狄 樑 陸德明 丁建國(guó) 劉冬冬 錢文杰

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常熟臺(tái)傾斜觀測(cè)資料的異常特征分析1

狄 樑 陸德明 丁建國(guó) 劉冬冬 錢文杰

（江蘇省地震局常熟地震臺(tái)，江蘇常熟 215500）

在研究常熟臺(tái)水管儀與垂直擺多年傾斜觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，利用潮汐因子調(diào)和分析、Nakai擬合檢驗(yàn)、小波分析等方法對(duì)臺(tái)站周邊約250km范圍內(nèi)發(fā)生的高郵-寶應(yīng)S4.9及如東近海S3.8等地震前的異常信息進(jìn)行了提取，對(duì)數(shù)據(jù)異常分析方法進(jìn)行評(píng)判，旨在為以后地震前及時(shí)發(fā)現(xiàn)地震提供參考。

傾斜觀測(cè) 水管儀 垂直擺 震前異常 分析方法

引言

地震是地殼巖石圈內(nèi)的非線性事件，震前有很大的不確定性，這與形變前兆和構(gòu)造環(huán)境有關(guān)，加之干擾和觀測(cè)誤差，更增加了形變前兆識(shí)別的難度。地震前兆需具備2個(gè)基本條件：①正常背景上出現(xiàn)異常變化；②出現(xiàn)與孕震過(guò)程相關(guān)聯(lián)的異常現(xiàn)象。傾斜觀測(cè)能較靈敏地反映地殼物性變化。本文利用EIS2000地震前兆信息軟件，采用潮汐因子調(diào)和分析、Nakai擬合檢驗(yàn)、小波分析方法對(duì)常熟臺(tái)傾斜觀測(cè)儀器——水管儀、垂直擺從2009年到2015年共7年連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從中查找、提取觀測(cè)資料中的非潮汐異常信息，同時(shí)對(duì)觀測(cè)資料異常分析方法進(jìn)行對(duì)比分析。

1　觀測(cè)山洞概況及傾斜觀測(cè)儀基本情況

常熟地震臺(tái)形變山洞位于單斜山山體南麓，山體為北西走向，長(zhǎng)軸5km，短軸2.5km，巖性為泥盆系五通組石英砂巖，最高峰海拔265m，山體西南陡峻，東北面為緩坡，巖層傾角小于15°。常熟臺(tái)形變觀測(cè)山洞原為軍用山洞，洞室條件較好，山洞主通道進(jìn)深250m，洞高2.35m，寬2.50m，混凝土全被覆，復(fù)蓋厚20—30m，日溫差<0.01℃，年溫差<0.3℃，常年溫度為17.3℃，濕度100%（狄樑等，2003）。

常熟臺(tái)DSQ水管儀架設(shè)在1994年安裝的原有FSQ水管儀基墩和基線上（FSQ水管傾斜儀1993年10月安裝，2007年4月拆除），經(jīng)過(guò)20多年的觀測(cè)，4個(gè)巖石基墩均處于穩(wěn)定狀態(tài)。而垂直擺儀及其巖石基墩于2007年架設(shè)安裝。

DSQ水管儀基墩為花崗巖石，東西基線長(zhǎng)29.94m，方位角139.5°，南北基線長(zhǎng)43.59m，方位角32.4°，分辨率為0.0005″，漂移量<0.005″，采樣率1次/分鐘。VS垂直擺傾斜儀基墩為花崗巖石，東西方位角90°，南北方位角0°，分辨率為0.0001″，日漂移<0.005″，采樣率1次/分鐘。2臺(tái)儀器安裝在同一山洞內(nèi)，水管儀和垂直擺傾斜儀分別安裝在距洞口約210m、190m的支洞內(nèi)，直線距離不到10m。水管儀與垂直擺安裝工作至今，日觀測(cè)值記錄固體潮清晰，具有較好的年周期變化，觀測(cè)精度達(dá)全國(guó)傾斜I類臺(tái)站標(biāo)準(zhǔn)。

2　震例選取及異常特征簡(jiǎn)介

地傾斜觀測(cè)一般在震中距250km左右可以接收到一定的前兆信息，常熟地震臺(tái)及周邊地區(qū)屬于少震弱震區(qū)，2009年至2015年臺(tái)站周圍250km內(nèi)未發(fā)生過(guò)震級(jí)大于S5.0級(jí)的地震，僅在2012年發(fā)生過(guò)一次高郵-寶應(yīng)S4.9級(jí)地震，中強(qiáng)地震震例較少，為研究需要，選取震中距在250km左右，震級(jí)大于S3.5的震例進(jìn)行分析研究（表1）。

