楊立明 郝臻 王建軍 張淑珍 姚家俊 董蕾
1)中國地震局蘭州地震研究所,蘭州市東崗西路450號 730000
2)青海省地震局,西寧市興海路1號 810001
3)中國地震局地球物理勘探中心,鄭州 450002
4)重慶市地震局,重慶 401147
臨震預(yù)測是地震長、中、短、臨漸進(jìn)式預(yù)測中難度最大,最具挑戰(zhàn)性的階段。從地震波的角度開展研究和探索是國內(nèi)外臨震預(yù)測的主要研究方向之一。眾所周知,寬頻帶數(shù)字地震記錄中蘊(yùn)含著豐富的信息,探索其中是否含有與孕震過程相關(guān)聯(lián)的震源或介質(zhì)狀態(tài)變化的信息,并設(shè)法識別和提取該信息,是一個(gè)得到廣泛關(guān)注并被持續(xù)研究的領(lǐng)域(陳章立等,2007;鄭斯華等,1992;趙翠萍等,2004;高原等,2004;劉杰等,2004;馮德益等,1983、1994;郭履燦等,1998;楊立明等,2006;楊立明,2009;王月琪,2015)①楊立明,2014,“十二·五”國家科技支撐計(jì)劃專題研究報(bào)告《數(shù)字地震技術(shù)在強(qiáng)震中短期預(yù)測中的應(yīng)用》。
正常的寬頻帶數(shù)字地脈動(dòng)記錄是相對平穩(wěn)、隨機(jī)起伏的,具有隨機(jī)序列的特征;而迭加了已知或未知來源信息的脈動(dòng)記錄是不平穩(wěn)的,存在明顯的波動(dòng)變化。圖1為2014年10月3日1時(shí)41分40秒甘肅白銀地震臺記錄到的持續(xù)120s的記錄,其中明顯存在迭加于正常脈動(dòng)基礎(chǔ)上的某種“干擾事件”。一般來講,該類“干擾事件”,既可能來源于地震、爆破、塌陷、臺風(fēng)、雷雨等典型地球物理事件及環(huán)境變化,也可能來源于某些未知或目前尚未掌握的過程,其中可能就包含著來源于臨震震源預(yù)活動(dòng)、微破裂、微震動(dòng)及與地震孕育進(jìn)入臨震階段相關(guān)聯(lián)的活動(dòng)構(gòu)造微活動(dòng)、微破裂、裂隙擴(kuò)展等過程。
圖1 2014年10月3日白銀臺迭加“干擾事件”的地脈動(dòng)記錄
對于地震、塌陷、爆破等事件,可根據(jù)其時(shí)間域、頻率域特征進(jìn)行識別,而來源于地震臨震階段震源區(qū)的預(yù)活動(dòng)、微震動(dòng)、微破裂及可能與地震孕育進(jìn)入臨震階段有關(guān)的活動(dòng)構(gòu)造微活動(dòng)、微破裂、裂隙擴(kuò)展等事件,則正是臨震預(yù)測追尋的目標(biāo)。對于這樣的目標(biāo)事件,由于目前尚不掌握其變化特征,對其識別的方法只能通過震例研究。即通過對典型震例的反復(fù)比對分析,初步識別出臨震階段存在的可能疑似“事件”,并通過大量的震例和實(shí)際資料來研究該疑似“事件”在不同強(qiáng)震前的重現(xiàn)性,從而驗(yàn)證該“事件”是否與強(qiáng)震臨震階段間存在關(guān)聯(lián)。若存在關(guān)聯(lián),則可進(jìn)一步應(yīng)用于強(qiáng)震臨震判定。
基于以上思路,為了探索臨震階段可能存在的信息,首先要從連續(xù)地脈動(dòng)波形記錄中提取各種“干擾事件”,然后進(jìn)行時(shí)間域、頻率域的分析與研究。一般來講,應(yīng)以正常脈動(dòng)為基礎(chǔ),以超出脈動(dòng)平均值若干倍方差為標(biāo)準(zhǔn),對連續(xù)脈動(dòng)記錄資料進(jìn)行全時(shí)程掃描。當(dāng)某一時(shí)段波形記錄超出方差控制線時(shí),以該超出部分中段為中心,在其前后各延伸截取一定時(shí)間長度的波形記錄作為該迭加事件的基礎(chǔ)資料,進(jìn)而利用FFT變換等數(shù)字信號處理的方法進(jìn)行頻譜分析,以達(dá)到識別迭加信息及其頻譜特征的目的。
