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        新疆精河6.6級(jí)地震前溫泉水平擺異常特征分析

        2017-08-31 10:17:32許璐張智慧邢喜民
        中國(guó)地震 2017年4期
        關(guān)鍵詞:精河溫泉回歸方程

        許璐 張智慧 邢喜民

        1)伊犁師范學(xué)院,新疆維吾爾自治區(qū)伊寧市解放西路448號(hào) 835000

        2)河南省工業(yè)科技學(xué)校,河南新鄉(xiāng) 453000

        3)新疆維吾爾自治區(qū)地震局,烏魯木齊 830011

        0 引言

        我國(guó)是世界上受地震災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一(李瑩等,2015)。地震能不能有效預(yù)測(cè)是目前困擾地震研究的科學(xué)難題(孟憲綱等,2016),通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外預(yù)測(cè)成功與失敗的震例發(fā)現(xiàn),地震前兆異常具有復(fù)雜性,異常與地震間關(guān)系的不確定性表現(xiàn)為“有異常無(wú)地震”“有地震無(wú)異?!辈煌貐^(qū)因地殼結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致前兆時(shí)空分布特征的不同”“不同成因類型地震其前兆表現(xiàn)不同”“同一地區(qū)地震前兆的重復(fù)現(xiàn)象”等(焦明若等,1998a、1998b)。造成前兆復(fù)雜性的根本原因是孕震的物理力學(xué)過(guò)程的復(fù)雜性,這其中包括地質(zhì)構(gòu)造、孕震環(huán)境、動(dòng)力學(xué)過(guò)程、震源破壞機(jī)制、破裂發(fā)展過(guò)程等多方面的復(fù)雜因素(焦明若等,1998a、1998b)。而形變臺(tái)站建在地殼表層,因此,不可避免地會(huì)受到各種因素的影響,這也就意味著在測(cè)量(觀測(cè))值中不僅包含來(lái)自地球內(nèi)部的地形變信息,還可能不同程度地包含了來(lái)自地球外部的信息(中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司,2008)。這給地震前兆異常的識(shí)別帶來(lái)了更大的困難。

        據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定,2017年8月9日7時(shí)27分,新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣發(fā)生 6.6級(jí)地震(44.27°N,82.89°E),震源深度 11km,極震區(qū)烈度Ⅷ度(8度),此次地震災(zāi)區(qū)主要涉及博爾塔拉蒙古自治州精河縣、博樂(lè)市,伊犁哈薩克自治州尼勒克縣、伊寧縣,塔城地區(qū)烏蘇市及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第5師8個(gè)團(tuán)場(chǎng)的33個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。本文以溫泉臺(tái)水平擺測(cè)項(xiàng)為研究對(duì)象,首先研究溫度、水位對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響特征;然后利用回歸分析,選取適當(dāng)?shù)幕貧w模型剔除溫度、水位對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響;最后對(duì)回歸殘差序列進(jìn)行分析,研究精河6.6級(jí)地震前溫泉臺(tái)該測(cè)項(xiàng)的異常特征。

        1 臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造及觀測(cè)系統(tǒng)介紹

        溫泉老臺(tái)位于北天山地震帶西段,地質(zhì)構(gòu)造上處于準(zhǔn)噶爾盆地西側(cè)、博羅科努山北麓、博爾塔拉斷凹西部。博爾塔拉深大斷裂(EW向)的南盤是上升盤,在地表可見(jiàn)巖石破碎,物探資料顯示有SN向次生斷裂存在。臺(tái)站周邊主要斷裂帶有阿拉套斷裂帶、科古琴斷裂帶、喀什河斷裂帶、庫(kù)木松契克斷裂帶、博阿斷裂帶等。該監(jiān)測(cè)區(qū)中強(qiáng)震活動(dòng)強(qiáng)度較大,1765年以來(lái)共發(fā)生20次5級(jí)以上地震,其中,6級(jí)地震9次,7級(jí)地震1次,8級(jí)地震1次,如1765、1973年精河2次6級(jí)地震,1944年3月10日烏蘇縣與尼勒克交界處7.3級(jí)、6.5級(jí)地震,1812年伊犁盆地北緣斷裂上發(fā)生的尼勒克8級(jí)地震等,1978年在該地區(qū)發(fā)生溫泉震群(新疆維吾爾自治區(qū)地方志編纂委員會(huì),2002)。溫泉水平擺觀測(cè)臺(tái)站在精河6.6級(jí)地震微觀震中的NW向,兩者相距167km(圖1)。