表1　常熟地震臺(tái)周邊5次震例目錄

對(duì)于表1中所列出的震例，除2012年7月20日高郵-寶應(yīng)S4.9級(jí)地震在常熟臺(tái)垂直擺原始形態(tài)上未見(jiàn)明顯短臨異常外，在3次如東地震（震源位于同一地點(diǎn)）、1次黃海地震前，常熟臺(tái)垂直擺的南北分量均在震前原始形態(tài)曲線上檢測(cè)到了一些短臨異常信息。常熟臺(tái)傾斜儀降雨時(shí)，在山體及位于形變山洞西南4km、面積約6km2、水深約2.5m、與山體大體平行的湖泊的共同作用下，其日變值干擾形態(tài)均表現(xiàn)為東西分量向西傾，南北分量向南傾（圖1，丁建國(guó)等，2011）。但在這幾次震例前，垂直擺南北分量原始形態(tài)在降雨時(shí)表現(xiàn)為持續(xù)數(shù)天的向北傾斜加速異常，與正常的降水干擾向南傾相反，且在降雨停止后繼續(xù)急劇北傾，垂直擺東西分量異常不太明顯，傾斜觀測(cè)矢量上出現(xiàn)北偏東的加速異常。例如在2010年7月9日如東近海S3.8和2012年8月25日南黃海S4.3地震前，從圖2（a）、（b）可以看出降雨時(shí)垂直擺南北分量非但沒(méi)有向南傾，還出現(xiàn)了向北的拐點(diǎn)，觀測(cè)數(shù)據(jù)疊加了來(lái)自北部的構(gòu)造活動(dòng)，說(shuō)明存在北傾的合力，應(yīng)為孕震異常引起的地殼變形，可理解為“斷層運(yùn)動(dòng)加速（傾斜加速）-斷層彈性恢復(fù)（發(fā)震）”。在同一時(shí)段內(nèi)，同一洞室的水管儀在原始形態(tài)上表現(xiàn)出正常的降雨干擾，無(wú)異常反映。

這幾次震前的短臨異常與降雨有密切的關(guān)系，說(shuō)明地震的短期發(fā)震過(guò)程與環(huán)境是密切相關(guān)的，特別是到了應(yīng)變積累的臨界狀態(tài)，小的應(yīng)力擾動(dòng)都可能加速地震的孕育過(guò)程（王梅等，2000；張立等，2005）。從幾次垂直擺南北分量“傾斜加速-數(shù)天后地震”的模式來(lái)看，幾天的傾斜加速就孕育數(shù)次L4左右的地震是難以想象的，這說(shuō)明應(yīng)力早已積累，地震前的傾斜加速僅是釋放前的標(biāo)志，而水管儀及垂直擺南北分量觀測(cè)數(shù)據(jù)在震前均未從原始形態(tài)上檢測(cè)到明顯的異常反映，常熟臺(tái)傾斜儀直接從原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)異常的比例比較低，因此有必要采用有效的數(shù)據(jù)處理分析方法來(lái)發(fā)現(xiàn)和提取異常信息。

3　異常特征識(shí)別與提取

本文對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)中的人為干擾、影響幅度較大的環(huán)境因素（降雨等）、地震造成的突跳、階躍臺(tái)階，以及其它類型干擾明顯的非正常觀測(cè)時(shí)間段的觀測(cè)數(shù)據(jù)均進(jìn)行相應(yīng)的剔除和預(yù)處理，以提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的可信度，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)選取合適的計(jì)算長(zhǎng)度，盡量避開有較大環(huán)境因素（降雨等）干擾的時(shí)間段。在認(rèn)定異常時(shí)對(duì)照輔助觀測(cè)（如降雨、氣溫、氣壓）進(jìn)行干擾識(shí)別，排除環(huán)境引起的變化。采用的異常判定的有效時(shí)間基本上是以震前半年左右，以超過(guò)2倍中誤差作為異常評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)基于潮汐分析的方法使用整點(diǎn)值，對(duì)基于時(shí)間序列數(shù)據(jù)的分析法均使用日均值。

（1）潮汐因子調(diào)和分析

傾斜觀測(cè)信息的優(yōu)勢(shì)頻率是潮汐信息，其噪聲相對(duì)較低，并且調(diào)和分析法能較為有效地去除潮汐頻段中的局部及氣象的干擾因素（張雁濱等，2001）。通過(guò)計(jì)算分析地傾斜儀潮汐因子值的變化，可以得到變化值與地震之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系和聯(lián)系特征。潮汐因子半日波M2穩(wěn)定性好、靈敏度高，故以M2波的潮汐因子作為實(shí)用指標(biāo)。

