余 娜 王建軍 張曉清 楊曉霞

1 青海格爾木青藏高原內(nèi)部地球動(dòng)力學(xué)野外科學(xué)觀測(cè)研究站,西寧市柴達(dá)木路153號(hào),810005

2 青海省地震局,西寧市柴達(dá)木路153號(hào),810005

3 甘肅省地震局,蘭州市東崗西路450號(hào),730000

寬頻帶數(shù)字波形資料中隱含著豐富的信息。隨著我國(guó)寬頻帶數(shù)字記錄臺(tái)網(wǎng)建設(shè)完成,如何識(shí)別并提取與地震孕育有關(guān)的活動(dòng)構(gòu)造微活動(dòng)、微破裂等信息受到地震學(xué)者的廣泛關(guān)注。王玥琪[1]采用希爾伯特-黃變換對(duì)不同類型事件頻譜特征進(jìn)行分析,總結(jié)不同事件的頻譜特征。楊立明等[2-4]利用四川、青海、甘肅等區(qū)域的寬頻帶數(shù)字波形資料,對(duì)2008年汶川MS8.0和2010年玉樹MS7.1地震進(jìn)行對(duì)比研究,根據(jù)時(shí)間域和頻率域的表現(xiàn)特征初步識(shí)別臨震微波動(dòng)現(xiàn)象,并通過對(duì)青藏塊體2012～2014年發(fā)生的5級(jí)以上地震進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤分析,驗(yàn)證臨震微波動(dòng)現(xiàn)象的重現(xiàn)性和客觀性,初步得出強(qiáng)震前臨震微波動(dòng)現(xiàn)象的判定依據(jù):若某個(gè)臺(tái)站連續(xù)4 d及以上出現(xiàn)活動(dòng)度N≥4 的現(xiàn)象,則表示該臺(tái)站存在臨震微波動(dòng)異常。袁超等[5]對(duì)2015～2016年青藏塊體和新疆4次5.5級(jí)以上地震進(jìn)行臨震微波動(dòng)現(xiàn)象跟蹤分析,驗(yàn)證強(qiáng)震前臨震微波動(dòng)現(xiàn)象的存在。

本文對(duì)2020～2022年青海地區(qū)5.0級(jí)及以上地震震中距150 km以內(nèi)臺(tái)站的波形資料進(jìn)行分析,總結(jié)青海地區(qū)5.0級(jí)及以上地震的臨震微波動(dòng)異常特征,檢驗(yàn)和完善臨震微波動(dòng)現(xiàn)象的異常跟蹤指標(biāo)。

1 研究方法

臨震微波動(dòng)是在強(qiáng)震臨震階段疊加在正常地脈動(dòng)上的事件,優(yōu)勢(shì)頻率集中在11～16 Hz左右,頻譜形態(tài)較為整齊。本文的波形資料來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)將青海、甘肅、西藏、云南和四川等多個(gè)區(qū)域260多個(gè)數(shù)字臺(tái)站的連續(xù)波形資料實(shí)時(shí)匯集,儀器采樣率為每秒100次,最大分辨頻率為50 Hz。該系統(tǒng)從2019-07開始自動(dòng)接收青海地區(qū)的數(shù)據(jù)流,并且每小時(shí)自動(dòng)識(shí)別臨震微波動(dòng)事件。通過對(duì)波形進(jìn)行高通濾波,以超出地脈動(dòng)方差平均值若干倍為標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)某一時(shí)段波形記錄超出方差控制線時(shí),以該超出部分的中點(diǎn)為中心,其前后各延伸截取一定時(shí)間長(zhǎng)度的波形記錄作為疑似臨震微波動(dòng)事件,將疑似臨震微波動(dòng)事件通過快速傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析,得到該事件的頻譜特征,最后對(duì)疑似臨震微波動(dòng)事件進(jìn)行人工識(shí)別,滿足條件的記為一次臨震微波動(dòng)事件。

臨震微波動(dòng)活動(dòng)度N值表示一定時(shí)間段內(nèi)臨震微波動(dòng)事件出現(xiàn)的總頻次[1],其定義為:

(1)

