竇立婷，李 云，成 誠(chéng)，耿 偉,平 旗

(1.山西省地震局長(zhǎng)治中心地震臺(tái)，山西 長(zhǎng)治 046000；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

小波分析(wavelet analysis)自1986年由Y.Meyer、S.Mallat及I.Daubechies等人提出以來(lái)得到迅速發(fā)展。小波分析具有很好的時(shí)頻局部特征，是信號(hào)處理分析中的重要方法之一。此方法在低頻部分具有較低的時(shí)間分辨率和較高的頻率分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，適合于分析非平穩(wěn)信號(hào)和提取信號(hào)的局部特征[1]。小波分析方法不但可以準(zhǔn)確地描述瞬變信號(hào)的局部特征，還可以通過(guò)多尺度變換，從不同頻帶上觀察信號(hào)的特征與演變，可以對(duì)水位資料進(jìn)行更細(xì)致的分頻處理，獲取水位在不同頻域的震前前兆異常特征。運(yùn)用小波分析法對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度分析，可將數(shù)據(jù)的趨勢(shì)變化和細(xì)節(jié)變化分開(kāi)，并能有效地抑制噪聲，提取地震與強(qiáng)地震孕育有關(guān)的前兆異常信息[2-7]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，文章收集、整理山西水位觀測(cè)井2007年以來(lái)的觀測(cè)資料，運(yùn)用小波分析方法對(duì)山西鹽湖Ms4.4和河津Ms4.8震前數(shù)據(jù)異常特征進(jìn)行分析。根據(jù)之前的研究成果，采用db4作為母小波對(duì)井水位觀測(cè)資料進(jìn)行4～5層小波分解，分解后的近似部分能夠清晰地反映數(shù)據(jù)趨勢(shì)變化，細(xì)節(jié)部分能清晰地顯示高頻突跳信息。

1 山西水網(wǎng)觀測(cè)井概況

目前，山西地區(qū)水位觀測(cè)井有14口，除紅崖頭、鴉兒坑為背景場(chǎng)項(xiàng)目新增測(cè)點(diǎn)(2014年2月1日正式入網(wǎng))外，其余為“十五”數(shù)字化期間新增改造測(cè)點(diǎn)。流體觀測(cè)井沿北東向山西斷裂帶自南向北分布(見(jiàn)第19頁(yè)圖1)，分別布設(shè)在各構(gòu)造邊界帶或主要斷裂帶上，除鎮(zhèn)川井、紅崖頭井、漫水井為動(dòng)水位觀測(cè)外，其余9口井均為靜水位觀測(cè)。水位觀測(cè)采用LN-3A和SWY-Ⅱ型水位儀，采樣周期取值為1 min，水位分辨力為1 mm。

通過(guò)分析2007年以來(lái)的觀測(cè)資料可知，東郭、孝義、臨汾、紅崖頭井水位屬趨勢(shì)下降型變化；太原井水位屬趨勢(shì)上升型變化；介休、朔州、漫水、祁縣、靜樂(lè)井水位屬起伏型變化；鎮(zhèn)川井、鴉兒坑井水位屬平穩(wěn)型變化；洪洞井和曲沃井由于觀測(cè)時(shí)間短，目前認(rèn)為其屬平穩(wěn)型。14 口水位觀測(cè)井均不同程度地受降雨滲入補(bǔ)給干擾，均有明顯的地球固體潮汐日變化和氣壓效應(yīng)。

2 小波分析前兆異常

針對(duì)上述的兩次地震，根據(jù)山西流體觀測(cè)井測(cè)震靈敏條件評(píng)價(jià)結(jié)果[3]、水位異常映震范圍[4]以及各觀測(cè)井的監(jiān)測(cè)能力，對(duì)距河津地震震中200 km范圍內(nèi)映震能力較好的介休井與東郭井震前1 a內(nèi)的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在地震前3個(gè)月，距震中168 km的介休井水位下降320 cm；地震前半個(gè)月，距震中65 km的東郭井水位下降60 cm。對(duì)距鹽湖地震震中200 km范圍內(nèi)映震能力較好的東郭井進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)震前一個(gè)月距震中20 km的東郭井水位升高28 cm[6]。下面運(yùn)用小波分析方法對(duì)這兩次地震前的水位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖1 山西地區(qū)井水位測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of well water level in Shanxi area

