路珍 郭泉 李瑞莎 張希 唐紅濤 賈鵬 汪翠枝

摘要：將跨斷層場地的輔助測線應(yīng)用于跨斷層形變資料的數(shù)據(jù)處理中，引入譜減法對沿鮮水河斷裂帶的5個跨斷層場地進行分析處理，試圖將輔助測線與跨斷層測線都包含的非構(gòu)造因素的影響從跨斷層數(shù)據(jù)中去除，從而突出與地震發(fā)生相關(guān)的斷層活動信息。結(jié)果表明：利用譜減法處理過的跨斷層測線在多數(shù)場地都表現(xiàn)出了時頻成分上較明顯的異常，異常出現(xiàn)時間與周期特點都有較好的一致性。由鮮水河斷裂帶附近地震活動性可得異常在時間上存在與后續(xù)地震活動性增加相關(guān)的可能性。

關(guān)鍵詞：輔助測線；跨斷層測線；譜減法；非構(gòu)造因素；震前異常

中圖分類號：P315725文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）02-0193-10

0引言

已有的研究認為地震發(fā)生的機理是沿斷層帶的不穩(wěn)定粘滑過程（Brace，Byerlee，1966；Ruina，1983），以往震例總結(jié)和構(gòu)造物理實驗揭示地震發(fā)生之前往往在應(yīng)力應(yīng)變、位移等方面都有跡象可尋（牛安福等，2012；李瑞莎等，2012；薄萬舉，華彩虹，2001；李杰等，2011；馬瑾等，2012；卓燕群等，2013；季靈運等，2015）?？鐢鄬訙y量是指利用布設(shè)在斷層帶兩盤的短水準和短基線測量來獲得橫跨斷層帶兩測點的高差和位移隨時間的變化，可以較直接、較可靠地監(jiān)測斷層帶的活動，是捕捉地震前斷層異?；顒又苯佑辛Φ姆椒ㄖ弧?/p>

近50年的跨斷層形變監(jiān)測不但積累了豐富的觀測資料和地震前兆異常，也在我國地震預(yù)報實踐中發(fā)揮了重要的作用，曾多次較為準確地預(yù)測地震，如1975年2月4日海城MS73地震（朱鳳鳴，吳戈，1982）、1995年7月22日永登MS58地震（江在森等，1998）、2000年6月6日景泰MS59地震（王雙緒等，2001），還有近期的2013年4月20日蘆山MS70地震（蘇琴等，2014）。由此可見，對跨斷層形變數(shù)據(jù)中包含的與地震前兆信號有關(guān)的異常特征進行識別、捕捉和跟蹤具有重要且實用的地震預(yù)報意義。

跨斷層形變觀測中不但包含斷層構(gòu)造運動的信息，同時也包含非構(gòu)造的環(huán)境影響等干擾信息，如氣象、地下水位、振動、荷載變化、人為干擾等（樓關(guān)壽等，2010）。非構(gòu)造干擾信息與有用的斷層活動信息一起被記錄下來，影響著對跨斷層數(shù)據(jù)的解釋，為構(gòu)造活動的研究和前兆信息的確認帶來了很多不確定因素。地震預(yù)報研究人員一直致力于對干擾因素的判定和提出，試圖提取出和孕震直接相關(guān)的構(gòu)造活動信息（薄萬舉，1997；施順英等，2007；李臘月等，2013a，b；張希等，2012；劉權(quán)威，1996；Moro，Zadro，1998；Matsumoto et al，2003）。然而，已有的對跨斷層數(shù)據(jù)的處理方法大多是基于跨斷層帶測線進行分析的，而場地的輔助測線則一直被忽略。本文中的輔助測線是指為了測量精度（閉合差在規(guī)定范圍內(nèi)）或者為了對場地更好地控制而在斷層帶周邊設(shè)立的未跨過斷層帶的測線，其往往設(shè)在斷層帶的一盤，且在斷層帶附近。

