王曉霞，高翠珍，史雙雙，宮靜芝，薛錦明，薛生瑞

（1.太原地震監(jiān)測(cè)中心站，山西 太原 030021；2.山西省地震局，山西 太原 030021）

地震波前存在不規(guī)則變化已被大量地震實(shí)例所證實(shí)，地震前數(shù)據(jù)變化探尋已成為地震短臨預(yù)測(cè)的關(guān)鍵手段[1]。地球物理觀測(cè)形變數(shù)據(jù)產(chǎn)出有一套嚴(yán)格的管理制度、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，從而保證了觀測(cè)資料的完整性和精確性，北武當(dāng)觀測(cè)站形變儀器自2010年安裝運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行狀況良好，尤其是水平擺和水管儀在2013—2018年度全國(guó)質(zhì)量評(píng)比中取得優(yōu)異的成績(jī)，數(shù)據(jù)觀測(cè)精度較高。因此，本文將探討北武當(dāng)觀測(cè)站形變資料與地震之間的映震關(guān)系，試圖找出某種數(shù)據(jù)變化形態(tài)可能會(huì)發(fā)生地震，為日常會(huì)商及在異常跟蹤中提供幫助。

1 臺(tái)站概括及資料基本情況

北武當(dāng)觀測(cè)站2011年正式投入使用，在運(yùn)行水平擺、水管儀、伸縮儀，全部為數(shù)字化觀測(cè)，在運(yùn)行的各儀器運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，觀測(cè)站選在了國(guó)家級(jí)名勝風(fēng)景區(qū)，觀測(cè)環(huán)境較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)干擾較少。觀測(cè)站海拔高程1 475 m，洞深31 m，洞體覆蓋厚度43 m，山洞溫度年變化為0.5℃，日變化＜0.03℃。儀器洞室位于關(guān)帝山強(qiáng)烈隆起區(qū)，該區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來(lái)以持續(xù)抬升為主，斷塊內(nèi)差異運(yùn)動(dòng)極弱，屬穩(wěn)定的新構(gòu)造單元。距離洞室最近的斷裂為劉家岔斷裂，位于洞室NE向1.6 km處，斷裂為前第四紀(jì)斷裂，屬非活動(dòng)斷裂[2]。洞室周邊500 m范圍內(nèi)無(wú)活動(dòng)斷裂，且節(jié)理裂隙也不發(fā)育。

2 研究方法

本課題項(xiàng)目全面系統(tǒng)地收集、整理2012年1月1日—2019年12月31日的地形變產(chǎn)出數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)中的雷電、系統(tǒng)故障、人為干擾等造成錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的畸變圖像進(jìn)行預(yù)處理。同時(shí)采用EIS2000地震前兆信息系統(tǒng)軟件中的潮汐變化分析、加卸載響應(yīng)比2種數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行分析[3-4]，并與歷史地震相結(jié)合，對(duì)臺(tái)站形變資料數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖處理。

2.1 潮汐因子變化分析

潮汐因子變化分析是指計(jì)算采用觀測(cè)整時(shí)值序列，通常以48 h為滑動(dòng)步長(zhǎng)，30 d為窗長(zhǎng)，采用月長(zhǎng)度調(diào)和分析，解算各主要潮波的潮汐因子、相位滯后等參數(shù)，根據(jù)潮汐因子、相位滯后等參數(shù)變化與地震前兆的關(guān)系，提取地震前兆信息。在此給出2012年1月1日—2018年12月31日水平擺（M2波）整點(diǎn)值數(shù)據(jù)潮汐因子變化分析曲線(xiàn)，見(jiàn)第51頁(yè)圖1。