FFT頻譜分析法是目前常用的信號處理方法,也是發(fā)展最成熟的數(shù)字信號處理理論和方法之一。該方法由Cooley等(1965)年提出,其主要思想是將一般的時(shí)間函數(shù)f(x)表示為具有不同頻率的諧波函數(shù){ejωt,ω∈R}的線性疊加,從而將對原來時(shí)間域函數(shù)的研究轉(zhuǎn)化為對不同頻率成分諧波函數(shù)的研究。函數(shù)f(x)∈L2(R)的連續(xù)傅里葉變換定義為
地脈動(dòng)記錄中不同類型“干擾事件”出現(xiàn)頻度的不同,體現(xiàn)了該類事件活動(dòng)的不同活躍程度。為了定量表述該特征,本文引入事件活動(dòng)度的概念,即按一定的時(shí)間間隔,將同一類型“干擾事件”出現(xiàn)的頻次累加,并將其作為該類型事件活動(dòng)程度的定量指標(biāo),定義為
其中,i為時(shí)間,i=1、2、3、……,本研究中以天為單位;n(i,j)表示某一類事件在第i天、第j次出現(xiàn),j為該類事件出現(xiàn)的順序;k為出現(xiàn)的總次數(shù)。
以汶川地震、玉樹地震等事件為研究對象,以四川、青海、甘肅等區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)地脈動(dòng)連續(xù)記錄為基礎(chǔ)資料。這些區(qū)域的地震臺網(wǎng)經(jīng)過了“十五”數(shù)字化改造,全部實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化觀測和網(wǎng)絡(luò)傳輸,一般使用BBVS-60、CMG-3ESPC、CTS-1等寬頻帶地震儀或甚寬頻帶地震儀進(jìn)行觀測,儀器采樣率為100次/秒,最大分辨頻率為50Hz;臺基基礎(chǔ)較好,觀測環(huán)境穩(wěn)定,觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。
1.3.1 2008年5月12日汶川8.0級地震臨震微波動(dòng)現(xiàn)象
汶川地震震中周圍150km半徑范圍內(nèi)有數(shù)字化地震臺站12個(gè)(圖2),250km半徑范圍內(nèi)有23個(gè),可以有效監(jiān)控震前震源或近源區(qū)可能存在的臨震異?,F(xiàn)象。不同臺站的震中距如表1所示。
按照前述研究思路,逐臺提取出汶川地震前四川臺網(wǎng)的事件波形,并利用FFT方法進(jìn)行頻譜分析。在0~50Hz頻率范圍內(nèi),通過大量事件波形及其不同頻段頻譜特征的反復(fù)對比研究,初步識別出汶川地震前臨震階段可能存在的波動(dòng)事件及其FFT譜(圖3)。其中,圖3(a)、3(b)分別為都江堰臺NS道2008年5月10日11時(shí)55分4秒為起點(diǎn),120s窗長的一段波形記錄及其頻譜。由圖3(a)、3(b)可見,波形記錄在11時(shí)55分30秒~56分0秒期間,在相對平穩(wěn)的脈動(dòng)記錄的基礎(chǔ)上,迭加有顯著的事件波形,持續(xù)時(shí)間約30s,事件幅值超出脈動(dòng)均值5倍方差;頻率為9~16Hz時(shí),頻譜的幅值變化突出,與其他頻段差異顯著。圖3(c)、3(d)分別為都江堰臺NS道2008年5月10日21時(shí)14分26秒為起點(diǎn),120s窗長的一段波形記錄及其頻譜。由圖3(c)、3(d)可見,波形記錄在21時(shí)14分50秒~15分20秒期間,在相對平穩(wěn)的脈動(dòng)記錄的基礎(chǔ)上,迭加有顯著的事件波形,持續(xù)時(shí)間約30s,事件幅值超出脈動(dòng)均值5倍方差,其頻譜顯示,頻率為11~16Hz時(shí)的幅值具有與圖3(b)類似的特征。
