趙 磊， 丁 宇， 楊 磊， 李 瑞， 孫小旭， 李桂榮， 方 偉，艾力夏提·玉山， 劉代芹

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

地震是地殼運動的產(chǎn)物，而GPS測量、跨斷層水準(zhǔn)等形變觀測是獲得地殼運動變化信息的直接途徑。作為地震監(jiān)測預(yù)報手段，許多國內(nèi)外學(xué)者均對斷層活動狀態(tài)和運動過程進行了大量的研究。郭良遷等根據(jù)斷層形變得到華北地區(qū)異常參數(shù)和應(yīng)變累積率，提出系統(tǒng)的斷層形變異常識別參數(shù)模型[1]。薄萬舉等分析環(huán)渤海及北京地區(qū)布設(shè)的跨斷層形變觀測的數(shù)據(jù)資料，得出斷層形變與地震之間存在相關(guān)信息的結(jié)論[2]。車兆宏等分析華北地區(qū)跨斷層形變資料，發(fā)現(xiàn)強烈地震發(fā)生前，認(rèn)為大范圍斷層活動方式的轉(zhuǎn)折，可能是地震活動分期的重要標(biāo)志之一[3]。方偉等分析北天山地區(qū)跨斷層水準(zhǔn)資料，認(rèn)為現(xiàn)今北天山山前地區(qū)地殼運動以繼承性運動為主，震前形變異常與發(fā)震具有一定的相關(guān)性[4]。利用斷層形變資料提取地震前兆信息有最小二乘配置、斜率差法、斷層形變異常強度、灰色關(guān)聯(lián)度以及地殼形變和應(yīng)力相關(guān)性等多種方法[5-7]，研究成果表明，異常識別指標(biāo)對地震預(yù)報有著積極的指導(dǎo)作用。本研究在前人的研究基礎(chǔ)上，運用“形變速率累加”數(shù)學(xué)模型，對收集到的北天山形變觀測資料進行解算，對異常數(shù)據(jù)積分，有效剔除突跳、非連續(xù)的速率異常變化，使得在某時間段內(nèi)較為頻繁的速率異常變化更為直觀和突出，異常幅度顯著，易于異常的識別和提取。結(jié)合MS≥6.0地震距離震中300 km范圍內(nèi)的垂直形變資料，分析形變速率累加異常與地震的關(guān)系，捕捉該地區(qū)地震異常信息，可為地震預(yù)報工作提供可靠依據(jù)。

1 資料選取與研究方法

1.1 資料選取

目前，北天山山前地區(qū)活動斷層上共布設(shè)12個跨斷層水準(zhǔn)場地，觀測場地升級改造后，每年觀測2期，觀測精度每千米高差中數(shù)偶然中誤差0.23～0.25 mm，觀測精度優(yōu)于跨斷層測量規(guī)范要求，即MΔ=±0.50 mm，符合跨斷層水準(zhǔn)測量精度要求[8]，同時點位周圍環(huán)境等干擾因素較少，資料可信度較高。場地附近還布設(shè)有若干中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站(圖1)，通過計算每日的重復(fù)精度。除了粗差以外，最大的RMS值為東西向6.8 mm、南北向4.7 mm、垂直向8.4 mm，最小的RMS值為東西向0.8 mm、南北向0.4 mm、垂直向1.3 mm。剔除粗差，經(jīng)計算，平均重復(fù)精度東西向2.4 mm、南北向1.3 mm、垂直向4.0 mm。精度較高，均在毫米級，精度優(yōu)于平均值的NEU分別為55.9%、51.1%和55.1%。東西向精度優(yōu)勢區(qū)間0.8～4.8 mm，南北向的優(yōu)勢區(qū)間0.4～2.7 mm，垂直向略差，其優(yōu)勢區(qū)間1.5～7.2 mm，將三分量精度分別進行統(tǒng)計并繪制成圖(圖2)[9]。主要選取自2012年場地優(yōu)化改造以來12條跨斷層水準(zhǔn)場地觀測數(shù)據(jù)高差時間序列和GNSS基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)處理得到的NEU三分量日均值時間序列。