        圖1 精河6.6級(jí)地震與溫泉水平擺觀測(cè)臺(tái)位置關(guān)系

        溫泉水平擺觀測(cè)山洞地處準(zhǔn)噶爾盆地西側(cè)博魯克努山北麓的華力西期花崗巖山體中,地理坐標(biāo)為44.96°N、81.00°E,高程1410m,山洞進(jìn)深43m,洞內(nèi)年溫差小于 1.2℃,日溫差小于0.1℃,被覆35m,被覆巖層存在小的裂隙,開(kāi)春融雪水、夏季雨水可輕微滲入洞中,相對(duì)濕度較大,達(dá)到98%。傾斜觀測(cè)墩為花崗巖大理石,長(zhǎng)120cm,寬90cm,高30cm。

        溫泉臺(tái)水平擺觀測(cè)始于1986年6月,1986~2006年觀測(cè)儀器為SQ-70石英水平擺傾斜儀,記錄方式為照相式記錄。2007年12月,按照“十五”數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目改造要求對(duì)溫泉SQ-70型石英擺傾斜儀進(jìn)行了數(shù)字化改造,改造后儀器為SQQ-Ⅱ型數(shù)字化石英傾斜儀,輔助觀測(cè)有氣象三要素儀等。SQQ-Ⅱ儀器故障率低,與原模擬觀測(cè)相比,降低了人為進(jìn)洞帶來(lái)的干擾,觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)采集及遠(yuǎn)程調(diào)收、標(biāo)定等智能化;觀測(cè)曲線光滑,固體潮汐清晰、規(guī)則,資料連續(xù)可靠。

        圖2 2010年 1月 1日~2017年 8月 8日溫泉臺(tái)水平擺傾斜量(a、b)、水位(c)、溫度(d)

        2 數(shù)據(jù)分析

        圖2為溫泉臺(tái)水平擺兩分量與水位、溫度間的時(shí)序曲線圖。由圖2可見(jiàn),兩分量均與溫度、水位的趨勢(shì)性變化不一致。根據(jù)干擾異常成因上的相關(guān)性原則,出現(xiàn)的異常動(dòng)態(tài)與其可能的影響因素之間存在成因上的相關(guān)性,例如大氣降水的滲入補(bǔ)給,一定表現(xiàn)為觀測(cè)井水位的上升(車用太等,2011)。溫泉水平擺的趨勢(shì)性變化與溫度、氣壓、水位的影響無(wú)關(guān)。因此,本文選用最佳逼近多項(xiàng)式去除溫泉臺(tái)水平擺兩分量變化趨勢(shì)(圖3)。

        為研究溫泉臺(tái)水平擺傾斜量與氣溫、水位間的關(guān)系,我們計(jì)算了溫泉臺(tái)水平擺傾斜量與氣溫、水位間的相關(guān)系數(shù)及其與滯后天數(shù)間的關(guān)系(圖4)。由圖4可見(jiàn),溫泉臺(tái)水平擺 NS向傾斜量滯后氣溫約114天時(shí),它們之間的相關(guān)系數(shù)為-0.620195;EW向傾斜量滯后氣溫44天時(shí),相關(guān)系數(shù)為0.8449978;NS向傾斜量滯后水位約17天時(shí),相關(guān)系數(shù)為 -0.6886279。溫泉臺(tái)水平擺傾斜量與氣溫、水位的散點(diǎn)圖見(jiàn)圖5。

        圖3 溫泉臺(tái)水平擺傾斜量與最佳逼近多項(xiàng)式擬合之差

        圖4 溫泉臺(tái)水平擺兩分量滯后氣溫、水位天數(shù)與相關(guān)系數(shù)間的關(guān)系

        回歸分析能在一定程度上剔除氣象因素的影響,有助于地震異常的識(shí)別(邢喜民等,2015)。為剔除溫度、水位對(duì)溫泉臺(tái)水平擺傾斜量的影響,由相關(guān)系數(shù)及圖5可記溫泉臺(tái)水平擺觀測(cè)數(shù)據(jù)為y,溫度為x,水位為z,對(duì)NS分量,利用回歸分析得到回歸方程

        由回歸分析輸出結(jié)果可知,變量對(duì)應(yīng)的P值均小于0.05的顯著性水平,剩余方差的估計(jì)值σ2=119.52,F(xiàn)統(tǒng)計(jì)量的估計(jì)值為679.7,由對(duì)應(yīng)的P值為2.2e-16說(shuō)明回歸方程是顯著的,但可決系數(shù)R2=0.4957、修正可決系數(shù)R2=0.495則說(shuō)明,方程的擬合效果一般。因此,我們認(rèn)為式(1)在一定程度上能剔除溫度、水位對(duì)溫泉臺(tái)水平擺NS分量的影響。

        對(duì)EW分量,得到回歸方程

        從回歸分析輸出結(jié)果可知,變量對(duì)應(yīng)的P值均小于0.05的顯著性水平,剩余方差的估計(jì)值σ2=188.52,F(xiàn)統(tǒng)計(jì)量的估計(jì)值為7023,由對(duì)應(yīng)的P值為2.2e-16說(shuō)明回歸方程是顯著的,由可決系數(shù)R2=0.7168、修正可決系數(shù)R2=0.7167則說(shuō)明,方程的擬合較好。因此,我們認(rèn)為式(2)可以較好地剔除溫度對(duì)溫泉臺(tái)水平擺EW分量的影響。得到的回歸殘差序列見(jiàn)圖6。