進(jìn)一步研究顯示,都江堰臺記錄中類似的事件及其頻譜在2008年5月1~12日期間較為常見,而在2008年1~4月,長達(dá)4個(gè)月的時(shí)間內(nèi)則很少出現(xiàn)。其共性特征表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)長約30s,相對于脈動(dòng)背景變化明顯,相應(yīng)的頻譜大致集中在頻率11~16Hz處,頻譜形態(tài)較為整齊。
圖2 汶川地震震中附近150km半徑范圍內(nèi)的數(shù)字地震臺站分布
表1 汶川地震震中不同半徑范圍內(nèi)臺站及其震中距統(tǒng)計(jì)
為進(jìn)一步研究該類事件與汶川地震臨震階段間是否存在關(guān)聯(lián)性,按前述分析方法,對表1中距汶川地震震中150km范圍內(nèi)(亦含江油臺(153)、峨嵋臺(153))的所有共計(jì)14個(gè)臺站、2008年1~5月間的連續(xù)波形進(jìn)行分析處理,并以天為單位,逐日逐臺計(jì)算事件活動(dòng)度N值(圖4(a))。由圖4(a)可見,2008年1月1日~4月29日期間,長達(dá)4個(gè)月的時(shí)間內(nèi)所有臺站的N值均在很小的范圍內(nèi)平穩(wěn)波動(dòng),而從2008年4月29日開始,都江堰臺N值出現(xiàn)了連續(xù)的高值變化,且一直持續(xù)到5月12日汶川地震發(fā)生。在此期間,汶川臺等其余13個(gè)臺站的N值保持平穩(wěn)波動(dòng),沒有出現(xiàn)類似的變化。同樣的方法,作出表1中同一時(shí)段250km半徑范圍內(nèi)(圖4(a)中已選擇的臺站除外)其余臺站及部分以遠(yuǎn)臺站(含會(huì)理臺(491)、普格天(408)、甘孜臺(329)等)共13個(gè)臺站的N值時(shí)間變化比對結(jié)果(圖4(b)),由圖4(b)可見,其具有與圖4(a)類似的變化過程。
圖3 都江堰臺臨震波動(dòng)現(xiàn)象
圖4(a) 汶川地震前距震中150km范圍內(nèi)臺站N值隨時(shí)間的變化
圖4(b) 汶川地震前距震中250km范圍內(nèi)及部分以遠(yuǎn)臺站N值隨時(shí)間的變化
綜合圖4(a)、4(b)可見,汶川地震前都江堰臺4月29日~5月12日期間記錄到的波動(dòng)具有特殊性。在汶川地震震中附近250km范圍內(nèi)的臺站及部分震中距大于400km的臺站連續(xù)5個(gè)月的地脈動(dòng)記錄中,只有該臺在震前14天起觀測到這種波動(dòng)現(xiàn)象。
1.3.2 2010年4月14日玉樹7.1級地震臨震微波動(dòng)現(xiàn)象
玉樹地震震中周圍150km范圍內(nèi)有數(shù)字化地震臺站3個(gè),250km范圍內(nèi)有數(shù)字化地震臺站4個(gè),臺站分布較為稀疏。不同臺站的震中距如表2所示。
表2 玉樹地震震中不同半徑范圍內(nèi)臺站及其震中距統(tǒng)計(jì)
