应用地震连续形变观测技术有效监测地震前兆＊

蒋 骏 张雁滨 林 钢 陈德璁 李 畅 马晓飞

(华中科技大学物理学院,武汉 430074)

应用地震连续形变观测技术有效监测地震前兆＊

蒋 骏 张雁滨 林 钢 陈德璁 李 畅 马晓飞

(华中科技大学物理学院,武汉 430074)

依据地震观测技术的基本原理和大量观测事实,给出统一的地震连续形变观测技术仪器的特性曲线,分析和解释其对“前兆”信息响应差异的根本原因。地震连续形变前兆仪器对地震及其前兆响应的差异是因为仪器的传递函数不同和特性所致;其前兆观测中的分钟值采样数据中发现的震颤异常波,只是真实信号的一种“混叠”或映射,难以反映真实的地面运动。强震前的震颤异常波是否与地震有关?是否是震兆?尚需做更深入细致的分析和研究。

地震观测技术;重力仪;倾斜仪;震颤异常波;地震前兆监测

1 引言

在地震连续形变台站的日常监测中,常会发现有异常“脉动”信号叠加在固体潮曲线上,且一些异常“脉动”信号常与强地震相伴随。经分析,这类“脉动”信号的成因复杂,产生机理尚不十分清楚;周期成分丰富,从几秒至几小时都有;持续时间可达若干小时甚至几天[1];信号较弱。相对于地震连续形变台站日常观测,可视其为一种噪声或异常,亦称为震颤异常波[2,3]。实际中,许多学者大多将地震前发现的震颤异常波作为地震短临前兆,开展了大量研究[4-10],取得了进展,也遇到问题和矛盾。例如：在同一台站,重力、倾斜、应变等不同物理量和不同分量的观测对“前兆”的响应差异很大,有的响应明显,有的则无响应;在台站的“有效监测距离”内,“前兆”异常的空间分布反常,近处无异常或异常较弱,但远处却异常明显,甚至出现“巨形变”,且异常比例很低;即使对同一物理量,若采用的观测仪器不同,其结果也大相径庭。对于这些现象,虽有过一些解释和讨论,但都不能令人满意和信服。事实上,目前对于地震前兆及其特征尚无严格的定义和描述,绝大多数“前兆”实际上只是震颤异常波而已。因此,对于地震及其前兆的监测而言,除固体潮外,地震连续形变观测技术的高频特性及其对震颤异常波的检测能力也应作为衡量观测质量的标准。本文依据地震观测技术的基本原理和大量观测事实,给出地震连续形变观测技术的特性曲线,分析和解释其对“前兆”信息响应差异的原因。旨在更有效和正确地获取地震及其前兆信息,促进地震研究的科学性与标准化;去伪存真,突破地震监测的“瓶颈”,切实提高地震监测与预测能力。

2 地震连续形变观测技术原理与传递函数

2.1 DZW重力仪和 VS-1倾斜仪的传递函数

DZ W重力仪和VS-1倾斜仪的观测物理量虽然不同,但技术原理完全一样,都是基于一个弹性摆系,对地形变信号进行检测。显然,DZ W重力仪和VS-1倾斜仪的传递函数总可表示为其机械部分和电路部分传递函数的乘积[11]。它们的机械部分为一个弹性摆系,理论上可简化成一个二阶系统。两者共振周期相同,阻尼相同,则机械部分的传递函数相同。又这两种仪器采用了相同的电路设计,故电路部分的传递函数也完全相同。设 DZ W重力仪和VS-1倾斜仪的机械部分、LP1和 LP2输出的传递函数分别为 TLP0(ω)、TLP1(ω)和 TLP2(ω),则其数学表达式可统一表示为：

式中,K11=120,K12=100,K1=100 0,K21=1.2,K22=0.16,=0.16。K0=104V/ms-2为摆系的静态灵敏度,为一常量,由仪器的前置放大、主放大和锁相放大等电路模块确定,其精确值可通过对仪器系统的标定和测试获得。K01==4π ξ/T0=3.497 6;K02=4π2/=109.662 3。其中ξ和 T0分别为摆系的阻尼系数和摆系在无阻尼情况下的共振周期。图 1给出了DZ W重力仪和VS-1倾斜仪的归一化幅频特性和相频特性曲线。

