路進入系統(tǒng)。自適應(yīng)控制系統(tǒng)基于一定的數(shù)理模型和性能指標綜合而成，其中模型參數(shù)是對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的描述，時變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，相應(yīng)的參數(shù)也隨之改變?？筛鶕?jù)對象的輸入輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，即確定和逐步修正這些參數(shù)，這個過程稱為系統(tǒng)的在線辯識。隨著系統(tǒng)辯識的不斷推進，模型會變得越來越接近于實際情況。本文對該系統(tǒng)模型探索研究，初步應(yīng)用于同樣包含不確定干擾、噪聲等隨機因素，又可能獲得震源區(qū)及其周邊應(yīng)力強化集中過程中，尤其在發(fā)震前，巖石微破裂、斷層失穩(wěn)預滑等變化信息的跨斷層流動形變觀測，對加強多學科融合與方法借鑒，拓寬地學學科的研究視野有利。即首次利用甘肅及與青海、寧夏交界的監(jiān)測區(qū)內(nèi)映震效果較好、最短震中距十數(shù)至數(shù)十千米的石灰窯口（對應(yīng)2003年10 月25 日民樂6.1 級地震等）、紅柳峽（對應(yīng)2002 年12 月14 日玉門5.9 級地震等）、窩子灘（對應(yīng)1995年7 月22 日永登5.8 級、2000 年6 月6 日景泰5.9 級地震等），映震效果較好、震中距約300 km 的扁都口（對應(yīng)1995 年永登地震），以及映震效果偏弱的南營共5 個場地資料，構(gòu)建觀測曲線反映的慢時變前兆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析失穩(wěn)現(xiàn)象、識別異常。結(jié)果表明：慢時變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析方法對上述場地觀測所得、可能與強震孕育-發(fā)生有關(guān)的失穩(wěn)異常反映較好；異常識別（根據(jù)李亞普諾夫定理，模型時變參數(shù)確定的特征方程的最大特征根模大于1.0 為系統(tǒng)失穩(wěn)）、異常程度分類（根據(jù)異常出現(xiàn)次數(shù)、持續(xù)時間）較原始觀測曲線更為直觀、清晰，減少了人為性或經(jīng)驗性；尤其在反映斷層形變前兆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化和自適應(yīng)性方面顯示出雖屬初步、但不同于以往統(tǒng)計學意義下形變指標的結(jié)構(gòu)動力學意義。