王忠彪， 王 寧， 丁 寧， 張 珂， 荊平平

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180)

郯廬帶(南段)現(xiàn)今垂直運動及與地震關(guān)系

王忠彪， 王 寧， 丁 寧， 張 珂， 荊平平

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180)

基于郯廬地震帶(南段)1992—2016年的跨斷層水準資料，分析該地區(qū)垂直形變特征；利用主成分分析和時頻分析提取數(shù)據(jù)中的主要構(gòu)造性低頻信息及其能量強度特征，探討上述方法提取的“異?！毙畔⑴c該地區(qū)ML4.0以上中強地震的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，主成分的時間曲線顯示該地區(qū)在20世紀90年代后的垂直運動特征與長水準計算結(jié)果一致，北部地區(qū)的垂直活動性高于南部地區(qū)；時頻分布中的較強能量集聚能夠?qū)?yīng)一年以內(nèi)的ML4.5以上中強地震，可用于該地區(qū)中強以上地震的中長期—長期預(yù)測參考。

郯廬帶(南段)；垂直形變；主成分；時頻分析；能量集聚映震

0 引言

斷層形變異常最直接地將地震孕育、發(fā)生過程中的地殼受力狀態(tài)表現(xiàn)出來，多年的實踐證明跨斷層測量在地殼形變監(jiān)測中的不可替代性[1-3]。跨斷層測量既可用于提取局部孕震信息，還可據(jù)其反映的斷裂宏觀變化特征，進行中、強震較大尺度的空間—時間預(yù)測[4]。郯廬斷裂帶是中國東部一條重要的強構(gòu)造變形帶，近期仍繼承著新構(gòu)造運動方式，存在發(fā)生中強以上地震的介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)條件。1990年以來，郯廬斷裂與蘇、魯交界交匯地區(qū)一直被列為地震危險重點監(jiān)視區(qū)[5-6]，2003年后郯廬帶(南段)中強震頻發(fā)。因此，很有必要分析郯廬帶(南段)地區(qū)的形變特征及其與地震的關(guān)系。本文利用郯廬帶(南段)地區(qū)多年積累的跨斷層水準資料，研究該地區(qū)的垂直形變特征及與中強以上地震的關(guān)系，探討新的分析方法對跨斷層水準資料的適用性，為該地區(qū)防震減災(zāi)工作提供參考。

1 資料概況與預(yù)處理

郯廬帶(南段)地區(qū)(蘇皖)共有16處流動和5處定點跨斷層監(jiān)測場地，全部為水準觀測。本文選擇資料較完整的13處場地(10處流動和3處定點)進行分析，斷層及場地位置見圖1，場地信息見表1。本文將郯廬帶(南段)兩側(cè)各約100 km的區(qū)域劃為郯廬地震帶(南段)進行研究[1]，大體包括了郯廬斷裂帶及其分支斷裂、臨近的NE向和NW向活動斷裂(表1)，從安徽境內(nèi)經(jīng)安徽廬山、嘉山、江蘇宿遷至蘇魯交界，南北綿延約600 km(圖1)。

圖1 郯廬地震帶(南段)及場地分布

郯廬地震帶(南段)內(nèi)斷層傾角較大，車兆宏等指出該地區(qū)垂直運動大于水平運動速率[2]，郯廬帶控制該地區(qū)地殼的運動方式主要為走滑和垂向運動。本文主要研究該地區(qū)的垂直形變特征，首先將各場地數(shù)據(jù)統(tǒng)一為西側(cè)—東側(cè)方向，然后進行預(yù)處理，剔除重復(fù)和錯誤數(shù)據(jù)，采用線性內(nèi)插補全，獲得1992年6月至2016年8月共291期等時間間隔的觀測數(shù)據(jù)。郯廬地震帶(南段)各監(jiān)測場地建設(shè)較早，空間分布相對均勻，觀測精度高，對斷層和地震活動有較好的反映[1]。