由于輔助測線通常都在斷層帶附近，因此輔助測線和跨斷層測線都包含場地非構(gòu)造影響因素，其主要區(qū)別是跨斷層數(shù)據(jù)包含了斷層帶的活動信息，而輔助測線理論上并沒有。因此，本文對跨斷層測線與輔助測線數(shù)據(jù)進行分析處理，試圖用譜減法將二者共同部分非構(gòu)造因素的影響從中去除，并將所得結(jié)果與以往震例進行分析對比，對所用分析方法進行客觀評估。

1研究思路及方法

11數(shù)據(jù)分析方法[BT）]

本研究將語音通信中信號增強技術(shù)中所常用的譜減法引入跨斷層數(shù)據(jù)的分析處理中，其基本算法是將非目標信號作為加性噪聲疊加在目標信號上形成混合信號，在頻率域中從混合信號的功率譜中減去非目標信號功率譜，從而得到較為純凈的目標信號。該方法原理比較簡單，實驗結(jié)果也表明此法在語音信號中的增強效果很好，可以有效去除背景噪聲（黃斌，曾慶寧，2008；林琴等，2007）。本文所使用的跨斷層數(shù)據(jù)包含斷層活動信息和非構(gòu)造影響因素，可看作是帶噪聲的混合信號。未跨斷層測線數(shù)據(jù)原理上不包含斷層運動信息，雖然可能會有一定的構(gòu)造意義，如可反映斷層一盤的掀斜運動，而掀斜運動可認為是旋轉(zhuǎn)運動，其一般較微弱，效應(yīng)并不顯著（Stupazzini et al，2009；Trifunac，2009）。另外，跨斷層場地測線長度通常較短，一般只有幾百米，能反映的范圍相當有限。因此，基于上述考慮，我們認為未跨斷層數(shù)據(jù)主要為非構(gòu)造因素，即可對應(yīng)為噪聲非目標信號，可用于譜減法的操作。譜減法的原理如下所示（黃斌，曾慶寧，2008；林琴等，2007）。

具體數(shù)據(jù)處理步驟簡述如下：

（1）對觀測資料進行連續(xù)性檢驗，剔除重復(fù)數(shù)據(jù)，用線性插值法填補缺失的數(shù)據(jù)，并使數(shù)據(jù)周期更加均勻，得到每年12個周期的連續(xù)性較好的數(shù)據(jù)。

（2）采用小波變換方法對數(shù)據(jù)進行時頻分析，得到數(shù)據(jù)的時頻結(jié)果。數(shù)據(jù)處理是在Matlab的環(huán)境里編譯cmor3小波算法進行的，具體算法如下（胡昌華等，1999）：

morl小波函數(shù)的定義為：[KH*1]

ψ（t）=Ce-t[HT4.5]2[HT7"]/2cos5t[JY]（8）[KH*1D]

經(jīng)伸縮和平移后得：[KH*1]

ψa，b（t）=[SX（]1[KF（][JB<1|]a[JB>1|][KF）][SX）]ψ[JB<2（][SX（]t-ba[SX）][JB>2）]（a，b∈R；a≠0）[JY]（9）[KH*2D]

其中：a為伸縮因子；b為平移因子。

對于任意的函數(shù)f（t）∈L2（R）〔L2（R）表示平方可積的實數(shù)空間〕的連續(xù)小波變換為：[KH*1]

Wf（a，b）[KG-*2]=[KG-*4][WB]〈f，ψa，b〉=

[DW][KG-*2][JB<1|]a[JB>1|]-1/2∫Rf（t）ψ[JB<2（][SX（]t-ba[SX）][JB>2）][TX-]dt[JY]（10）[KH*1]

（3）基于前述譜減法的原理，在Matlab環(huán)境中編譯算法，進行相應(yīng)分析，得到數(shù)據(jù)的譜減法分析結(jié)果。[HJ2mm]

