張?jiān)鰮Q,王建軍,毛冬瑤,李敏娟

(甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

地震波是人類探查地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要工具,蘊(yùn)含著許多與地震預(yù)報(bào)有關(guān)的信息,是地震研究的基礎(chǔ)。所以,許多學(xué)者嘗試?yán)眠B續(xù)地震波探索地震的前兆信息。傅承義先生于1971年提出的“紅腫”現(xiàn)象闡明了一種地震預(yù)報(bào)理論,即強(qiáng)震在孕育階段可能導(dǎo)致其周邊數(shù)百公里的地殼介質(zhì)發(fā)生變化,而這種變化影響著地脈動(dòng)的傳播[1]。胡小剛等[2]通過(guò)分析地脈動(dòng)信號(hào)的振幅變化與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和行動(dòng)路徑的關(guān)系,認(rèn)為汶川大地震前及昆侖山大地震前的“震前擾動(dòng)”可能與臺(tái)風(fēng)事件有關(guān)。有的學(xué)者嘗試從聲波發(fā)射與斷層活動(dòng)的關(guān)系上尋找前兆信息,Rouet-Leduc和Claudia Hulbert在模仿實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的斷層活動(dòng)時(shí),利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式探索了斷層發(fā)出的聲信號(hào)與其物理狀態(tài)之間的關(guān)系;并在實(shí)驗(yàn)室地震周期的研究中,認(rèn)為慢地震和快地震發(fā)生之前都會(huì)發(fā)生一連串的微破壞事件,并提出石英斷層產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)可以用來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)室地震的時(shí)間和震級(jí)[3-5]。

研究數(shù)字地震記錄中是否包含介質(zhì)狀態(tài)或者震源變化等與孕震過(guò)程息息相關(guān)的信息,并設(shè)法識(shí)別和提取該信息,是一個(gè)值得廣泛關(guān)注并被持續(xù)研究的問(wèn)題[6-7]。王玥琪利用希爾伯特—黃變化對(duì)不同類型事件的頻譜特征進(jìn)行分析,以獲取不同事件主頻時(shí)空演化、穩(wěn)定性、衰減性等特征,用于不同類型事件的判定[8]。楊立明等利用寬頻帶數(shù)字地震資料,通過(guò)對(duì)汶川、玉樹(shù)、青川等地震的反復(fù)對(duì)比研究,初步識(shí)別出可能存在的“臨震微波動(dòng)現(xiàn)象”及其時(shí)間和頻率域的表現(xiàn)特征[9-10]。楊立明等通過(guò)對(duì)2012—2014年間青藏塊體發(fā)生的24次5級(jí)以上地震進(jìn)行全程跟蹤和監(jiān)控,檢驗(yàn)和驗(yàn)證了臨震微波動(dòng)現(xiàn)象的重現(xiàn)性和客觀性,驗(yàn)證了臨震微波動(dòng)現(xiàn)象的頻譜、時(shí)間、空間、方向性等特征[11]。袁超等對(duì)呼圖壁6.2級(jí)、門源6.4級(jí)等4次5.5級(jí)以上地震的臨震微波動(dòng)資料進(jìn)行了分析,認(rèn)為其特征與楊立明總結(jié)的基本一致[12]。

本文利用“蘭州臨震微波動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控與跟蹤系統(tǒng)”的地震波數(shù)據(jù),對(duì)2021年5月22日瑪多7.4級(jí)地震震中200 km半徑的范圍內(nèi)10個(gè)臺(tái)站的臨震微波動(dòng)資料進(jìn)行分析,以總結(jié)本次地震的臨震微波動(dòng)特征,與前人提出的異常指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比與檢驗(yàn)。

