張 錄 張劍鋒 周康云 候賽因·賽買提 木巴拉克·江布爾拜

（中國(guó)新疆維吾爾自治區(qū) 839000 哈密地震監(jiān)測(cè)中心站）

0 引言

地傾斜用于觀測(cè)地殼形變相對(duì)運(yùn)動(dòng)和固體潮汐動(dòng)態(tài)變化，可為研究地球固體潮汐、地殼巖石性質(zhì)及動(dòng)力學(xué)等提供科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2008），同時(shí)為地震預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)中包含各種信息和干擾成分，需使用不同分析方法來(lái)突出地震前兆信息。如：呂品姬等（2010）通過(guò)匯總地傾斜數(shù)據(jù)與地震關(guān)系的文獻(xiàn)，將常用傾斜資料處理方法大致歸納為形態(tài)法、擬合預(yù)估法、濾波法和固體潮汐分析法等。這些方法在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作中被廣泛應(yīng)用（孫甲寧等，2009；呂品姬等，2014；狄樑等，2017；許璐等，2017，2019；烏日樂(lè)，2020；賈媛等，2020）。

阿爾泰山是亞洲中部較活躍的地震構(gòu)造區(qū)，與歐亞板塊的碰撞作用及蒙古—西伯利亞地區(qū)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程有關(guān)，區(qū)域內(nèi)曾發(fā)生1931 年富蘊(yùn)8 級(jí)地震、1957 年戈壁阿爾泰8.3 級(jí)地震、1991 年齋桑7.3 級(jí)地震以及多次5—6 級(jí)地震（沈軍等，2003）。2020 年3月20 日蒙古MS5.9 地震是近十年來(lái)哈密市及周邊區(qū)域發(fā)生的最大震級(jí)地震，震中位于阿爾泰山東南緣哈爾烏蘇湖斷裂帶南段，該區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地震活動(dòng)強(qiáng)烈（洪順英等，2006）。自2010 年哈密市區(qū)域內(nèi)定點(diǎn)形變觀測(cè)設(shè)備架設(shè)以來(lái)，觀測(cè)到2012 年2 月10 日巴里坤MS5.3 和2014 年4 月30 日哈密MS5.1 地震，但均未對(duì)震前異常進(jìn)行深入的總結(jié)分析。本文以此次蒙古MS5.9 地震為主，結(jié)合哈密區(qū)域2 次5 級(jí)地震，分析震前地傾斜異常變化特征。

1 臺(tái)站基礎(chǔ)資料及分析方法

1.1 臺(tái)站基礎(chǔ)資料

以2020 年3 月20 日11:03:15（UTC+8）蒙古MS5.9 地震震中附近400 km 范圍內(nèi)巴里坤（震中距260 km）、富蘊(yùn)（震中距369 km）和芨芨臺(tái)（震中距354 km）3 個(gè)定點(diǎn)形變觀測(cè)站的傾斜資料為研究對(duì)象（圖1），分析總結(jié)此次震前異常變化特征。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，均選取儀器工作狀態(tài)正常且運(yùn)行穩(wěn)定后的觀測(cè)資料。

圖1 蒙古MS 5.9 地震震中及周邊觀測(cè)臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of observation stations around the epicenter of Mongolia MS 5.9 earthquake

巴里坤觀測(cè)站地處準(zhǔn)噶爾盆地東緣，阿爾泰構(gòu)造帶富蘊(yùn)—北塔山—紙房斷裂東南端，巴里坤盆地東北緣斷裂西北端，南側(cè)為洛包泉—堿泉子斷裂。觀測(cè)室位于花崗巖山體的觀測(cè)山洞內(nèi)（山洞進(jìn)深16 m，洞頂覆蓋層厚度約11 m），2010 年8 月安裝SQ-70D石英水平擺傾斜儀，2011 年正式入網(wǎng)觀測(cè)，2018 年9 月進(jìn)行數(shù)采和光源燈升級(jí)。