[BT2]12場地介紹

本文選取沿鮮水河斷裂帶且具有跨斷層測線和輔助測線的5個水準場地作為研究對象，這些場地測量精度優(yōu)于10-6，具有數(shù)據(jù)質(zhì)量高、復(fù)測周期短、資料連續(xù)性好等特點。沿斷裂帶選取有利于基于斷裂構(gòu)造背景進行數(shù)據(jù)分析。所選場地為侏倭、格簍壩子、虛墟、龍燈壩和老乾寧場地，如圖1所示，各場地測線布設(shè)如圖2所示。

2研究結(jié)果及分析

21原始數(shù)據(jù)分析[BT）]

為了更好地將各個場地間的數(shù)據(jù)進行對比分析，統(tǒng)一選取1984—2016年的數(shù)據(jù)進行分析。圖3列出了各個場地跨斷層測線與輔助測線的原始數(shù)據(jù)曲線及其時頻分析的結(jié)果。圖中藍色虛線為沿鮮水河斷裂帶200 km范圍內(nèi)MS≥50地震的發(fā)生時刻，黑色虛線為沿鮮水河斷裂帶300 km范圍內(nèi)的MS≥60地震的發(fā)生時刻。

（1）圖3a所示為侏倭水準測量的結(jié)果，A←B和A←C測線都為跨斷層測線，C-B測線為輔助測線。對于侏倭場地，跨斷層測線對斷層的長期變化趨勢有一個較好的反映，都表現(xiàn)出下盤相對上盤呈上升的趨勢。而輔助測線C-B則表現(xiàn)出了較大的不同，只有微弱的遞減趨勢，且呈鋸齒狀（圖3a-5）?？鐢鄬訙y線與輔助測線的時頻特征都表現(xiàn)為周期為100 d以上的能量占主要成分，1995年以后周期為30～50 d以上的能量成分有所增加。由于原始跨斷層曲線呈平滑上升趨勢，與地震事件的對應(yīng)并不好（圖3a-1，a-3）。但其時頻分析結(jié)果對地震的對應(yīng)程度有所上升，如白玉MS55、雅江MS60、汶川MS80和魯?shù)镸S65地震都不同程度的對應(yīng)時頻圖上能量的增加（圖3a-2，a-4）。

[JP2][KG2]（2）虛墟場地的跨斷層測線B←A與C←A（圖3b）表現(xiàn)為斷層下盤相對上盤呈下降的趨勢。輔助測線B-C隨時間則為緩慢增加的趨勢，同時伴隨鋸齒狀的跳躍（圖3b-5）。其跨斷層測線與輔助測線時頻特征主要表現(xiàn)為周期50～100 d以上的能量，后期為周期30～50 d以上的能量。虛墟場地原始跨斷層曲線整體表現(xiàn)為上下跳動的特點，對部分地震有一定的反映，如馬邊MS57、蘆山MS70和魯?shù)镸S65地震前測線都有一定程度的向上跳躍，對應(yīng)拉張作用的增加（圖3b-1，b-3）。其時頻結(jié)果對白玉MS55和雅江MS60的對應(yīng)較原始曲線有所提升，表現(xiàn)為能量的增加（圖3b-2，b-4）。[JP]

[KG（0.15mm]（3）格簍壩子場地的跨斷層測線A←C（圖3c）表現(xiàn)為斷層下盤相對上盤先下降后上升的變化，其在2002年左右出現(xiàn)約17 mm的臺階突跳，2012—2013年底一直呈現(xiàn)上升趨勢，且增加速率逐漸增大，上升幅度約為25 mm。前者對應(yīng)新龍MS53地震，后者在上升過程中發(fā)生了蘆山MS70地震，在上升相對轉(zhuǎn)平一年多的時間內(nèi)發(fā)生了魯?shù)镸S65和康定MS63地震（圖3c-1）。其輔助測線先呈減小趨勢后趨勢變化不明顯，同樣一直伴隨鋸齒狀的跳躍（圖3c-3）。該跨斷層測線與輔助測線時頻特征大多為周期50～100 d以上的能量，后期為30～50 d的能量。相比而言，其時頻圖結(jié)果未及原始曲線的映震效果（圖3c-2）。[KG）]