圖1 水平擺（M2波）整點(diǎn)值數(shù)據(jù)潮汐因子

2.2 加卸載響應(yīng)比分析

加卸載響應(yīng)比分析是將孕震區(qū)作為一個(gè)非線(xiàn)性系統(tǒng)，設(shè)法對(duì)該孕震系統(tǒng)輸入某種信號(hào)，然后重點(diǎn)觀測(cè)該系統(tǒng)在臨近失穩(wěn)時(shí)對(duì)輸入信號(hào)的各種響應(yīng)。在此利用MAPSIS軟件計(jì)算并給出2012年1月1日—2019年12月31日水管儀整點(diǎn)值數(shù)據(jù)加卸載響應(yīng)比振幅因子分析曲線(xiàn)，見(jiàn)第51頁(yè)圖2。

圖2 水管儀整點(diǎn)值數(shù)據(jù)加卸載響應(yīng)比振幅因子分析曲線(xiàn)圖

從圖2可以看出，通過(guò)2種方法處理得到的分析曲線(xiàn)在不同程度上都表現(xiàn)出或多或少的毛刺突跳變化。曲線(xiàn)異常變化特征主要?dú)w納為以下兩個(gè)。

一是上升、下降、突跳、振幅變大。如，2014年水管儀東西（EW）向振幅因子2月開(kāi)始持續(xù)上升出現(xiàn)（見(jiàn)圖3），2014-05-30 09:20:12在云南省德宏傣族景頗族自治州盈江縣發(fā)生6.1級(jí)地震。

圖3 2014年水管儀東西向振幅因子趨勢(shì)異常曲線(xiàn)圖

二是趨勢(shì)性異常。如，2013年伸縮儀北東（NE）向M2波潮汐因子從2013年5月底開(kāi)始一直加速上升變化出現(xiàn)（見(jiàn)圖4），2013-07-22 07:45:55在甘肅省定西市岷縣、漳縣交界發(fā)生6.6級(jí)地震。

圖4 2013年伸縮儀北東向M2波潮汐因子趨勢(shì)異常曲線(xiàn)圖

3 震例分析

本文對(duì)近十年來(lái)水管儀、水平擺、伸縮儀所記錄到的數(shù)據(jù)在同震響應(yīng)前的異常變化進(jìn)行分析，旨在研究地震前北武當(dāng)觀測(cè)站形變觀測(cè)數(shù)據(jù)的異常變化及各形變儀器的映震能力。實(shí)際觀測(cè)表明，地傾斜觀測(cè)能清晰地記錄到較大地震的波動(dòng)響應(yīng)，特別是對(duì)于強(qiáng)震[5]。對(duì)近十年記錄到的地震統(tǒng)計(jì)，總共記錄到國(guó)內(nèi)5級(jí)以上地震21次，5級(jí)以下地方震記錄不明顯，同時(shí)發(fā)現(xiàn)水平擺和水管儀記錄地震效果好，有較高的靈敏度；伸縮儀相對(duì)較差。在此，選取具有代表性的地方震和強(qiáng)震，分析比較水平擺、水管儀和伸縮儀的記錄有關(guān)特征，典型地震基本參數(shù)見(jiàn)第52頁(yè)表1。

表1 典型地震基本參數(shù)

同震響應(yīng)特征分析。實(shí)際觀測(cè)表明，地傾斜觀測(cè)能清晰地記錄到較大地震的波動(dòng)響應(yīng)，特別是對(duì) 于強(qiáng)遠(yuǎn)震，典型遠(yuǎn)震同震響應(yīng)特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 典型遠(yuǎn)震同震響應(yīng)特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)

為了更直觀比較，本文選取遠(yuǎn)、近各一次震例，來(lái)分析比較水平擺、水管儀與伸縮儀的記錄有關(guān)特征，原始的地震時(shí)序圖曲線(xiàn)特征見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 2013年4月20日四川雅安蘆山7.0級(jí)地震時(shí)序圖曲線(xiàn)特征