富蘊(yùn)觀測(cè)站位于阿爾泰山西南麓，富蘊(yùn)—庫(kù)爾提、額爾齊斯和可可托?！_(tái)等斷裂帶交匯處，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。2011年11月架設(shè)CZB-2A豎直擺鉆孔傾斜儀，鉆孔深度18 m，花崗巖基底，2012 年試運(yùn)行，2013 年正式入網(wǎng)觀測(cè)。因2014 年3—7 月數(shù)采故障，數(shù)據(jù)異常，選取該臺(tái)站2015—2020 年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

芨芨臺(tái)觀測(cè)站位于天山褶皺帶哈密盆地北緣斷裂，臺(tái)基巖性為花崗巖。2015 年1 月安裝CZB-2A 型豎直擺鉆孔傾斜儀，儀器置深23.8 m。2016 年7 月正式入網(wǎng)并進(jìn)行日常資料處理，但前期因數(shù)采故障缺數(shù)較多，故取2017—2020 年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

使用上述3 個(gè)觀測(cè)站傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)分析蒙古MS5.9 地震，對(duì)于哈密2 次5 級(jí)地震，選用巴里坤觀測(cè)站水平擺傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（因芨芨臺(tái)、富蘊(yùn)觀測(cè)站儀器架設(shè)晚，無(wú)2 次5級(jí)地震數(shù)據(jù)記錄）。

1.2 分析方法

（1）形態(tài)法。在原始記錄、整點(diǎn)值、日均值曲線正常變化背景上，利用形態(tài)法，分析傾斜加速變化、階躍、脈沖、波動(dòng)、“鼓包”等異常，以及矢量圖顯示傾斜方向的變化，如拐彎、打結(jié)、變速等異常（呂品姬等，2010）。

（2）小波分析。此為信號(hào)處理分析常用方法，利用時(shí)間和頻率的局域變換，通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算，對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，以提取有效信息（柳建新等，2006）。小波分析在地球物理學(xué)研究和數(shù)字化地震學(xué)資料分析中被廣泛應(yīng)用，已有研究成果有：張燕等（2004）采用db4 小波，將云南武定MS6.5 地震前震中附近5 個(gè)臺(tái)站的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)分解到第9 階，發(fā)現(xiàn)在細(xì)節(jié)部分的第7、8 階，均出現(xiàn)幅度較大的異常信號(hào)；楊從杰等（2005）采用db4 小波分析井水位（采用整點(diǎn)值）M2波潮汐因子，發(fā)現(xiàn)在細(xì)節(jié)部分的第2、3 階有幅度較大的地震前兆異常信號(hào)；呂品姬等（2014）采用db4 小波，對(duì)巴東MS5.1 地震前周邊形變觀測(cè)整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解，發(fā)現(xiàn)部分資料在細(xì)節(jié)第9 階出現(xiàn)幅度較大的異常；劉建明等（2016）利用db4 小波基函數(shù)，選取細(xì)節(jié)6 階，捕捉不同臺(tái)站相同頻段的異常信號(hào)，分析震前異常時(shí)空特征?；谏鲜鲅芯浚闹袛M采用db4 小波函數(shù)進(jìn)行9 階分解，以獲取震前可能出現(xiàn)的異常信息。

2 異常特征分析

2.1 形態(tài)法

2.1.1 巴里坤水平擺傾斜異常。2011 年以來(lái)，巴里坤水平擺傾斜儀運(yùn)行穩(wěn)定，觀測(cè)資料年變清晰，EW、NS 分量年變轉(zhuǎn)向時(shí)間較為同步。NS 分量總體變化趨勢(shì)為S 傾，在2014—2015 年出現(xiàn)N 傾變化，期間發(fā)生2014 年4 月30 日哈密MS5.1 地震；EW 分量2011—2017 年變化形態(tài)為緩慢W 傾，自2018 年起變化趨勢(shì)反轉(zhuǎn)為加速E 傾（圖2），統(tǒng)計(jì)EW 分量每年12 月至次年6 月的年變幅度，2018—2019 年年變幅為4.96″，明顯大于往年同期年變幅度（表1），后于2020 年3 月20 日發(fā)生蒙古MS5.9 地震。巴里坤水平擺觀測(cè)背景清晰，變化趨勢(shì)顯著，除2012年2月10日巴里坤MS5.3地震無(wú)明顯異常外（資料觀測(cè)時(shí)間短），其余2 次5 級(jí)中強(qiáng)震前均出現(xiàn)較清晰的反向趨勢(shì)變化異常，可為未來(lái)中強(qiáng)震的趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供參考。