式中,i為時(shí)間(單位d),i=1,2,3…,j為該類事件出現(xiàn)的順序,n(i,j)表示臨震微波動(dòng)現(xiàn)象在第i天第j次出現(xiàn),k為出現(xiàn)的總次數(shù)。

2 地震活動(dòng)特征及資料分析

青海地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,歷史上曾多次發(fā)生強(qiáng)震,如2001-11-14昆侖山口西MS8.1地震、2010-04-14玉樹MS7.1地震和2021-05-22瑪多MS7.4地震等。選取2020-01-01～2022-12-31青海地區(qū)5.0級(jí)及以上地震事件為研究對(duì)象(表1),其中,MS5.0～5.9地震7次,MS6.0～6.9地震2次,MS7.0～7.9地震1次。10次地震的震中及測(cè)震臺(tái)站分布見圖1,本文詳細(xì)分析其中4次地震的臨震微波動(dòng)現(xiàn)象。

圖1 震中及臺(tái)站分布

表1 2020～2022年青海地區(qū)MS≥5.0地震事件及其震中距統(tǒng)計(jì)

2.1 2021年瑪多MS7.4地震

2021-05-22青海省瑪多縣發(fā)生MS7.4地震,震中附近測(cè)震臺(tái)站分布較稀疏,150 km半徑范圍內(nèi)僅有3個(gè)測(cè)震臺(tái)站,即瑪多臺(tái)(36 km)、巴顏喀拉臺(tái)(72 km)和清水河臺(tái)(145 km)。由圖2可知,瑪多臺(tái)、巴顏喀拉臺(tái)和清水河臺(tái)均記錄到了臨震微波動(dòng)事件,而且這3個(gè)臺(tái)站3個(gè)測(cè)道(NS、EW、UD)的活動(dòng)度N值都有明顯的高值變化。根據(jù)臨震微波動(dòng)活動(dòng)頻次圖(圖2)與測(cè)震臺(tái)站分布圖(圖1)可知,記錄到較多臨震微波動(dòng)事件的巴顏喀拉臺(tái)和清水河臺(tái)均位于震中的西南側(cè),而位于震中北側(cè)的瑪多臺(tái)記錄到的臨震微波動(dòng)事件非常少。

圖2 2021年瑪多MS7.4地震前震中距150 km范圍內(nèi)臺(tái)站N值變化

2021-01～05巴顏喀拉臺(tái)EW測(cè)道連續(xù)多日(4 d以上)活動(dòng)度N值大于4,達(dá)到了臨震微波動(dòng)現(xiàn)象異常跟蹤指標(biāo),異常幅度最大為10,從03-08出現(xiàn)異常至發(fā)震共74 d;NS測(cè)道在4月初存在單日活動(dòng)度N值為5,但未出現(xiàn)連續(xù)活躍超過4 d的異?，F(xiàn)象,在正常范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)。清水河臺(tái)UD測(cè)道在05-12出現(xiàn)單日活動(dòng)度N值為5,也未達(dá)到連續(xù)活躍4 d的異常指標(biāo),在正常范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)。距震中最近的瑪多臺(tái)UD測(cè)道在震后出現(xiàn)單日活動(dòng)度N值為5,在正常范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)。

2.2 2021年茫崖MS5.8地震

2021-06-16青海省茫崖市發(fā)生MS5.8地震,震中附近測(cè)震臺(tái)站分布稀疏,150 km半徑范圍內(nèi)僅有2個(gè)測(cè)震臺(tái)站,即冷湖臺(tái)(84 km)和大柴旦臺(tái)(140 km)。由圖3可知,除冷湖臺(tái)UD測(cè)道沒有記錄到臨震微波動(dòng)事件外,其他5個(gè)測(cè)道均記錄到了臨震微波動(dòng)事件,而且活動(dòng)度N值都有明顯的高值變化。根據(jù)微波動(dòng)活動(dòng)頻次圖(圖3)與測(cè)震臺(tái)站分布圖(圖1)可知,臨震微波動(dòng)事件較為活躍的大柴旦臺(tái)位于震中東南側(cè),位于震中西北方向的冷湖臺(tái)記錄到的臨震微波動(dòng)事件較少。