圖6 2016年3月12日山西運(yùn)城市鹽湖區(qū)4.4級(jí)地震時(shí)序圖曲線(xiàn)特征

從圖5分析得出，對(duì)于震中距比較遠(yuǎn)的地震（Ms＞6.0的國(guó)內(nèi)地震），北武當(dāng)觀測(cè)站各形變儀器時(shí)序圖曲線(xiàn)中能夠觀測(cè)到地震引起的同震響應(yīng)，水平擺、水管儀觀測(cè)效果較清晰，比伸縮儀更加明顯；從圖6看出，對(duì)于Ms＜5.0的地方震，各形變儀器時(shí)序圖曲線(xiàn)中難以觀測(cè)到地震波動(dòng)，從時(shí)序圖曲線(xiàn)中尋找地震前兆異常也非常困難。可見(jiàn)，在時(shí)序圖曲線(xiàn)中難以捕捉到地震前兆異常信息特征的存在，需要通過(guò)其他方法來(lái)判斷。

4 模糊數(shù)學(xué)方法檢驗(yàn)

模糊關(guān)系矩陣R作為一個(gè)從因素集U到評(píng)語(yǔ)集V的映射關(guān)系，每輸入一組因素的權(quán)重向量A，就可以得到一組相應(yīng)的評(píng)判結(jié)果B，采用最短距離法對(duì)異常變化指標(biāo)權(quán)值注進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，其具體步驟如下。需要注意的是，異常變化指標(biāo)權(quán)值為命中的概率，命中的概率=命中地震的次數(shù)/總共出現(xiàn)異常的次數(shù)，概率越高越準(zhǔn)確。

1）設(shè)水平擺、水管儀、伸縮儀分別為變量x1、x2、x3，打結(jié)次數(shù)、轉(zhuǎn)折角度為二維變量y1、y2、y3、y4、y5、y6。異常變化指標(biāo)權(quán)值見(jiàn)表3。

表3 異常變化指標(biāo)權(quán)值

2）將所有元素自然歸為一類(lèi)H，每一類(lèi)平臺(tái)高度為零，根據(jù)公式

即f（yi）=0（i=1，2，3，4，5），這時(shí)D（Gp，Gq）=d（yp，yq）。將矩陣轉(zhuǎn)化為距離方陣，把平臺(tái)分為兩類(lèi)。模糊綜合數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 模糊綜合數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型結(jié)果

模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型結(jié)果顯示水平擺、水管儀的權(quán)值在1.35以下，表示數(shù)據(jù)的映震水平較高；伸縮儀的權(quán)值較大，表示數(shù)據(jù)的映震水平較低。綜合潮汐因子變化分析、加卸載響應(yīng)比及同震變化分析，水平擺和水管儀數(shù)據(jù)質(zhì)量較優(yōu)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析形變資料時(shí)序圖曲線(xiàn)和運(yùn)用EIS2000地震前兆信息系統(tǒng)軟件中的潮汐因子變化分析、加卸載響應(yīng)比分析2種方法，結(jié)合臺(tái)站異常有效評(píng)價(jià)范圍內(nèi)的歷史地震，本文得出以下4點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

一是水平擺、水管儀觀測(cè)地震效果好，伸縮儀相對(duì)較差。因此，在日常地震分析預(yù)報(bào)中，應(yīng)更加側(cè)重水平擺和水管儀的資料分析。

二是對(duì)于Ms＜4.5的地方震，各形變儀器時(shí)序圖曲線(xiàn)中難以觀測(cè)到地震波動(dòng)；對(duì)于Ms＞6.0的大陸地震，各形變儀器時(shí)序圖曲線(xiàn)中能夠觀測(cè)到地震引起的波動(dòng)，水平擺、水管儀記錄較清晰，比伸縮儀明顯。

三是應(yīng)用潮汐因子變化分析、加卸載響應(yīng)比分析時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)曲線(xiàn)出現(xiàn)上升、下降突跳，振幅增大或呈現(xiàn)趨勢(shì)性異常，則有地震發(fā)生的可能。

四是震前異常與地震并非一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此需要結(jié)合多臺(tái)陣、多學(xué)科分析，提供更準(zhǔn)確、更可靠的數(shù)據(jù)研判。