表1 郯廬地震帶(南段)監(jiān)測場地信息統(tǒng)計表

利用預(yù)處理數(shù)據(jù)計算每個場地的年均垂直活動速率(表2)，可以看出區(qū)內(nèi)垂直活動整體不強，速率最大為曉店場地，年均速率為1.27 mm/a；平均年速率為0.11 mm/a；每個場地反映的區(qū)內(nèi)斷層的垂直形變“升降交替”，無法直接用于分析整區(qū)的垂直活動。采用主成分分析提取該地區(qū)主要形變影響因子，進行進一步的綜合分析。

表2 郯廬地震帶(南段)場地年均垂直活動速率

2 跨斷層水準的主成分分析

跨斷層水準測量受氣象、地下水位和人為干擾等因素的影響，資料中包含著大量的非構(gòu)造活動的干擾信息，且大部分屬于高頻信息[7]。同一地區(qū)的形變數(shù)據(jù)具有一定的相關(guān)性。主成分分析(PCA, Principal Component Analysis)的基本思想是將多個具有一定相關(guān)性的指標化為少數(shù)幾個不相關(guān)的綜合指標，采用降維方式最大限度保留低頻信息，更易于揭示序列數(shù)據(jù)內(nèi)部的規(guī)律性[8]。

原理：記xp、fm分別為原指標和新指標(m≤n)，則

其中，fm+1是與fm不相關(guān)的x1，x2，…，xp的方差最大的線性組合，fi稱為原指標xp的第i主成分(1≤i≤m)。

主成分分析步驟：

1)原始數(shù)據(jù)標準化

3)計算R的特征值(λ1，λ2，…，λp，其中λ1≥λ2≥…≥λp)和特征向量(u1，u2，…，up，其相互正交)。

一般要求G(m)≥85%以保證綜合指標能包含原始數(shù)據(jù)中的絕大部分信息。

對預(yù)處理數(shù)據(jù)進行主成分分析，主成分的貢獻率及累計貢獻率見圖2。選取前5個累計貢獻率達到85.8%的主成分，計算主成分合成指標W(表3)。

圖2 主成分的貢獻率和累計貢獻率

表3 前5個主成分及合成指標W

3 信息提取效果分析

主成分分析可以有效去除跨斷層水準數(shù)據(jù)序列中的非構(gòu)造活動的高頻干擾信息，采用基于譜密度函數(shù)的譜分析法計算主成分合成指標W的主要頻率分量，分析其周期性特征，進行干擾信息去除效果檢驗。采用Tukey-Hamming(圖基—漢明窗)濾波算法，得到合成指標W的譜密度圖(圖3),識別主要頻率分量周期的方法為尋找圖中曲線上的極值點或突跳點[9]。圖3中可以看出，曲線在f=0.08左右有一個極值點，即存在年周期信息分量，但能量較弱；在f→0時譜密度急速增加，說明主要頻率分量為反映斷層趨勢性活動的低頻分量。主成分分析法按85%累計貢獻率提取主成分可剔除絕大部分的高頻干擾信息，可以用于進一步的長趨勢形變學(xué)分析。

圖3 主成分合成指標W的譜密度圖

4 區(qū)域垂直形變分析與地震

繪制各個主成分及合成指標W的時間曲線(圖4)。由圖4中合成指標W—全區(qū)的時變曲線可以看出，郯廬地震帶(南段)地區(qū)整體處于“西升東降”的狀態(tài)，這種垂直形變特征與“西高東低”地形顯示的長期構(gòu)造運動趨勢相一致。2001年之前區(qū)域內(nèi)垂直活動較強，2001—2004年活動減弱，2004—2007年活動方向反轉(zhuǎn)為輕微的“西降東升”，2007—2008年出現(xiàn)一次“階躍”，2008年至今持續(xù)著輕微的“西降東升”的相對穩(wěn)定的活動狀態(tài)。

楊國華等利用區(qū)域長水準資料分析指出，20世紀50—90年代郯廬斷裂帶及鄰區(qū)先后發(fā)生十幾年尺度的不同區(qū)域相對垂直運動方式的反轉(zhuǎn)，最后一次為90年代以后(1993年開始)郯廬斷裂帶及其鄰區(qū)組成的條帶發(fā)生隆升，條帶兩側(cè)沉降[10]；郭良遷等利用蘇皖地區(qū)的水準復(fù)測資料分析結(jié)果與楊國華基本一致，指出1956—1999年宿遷和嘉山地區(qū)郯廬帶兩側(cè)地塊出現(xiàn)運動方式的反轉(zhuǎn)，嘉山和池河活動性弱于宿遷，認為1996年南黃海MS6.1地震與蘇北地區(qū)1990—1995年的地殼運動的顯著差異變化有關(guān)[11]。