        圖5 溫泉臺(tái)水平擺傾斜量與氣溫、水位散點(diǎn)圖

        圖6 溫泉臺(tái)水平擺兩分量與氣溫回歸分析殘差曲線

        3 溫泉臺(tái)水平擺傾斜量異常特征分析

        由圖6可見(jiàn),溫泉臺(tái)水平擺傾斜量在利用回歸分析剔除氣溫、水位的影響后,NS分量每年基本都有雙峰、雙谷的特征,其波峰波谷轉(zhuǎn)折時(shí)間統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),NS分量第2個(gè)波峰轉(zhuǎn)折時(shí)間基本均為 12月,但2015年第2個(gè)波峰轉(zhuǎn)折時(shí)間為10月29日,之后持續(xù) S傾,2016年 2月 11日發(fā)生了新源MS5.0地震,之后溫泉臺(tái)水平擺NS分量持續(xù) S傾,至 2016年 6月7日轉(zhuǎn)向N傾,與以往3月份轉(zhuǎn)向N傾相比,推遲了近3個(gè)月,其異常變化特征與之前完全不符。因此分析認(rèn)為,2017年8月9日精河MS6.6地震前溫泉臺(tái)水平擺傾斜量的異常特征為:①NS分量自2015年10月29日之后的年變畸變,結(jié)合圖2可見(jiàn),精河MS6.6地震發(fā)生后,于2017年8月11日轉(zhuǎn)向N傾,異常結(jié)束;②EW分量自2016年5月13日起出現(xiàn)持續(xù)E傾變化,截至地震發(fā)生時(shí)E傾幅度達(dá)0.88″,目前,異常依然持續(xù)。對(duì)比圖6與圖2、3發(fā)現(xiàn),在剔除溫度、水位之后,溫泉臺(tái)水平擺傾斜量異常特征更加清晰、明顯。

        4 討論與結(jié)論

        地震是一種極其普通和常見(jiàn)的自然現(xiàn)象,由于地殼構(gòu)造的復(fù)雜性和震源區(qū)的不可直觀性,對(duì)其孕育、發(fā)生及成因、機(jī)制,至今尚無(wú)完滿的解答(楊龍,2015)。雖然對(duì)“地震能否預(yù)報(bào)”一直存在爭(zhēng)論,但眾多大地震的震例研究表明,前兆異常會(huì)或多或少地出現(xiàn)在地震孕育過(guò)程的不同階段(吳中海等,2013)。另一方面,由于形變臺(tái)站是一個(gè)多輸入、單輸出的精密動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng),這就意味著在其測(cè)量值中不僅包含來(lái)自地球內(nèi)部的地形變信息,還包含來(lái)自地球外部的信息,這對(duì)于異常的識(shí)別會(huì)帶來(lái)更大的困難。本文研究表明,溫泉臺(tái)水平擺NS向傾斜量年變形態(tài)主要受氣溫、水位的影響,其中,相位滯后氣溫約114天,它們之間的相關(guān)系數(shù)為-0.620195,滯后水位約17天,相關(guān)系數(shù)為-0.6886279;溫泉臺(tái)水平擺EW向傾斜量年變主要受氣溫的影響,其中,相位滯后氣溫44天,相關(guān)系數(shù)為0.8449978。利用回歸分析得到回歸殘差序列,對(duì)殘差序列的分析表明,2017年8月9日精河MS6.6地震前溫泉臺(tái)水平擺的異常特征為:NS分量自2015年10月29日之后的年變畸變,結(jié)合圖2可見(jiàn),精河地震發(fā)生后,于2017年8月11日轉(zhuǎn)向N傾,異常結(jié)束;EW向傾斜量自2016年5月13日起出現(xiàn)持續(xù)E傾變化,截至地震發(fā)生時(shí)E傾幅度達(dá)0.88″。由回歸方程檢驗(yàn)參數(shù)可知,由于溫泉臺(tái)水平擺NS分量受溫度、水位的雙重影響,雖然回歸方程是顯著的,但擬合效果卻一般。這可能是由于溫泉臺(tái)水平擺NS分量受溫度、水位的雙重影響,單獨(dú)分析每一影響因素對(duì)其影響特征時(shí),另一影響因素會(huì)影響正確的判定。此外,研究震前異常的幅度仍有一定的困難,雖然在此次地震異常的識(shí)別中仍未能建立異常幅度、異常持續(xù)時(shí)間與地震之間的關(guān)系,但筆者認(rèn)為這種嘗試仍將有助于促進(jìn)地震的物理與數(shù)值預(yù)測(cè)的發(fā)展。

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