1 資料與方法

本文的研究資料來(lái)源于“蘭州臨震微波動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控與跟蹤系統(tǒng)”,該系統(tǒng)包含了甘、川、滇、青、新、藏約兩百多個(gè)寬頻帶數(shù)字地震臺(tái)站資料,所有波形資料數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)教m州的服務(wù)器上。該系統(tǒng)每小時(shí)自動(dòng)計(jì)算并識(shí)別臨震微波動(dòng)事件,計(jì)算思路:首先對(duì)波形進(jìn)行高通濾波(頻率2.5 Hz,濾波器階數(shù)為50),以超出小時(shí)平均值5倍方差為標(biāo)準(zhǔn),以超出部分為中心,在其前后延伸41 s截取82 s窗長(zhǎng)的波形記錄作為疑似臨震微波動(dòng)事件,然后利用快速傅里葉變化(FFT)得到該段波形的頻譜特征,與以往震例確認(rèn)的事件進(jìn)行匹配,把滿足臨震微波動(dòng)現(xiàn)象特征的波形記做一次臨震微波動(dòng)事件。

FFT頻譜分析法是目前常用的信號(hào)處理方法,其主要內(nèi)容是將一般的時(shí)間函數(shù){eiwt,ω∈R}表示為具有不同頻率的諧波函數(shù)f(x)∈L2(R)的線性疊加,從而將對(duì)原來(lái)時(shí)間域函數(shù)的研究轉(zhuǎn)化為對(duì)不同頻率成分諧波函數(shù)的研究[12]。函數(shù)f(x)∈L2(R)的連續(xù)傅里葉變換定義為:

(1)

(2)

楊立明等總結(jié)出的“臨震微波動(dòng)”表現(xiàn)特征:(1)頻譜范圍較寬,優(yōu)勢(shì)頻率集中在11～16 Hz左右,頻譜形態(tài)較為整齊;(2)震前6～24天出現(xiàn),有可能被震中50 km范圍內(nèi)的臺(tái)站記錄到;(3)可能具有方向性,其活動(dòng)度變化顯著的方向與發(fā)震斷層、余震分布及震源位置較為一致[11]。

利用現(xiàn)有系統(tǒng)捕獲的汶川、玉樹(shù)兩次地震的臨震微波動(dòng)在時(shí)間和頻率域的特征如圖1所示:事件波形長(zhǎng)為82 s,FFT橫軸頻率范圍為2.5～28 Hz,兩條紅線之間的振幅為11～16 Hz,汶川地震[圖1(a)]FFT形態(tài)較為整齊,峰值在11～16 Hz較為突出,與其他頻段差異明顯。玉樹(shù)地震FFT波[圖1(b)]形整體變化較為平緩,峰值在11～16 Hz之間不夠突出。

圖1 汶川和玉樹(shù)兩次地震前事件活動(dòng)度最大一天的圖形Fig.1 Figure of the day with the highest activity before Wenchuan and Yushu earthquakes

為了定量表述臨震微波動(dòng)的活動(dòng)程度N,按天將有效事件個(gè)數(shù)累加,作為微波動(dòng)事件活動(dòng)程度的定量指標(biāo),通常以活動(dòng)頻次圖形判斷震前活動(dòng)狀態(tài)。楊立明等認(rèn)為異常判定標(biāo)準(zhǔn)為:某臺(tái)站連續(xù)4日及以上出現(xiàn)活動(dòng)度N≥4的現(xiàn)象[11]。

2 數(shù)據(jù)分析

2021年5月22日在青海省果洛州瑪多縣發(fā)生了7.4級(jí)地震,該地震周邊臺(tái)站分布較稀疏,200 km半徑范圍內(nèi)僅10個(gè)測(cè)震臺(tái)站,這10個(gè)臺(tái)站的震中距離如表1所列。震中100 km半徑范圍內(nèi)僅有瑪多與巴顏喀拉2個(gè)臺(tái)站。

表1 瑪多7.4級(jí)地震不同半徑范圍內(nèi)臺(tái)站及其震中距統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of stations and their epicentral distances in different epicenter radius of Maduo M7.4 earthquake

(灰色線代表斷層走向)圖2 瑪多7.4級(jí)地震200 km半徑范圍內(nèi)的數(shù)字地震臺(tái)站分布圖Fig.2 Distribution map of digital seismic stations within 200 km radius of Maduo M7.4 earthquake