本文利用跨斷層水準資料分析的郯廬地震帶(南段)20世紀90年代的垂直活動特征與上述結(jié)果大致類似，21世紀初(2004年開始)研究區(qū)域運動方式發(fā)生反轉(zhuǎn)，隨后在2005年11月發(fā)生了附近的江西九江MS5.7地震。這可能表明該地區(qū)整體活動方式的轉(zhuǎn)變是區(qū)內(nèi)及附近6級左右地震的誘因，含有較顯著的強震孕育信息。該地區(qū)垂直運動可能具有十幾年左右的周期性，現(xiàn)今的垂直運動是該地區(qū)周期性運動的延續(xù)。

鑒于郯廬帶(南段)活動的分段性，根據(jù)場地水準顯示的運動特征分別對研究區(qū)域的北部和南部地區(qū)進行主成分分析，計算合成指標W并繪制時間曲線(圖4)。北部和南部的地殼垂直運動均為“西升東降”，速率逐漸降低，與區(qū)域整體運動方式相同；北部和全區(qū)的W曲線在變化趨勢和量級上基本相同；南部地區(qū)的變化量級相對較小，除去1999年前后的“尖點突跳”變化外整體活動較弱。說明北部地區(qū)的垂直活動強于南部地區(qū)，在全區(qū)的垂直活動中占主導(dǎo)，這也與前人的計算結(jié)果一致[5，12-14]。

由圖4，主成分1表現(xiàn)為近似線性變化，表示長期運動趨勢；主成分2在1999年有一個“突跳”變化并發(fā)生趨勢轉(zhuǎn)折；主成分3在1999年有一個“突跳”變化，并在2003年發(fā)生趨勢轉(zhuǎn)折；主成分4在1999年發(fā)生趨勢轉(zhuǎn)折，在2014年有一個“突跳”變化并隨后發(fā)生趨勢轉(zhuǎn)折。相應(yīng)的郯廬地震帶(南段)在1999年12月、2005年7月和2014年4月分別發(fā)生了安徽利辛ML4.6、安徽鳳臺ML4.1和安徽霍山ML4.9等中強以上地震(表4)。上述“異?！弊兓c某些地震相對應(yīng)，但映震不完全，且主成分5的曲線波動劇烈，無法直觀地提取出相關(guān)“異常”信息，一定程度上降低了主成分分析進行地震異常識別的實效性。

表4 郯廬地震帶(南段)1985年以后ML≥4.0地震統(tǒng)計

5 時頻分布與地震

跨斷層水準及其主成分數(shù)據(jù)是波動的非平穩(wěn)時間序列，數(shù)據(jù)波動大，難以在原始時間曲線上直接進行規(guī)律分析以獲取數(shù)據(jù)的內(nèi)部基本特征。適用于非平穩(wěn)序列的時頻分析(JTFA，Joint Time-Frequency Analysis)方法可將時域上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域上，用于獲取序列的頻譜含量隨時間的變化特征[15]。本文采用適用多分量序列分析的短時傅里葉變換(STFT, Short-time Fourier Transform)，并采用較寬時窗，提高低頻信息的頻率分辨率。