2.1 河津4.8級(jí)地震前井水位異常分析

2010年1月24日在山西河津發(fā)生Ms4.8地震，對(duì)地震前半年的水位資料進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，2009年10月21日介休井水位數(shù)據(jù)趨勢(shì)性下降320 cm，持續(xù)時(shí)間為2 d，而后變化較平穩(wěn)，距發(fā)震時(shí)間3個(gè)月。利用 Mapsis小波分析，對(duì)介休井水位觀測(cè)資料進(jìn)行近似部分(低頻)與細(xì)節(jié)部分(高頻)信息的分離，圖2分別給出介休井水位原始數(shù)據(jù)、小波變換低頻與高頻曲線。圖2a表示不同頻率范圍的近似部分(低頻)信息，反映整體變化趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)4階分解后，可以完全將各種干擾消除，顯示出原始變化趨勢(shì)；圖2b給出不同頻率范圍細(xì)節(jié)(高頻)部分信息，經(jīng)過(guò)4階分解后，河津4.8級(jí)地震前有明顯的高頻抖動(dòng)。

2010年1月24日在山西河津發(fā)生Ms4.8地震，對(duì)地震前半年的水位資料進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，2010年1月6日19時(shí)，東郭井水位數(shù)據(jù)趨勢(shì)性下降60 cm，持續(xù)時(shí)間為2 d，距離發(fā)震時(shí)間18 d[3-4]。如第20頁(yè)圖3所示，利用db4小波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行5階趨勢(shì)與細(xì)節(jié)分析，可清晰看出地震前井水位的變化趨勢(shì)。圖3b中，5階細(xì)節(jié)部分顯示地震前有明顯的高頻擾動(dòng)。

2.2 鹽湖4.4級(jí)地震前井水位異常分析

2016年3月12日山西鹽湖發(fā)生Ms4.4地震，對(duì)震前半年?yáng)|郭井水位資料利用Mapsis小波分析，進(jìn)行近似部分(低頻)與細(xì)節(jié)部分(高頻)信息的分離。第20頁(yè)圖4分別給出東郭井水位原始數(shù)據(jù)、小波變換低頻與高頻曲線。圖4a表示不同頻率范圍的近似部分(低頻)信息，反映出整體變化趨勢(shì)；圖4b給出不同頻率范圍細(xì)節(jié)(高頻)部分，經(jīng)過(guò)4階分解后，鹽湖4.4級(jí)地震前有明顯的高頻異常信息。

圖2 2010年介休井水位數(shù)據(jù)小波分解近似部分和細(xì)節(jié)部分Fig.2 Approximate part and detail part by wavelet decomposition of the water level data of Jiexiu well in 2010

圖3 2009—2010年?yáng)|郭井水位數(shù)據(jù)小波分解近似部分和細(xì)節(jié)部分Fig.3 Approximate part and detail part by wavelet decomposition of Dongguojing water level data from 2009 to 2010

圖4 2016年1至5月東郭井水位數(shù)據(jù)小波分解近似部分和細(xì)節(jié)部分Fig.4 Approximate part and detail part by wavelet decomposition of Dongguojing water level data from January to May in 2016

3 結(jié)論

通過(guò)分析山西水位觀測(cè)井在鹽湖4.4級(jí)地震與河津4.8級(jí)地震前的異常響應(yīng)特征，表明分別有兩口井和一口井存在一定的前兆異常，異常井距震中最遠(yuǎn)168 km，說(shuō)明5級(jí)以下地震，在200 km范圍內(nèi)的井水位有一定的映震特征。采用db4作為母小波對(duì)井水位觀測(cè)資料進(jìn)行4～5層小波分解，分解后的近似部分能夠清晰地看出數(shù)據(jù)趨勢(shì)變化，細(xì)節(jié)部分能清晰地顯示地震前高頻突跳等異常信息。