（4）龍燈壩與老乾寧場地的跨斷層測線與輔助測線如圖3d和e所示，其跨斷層測線大多表現(xiàn)為類周期性的突跳波動特點，有微弱的上升趨勢（圖3d-1，圖3e-3）或者趨勢變化不明顯（圖3d-3，圖3e-1），在部分地震發(fā)生前有較大幅度向下突跳與之對應(yīng)，如白玉MS55、寧蒗MS62、雅江MS60等（圖3d-1，d-3，3e-1，e-3）。龍燈壩場地輔助測線B-D表現(xiàn)出微弱的上升趨勢，并一直伴隨有尖點突跳的異常（圖3d-5）。老乾寧場地的輔助測線5-1則表現(xiàn)出明顯的上升趨勢（圖3e-5）。龍燈壩與老乾寧2個場地的時頻分析也主要表現(xiàn)為前期周期50～100 d以上的信號為主要成分，后期主要為周期30～50 d以上的成分，其時頻分析結(jié)果也在一定程度對應(yīng)部分地震（圖3d-2，d-4，3e-2，e-4）。

根據(jù)上述分析，發(fā)現(xiàn)鮮水河斷裂帶上的跨斷層數(shù)據(jù)對于周圍一定范圍內(nèi)的5～6級地震具有一定程度的映震能力。但由于跨斷層原始測線大多表現(xiàn)為隨整個時間序列的上下波動，所包含的異常較多，其中與地震有關(guān)的異常易被淹沒其中而難以區(qū)分，導(dǎo)致異常和地震的發(fā)生并不是一一對應(yīng)的，因此從眾多異常中確認出明顯的、不同于其他的地震異常具有一定困難。因此，從跨斷層原始數(shù)據(jù)中突出地震異常的工作則顯得比較必要。

[BT2]22譜減法分析結(jié)果

本文試圖利用譜減法從跨斷層測線中扣除非構(gòu)造影響因素，由于譜減法的原理是從帶噪信號的功率譜中減去整體噪聲功率譜，因此結(jié)果中所去除的非構(gòu)造因素不是如氣象、地下水位、振動、荷載變化、人為干擾等某一項干擾因素的影響，而是一個場地綜合環(huán)境的影響，是上述可能影響因素的綜合結(jié)果。分析結(jié)果見圖4，從圖中可以看出，譜減法的結(jié)果與原始數(shù)據(jù)特征有所不同，顯示對于侏倭、格簍壩子和老乾寧3個場地都出現(xiàn)了明顯的異常。具體表現(xiàn)為：

（1）侏倭場地A←B測線和A←C測線的譜減法結(jié)果都出現(xiàn)了明顯的能量的增強（圖4a-1，a-2），能量周期約為30～100 d，在50～100 d之間占主要成分，持續(xù)時間約為2001—2003年。

（2）格簍壩子場地譜減法結(jié)果也表現(xiàn)出了明顯的能量增強（圖4c），分別在40 d和100 d的2個周期成分處增強較明顯，持續(xù)時間大致為2000年下半年至2003年中，這個時間段與A←C測線在2002年左右出現(xiàn)的階躍異常在時間上有較好的一致（圖3c-1）。另外，對于格簍壩子場地，能量的增強還出現(xiàn)在2012年左右，主要為30～60 d周期的能量成分，持續(xù)時間大致為從2010年下半年至2012年下半年，這與其原始測線在2012—2014年的持續(xù)上升有一定的對應(yīng)。

（3）譜減法得到的老乾寧場地2條跨斷層測線1←3和5←3的異常周期都在50～100 d左右，持續(xù)時間大致為2001—2003年（圖4e-1，e-2）。而虛墟和龍燈壩2個場地的譜減法處理結(jié)果則較難從中指出明顯的、區(qū)別于其他的異?，F(xiàn)象。