圖4 主成分及合成指標W的時間曲線

圖5為主成分合成指標W和各個主成分的時頻分布圖。由圖可見，主成分1和合成指標W的能量集聚表現(xiàn)為長期趨勢性，主成分2和主成分3在1999年有一次1年尺度的能量集聚現(xiàn)象，主成分4在2011年、2014年各有一次能量集聚，主成分5在2006年、2009年均有一次能量集聚。對應(yīng)郯廬地震帶(南段)地區(qū)分別在1999年12月、2006年7月、2011年1月和2014年4月分別發(fā)生了安徽利辛ML4.6、安徽定遠ML4.7、安徽安慶ML4.8和安徽霍山ML4.9中強地震。研究區(qū)域每次ML4.5以上地震之前均出現(xiàn)了1年以內(nèi)的時頻分布上的能量集聚現(xiàn)象，說明各個主成分的時頻分布的能量集聚在郯廬地震帶(南段)對ML4.5以上地震具有中長期—長期的預(yù)測效能。相比各個主成分的原始曲線，其更能直觀、清楚地發(fā)現(xiàn)場地短水準數(shù)據(jù)中存在的構(gòu)造性“異?！毙畔?，可以為今后的跨斷層資料，特別是水準資料的分析提供一定的借鑒。

6 討論與結(jié)論

1)郯廬地震帶(南段)所有場地的平均垂直運動速率為0.11 mm/a，整體活動性不強；由每個場地的年平均速率反映的郯廬地震帶(南段)垂直活動特征為“升降交替”。

2)郯廬地震帶(南段)采用85%的累計貢獻率作為主成分取舍的標準可將水準資料中絕大部分的高頻干擾信息去除，僅剩少部分的年周期影響信息。

3)主成分分析結(jié)果表明，研究區(qū)域20世紀90年代后的整體垂直運動與長水準計算結(jié)果基本一致；最近的2次運動方式的轉(zhuǎn)變之后均發(fā)生了鄰區(qū)的6級左右地震，表明該地區(qū)整體運動方式的轉(zhuǎn)變可能是區(qū)內(nèi)附近6級左右地震的誘因，含有較顯著的強震孕育信息。該地區(qū)的垂直運動可能具有周期性；北部地區(qū)的垂直活動強于南部地區(qū)，在區(qū)域內(nèi)的垂直活動中占主導(dǎo)。

圖5 主成分時頻分布與地震

4)基于各個主成分計算繪制的時頻分布圖，可以較直觀地發(fā)現(xiàn)水準數(shù)據(jù)中隱含的構(gòu)造性“異?！毙畔?。圖中的較強能量集聚能夠?qū)?yīng)研究區(qū)域一年以內(nèi)的ML4.5以上的中強地震，可對中強地震進行中長期—長期的預(yù)測預(yù)報，為今后的跨斷層水準資料分析和地震預(yù)報工作提供借鑒參考。由于該地區(qū)近期沒有發(fā)生過強震，該套分析方法對未來強震的對應(yīng)、預(yù)測效能有待進一步的驗證。

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Recent Vertical Motion and Its Relation to Earthquakes in the Tan-Lu Seismic Zone (Southern Segment)

WANG Zhong-biao, WANG Ning, DING Ning, ZHANG Ke, JING Ping-ping

(First Crust Monitoring and Application center, CEA, Tianjin 300180)

Based on leveling data across fault of Tan-Lu seismic zone from 1992 to 2016, this paper discussed the vertical deformation feature, used the PCA (principal component analysis) for extracting constructive low frequency information and its energy intensity feature with JTFA (joint time-frequency analysis), investigated the information relation to moderate earthquakes aboveML4.0. The results show that the time curve feature of principal components are consistent with long-range leveling results, northern of study area has strong vertical activity. Strong energy concentration area in the time-frequency distribution maps is corresponding to the occurrence of earthquakes overML4.5 in less than one year, which could be applied to mid-long term or long term earthquake prediction of this area.

Tan-Lu seismic zone; vertical deformation; principal component; joint time-frequency analysis; energy concentration reflecting earthquake

2016-12-22

中國地震局第一監(jiān)測中心科技創(chuàng)新主任基金(FMC2015010)；中國綜合地球物理場觀測——大華北地區(qū)(201508009)

王忠彪(1989—)，男，河南民權(quán)人，助理工程師，主要從事跨斷層形變分析與地震預(yù)報研究.E-mail：wangbiao548@163.com

P315.2

A

1003-1375(2017)03-0066-07

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.03.012

王忠彪，王寧，丁寧，等．郯廬帶(南段)現(xiàn)今垂直運動及與地震關(guān)系[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(3):66-72.