图1 DZ W重力仪和VS-1倾斜仪的归一化幅频特性和相频特性Fig.1 Amplitude and phase features of DZ W gravimeter and VS-1 tilt meter

由式(1)不难得出,DZ W重力仪和VS-1倾斜仪机械部分的阻尼系数和无阻尼的共振周期分别为0.167和0.6 s,阻尼很弱。在共振周期附近,其机械部分的幅频响应要远高于仪器的静态响应,输出与输入信号的位相差发生突变。又由式 (2)和式(3)知,DZ W重力仪和 VS-1倾斜仪的 LP1通道和LP2通道是两个低通滤波器,截止周期分别为 7.5s和 42.0s,两个通道具有不同的输出特性。

2.2 地震连续形变观测仪器的传递函数

虽然地震连续形变观测技术的观测量、仪器品种和传感器技术种类繁多,其观测精度、对环境的要求及其与地震的关联度也是最高的。但其机械部分都可等效成一个弹性摆系,可由式 (1)统一表示,可视其为一个二阶低通滤波器,亦称为“低通机械摆”。只要清楚知道摆的共振周期和阻尼系数这两个特征参数,则地震连续形变观测技术的特性曲线也就唯一确定。因此,地震连续形变观测技术的核心和本质就是一个弹性的低通机械摆,摆的特征参数可通过不同的技术方法和传感器给出,也就构成了实际中品种多样、优势特性各异、丰富多彩的地震连续形变观测技术。而观测仪器的电路部分的传递函数和特性,因其与具体的电路设计和元器件密切相关,逐一对应,只要知道了准确的仪器电路结构图和元器件参数,应不难获得。这里需要特别指出的是：无论地震连续形变仪器电路部分的传递函数如何不同或具有某种特别功效,它都不会对仪器的机械摆所确定的通频带再拓宽,也不会比其机械部分获得更丰富的前兆信息,不同的电路设计只是能够提高和改善机械摆观测信息的信噪比。同样地,对地震连续形变观测的数据采集和信号处理也有类似的传递函数,这些传递函数的组合就完整地表述了地震连续形变观测技术的特性与功能。所以仪器机械部分的传递函数就确定了观测技术的本质和主要特性 (图2)。

显然,若地震连续形变观测技术机械摆的阻尼系数和共振周期已知,则该仪器的最大通带宽度和特性也就随之确定。若机械摆的阻尼系数较小,在共振周期附近,仪器的幅频响应可以远远高于仪器的静态响应,输出与输入信号的位相差在此发生突变。只有当机械摆的阻尼系数取值 0.6～0.8时才可获得最佳性能特性,此时仪器的通带可从 2.5倍共振周期至零频。在高于共振频率的通带里,仪器反映了对观测量的速度响应平坦;在低于共振频率的通带里,仪器则反映了对观测量的加速度响应平坦。而当机械摆为临界阻尼或过阻尼时,在共振周期附近,仪器的幅频响应则要低于仪器的静态响应,难以观测到周期在共振周期附近及其以下的“高频”地形变信号,输出与输入信号的位相差也随频率呈近似线性变化关系。所以,地震连续形变仪器就是一个“加速度计”或“低通滤波器”。一般而言,每个地震连续形变观测仪器都会有确定的共振周期,但为了高灵敏、高稳定和高可信地获得较长周期的微小地壳运动和前兆变化,通常会选择和设计一个具有较长共振周期的机械摆,或增大仪器的阻尼,甚至达过阻尼,以避开地噪声、地震面波和环境因素等伪形变前兆的干扰,并以对固体潮的观测质量作为衡量地震连续形变仪器和观测条件的客观物理标准,更准确和科学地监测和获取地震前兆。因此,即使一些地震连续形变仪器的机械摆的共振周期较短,通常也都会再采用适当的电路设计或技术对机械摆的输出信号做滤波,以抑制高频噪声和伪形变前兆的干扰,提高对长周期的微小地形变前兆信号的信噪比,获取可信的地震前兆。