2012年高郵-寶應(yīng)S4.9級(jí)及南黃海S4.3級(jí)地震之間相隔35天，震中地點(diǎn)均位于常熟臺(tái)近北南方位250km范圍內(nèi)（表1）。從圖3可以看出垂直擺南北分量M2波潮汐因子值從2011年12月19日開始趨勢(shì)性增大，明顯高于正常變化水平，并且超過(guò)2倍均方差，至2012年2月5日偏離正常背景值21%，2012年3月5日恢復(fù)正常，異常持續(xù)3個(gè)月左右。潮汐參數(shù)異常一般為在地震前呈趨勢(shì)性變化或間斷性的非穩(wěn)定擾動(dòng)變化，它反映了巖石介質(zhì)應(yīng)變積累進(jìn)入非彈性變化的失穩(wěn)階段，為震前短期異常信息。

（2）Nakai擬合檢驗(yàn)分析

Nakai擬合檢驗(yàn)是較為經(jīng)典的潮汐資料處理方法，建立在潮汐理論基礎(chǔ)上，用固體潮理論值與觀測(cè)值進(jìn)行異常檢測(cè)，有利于對(duì)短時(shí)間序列資料進(jìn)行計(jì)算分析，突出短期異常變化信息。

采用Nakai擬合檢驗(yàn)計(jì)算了水管儀、垂直擺非潮汐應(yīng)變加速度，從圖4可以看出5次地震前水管儀、垂直擺上均出現(xiàn)了顯著的異常，加速度值多次明顯地超出了2倍均方差，水管儀出現(xiàn)超差異常的時(shí)間段比垂直擺提前2—3個(gè)月，垂直擺一般在震前1個(gè)月左右超差異常較為明顯，震后恢復(fù)到正常水平，說(shuō)明地震前常熟臺(tái)附近地殼的非潮汐應(yīng)力均出現(xiàn)了短時(shí)間的異常變化。

（3）小波分析

傾斜觀測(cè)記錄到的整時(shí)值能記錄潮汐成分，也能記錄到比地球潮汐頻率更低的信號(hào)，這些信號(hào)可能包含前兆信息。常熟臺(tái)傾斜觀測(cè)受洞溫影響成分比較穩(wěn)定且有周期性，一般很容易將其消除。氣壓影響主要以短周期微動(dòng)態(tài)干擾導(dǎo)致固體潮畸變，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)性變化影響很小。天氣波動(dòng)、脈沖這類噪聲經(jīng)過(guò)5階的分離基本消失。降雨干擾對(duì)傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)的日變化及年趨勢(shì)性變化有較大影響，利用小波分析的頻率多層分離方法能有效減弱降雨等自然環(huán)境影響，凸顯異常信號(hào)，同時(shí)弱化了干擾信號(hào)（劉建明等，2016），隨著分離層數(shù)的增加，觀測(cè)數(shù)據(jù)中包括干擾的高頻信息都能夠被剔除，使固體潮信號(hào)隨時(shí)間尺度的變化趨勢(shì)更加明顯、直觀。本文對(duì)常熟臺(tái)水管儀、垂直擺整點(diǎn)值觀測(cè)資料采用db4小波分析法，對(duì)細(xì)節(jié)部分進(jìn)行9階分解，第7，8，9階則是頻率較低、信度較高的非潮汐變化信息（圖5）。

圖5（a）是2010年2次地點(diǎn)和震級(jí)相同（均為S3.8），時(shí)間相差10天的如東近海（表1）小波細(xì)節(jié)部分第7階的結(jié)果。從圖中看出水管儀、垂直擺震前5個(gè)月也出現(xiàn)了周期為幾天到10多天、幅度明顯且超過(guò)2倍均方差的明顯異常信號(hào)。

圖5（b）是小波細(xì)節(jié)部分第8階的結(jié)果，從圖中可以看出在高郵-寶應(yīng)S4.9級(jí)地震前水管儀、垂直擺均接收到一個(gè)相同頻段的較強(qiáng)異常信號(hào)，周期約為10到20多天，幅度比其他時(shí)間段出現(xiàn)的信號(hào)大，超過(guò)2倍中誤差，出現(xiàn)時(shí)間在震前2個(gè)月左右。高郵-寶應(yīng)地震發(fā)生后，此異常信號(hào)并沒(méi)有消失，緊接著35天后南黃海又發(fā)生了S4.3級(jí)地震，南黃海地震發(fā)生10天前垂直擺南北分量原始形態(tài)上出現(xiàn)過(guò)臨震異常（圖2（b））。