圖1 北天山地區(qū)斷層與跨斷層形變觀測場地、GNSS基準(zhǔn)站以及MS≥6.0地震分布圖 Fig.1 Observation site of fault and cross-fault deformation, GNSS reference station and

1.2 計算模型

數(shù)列的任意相鄰兩項，第n項an和第n-1項an-1的差組成的是一個特殊數(shù)列，那么這個數(shù)列的前n項和，可以采用累加法求數(shù)列通項公式。例如，斷層形變觀測的時間序列就可以做為一個特殊數(shù)列，應(yīng)用上述數(shù)學(xué)理論方法對其進行理論模擬[10]。

圖2 “陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”基準(zhǔn)站位移三分量數(shù)據(jù)重復(fù)精度(RMS)統(tǒng)計圖(a) EW向 (b) NS向 (c) UD向Fig. 2 Statistical graph of three-component displacement data of reference stations in the “Land State Network”

形變速率累加法對原始數(shù)據(jù)做一階差分處理，以兩倍標(biāo)準(zhǔn)差作為判斷依據(jù)，得到各測線的形變速率累加值，結(jié)合研究區(qū)域以往MS≥6.0震例，進行異常分析判斷，可以更加直觀和明顯的展現(xiàn)出連續(xù)異常點積分后的形變速率累加變化，

V=|hi-hi-1| (1≤i≤n).

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，h為原始觀測數(shù)據(jù)的各期觀測值；(hi-hi-1)為相隔1個周期的一階差分值，可以消除原始觀測資料的趨勢變化；n為原始觀測總期數(shù)；σ為形變速率V的標(biāo)準(zhǔn)差；把V≥2σ的形變速率保留，將V<2σ的形變速率設(shè)為0，對T求累加計算，Z為累加形變速率。

以兩倍標(biāo)準(zhǔn)差作為判斷依據(jù)，若V在兩倍標(biāo)準(zhǔn)差以內(nèi)，表示斷層活動無顯著變化；如果曲線發(fā)生一次階躍式或直線上升，表示形變速率超出控制限，階躍幅度為階躍前后形變速率累加值之差。而當(dāng)曲線的階躍在某段時間內(nèi)頻繁發(fā)生時，標(biāo)志著在此時間段內(nèi)斷層形變速率多次超出控制限，使得曲線在總體上呈現(xiàn)上升趨勢，說明斷層活動在此時段內(nèi)“連續(xù)”的發(fā)生顯著變化，在異常核實無干擾的情況下，可視為地震的綜合異常表現(xiàn)[11-13]。

2 計算結(jié)果與地震分析

通過上述方法，得到北天山地區(qū)跨斷層水準(zhǔn)觀測資料和GNSS基準(zhǔn)站NEU三分量時間序列的形變速率累加值。結(jié)合震例，重點分析尼勒克—鞏留MS6.0地震、新源—和靜MS6.6地震、呼圖壁MS6.2地震和精河MS6.6地震的形變異常對應(yīng)關(guān)系。

2.1 跨斷層水準(zhǔn)時間序列

北天山地區(qū)布設(shè)的跨斷層水準(zhǔn)測線，屬于近斷裂區(qū)觀測，反映場地所在小區(qū)域斷層活動或大區(qū)域應(yīng)力加載導(dǎo)致的形變。呼圖壁MS6.2與精河MS6.6地震發(fā)震構(gòu)造分別是齊古背斜以南深部隱伏斷層和庫松木契克山前斷裂，地震以逆斷為主[14]，震中200 km范圍內(nèi)分布有若干水準(zhǔn)觀測場地(表1)。