按照與汶川地震相同的分析思路,通過大量事件波形及其不同頻段頻譜特征的反復(fù)對比分析發(fā)現(xiàn),玉樹地震前存在類似于汶川地震臨震階段的微波動(dòng)現(xiàn)象。圖5(a)、5(b)為玉樹臺EW道2010年4月4日11時(shí)11分18秒為起點(diǎn),120s窗長的一段波形記錄及其頻譜。由圖5(a)、5(b)可見,11時(shí)11分48秒~12分8秒期間,在相對平穩(wěn)的脈動(dòng)記錄的基礎(chǔ)上,迭加有顯著的事件波形,持續(xù)時(shí)間約30s,事件幅值超出脈動(dòng)均值5倍方差;頻率為9~16Hz時(shí),幅值變化突出,與其他頻段差異顯著。圖5(c)、5(d)為玉樹臺EW道2010年4月3日6時(shí)4分29秒為起點(diǎn),120s窗長的一段波形記錄及其頻譜。由圖5(c)、5(d)可見,6時(shí)4分55秒~5分35秒期間,在相對平穩(wěn)的脈動(dòng)記錄的基礎(chǔ)上,迭加有顯著的事件波形,持續(xù)時(shí)間約40s,事件幅值超出脈動(dòng)均值5倍方差;頻率為11~16Hz時(shí)的幅值具有與圖5(b)類似的特征。
進(jìn)一步研究顯示,玉樹臺記錄中的事件及其頻譜在2010年4月1~14日期間較為常見,而在3月底以前則很少出現(xiàn)。其共性特征表現(xiàn)為該類事件的持續(xù)時(shí)長30~40s,相對于脈動(dòng)背景差異明顯,相應(yīng)的頻譜大致集中在頻率11~16Hz處,頻譜形態(tài)較為整齊。
為了進(jìn)一步研究該類事件與玉樹地震臨震階段間是否存在關(guān)聯(lián)性,按前述分析方法,對表2中距玉樹地震震中150km范圍內(nèi)的所有臺站震前6個(gè)月,即2009年10月1日~2010年4月14日期間的連續(xù)波形進(jìn)行分析處理,并以天為單位,逐日逐臺計(jì)算出事件活動(dòng)度N值(圖6(a))。由圖6(a)可見,2009年10月1日~2010年3月底期間,長達(dá)5個(gè)月的時(shí)間內(nèi)所有臺站的N值均在很小的范圍內(nèi)平穩(wěn)波動(dòng),而從2010年4月1日開始,玉樹臺N值出現(xiàn)了連續(xù)的高值狀態(tài),且一直持續(xù)到4月14日玉樹地震發(fā)生。在此期間,雜多臺(130)、曲瑪萊臺(140)等的N值保持平穩(wěn)波動(dòng),沒有出現(xiàn)類似的變化。同樣的思路和方法,作出表2中同一時(shí)段250km半徑范圍內(nèi)臺站(圖6(a)中已選擇的臺站除外)及部分以遠(yuǎn)臺站(含西寧臺(620)、祁連臺(640)、興海臺(390)、花土溝臺(750)、大柴旦臺(540)等)的N值時(shí)間變化比對結(jié)果(圖6(b)),由圖6(b)可見,其具有與圖6(a)類似的變化過程。
圖5 玉樹臺臨震波動(dòng)現(xiàn)象
圖6(a) 玉樹地震前距震中150km范圍內(nèi)臺站N值隨時(shí)間的變化
圖6(b) 玉樹地震前距震中250km范圍內(nèi)及部分以遠(yuǎn)臺站N值隨時(shí)間的變化
綜合圖6(a)、6(b)可見,玉樹地震前玉樹臺4月1~14日期間記錄到的波動(dòng)具有特殊性。在玉樹地震震中附近250km范圍內(nèi)的臺站及部分以遠(yuǎn)臺站,連續(xù)6個(gè)月的地脈動(dòng)記錄中,只有玉樹臺在震前約14天起觀測到這種波動(dòng)現(xiàn)象。
因此,玉樹地震前玉樹臺臨震記錄到的臨震微波動(dòng)現(xiàn)象,與汶川地震前都江堰臺記錄到的現(xiàn)象類似,均出現(xiàn)在強(qiáng)震前臨震階段,且表現(xiàn)出震中距小于50km的臺站可以記錄到,而震中距大于50km的臺站則均未記錄到該現(xiàn)象。
1.3.3 2011年11月1日青川5.4級地震臨震微波動(dòng)現(xiàn)象
2011年11月1日青川5.4級地震震中附近臺站較為密集,150km范圍內(nèi)的臺站有7個(gè),其中,青川臺震中距約7km。不同臺站的震中距如表3所示。
表3 青川地震震中不同半徑范圍內(nèi)臺站及其震中距統(tǒng)計(jì)
