陳永前

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

從1966年邢臺地震后，在李四光先生的倡導下，我國開展了以地震預報為目的的鉆孔應力應變連續(xù)觀測。其中，體應變儀探頭埋在地下幾十米深處，傳感器的膨脹水泥與基巖結(jié)合為一體，工作原理簡單，儀器精度達到10-9。因此，避免了調(diào)試儀器、人為活動等引起的干擾，在很大程度上減少了外部因素的影響，使其能清晰地記錄到各種應變潮汐和非應變信息[1]。隨著鉆孔體應變資料的積累，從事地震科學研究的學者對鉆孔體應變的研究也越來越多，如何從中提取出與地震有關的前兆信息是地震分析預報人員一直想要攻克的難題。地震預報的關鍵是尋找地震前兆，基于淺源大地震的成因是地殼運動的結(jié)果，監(jiān)測地殼變形或運動，獲取地震前兆，早已是各國開展地震預報的重點[2]。地震的孕育和發(fā)生是震源區(qū)及其附近地殼應變能量積累和快速釋放的過程[3]。當?shù)卣鹪杏胶笃?，震源區(qū)及其附近應變能高度積累，處于臨界狀態(tài)。固體潮是臨界狀態(tài)的一種重要觸發(fā)因素，深入研究固體潮對地震的觸發(fā)作用及機制不僅對地震成因有重要的理論意義，而且在地震預報上也有重大實際意義[4-5]。從2007年山西地區(qū)地震監(jiān)測資料數(shù)字化以來，鉆孔體應儀觀測資料就具備觀測質(zhì)量高，連續(xù)性較好的特點，能清晰記錄到8級以上強遠震及初動明顯且波形完整的地震同震響應。因此，為進一步深入分析與挖掘數(shù)據(jù)，試圖通過維尼迪科夫Venidikov調(diào)和分析方法及小波分解法對鉆孔體應變前兆異常信號進行分析和提取，同時對強遠震引起的同震響應也進行研究。

1 計算原理

地球在日、月等天體引潮力的作用下產(chǎn)生周期性的彈性形變，即固體潮。固體潮是目前唯一能夠預先準確計算出理論值的地球物理現(xiàn)象，主要是利用不同諧波運動角度速度不同這一差異性，對固體潮進行調(diào)和分析。維尼迪科夫(Venidikov)方法對資料連續(xù)性要求相對較低，只需48 h內(nèi)連續(xù)即可，這對多年觀測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)處理是非常有利的[6]。固體潮觀測值可以表示為：

(1)

(2)

Mj、Nj還可以表示為：

(3)

每連續(xù)48 h的觀測值經(jīng)濾波后，對各類分波波群得到兩個方程，取一段時間內(nèi)的觀測資料，使方程的個數(shù)多于未知數(shù)的個數(shù)，便可根據(jù)式(2)、(3)，經(jīng)過變換后，利用最小二乘法求出分波波群的潮汐因子和相位滯后等參數(shù)。

2 研究區(qū)域及資料選取

研究時挑選并收集整理了山西太原、代縣、大同和臨汾4個臺站的鉆孔體應變分鐘值數(shù)據(jù)，由于這些臺站的數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，所以具備數(shù)據(jù)分析的基礎。同時，對數(shù)據(jù)進行預處理，包括去除間斷、階躍、突跳和氣壓干擾等。選取2008年以來全球13次M≥8.0強遠震，統(tǒng)計其對山西地區(qū)的4套鉆孔體應變儀記錄資料的影響，包括潮汐因子變化、同震響應延遲時間等信息。

3 分析過程

3.1 同震響應分析

對山西地區(qū)2008年以來13次強遠震同震響應波進行計算，分析了13次地震對4個臺站的體應變同震響應特征，根據(jù)其變化形態(tài)來判斷其變化性質(zhì)。為充分分析體應變對地震波的響應過程，選取地震當天體應變變化形態(tài)，從響應延遲時間、響應幅度、顯示的應力特征等方面進行分析(見表1)。

表1 4個臺站同震響應統(tǒng)計表Table 1 Statistics of coseismic response of 4 stations

從上表看出，鉆孔體應變的同震響應特征主要以壓縮波為主，個別存在突跳形態(tài)，只有新西蘭8.0級地震沒有記錄到同震響應，而且都具有不同長短的延長時間，在4個臺站鉆孔體應變響應幅度大小方面，基本是同步的。文章只統(tǒng)計了4個鉆孔體應變臺在8級以上地震的同震形態(tài)，臺站和震中距之間的關系對于同震響應特征的影響，還需要進一步研究。