總的來說，通過譜減法得到的沿鮮水河斷裂帶的侏倭、格簍壩子和老乾寧3個跨斷層場地所出現(xiàn)異常的周期大致都在50～100 d，且異常出現(xiàn)的時間也都在2002年左右，表現(xiàn)出3個場地的異常在周期成分和出現(xiàn)時間上都有很好的一致性。雖然虛墟場地和龍燈壩場地并沒有出現(xiàn)如上述3個場地明顯的能量增強的異常，但是在2002年附近仍存在微弱的能量亮斑（圖4b、d）。

上述結(jié)果說明，與原始數(shù)據(jù)易將震前異常信號淹沒在背景噪聲中不同，利用譜減法處理過的跨斷層測線在時頻成分上表現(xiàn)出了較明顯的異常，且這種異常出現(xiàn)在所研究的多數(shù)場地中，同時周期和時間特點都較一致?？梢姡米V減法去除非構(gòu)造因素后的結(jié)果在異常反映上較原始數(shù)據(jù)有一定程度的提高。

[BT2]23譜減法異常分析

[KG（0.15mm]由于所分析的跨斷層場地都是沿鮮水河斷裂帶選取的，因此在分析異常與地震發(fā)生關(guān)系的過程中，首先考慮鮮水河斷裂帶的地震活動情況。圖5匯總了1983年以來沿鮮水河斷裂帶200 km范圍內(nèi)的MS50～60地震（灰實線）和300 km范圍內(nèi)的MS≥60地震（紅實線）。從圖中可以看出，200 km范圍內(nèi)的MS50～60地震有2個密集發(fā)生的時段，分別為1986—1996年和2007—2015年。1997—2007年有一個10年左右的相對小的平靜，期間只發(fā)生了2次5～6級地震。300 km范圍內(nèi)的MS≥60地震，集中出現(xiàn)于1989年，發(fā)生了巴塘MS66和小金北MS65等地震，隨后有一個近20年的MS≥60地震平靜期，期間只發(fā)生了1998年寧蒗MS62和2001年雅江MS60地震，在直到2008年這一平靜被打破，相繼發(fā)生了汶川MS80、玉樹MS71、蘆山MS70、魯?shù)镸S65、康定MS63等地震?？梢姡瑹o論是地震頻次還是地震量級，2008年以后都有一個大幅的增加。本文利用譜減法對跨斷層數(shù)據(jù)分析所得的異?，F(xiàn)象出現(xiàn)在200 km范圍內(nèi)的5～6級地震的小平靜期內(nèi)，同時也處于2008年打破鮮水河斷裂帶300 km范圍內(nèi)近20年MS≥60地震平靜之前（圖5中深灰色陰影所示）。所得異常在時間上存在其與后續(xù)地震活動增加、能量增強有關(guān)的可能性。因此，利用譜減法扣除非構(gòu)造因素后，鮮水河斷裂帶跨斷層測線時頻信息中表現(xiàn)出明顯且一致的異常頻率信息可能與斷層自身構(gòu)造作用的孕震信息有關(guān)，從而引起后續(xù)地震活動性的增強。

3討論與結(jié)論

[KG（0.15mm]目前對跨斷層數(shù)據(jù)提取和提煉突出其構(gòu)造活動特點較常見的方法有灰色關(guān)聯(lián)度（張希等，2012）和主成分分析法（李臘月等，2013a，b；方穎等，2015）。如張希等（2012）基于灰色關(guān)聯(lián)度分析方法提煉了反映鮮水河斷裂構(gòu)造變形特征方式的新綜合指標，研究了其與斷裂附近強震孕育發(fā)生的可能關(guān)系，得出經(jīng)過分析處理可能觀測到昆侖山口西81級地震的影響、汶川80級地震前應(yīng)力場強化或擾動影響、玉樹71級地震后短期影響。方穎等（2015）利用主成分分析方法對鮮水河斷裂西北段的跨斷層形變資料進行了分析，得到第二主成分的時間系數(shù)在2001年底出現(xiàn)了大尺度的轉(zhuǎn)折，認為可能是昆侖山81級大地震的影響。另外，其同樣提出在2008年之前，鮮水河斷裂帶滑動出現(xiàn)了低頻信號的增強，可能與后續(xù)地震的發(fā)生有很強的相關(guān)性（方穎等，2015）。本文利用譜減法對鮮水河斷裂帶進行研究，得出其在2002年左右表現(xiàn)出明顯的異?，F(xiàn)象，這可能與2008年后續(xù)大地震的孕育有關(guān)，同時也不排除與昆侖山口西81級遠震間的關(guān)系?？梢姡疚慕Y(jié)果與前人相關(guān)工作具有相當程度的一致性。[KG）]