按照類似的思路,逐臺提取青川地震前距震中150km范圍內(nèi)臺站的事件波形,利用FFT方法進(jìn)行頻譜分析。通過大量事件波形及其不同頻段頻譜特征的反復(fù)對比,得出震前存在類似于汶川地震、玉樹地震前的臨震波動(dòng)事件。其中,圖7(a)、7(b)為青川臺UD道2011年10月22日17時(shí)37分21秒為起點(diǎn),120s窗長的一段波形記錄及其頻譜。由圖7(a)、7(b)可見,波形記錄中包含大量持續(xù)時(shí)間較短的波動(dòng)事件;頻率為11~16Hz時(shí)其頻譜的幅值變化突出,與其他頻段差異顯著。圖7(c)、7(d)為青川臺UD道2011年10月22日18時(shí)0分1秒為起點(diǎn),120s窗長的一段波形記錄及其頻譜。由圖7(c)、7(d)可見,在相對平穩(wěn)的脈動(dòng)記錄的基礎(chǔ)上,迭加有大量持續(xù)時(shí)間較短的事件波形,其事件幅值超出脈動(dòng)均值5倍方差;頻率為11~16Hz時(shí)其頻譜的幅值具有與圖7(b)類似的特征。
同樣的分析方法,進(jìn)一步研究顯示,青川臺記錄中類似事件的頻譜在2011年10月18~22日期間較為常見,而在此前則很少出現(xiàn)。頻譜變化特征類似于汶川地震、玉樹地震前的特征,大致集中在11~16Hz處,頻譜形態(tài)較為整齊;而其余臺站的N值在長達(dá)6個(gè)月的時(shí)間內(nèi)則保持平穩(wěn),沒有出現(xiàn)類似的變化,具體變化過程如圖8(a)、8(b)所示。
因此,青川臺臨震前記錄到的波動(dòng)現(xiàn)象,與汶川地震前都江堰臺、玉樹地震前玉樹臺記錄到的現(xiàn)象在頻率域是類似的,均出現(xiàn)在強(qiáng)震前臨震階段,且震中距不大于50km,具有重現(xiàn)性。
根據(jù)上述汶川地震、玉樹地震、青川地震等地震前地脈動(dòng)資料的長時(shí)程、大范圍的掃描計(jì)算和分析可以看出,3次震例均存在類似的臨震微波動(dòng)現(xiàn)象,似乎具有重現(xiàn)性。其主要特征如下。
圖7 青川臺臨震波動(dòng)現(xiàn)象
圖8(a) 青川地震前距震中150km范圍內(nèi)臺站N值隨時(shí)間的變化
圖8(b) 青川地震前距震中250km范圍內(nèi)及部分以遠(yuǎn)臺站N值隨時(shí)間的變化
(1)頻譜特征:頻率范圍較寬,優(yōu)勢頻率集中在11~16Hz左右,頻譜形態(tài)較為整齊。
(2)時(shí)間特征:可能出現(xiàn)在震前12~14天,且似乎具有持續(xù)時(shí)間長則震級大、持續(xù)時(shí)間短則震級小的特征。具體表現(xiàn)為,汶川地震震前14天出現(xiàn),持續(xù)活動(dòng)14天,直至主震發(fā)生;玉樹地震震前12天出現(xiàn),持續(xù)活動(dòng)8天,主震前4天恢復(fù)正常;青川地震震前13天出現(xiàn),持續(xù)活動(dòng)5天,主震前8天恢復(fù)正常。
(3)空間特征:距震中50km范圍內(nèi)的臺站有可能記錄到臨震微波動(dòng)現(xiàn)象,而震中距大于50km的臺站一般記錄不到臨震微波動(dòng)。具體表現(xiàn)為都江堰臺(震中距19km)、玉樹臺(震中距46km)、青川臺(震中距7km)記錄到了臨震微波動(dòng),而其余震中距大于50km的臺站均未記錄到臨震微波動(dòng)。