表1 跨斷層水準(zhǔn)場地相關(guān)信息表

呼圖壁MS6.2地震異常主要分布在霍爾果斯斷裂的東段，在這條斷層上布設(shè)有大豐、紅山嘴、卡子灣3個場地4條測線(圖3)。

大豐2-1測線2016年9月累計變化量達到-7.35 mm 最高值(圖3a～d)，可以看出兩條測線具有同步性，累計時間4年，自2012年觀測以來該場地兩條測線高差曲線均呈現(xiàn)明顯的長趨勢下降變化，累計變化量連續(xù)增高，擠壓作用明顯，逆斷性質(zhì)顯著，符合這一地區(qū)的地形地貌，與該地區(qū)構(gòu)造運動特征相吻合，這種形變過程反映了地殼內(nèi)應(yīng)變能的逐漸積累。2012年9月至2016年4月高差變化量變化平穩(wěn)基本保持在1.5 mm左右，沒有明顯的加速變化趨勢。2016年4月至2019年9月出現(xiàn)明顯的加速變化情況，變化量達2.63 mm，斷層活動性較強，是震前4年間出現(xiàn)的最大變幅，大豐2-3變化幅度達-4.32 mm，與大豐2-1變化相似。同時，位于大豐測線場地上的呼圖壁定點跨斷層水準(zhǔn)測線出現(xiàn)了長期閉鎖的異常情況。通過該區(qū)域的石河子至烏魯木齊GPS基線變化情況可以看出，震前基線年變轉(zhuǎn)向有所滯后，幅度減小(圖4)。從2016年11月7日～2016年12月12日對大豐測線進行1周/次的加密觀測，加密觀測過程中2016年12月8日在距該測線35 km發(fā)生呼圖壁MS6.2地震。兩條測線對于同一地震都表現(xiàn)出非常相似的異常變化形式[15]，在轉(zhuǎn)折的過程中發(fā)生地震。但是，大豐2-1的原始曲線表現(xiàn)相對平緩，異常信息不明顯，而運用形變速率累加法計算后，震前呈現(xiàn)出很好的異常累加效果，出現(xiàn)階躍異常變化，階躍前后異常幅度分別為0.905 mm和8.535 mm，說明此段時間內(nèi)斷層活動相對活躍，速率超出了兩倍標(biāo)準(zhǔn)差控制限，異常曲線呈上升趨勢。圖3(e～f)為紅山嘴測線，曲線上下跳動幅度較大，斷層活動強度較高。測線距離呼圖壁MS6.2地震震中44 km，地震發(fā)生前的2期觀測分別在2016年4月和9月完成，出現(xiàn)量級較大的反向運動，變化量達到2.49 mm，形變速率累加結(jié)果顯示異常明顯。圖3(g～h)是卡子灣測線，該測線的觀測結(jié)果雖然沒有上述2條測線變化顯著，但是在同樣的時段出現(xiàn)加速變化過程，該測線持續(xù)保持非繼承性運動，差異性活動明顯，這種長趨勢變化值得關(guān)注。圖3(i～j)是獨山子測線，震前測線出現(xiàn)加速下降的變化趨勢，在下降過程中發(fā)震，通過形變速率累加分析后，曲線大幅上升，異常顯示明顯。4條測線在地震發(fā)生前都出現(xiàn)加速變化的異常情況，形變速率累加的結(jié)果與原始曲線異常變化對應(yīng)一致，尤其距離震中較近的大豐測線和紅山嘴測線階躍變化較明顯。

圖3 呼圖壁MS6.2地震各測線高差時序和形變速率累積對比圖(a) 大豐2-1時間序列 (b) 大豐2-1形變速率累加 (c) 大豐2-3時間序列 (d) 大豐2-3形變速率累加(e) 紅山嘴3-2時間序列 (f) 紅山嘴3-2形變速率累加 (g) 卡子灣3-1時間序列(h) 卡子灣3-1形變速率累加 (i) 獨山子3-1時間序列 (j) 獨山子3-1形變率累加Fig.3 Cumulative comparison diagram of elevation difference timing sequence and deformation rate of each seismic survey line in Hutubi MS6.2 earthquake

圖4 石河子至烏魯木齊GPS基線時間序列圖Fig.4 GPS baseline time series from Shihezi to Urumqi

精河MS6.6地震異常主要分布在準(zhǔn)噶爾南緣斷裂，表現(xiàn)為震前轉(zhuǎn)折異常。在這條斷層上布設(shè)寧家河、古爾圖兩條測線。巴音溝、獨山子場地雖不在該斷層上，但距離震中相對較近，地震發(fā)生前也出現(xiàn)了同步的異常變化。