前人已有方法與本文方法都是試圖用某種方法在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上去除相關(guān)干擾信息，最大限度提煉出與斷層構(gòu)造活動特征直接相關(guān)的信息。但前人工作主要都是利用跨斷層測線數(shù)據(jù)進行分析的，而本研究引入了未跨斷層的數(shù)據(jù)，對觀測數(shù)據(jù)進行了充分應(yīng)用。

雖然我們利用譜減法對跨斷層數(shù)據(jù)進行處理得到了較明顯一致且與地震相關(guān)性較高的異?，F(xiàn)象，但目前對譜減法在跨斷層數(shù)據(jù)處理中還存在一些弊端。由于譜減法得到的時頻信息在進行逆變換時會造成相位信息的缺失（黃斌，曾慶寧，2008；林琴等，2007），同時又受到跨斷層資料采樣率的限制，因此目前還較難將譜減法所得到的結(jié)果還原為時域上的信息。與已有方法相比，時域信息的缺失會限制對斷層活動信息的獲取和對異常信息的解釋，使譜減法的應(yīng)用目前只停留在更好地突出異常，而限制了對異常的動力學來源進行判斷。因此，將譜減法的結(jié)果轉(zhuǎn)化至時域，獲得斷層帶隨時間變化的運動信息是以后研究的努力方向。

本文將以往都忽略的輔助測線引入到了跨斷層數(shù)據(jù)處理中，結(jié)合輔助測線并利用譜減法將跨斷層測線數(shù)據(jù)中的非構(gòu)造因素去除，從而突出與未來地震發(fā)生相關(guān)的構(gòu)造異常信息。研究結(jié)果顯示多數(shù)臺站、相同時間段都出現(xiàn)了類似的異?，F(xiàn)象，其表明譜減法對于去除跨斷層非構(gòu)造因素在頻域上是可行的，為更進一步工作打下了一個基礎(chǔ)。盡管目前對異常的解釋受到了限制，譜減法所得到的異常結(jié)果對于強震跟蹤與地震預(yù)測預(yù)報還是有積極意義的。[KH1*2D]

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[STHZ][WT4HZ][JZ]A Tentative Discussion on the Application of Aided Measuring[JZ]Line to Remove the Non-tectonic Factors from[JZ]Cross-fault Deformation Data

[WT5B1][STBZ][JZ]LU Zhen1，GUO Quan2，LI Ruisha1，ZHANG Xi1，TANG Hongtao1，JIA Peng1，WANG Cuizhi1

[WT5"B1X][JZ]（1 The Second Monitoring and Application Center，CEA，Xian 710054，Shaanxi，China）[JZ]

（2 The Institute of Crustal Dynamics，CEA，Beijing 100085，China）

[WT5HZ][JZ]Abstract[WTB1]

This paper applied the aided measuring line of cross-fault site to the cross-fault deformation data processing In order to remove the non-tectonic influence from cross-fault deformation data and highlight the information of fault activities which is related to the earthquake，we used spectral subtraction to analyze the cross-fault deformation data which are obtained along Xianshuihe fault zone and contain aided measuring line By the processing of spectral subtraction，the results show that the cross-fault deformation data from most sites are all have obvious anomalies on time-frequency analysis And the occurrence and the period of those anomalies are all consistent Through analyzing the seismic activity along the Xianshuihe fault zone，the occurrence time of anomalies support the possibility that the anomalies are related to the increased seismic activities

[WTHZ]Keywords：[WTB1]aided measuring line；cross-fault measuring line；spectral subtraction method；non-tectonic factor； anomaly before earthquake