(4)活動(dòng)度N值的方向性特征:臨震微波動(dòng)現(xiàn)象可能具有方向性,活動(dòng)度N值變化顯著的方向可能與強(qiáng)震的發(fā)震斷層、余震分布及震源位置等有關(guān)。具體表現(xiàn)為,汶川地震臨震微波動(dòng)活動(dòng)度N值的NS道變化顯著,EW、UD道活動(dòng)度相對平穩(wěn),這與汶川地震發(fā)震斷層及余震空間分布NE向,以SN方向占優(yōu)較為一致。玉樹地震臨震微波動(dòng)N值的EW向變化顯著,NS、UD道活動(dòng)度相對平穩(wěn),這與玉樹地震發(fā)震斷層及余震的空間分布近EW向,以EW方向占優(yōu)較為一致。青川地震臨震微波動(dòng)活動(dòng)度N值的UD道變化相對顯著,NS、EW道活動(dòng)度保持平穩(wěn)波動(dòng),這與青川臺震中距僅7km,青川地震為近乎直下型地震,UD道占優(yōu)較為一致。
(5)地震活動(dòng)度N值數(shù)量變化特征:汶川地震最大活動(dòng)度N值達(dá)到18,玉樹地震最大活動(dòng)度達(dá)到8,青川地震為5;呈現(xiàn)震級大活動(dòng)度大、震級小活動(dòng)度小的特征。
有關(guān)臨震階段可能存在的斷層蠕動(dòng)加速(力武常次,1978;郭增建等,1973;陳運(yùn)泰等,1979)、臨震前預(yù)滑(郭增建等,1998;馮德益等,1984;張國民等,1990;孫吉立等,1996)等與強(qiáng)震震源活動(dòng)有關(guān)的研究已見許多報(bào)道。已有的研究結(jié)果啟示我們,如果真的存在諸如臨震斷層蠕動(dòng)、震前預(yù)滑等微活動(dòng)、微破裂,且這些震源區(qū)的預(yù)活動(dòng)能為寬頻帶數(shù)字地震觀測儀器所記錄,那么,識別這些臨震預(yù)活動(dòng),并進(jìn)一步應(yīng)用于地震預(yù)測,就成為十分有價(jià)值的工作。
如前所述,寬頻帶數(shù)字地震記錄中蘊(yùn)含著豐富的信息,其中迭加于正常脈動(dòng)基礎(chǔ)上的“干擾事件”,既可能來源于地震、爆破、塌陷、臺風(fēng)、雷雨等典型地球物理事件及環(huán)境變化,也可能來源于某些未知或目前尚未掌握的過程,其中可能就包含著來源于臨震震源預(yù)活動(dòng)、微破裂、微震動(dòng)或與地震孕育進(jìn)入臨震階段相關(guān)聯(lián)的活動(dòng)構(gòu)造微活動(dòng)、微破裂、裂隙擴(kuò)展等過程。為此,楊立明(2009)①、王月琪等(2015)曾對有關(guān)爆破、塌陷、臺風(fēng)、雷雨等典型地球物理事件及環(huán)境變化的頻譜進(jìn)行了研究,初步認(rèn)為臨震微波動(dòng)的頻譜特征不同于上述事件。
那么,臨震微波動(dòng)是否可能來源于臨震階段震源區(qū)的預(yù)活動(dòng)、微破裂或與地震孕育進(jìn)入臨震階段活動(dòng)構(gòu)造微活動(dòng)、微破裂有關(guān),尚難確定。不過,汶川地震、玉樹地震、青川地震等3次震例表現(xiàn)出的臨震微波動(dòng)現(xiàn)象的重現(xiàn)性、方向性、臨震性、近源性、微弱性等特征,使得作者傾向于認(rèn)為該類臨震微波動(dòng)可能與臨震階段震源區(qū)的預(yù)活動(dòng)、微震動(dòng)、微破裂及臨震階段相關(guān)活動(dòng)構(gòu)造微活動(dòng)、微破裂、裂隙擴(kuò)展等事件有關(guān)。當(dāng)然,該認(rèn)識需要更多震例研究來驗(yàn)證。
致謝:馬瑾院士,陸遠(yuǎn)忠、張曉東、江在森、徐平、聶永安、吳云、車時(shí)、馬宏生、周龍泉等給予了有力的指導(dǎo)、啟發(fā)和鼓勵(lì);中國地震局地球物理研究所國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供了具體的波形數(shù)據(jù),鄭秀芬研究員給予了大量的幫助,一并表示感謝。