圖5(a～b)是寧家河測線，距離精河MS6.6地震震中220 km。自2012年觀測以來該場地測線高差曲線均呈現(xiàn)明顯的長趨勢下降變化，累計變化量連續(xù)降低，曲線形態(tài)表現(xiàn)為長趨勢階梯狀緩慢下降，擠壓作用明顯，逆斷性質(zhì)顯著的特征[16]。精河MS6.6地震前，2017年3月的觀測結(jié)果顯示，趨勢線大幅度上升，變化量達到7.73 mm。2017年6月的觀測結(jié)果顯示，趨勢線又大幅下降，變化量達到7.86 mm，此次較大幅度的變化是由于春夏交季冰雪融水較多造成點位干擾，且地震發(fā)生時間與之接近，地震前兆異常與干擾相重合，用形變速率累積法無法準(zhǔn)確判斷。

圖5(c～j)分別為獨山子、巴音溝、古爾圖、伊寧縣北4條測線，分別在距離精河MS6.6地震震中60 ～160 km范圍內(nèi)。巴音溝測線變化曲線也呈逐漸下降趨勢運動，該測線持續(xù)保持非繼承性運動，差異性活動明顯，這種長趨勢變化值得關(guān)注。獨山子3-1測線變化曲線也呈逐漸下降趨勢運動，但在精河MS6.6地震發(fā)生前，出現(xiàn)幅度較大的加速下降變化，形變速率累加后，連續(xù)異常點階躍明顯，地震發(fā)生前該測線保持非繼承性運動，顯示出明顯的擠壓變化，震后轉(zhuǎn)折調(diào)整明顯。古爾圖測線變化曲線呈上下波動變化狀態(tài)，2012～2015年呈現(xiàn)小幅下降變化，2015年9月至2016年9月垂直向變化的趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)折，并在精河MS6.6地震前發(fā)生大幅下降變化，趨勢再次轉(zhuǎn)折，且幅度為歷次觀測量值的最大值。地震發(fā)生后，該測線再次呈現(xiàn)出上升的垂直向變化趨勢，測線附近分別在2017年9月16日發(fā)生庫車MS5.7地震和2018年10月16日精河MS5.4地震，地震發(fā)生后恢復(fù)為2012～2015年的正常狀態(tài)，持續(xù)南北向擠壓的繼承性運動。地震前，這4條測線都同時出現(xiàn)一定幅度的變化，通過形變速率累加，連續(xù)異常點大幅上升和階躍變化效果明顯，映震效果較好，具有地震前兆異常指示意義。

圖5 精河MS6.6地震各測線高差時序和形變速率累積對比圖(a) 寧家河3-1時間序列 (b) 寧家河3-1形變速率累加 (c) 獨山子3-1時間序列 (d) 獨山子3-1形變速率累加(e) 巴音溝3-1時間序列 (f) 巴音溝3-1形變速率累加 (g) 古爾圖4-1時間序列 (h) 古爾圖4-1形變速率累加(i) 伊寧縣北3-1時間序列 (j) 伊寧縣北3-1形變率累加Fig.5 Cumulative comparison of elevation difference timing sequence and deformation rate

形變速率累加指標(biāo)對呼圖壁MS6.2和精河MS6. 6地震都有前兆異常。從2012年場地改造以來的觀測數(shù)據(jù)分析，北天山地區(qū)是以逆斷擠壓為主的構(gòu)造活動特性[17]。地震前異常變化特征主要表現(xiàn)在以下兩個方面：(1) 在空間上主要集中在霍爾果斯斷裂上和準(zhǔn)噶爾南緣斷裂、測線變化量明顯增大，表明局部應(yīng)力增強。(2) 在時間上明顯的異常變化均出現(xiàn)在震前150 d左右，在這個時間段內(nèi)的中長期地震異常背景下，出現(xiàn)量級較大的形變變化[14]。