圖2 巴里坤水平擺傾斜日均值時(shí)序變化Fig.2 Time series of daily mean value of horizontal pendulum tiltmeter at Barkol station

表1 巴里坤水平擺傾斜EW 分量年變幅度統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics on annual variation amplitude of EW component of horizontal pendulum tiltmeter at Barkol station

2.1.2 富蘊(yùn)鉆孔傾斜異常。富蘊(yùn)鉆孔傾斜觀測(cè)資料EW 分量整體變化形態(tài)為E 傾，相較于NS 分量，背景清晰且年變幅度較大。NS 分量在2015—2017 年變化趨勢(shì)為N 傾，日均值曲線受干擾影響大，畸變較多，年變不清晰；2018 年開(kāi)始緩慢S 傾，無(wú)顯著干擾，曲線形態(tài)及年變逐漸清晰，每年4 月和10 月發(fā)生年變轉(zhuǎn)向，見(jiàn)圖3（a）。

蒙古MS5.9 地震前富蘊(yùn)鉆孔傾斜出現(xiàn)明顯短期異常，且NS 分量變化特征更突出。NS分量自2019 年12 月30 日起，N 傾趨勢(shì)轉(zhuǎn)向?yàn)榫徛齋 傾，打破正常年變形態(tài)，持續(xù)至2020年2 月3 日，后逐步恢復(fù)N 傾，異常持續(xù)50 天后發(fā)震，震后恢復(fù)正常年變。EW 分量自2020 年3 月1 日起E 傾趨勢(shì)減緩，地震發(fā)生后減緩趨勢(shì)仍較明顯，持續(xù)至5 月5 日，后恢復(fù)正常年變形態(tài)，見(jiàn)圖3（b）。

圖3 富蘊(yùn)鉆孔傾斜日均值時(shí)序變化(a)2015—2020 年；(b)2019—2020 年Fig.3 Time series of daily mean value of borehole tiltmeter at Fuyun station

2.1.3 芨芨臺(tái)鉆孔傾斜異常。芨芨臺(tái)鉆孔傾斜NS 分量呈N 傾趨勢(shì)、EW 分量呈E 傾趨勢(shì)變化。NS 分量在每年6 月至10 月有一段緩慢S 傾過(guò)程，之后呈快速N 傾；EW 分量則在每年3 月初至6 月中旬緩慢W 傾，后快速E 傾，見(jiàn)圖4（a）。

自2019 年8 月4 日起，原本處于快速E 傾趨勢(shì)的EW 分量，轉(zhuǎn)向?yàn)閃 傾，8 月21 日后逐步恢復(fù)E 傾，與往年同期相比，速率明顯變緩，最大相差約1.1″，見(jiàn)圖4（b）。蒙古MS5.9地震發(fā)生時(shí)，NS、EW分量均出現(xiàn)較大的同震階躍，見(jiàn)圖4（a），階躍量分別為0.162″和0.42″。

圖4 芨芨臺(tái)鉆孔傾斜時(shí)序變化(a)2017—2020 年日均值時(shí)序變化；(b) 2017—2020 年EW 分量年變曲線比較；綠色虛線為理論變化趨勢(shì)Fig.4 Time series of borehole tiltmeter at Jijitai station

2.2 小波分析

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括對(duì)缺數(shù)部分進(jìn)行插值處理，消除人為干擾（儀器標(biāo)定、進(jìn)出觀測(cè)室、施工等）引起的突變數(shù)據(jù)以及地震造成的突跳、階躍干擾，以提高數(shù)據(jù)的可信度。考慮到小波分析時(shí)面臨的邊界效應(yīng)（即邊界失真）（吳國(guó)曾，2010；朱吉昌等，2017），使用震前6 個(gè)月和震后1 個(gè)月的連續(xù)整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，進(jìn)行db4 小波9 階分解，以識(shí)別細(xì)節(jié)部分的震前短期異常（文中設(shè)定時(shí)段為3 個(gè)月左右），其中細(xì)節(jié)1 階主要突出了高頻干擾成分，細(xì)節(jié)2—4 階主要是固體潮的高頻變化信息，細(xì)節(jié)5 階以后主要是比地球潮汐頻率更低的信號(hào)，其中可能包含震前異常信息，以超過(guò)2 倍標(biāo)準(zhǔn)差控制線作為異常判定標(biāo)準(zhǔn)。