圖5（c）是2014年如東近海S3.7地震（表1）小波細(xì)節(jié)部分第7階的結(jié)果，周期為幾天到10多天。從圖中看出，與2010年如東近海地震震中地點(diǎn)相同，震級(jí)基本相同的此次地震，在震前2個(gè)月出現(xiàn)了超2倍均方差的現(xiàn)象，但信號(hào)幅度強(qiáng)度不明顯。

信號(hào)在傳播過(guò)程中，無(wú)論經(jīng)過(guò)的介質(zhì)性質(zhì)如何，它的頻率特性不會(huì)改變，即同一源發(fā)出的信號(hào)，在各個(gè)接受點(diǎn)上出現(xiàn)的頻段是一樣的（張燕等，2003）。震前2—6個(gè)月出現(xiàn)周期為幾天至10多天的同周期異常信號(hào)可能是地震前兆，反映了震前震源區(qū)地殼介質(zhì)在震前出現(xiàn)微變形的過(guò)程。

4　結(jié)論和討論

（1）從以上震例看，運(yùn)用潮汐因子調(diào)和分析、Nakai擬合檢驗(yàn)、小波分析等方法對(duì)工作狀態(tài)正常、穩(wěn)定的常熟臺(tái)2套傾斜儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，在震前6個(gè)月左右都能檢測(cè)到一定數(shù)量的異常信息，對(duì)震級(jí)稍大或震級(jí)雖小但震中距較近的地震都有明顯超出2倍中誤差的超差異常，表明常熟臺(tái)傾斜儀有較強(qiáng)的映震能力。而水管儀在震前從未在原始形態(tài)上檢測(cè)到異常，但經(jīng)過(guò)這幾種方法處理后顯示出了明顯的異常，這表明這幾種方法都具有較好的異常識(shí)別能力。

（2）Nakai擬合檢驗(yàn)分析處理時(shí)發(fā)現(xiàn)垂直擺較水管儀在震前1—2個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)異常的次數(shù)較多，水管儀出現(xiàn)異常的時(shí)間段比垂直擺更早一些。運(yùn)用小波分析法對(duì)常熟臺(tái)傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，對(duì)于S4及以上的中強(qiáng)地震都能從相同的頻段（7、8、9階）上清晰檢測(cè)出異常信息，而通過(guò)潮汐因子調(diào)和分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)垂直擺南北分量對(duì)高郵-寶應(yīng)S4.9地震有明顯的異常反映，可信度高。

（3）傾斜觀測(cè)異常判別除原始形態(tài)直接判別異常外，潮汐因子調(diào)和分析及小波分析方法有較強(qiáng)抗自然環(huán)境干擾能力，實(shí)用性較高，Nakai擬合檢驗(yàn)則有一定參考價(jià)值，可與其它分析方法結(jié)合使用。

（4）從上述震例表明，傾斜觀測(cè)異常出現(xiàn)后并不一定馬上發(fā)震，地震發(fā)生往往要滯后一些，一般在異常出現(xiàn)后1—6個(gè)月左右，但異常的幅度與震級(jí)卻無(wú)法看出明顯的關(guān)系，由于在觀測(cè)有效范圍內(nèi)樣本較少，特別是缺少?gòu)?qiáng)震檢驗(yàn)，還有待進(jìn)一步積累資料并開展研究。

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Analysis of Anomaly Characteristics of Tilt Measuremennt Data from Changshu Seismic Station

Di Liang, Lu Deming, Ding Jianguo, Liu Dongdong and Qian Wenjie

(Changshu Seismic Station, Earthquake Administration of Jiangsu Province, Changshu 215500, Jiangsu, China)

Based on the year-observation data of vertical pendulum tilt and research of water pipe instrument in Changshu seismic station, we conducted the tide factor of harmonic analysis, Nakai test and wavelet analysis to extract the abnormal information of the range of 250km occurred near the station of the GaoyouS4.9 and RudongS3.8 offshore earthquakes. The abnormal data analysis method was evaluatedin order to find precursor reference before the earthquake in the future.

Tilt observation; Water Tube meter; Vertical pendulum; Anomalies before earthquake; Analysis method

1基金項(xiàng)目 中國(guó)地震局“三結(jié)合”課題（161004）

2016-08-29

狄樑，男，生于1972年。工程師。主要從事地震前兆觀測(cè)與研究。E-mail：jscswyn123456789@163.com

狄樑，陸德明，丁建國(guó)，劉冬冬，錢文杰，2017．常熟臺(tái)傾斜觀測(cè)資料的異常特征分析．震災(zāi)防御技術(shù)，12（2）：415—422． doi：10.11899/zzfy20170219