圖3 2021年茫崖MS5.8地震前震中距150 km范圍內(nèi)臺(tái)站N值變化

2021-01～06大柴旦臺(tái)NS、UD測(cè)道連續(xù)多日(4 d以上)活動(dòng)度N值大于4,達(dá)到了臨震微波動(dòng)現(xiàn)象異常跟蹤指標(biāo)。UD測(cè)道從02-14出現(xiàn)異常至發(fā)震共122 d,異常幅度最大為12;NS測(cè)道從03-08出現(xiàn)異常至發(fā)震共98 d,異常幅度最大為13;EW測(cè)道存在單日活動(dòng)度N值高于4,但未出現(xiàn)連續(xù)活躍超過4 d的異?，F(xiàn)象,在正常范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)。冷湖臺(tái)臨震微波動(dòng)活動(dòng)度N值小于4,在正常范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng),無明顯異常。

2.3 2022年門源MS6.9地震

2022-01-08青海省門源縣發(fā)生MS6.9地震,震中附近測(cè)震臺(tái)站分布密集,150 km半徑范圍內(nèi)有10個(gè)測(cè)震臺(tái)站,分別為門源臺(tái)(36 km)、鏵尖臺(tái)(67 km)、大通臺(tái)(100 km)、河西堡臺(tái)(102 km)、祁連臺(tái)(103 km)、山丹臺(tái)(113 km)、龍王山臺(tái)(122 km)、湟源臺(tái)(124 km)、石崗臺(tái)(134 km)和西寧臺(tái)(134 km)。由圖4可知,10個(gè)測(cè)震臺(tái)中的9個(gè)記錄到了臨震微波動(dòng)事件,僅山丹臺(tái)未記錄到。記錄到臨震微波動(dòng)事件的9個(gè)臺(tái)站的3個(gè)測(cè)道(NS、EW、UD)的活動(dòng)度N值在2021-08～2022-01期間存在明顯的高值變化。根據(jù)臨震微波動(dòng)活動(dòng)頻次圖(圖4)與測(cè)震臺(tái)站分布圖(圖1)可知,臨震微波動(dòng)事件比較活躍的祁連臺(tái)、大通臺(tái)、龍王山臺(tái)、湟源臺(tái)和石崗臺(tái)位于震中的東南和西北方向,位于震中北側(cè)的山丹臺(tái)未記錄到臨震微波動(dòng)事件,鏵尖臺(tái)、河西堡臺(tái)、門源臺(tái)和西寧臺(tái)記錄到的臨震微波動(dòng)事件非常少。

圖4 2022年門源MS6.9地震前震中距150 km范圍內(nèi)臺(tái)站N值變化

2021-08～2022-01祁連臺(tái)NS測(cè)道連續(xù)多日(4 d以上)活動(dòng)度N值大于4,達(dá)到臨震微波動(dòng)現(xiàn)象異常跟蹤指標(biāo),異常幅度最大為10,從08-11出現(xiàn)異常至發(fā)震共146 d;其后有單日的突跳變化,但均在正常范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)。湟源臺(tái)EW測(cè)道連續(xù)多日(4 d以上)活動(dòng)度N值大于4,達(dá)到臨震微波動(dòng)現(xiàn)象異常跟蹤指標(biāo),EW測(cè)道從09-08出現(xiàn)異常至發(fā)震共122 d,異常幅度最大為28;NS和UD測(cè)道存在多次活動(dòng)度N值大于4,但未出現(xiàn)連續(xù)活躍超過4 d的異?，F(xiàn)象,未達(dá)到異常跟蹤指標(biāo)。大通臺(tái)NS測(cè)道在2021-11-02出現(xiàn)單日活動(dòng)度N值為5,未達(dá)到連續(xù)活躍4 d的異常指標(biāo),在正常范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)。