2.2 GNSS位移時間序列

距離地震震中300 km范圍內(nèi)有13座中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)GNSS基準(zhǔn)站(XJSH、URU2、XJKL、XJWL、XJDS、XJXY、XJZS、XJWQ、XJBY、XJYN、XJTC、XJKE、XJKC)，均為連續(xù)觀測站，觀測數(shù)據(jù)采用武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心開發(fā)的精密定軌定位軟件(PANDA)進行處理，采用ITRF14參考框架下的NEU結(jié)果，分別是NS、EW和UD 3個方向的日均值時間序列，目前已經(jīng)累計有8年的數(shù)據(jù)。

在日常的地震預(yù)報分析工作中只是通過判別3個方向的時間序列出現(xiàn)的突跳、階變、年度畸變、加減速、超預(yù)值、年變轉(zhuǎn)向提前或滯后等原始圖像變化判斷異常，這些異常變化大多都是短期發(fā)生，而目前積累的龐大數(shù)據(jù)量導(dǎo)致出現(xiàn)的異常變化僅通過原始圖像直接判斷難度加大，不易識別。通過引入形變速率累加法，對NEU 3個方向的分量進行計算處理，結(jié)合該地區(qū)MS≥6.0震例，形變速率累加結(jié)果對于震前異常識別更加快捷、直觀(圖6)。

3 映震特征分析

從所列歷史地震可知，表2中異常持續(xù)時間從61～242 d不等，平均持續(xù)時間為108 d；從異常出現(xiàn)到地震發(fā)生最短時間為7 d，最長220 d，平均為146 d，基本在1～7個月內(nèi)，可作為地震中、短期預(yù)報指標(biāo)。從震例的空間特征上看，MS≥6.0地震的平均震中距約 99 km，映震范圍在200 km以內(nèi)。表3中統(tǒng)計北天山地區(qū)距離震中300 km范圍內(nèi)的13座GNSS基準(zhǔn)站自有觀測記錄以來的異常對應(yīng)特征信息(圖4)，得出NEU 3個分量的發(fā)震最優(yōu)異常持續(xù)時間為95 d 左右，最優(yōu)異常幅度分別為(N)13.0 mm、(E)23.3 mm、(U)55.3 mm符合北天山地區(qū)GNSS基準(zhǔn)站東西向變化比南北向變化大的整體運動特征，發(fā)震的最優(yōu)時間在117 d左右，與跨斷層水準(zhǔn)得出的時間較為接近，從震例的時空映震特征上看，該方法對北天山跨斷層水準(zhǔn)和GNSS基準(zhǔn)站NEU 3分量數(shù)據(jù)的連續(xù)異常點積分區(qū)域與震例的對應(yīng)關(guān)系較好。

圖6 13座GNSS基準(zhǔn)站NEU三分量形變速率累積圖(a) EW向 (b) NS向 (c) UD向Fig. 6 Three-component deformation rate accumulation diagram of NEU at 13 GNSS reference stations

表2 跨斷層水準(zhǔn)異常特征信息表

表3 GNSS基準(zhǔn)站綜合異常特征信息表

4 結(jié) 語

使用形變速率累加法使得異常過程直觀，有明顯的拐點和階躍上升變化，曲線斜率加大，更容易顯示出異常的起止時間和變化幅度。從映震的時空分布看，異常開始至地震發(fā)生的平均時間為125 d，MS≥6.0地震的震中距平均在250 km范圍內(nèi)，形變速率累加法適用于北天山地區(qū)的形變觀測的異常識別計算，可作為地震中短期預(yù)測指標(biāo)。該方法用于處理新疆區(qū)域GNSS數(shù)據(jù)，通過震例分析，對應(yīng)效果較好，可真實反映出北天山地區(qū)GNSS基準(zhǔn)站東西向變化比南北向變化大的整體運動特征，此方法基本適用于GNSS數(shù)據(jù)的異常識別。儀器的運行情況和外界干擾因素對計算結(jié)果的影響較大，在異常識別判斷時需要仔細(xì)排除這些“異?！?，使得結(jié)果可信度更高。利用歷史資料記錄以來僅有的4個MS≥6.0震例進行分析討論，雖然整體上震例對應(yīng)情況較好，但是也存在不足之處，需要通過更多資料和震例來檢驗，才能夠更好地服務(wù)于地震監(jiān)測預(yù)報工作。