3.2 震前潮汐因子變化特征

大量實驗結(jié)果表明，潮汐因子等參數(shù)的時間序列變化能在一定程度上反映周邊介質(zhì)物性的非線性變化過程[7]。正常情況下，一個地方的潮汐因子會在一定幅度內(nèi)上下波動。借助這一基礎，通過計算各臺站鉆孔體應變的M2波潮汐因子，對強遠震前體應變震例進行統(tǒng)計，對13次強遠震震前1 a的潮汐因子進行計算，由結(jié)果得知，薩摩亞群島地區(qū)8級地震、鄂霍次克海8.2級地震、智利北部沿岸近海8.1級地震和墨西哥沿岸近海8.2級地震在震前1 a時間內(nèi)固體潮變化幅度較大。其中薩摩亞群島地區(qū)8級地震前，大同臺和代縣臺240多天時變化較大，潮汐因子分別由3.75和2降到了1附近，太原臺和臨汾臺相對大同臺和代縣臺的潮汐因子變化較小(見第3頁圖1)；在鄂霍次克海8.2級地震前，太原臺的潮汐因子變化較為顯著，在這次地震前約150 d時，潮汐因子由1.5突升至6.75左右，持續(xù)45 d后又突降至1.5左右，并處于穩(wěn)定狀態(tài)，其他3個臺站的潮汐因子變化不大(見第3頁圖2)；在智利北部沿岸近海8.1級地震前，臨汾臺和大同臺的潮汐因子變化較大，臨汾臺由0.25升至3.2的峰值后突降再突升，最后降至穩(wěn)定狀態(tài)，大同臺由0.5升至2.5后突降到1附近的穩(wěn)定狀態(tài)(見第3頁圖3)；在墨西哥沿岸近海8.2級地震前，臨汾臺的潮汐因子由1.5降至0，后緩慢上升至1.25的水平，太原臺在1.25的水平波動，大同臺和代縣臺穩(wěn)定在0.5的水平，呈水平直線狀態(tài)(見第3頁圖4)。

圖1 薩摩亞群島地區(qū)8級地震前潮汐因子變化Fig.1 Change of tide factors before M 8 earthquake in Samoa area

圖2 鄂霍次克海8.2級地震前潮汐因子變化Fig.2 Variation of tidal factors before the M 8.2 earthquake in the sea of Okhotsk

圖3 智利北部沿岸近海8.1級地震前潮汐因子變化Fig.3 Variation of tidal factors before the M 8.1 earthquake in the coastal waters of northern Chile

圖4 墨西哥沿岸近海8.2級地震前潮汐因子變化Fig.4 Variation of tidal factors before M 8.2 earthquake in coastal waters of Mexico

筆者整理了2008年以來全球8級以上地震、國內(nèi)南北地震帶6級以上地震和山西地區(qū)4級以上地震，如第3頁表2所示，通過計算山西地區(qū)4套鉆孔體應變儀的潮汐因子發(fā)現(xiàn)，上述4次國外地震前后也伴有國內(nèi)6級以上地震發(fā)生。如2009年9月30日薩摩亞群島地區(qū)發(fā)生8.0級地震前，我國汶川縣發(fā)生了8.0級地震。那么，大同臺和臨汾臺潮汐因子的異常變化到底對應哪次地震呢？筆者認為，以目前的研究水平來看，還無法區(qū)分是近震還是遠震引起的，現(xiàn)在可以明確的是在大地震前，鉆孔體應變的潮汐因子確實存在較大的異常變化，這對研究和預測地震有一定的意義。

表2 2008年以來國內(nèi)外主要地震目錄Table 2 Main earthquake catalogue at home and abroad since 2008

3.3 小波分解

為進一步分析強遠震前體應變臨震異常特征，對13次強遠震前的數(shù)據(jù)進行5階小波處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，部分地震在震前有相對微弱的高頻信號出現(xiàn)，以薩摩亞群島地區(qū)8級地震前10 d的小波分析結(jié)果為例。如圖5所示，階數(shù)越高信號越微弱，振幅主要在±30×10-9之間，持續(xù)時間較短。

圖5 薩摩亞群島地區(qū)8級地震5階小波分析結(jié)果Fig.5 5th order wavelet analysis results of M 8 earthquake in Samoa area

4 結(jié)論及討論

利用太原臺、代縣臺、大同臺和臨汾臺體應變觀測資料，采用多種數(shù)學方法對2008年以來體應變觀測資料進行處理，系統(tǒng)分析強震前異常信息和特征，初步形成以下結(jié)論：

(1) 4個臺站有11次強震記錄到了同震響應，僅有2016年11月14日新西蘭8.0級地震和2015年10月21日瓦努阿圖群島8.2級地震無同震響應。汶川地震引起4個臺站的同震響應特征以突跳為主，其他地震引起的則以波動壓縮為主。

(2) 對體應變的潮汐因子分析，發(fā)現(xiàn)震前潮汐因子變化較大，主要變化特征為突升突降，說明在孕震過程中地殼活動有一個相對活躍的狀態(tài)。但目前還無法區(qū)分是強遠震還是近震引起，可以參考水位、水溫同震響應研究成果，針對某一鉆孔應變臺站，結(jié)合地質(zhì)、水位、構(gòu)造、溫度等背景材料，從機理上做進一步的分析研究。

(3) 小波變換可給出不同層數(shù)下信號分解的近似和細節(jié)部分，可以進一步了解數(shù)據(jù)在不同頻段內(nèi)的變化。通過利用小波分析法對強遠震前10 d日值數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn)，某些類型的地震在震前存在一些微弱的高頻信號，但容易被信號中的其他優(yōu)勢成分所掩蓋。