圖5為蒙古MS5.9地震前后巴里坤水平擺EW分量整點(diǎn)值小波9階分解曲線，結(jié)果顯示，震前異常信號(hào)不顯著，僅在12 月前后，細(xì)節(jié)7—9 階出現(xiàn)超限異常。相較于細(xì)節(jié)部分，水平擺資料的震前趨勢(shì)異常更為明顯，分析2011 年以來(lái)巴里坤觀測(cè)站日均值時(shí)序，其中EW分量趨勢(shì)部分第8、9 階，震前有明顯的異常變化（圖6），表現(xiàn)為在震前緩慢W 傾趨勢(shì)背景下出現(xiàn)反向加速E 傾變化，直至地震的發(fā)生，震后恢復(fù)W 傾趨勢(shì)。哈密2 次5 級(jí)地震前，趨勢(shì)8 階具有較為明顯的異常特征，主要表現(xiàn)為加速W 傾—反轉(zhuǎn)E 傾—發(fā)震。另外，對(duì)于哈密2 次5 級(jí)地震前水平擺觀測(cè)資料的細(xì)節(jié)部分，巴里坤MS5.3 地震前3 個(gè)月未記錄到明顯的超限異常信息，僅EW 分量第7 階在震前2 個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)一組異常信號(hào)（圖7）；哈密MS5.1 地震前，NS、EW 分量整點(diǎn)值小波分解細(xì)節(jié)6—9 階均出現(xiàn)明顯的超限異常（圖8）。

圖5 巴里坤水平擺EW 分量整點(diǎn)值小波分析Fig.5 Wavelet analysis of hourly value of EW component of Barkol horizontal pendulum tiltmeter

圖6 巴里坤水平擺EW 分量日均值小波分析Fig.6 Wavelet analysis of daily mean value of EW component of Barkol horizontal pendulum tiltmeter

圖7 巴里坤MS 5.3 地震前后巴里坤水平擺整點(diǎn)值小波分析Fig.7 Wavelet analysis of hourly value of Barkol horizontal pendulum tiltmeter before and after Barkol MS 5.3 earthquake

圖8 哈密MS 5.1 地震前后巴里坤水平擺整點(diǎn)值小波分析Fig.8 Wavelet analysis of hourly value of Barkol horizontal pendulum tiltmeter before and after Hami MS 5.1 earthquake

富蘊(yùn)、芨芨臺(tái)鉆孔傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)在蒙古MS5.9 地震前的細(xì)節(jié)部分出現(xiàn)超限異常。其中，富蘊(yùn)EW 分量第6 階和NS 分量第6—8 階、芨芨臺(tái)EW 分量6—8 階，均在震前3 個(gè)月出現(xiàn)周期幾天至十幾天的超限異常（圖9，圖10）。

圖9 富蘊(yùn)鉆孔傾斜整點(diǎn)值小波分析Fig.9 Wavelet analysis of hourly value of Fuyun borehole tiltmeter

圖10 芨芨臺(tái)鉆孔傾斜整點(diǎn)值小波分析Fig.10 Wavelet analysis of hourly value of Jijitai borehole tiltmeter

綜上可知，在小波分析時(shí)，所選時(shí)段的9—11 月3 套觀測(cè)資料的細(xì)節(jié)6—8 階出現(xiàn)明顯的超限現(xiàn)象，但不作為地震異常。這是因?yàn)椋瑪?shù)據(jù)受小波邊界效應(yīng)影響，且查閱觀測(cè)日志可知，應(yīng)為受降雨所致短期變化。因此，在震前異常識(shí)別時(shí)，應(yīng)查閱日志、對(duì)照輔助觀測(cè)資料（降水、氣壓和氣溫等）進(jìn)行干擾排除，以避免誤判。