2.4 2022年德令哈MS5.8地震

2022-01-23青海省德令哈市發(fā)生MS5.8地震,震中附近測(cè)震臺(tái)站分布較稀疏,150 km半徑范圍內(nèi)僅有2個(gè)測(cè)震臺(tái)站,即德令哈臺(tái)(118 km)和青頭山臺(tái)(144 km)。由圖5可知,除青頭山臺(tái)UD測(cè)道沒有記錄到臨震微波動(dòng)事件外,其他5個(gè)測(cè)道均記錄到臨震微波動(dòng)事件,而且活動(dòng)度N值都有明顯的高值變化。根據(jù)微波動(dòng)活動(dòng)頻次圖(圖5)與測(cè)震臺(tái)站分布圖(圖1)可知,臨震微波動(dòng)事件較為活躍的德令哈臺(tái)位于震中正南方向,青頭山臺(tái)位于震中東北方向。

圖5 2022年德令哈MS5.8地震前震中距150 km范圍內(nèi)臺(tái)站N值變化

2021-08～2022-01青頭山臺(tái)NS測(cè)道和德令哈臺(tái)UD測(cè)道存在單日活動(dòng)度N值高于4,但未出現(xiàn)連續(xù)活躍超過4 d的異常現(xiàn)象,未達(dá)到臨震微波動(dòng)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)。

3 討 論

依據(jù)上述思路逐一分析2020～2022年青海地區(qū)發(fā)生的10次5級(jí)以上地震(表1),結(jié)果發(fā)現(xiàn),震前半年震中150 km范圍內(nèi)的臺(tái)站幾乎都記錄到臨震微波動(dòng)事件,達(dá)到臨震微波動(dòng)異常指標(biāo)的臺(tái)站不是震中距最小的臺(tái)站;記錄較多臨震微波動(dòng)事件的臺(tái)站或者達(dá)到臨震微波動(dòng)異常指標(biāo)的臺(tái)站往往分布在震中的東南側(cè)或者西南側(cè),位于震中北側(cè)的臺(tái)站未記錄到臨震微波動(dòng)事件或者記錄到的臨震微波動(dòng)事件非常少(表1),這一現(xiàn)象與之前的認(rèn)識(shí)有一定的差異。由圖1可知,研究區(qū)地震附近的斷層大多呈NW-SE向展布,地震類型是左旋走滑型[6-9],初步認(rèn)為這可能是導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因。

在地震強(qiáng)度方面,這10次地震均記錄到臨震微波動(dòng)事件。由表2可知,2次5.0～5.4級(jí)地震中,臨震微波動(dòng)事件的活躍度N值未達(dá)到臨震微波動(dòng)現(xiàn)象異常跟蹤指標(biāo),均在正常范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng),映震率為0;5次5.5～5.9級(jí)地震中,有2次震前達(dá)到臨震微波動(dòng)異常跟蹤指標(biāo),映震率為40%;3次6.0級(jí)及以上地震中,有2次震前達(dá)到臨震微波動(dòng)異常跟蹤指標(biāo),映震率為66.7%?？梢钥闯?震級(jí)越大,震前出現(xiàn)臨震微波動(dòng)異常指標(biāo)的可能越大,即映震效果越好。而且從這10個(gè)震例中發(fā)現(xiàn),從臨震微波動(dòng)異常出現(xiàn)到主震發(fā)生,時(shí)間最長(zhǎng)為116 d,最短為43 d,這與之前認(rèn)識(shí)的12～14 d有一定的差異。

表2 不同震級(jí)的映震率

4 結(jié) 語

利用蘭州臨震微波動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控與跟蹤系統(tǒng)的波形數(shù)據(jù),以臨震微波動(dòng)活動(dòng)度N值大于4并持續(xù)4 d以上作為震情異常跟蹤指標(biāo),對(duì)2020～2022年青海地區(qū)發(fā)生的10次5級(jí)及以上地震的臨震微波動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

1)震中150 km半徑范圍內(nèi)的臺(tái)站幾乎都能記錄到臨震微波動(dòng)事件,達(dá)到臨震微波動(dòng)異常跟蹤指標(biāo)的臺(tái)站不是距地震震中最近的臺(tái)站,而且達(dá)到臨震微波動(dòng)異常指標(biāo)的臺(tái)站多分布于震中東南側(cè)或者西南側(cè),這可能與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力、發(fā)震斷層走向及地震破裂過程等有關(guān)。

2)地震強(qiáng)度方面,主震震級(jí)越大,震前出現(xiàn)臨震微波動(dòng)異常指標(biāo)的可能性越大。