由本次地震150 km和200 km范圍臺(tái)站的臨震微波動(dòng)的活動(dòng)度N值統(tǒng)計(jì)圖(圖3,圖4)可知,10個(gè)臺(tái)站中的8個(gè)記錄到了臨震微波動(dòng)事件,僅都蘭和麻朵臺(tái)未記錄到。記錄到臨震微波動(dòng)現(xiàn)象的臺(tái)站各通道(NS、EW、UD)的活動(dòng)度N在2021年3月至5月期間存在明顯高值異常,在此期間,N值相對(duì)較低(N<4)的臺(tái)站記錄臨震微波動(dòng)事件的天數(shù)更多,活動(dòng)頻次較高。

2021年3月至4月,距震中67 km的巴顏喀拉臺(tái)的EW通道活動(dòng)度達(dá)到了異常跟蹤指標(biāo),該臺(tái)站連續(xù)多日(4天以上)活動(dòng)度N值在5左右波動(dòng)。2021年1月至5月期間,青珍臺(tái)NS通道的活動(dòng)度N值最高達(dá)9,且在5月初連續(xù)4日N值在3～4之間波動(dòng)。達(dá)日臺(tái)EW通道在2021年5月初存在2次單日N值為7,但未出現(xiàn)連續(xù)4日N≥4的異?，F(xiàn)象。清水河UD通道同樣有單日N值大于4,但連續(xù)活躍天數(shù)未達(dá)到4天的現(xiàn)象。本次地震北側(cè)的瑪多臺(tái)站距離最近,但是同樣未達(dá)異常跟蹤指標(biāo)。其余記錄到臨震微波動(dòng)事件的臺(tái)站活動(dòng)度N值均在正常范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng),無(wú)明顯異常。

由上述可知,異常最突出的臺(tái)站不是距地震最近的瑪多臺(tái),而是距震中67 km的巴顏喀拉臺(tái)。其次,記錄較多臨震微波動(dòng)事件的臺(tái)站是珍秦、青珍、清水河、達(dá)日臺(tái)等,這些臺(tái)站與震中的距離均在150 km左右,這一現(xiàn)象與以往的觀點(diǎn)有一定的差異。

由臨震微波動(dòng)活躍度圖(圖3、圖4)與地震周邊臺(tái)站分布圖(圖2)可知,比較活躍的幾個(gè)臺(tái)站(巴顏喀拉、珍秦、青珍、達(dá)日、清水河)均位于震中的南側(cè),其中巴顏喀拉、珍秦、清水河臺(tái)均位于震中的西南方向,達(dá)日與青珍臺(tái)位于震中東南方向,位于震中北側(cè)的測(cè)震臺(tái)站記錄到的臨震微波動(dòng)事件非常少。就通道的不同方向而言,EW通道的活動(dòng)度N值總體較高。由圖1可知研究區(qū)的斷層展布大多呈NW-SE向展布,這可能是導(dǎo)致上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

圖3 2021年5月22日瑪多7.4級(jí)地震震前150 km范圍內(nèi)臺(tái)站N值變化Fig.3 Change of N values of stations within 150 km of the epicenter before Maduo M7.4 earthquake on May 22,2021

3 結(jié)論

利用“蘭州臨震微波動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控與跟蹤系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)資料,參考楊立明等基于臨震微波動(dòng)提煉的震情跟蹤指標(biāo),對(duì)2021年5月22日瑪多7.4級(jí)地震的臨震微波動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

(1)周邊200 km范圍內(nèi)的臺(tái)站大多數(shù)沒(méi)有達(dá)到臨震微波動(dòng)的異常跟蹤指標(biāo),但在震前1個(gè)多月活躍天數(shù)呈增加趨勢(shì)。

(2)以持續(xù)4天活動(dòng)度N值≥4且作為異常指標(biāo),巴顏喀拉臺(tái)震前存在明顯的短臨異常,活動(dòng)度N值最高達(dá)7,異常出現(xiàn)2個(gè)月后發(fā)生了強(qiáng)震,與以往認(rèn)識(shí)的6～24天有一定的差異。

(3)達(dá)到異常指標(biāo)的臺(tái)站不是距離最近的,位于震中南側(cè)的臺(tái)站記錄到的臨震微波動(dòng)事件更顯著,這可能與發(fā)震斷層的活動(dòng)方式及構(gòu)造環(huán)境有關(guān),其相關(guān)性有待更進(jìn)一步的研究。