通過(guò)對(duì)比3 個(gè)觀測(cè)站NS、EW 分量的小波分解結(jié)果，發(fā)現(xiàn)蒙古MS5.9 地震前異常信息集中在細(xì)節(jié)6—9 階，同時(shí)巴里坤水平擺觀測(cè)資料趨勢(shì)部分8—9 階異常顯著。

2.3 異常總結(jié)

此次蒙古MS5.9地震發(fā)生在新疆東北部中國(guó)邊境以外地帶（圖1），與2014年哈密MS5.1地震發(fā)生時(shí)間相隔6 年。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1800 年以來(lái)巴里坤觀測(cè)站周邊300 km 范圍（涵蓋哈密市及相鄰區(qū)域）內(nèi)，共發(fā)生5 級(jí)以上地震24 次（新疆地震目錄），其中6—6.9 級(jí)地震2 次，7級(jí)以上地震3 次，表明該區(qū)域有強(qiáng)震發(fā)生背景，但是相較于新疆區(qū)域的烏恰—喀什地區(qū)（張琳琳等，2017），5 級(jí)以上地震頻度較低，有較長(zhǎng)時(shí)段處于中強(qiáng)地震平靜期。該區(qū)域形變觀測(cè)背景較清晰，3 個(gè)臺(tái)站觀測(cè)儀器架設(shè)時(shí)間短，但數(shù)據(jù)連續(xù)率高、質(zhì)量好，部分時(shí)段雖有人為干擾，但無(wú)顯著儀器故障和中強(qiáng)震震后效應(yīng)，在排除氣象要素和可能的環(huán)境干擾后，蒙古MS5.9 地震前的傾斜異常信度較高。巴里坤和芨芨臺(tái)觀測(cè)站形變資料均在震前1 年左右出現(xiàn)趨勢(shì)異常變化，富蘊(yùn)站鉆孔傾斜資料則在震前3 個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)短期異常，反映了在持續(xù)的構(gòu)造力作用下，同一區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)一些較為同步的群體變化特征。若哈密及周邊區(qū)域未來(lái)出現(xiàn)地震前兆異常，可將3 個(gè)觀測(cè)站資料進(jìn)行同步分析對(duì)比，以獲取較為可靠的信息。

對(duì)3 個(gè)觀測(cè)站兩分量資料進(jìn)行小波分析，不僅可快速識(shí)別并消除干擾、分離不同頻率的波形，而且有助于提取趨勢(shì)和短期（細(xì)節(jié)部分，3 個(gè)月左右內(nèi)）異常信息，同時(shí)提高了采用傳統(tǒng)方法（如形態(tài)法）獲取地震前兆異常的可信度。

3 結(jié)論

（1）蒙古MS5.9 地震前，在震中400 km 范圍內(nèi)，3 套傾斜觀測(cè)資料出現(xiàn)明顯的中短期異常。其中，巴里坤水平擺傾斜儀EW 分量在2018 年由趨勢(shì)W 傾轉(zhuǎn)為反向加速E 傾，且震前1 年，其年變幅明顯大于往年。富蘊(yùn)鉆孔傾斜NS 分量在震前50 天由N 傾趨勢(shì)轉(zhuǎn)向?yàn)榫徛齋 傾，出現(xiàn)打破正常年變形態(tài)的異常。芨芨臺(tái)鉆孔傾斜EW 分量在震前7 個(gè)月左右出現(xiàn)明顯低于往年變化速率的異常（最大相差約1.1″）。

（2）使用db4 小波函數(shù)對(duì)巴里坤、富蘊(yùn)和芨芨臺(tái)地傾斜資料進(jìn)行9 階分解。蒙古MS5.9地震前，在3 套儀器數(shù)據(jù)兩分量細(xì)節(jié)部分的6—9 階，均可獲取周期為幾天至十幾天的異常信息；巴里坤水平擺EW 分量趨勢(shì)部分的第8—9 階顯示，在W 傾背景趨勢(shì)下具有明顯反向加速E 傾的異常形態(tài)特征。