2.3 地震连续形变观测技术的特性分析

图2 不同阻尼的归一化幅频特性和相频特性Fig.2 Amplitude and phase featureswith different damping

地震连续形变观测的技术原理与地震计相同,都是一个弹性机械摆。地震计的主要观测目标是地震波,而地震连续形变的主要观测目标则是地震孕育过程中的“静态”微小地形变。即直接和准确测量一个时间尺度比以地震波传播为特征的地面运动要大的固体地球内部的运动[12],故其弹性机械摆的共振周期通常要长,阻尼要大,甚至为过阻尼。例如：水平摆倾斜仪的共振周期约为 20～80 s;水管倾斜仪的共振周期约为 40～140 s;石英伸缩仪的共振周期约为40～100 s;体积应变仪的共振周期约为60～100 s。一些地震连续形变观测技术的机械摆的共振周期虽然较短,例如：弹簧重力仪和垂直摆倾斜仪,其共振周期约为 0.6 s;双轴气泡倾斜仪和钻孔式气泡倾斜仪,其共振周期约为 1～2 s范围。但为了准确获取地震孕育过程中的地形变,通常也会采用电路设计对信号做低通滤波处理,使得仪器的整体特性与一个长周期摆或过阻尼摆完全等价。

很显然,上述地震连续形变观测技术是难以正确记录和反映地震波等高频信息的,自然也就很难观测到地震波频段范围内的前兆信息。究其原因就在于：大量观测、震例和研究表明,地震孕育过程中所引起的地面运动的时间尺度一般要远大于地震波,而幅度却极其微弱。为了能更准确地获得和判断地震前兆,设计地震连续形变仪器时便将高频信息视为“噪声”或干扰,从技术上进行抑制或滤除。事实上,地震连续形变观测技术的特性也可从其日常监测的质量中给予估计。若日常观测曲线只是光滑、细腻和稳定的固体潮,罕见叠加有地震波、地脉动和震颤异常波,则该仪器的特性则必为长周期或过阻尼系统。这也应该是在实际的地震连续形变前兆监测中,为什么难觅“前驱波”、异常分布反常和比例低的根本原因,亦是地震前兆监测和地震预测的“瓶颈”所在。

3 地震连续形变仪器系统的观测响应特征

图3给出了2005年8月HUST台站DZ W重力仪和VS-1倾斜仪的固体潮原始观测曲线。

从图3不难看出,DZ W重力仪和 VS-1倾斜仪的LP2通道输出的信号主要是清晰、光滑的固体潮(图 3(d)～(f)),高频信号已被滤除,观测结果和国内同型号仪器的观测结果一致。而它们的 LP1通道则除了固体潮外,还同时叠加有丰富的震颤异常波(图 3(a)～(c))。DZ W重力仪和VS-1倾斜仪观测到的震颤异常波等高频信号都来自于仪器的LP1通道。此外,两个通道对固体潮等长周期的信号的响应基本一致,具有较高的信噪比(图 4),分别对其固体潮信号的调和分析结果表明,LP1通道与LP2通道的结果一样或略好[13]。对地震波等高频信号的响应两个通道却差异明显。其中,LP1通道似能正常地看到地震波形,幅频响应也与地震计相当,只是采用分钟采样记录的地震波形无法正确表述真实地面运动。而 LP2通道则常会将地震波滤除,或畸变成为“脉冲”、“突跳”和“长周期形变”等异常,非常容易对地震前兆的分析和识别造成干扰与混淆。因此,必须特别重视和深入了解地震连续形变观测技术的传递函数及其整体特性。

图3 HUST台站DZ W和VS-1的固体潮观测(2005-08-01—31)Fig.3 Tidal observation curves byDZ W gravimeter and VS-1 tiltmeter at HUST station(Aug.1-31,2005)

事实上,在DZ W重力仪和VS-1倾斜仪的LP1通道的输出信号中往往不难同时发现有形态一致、呈“纺锤状”的震颤异常波,它是一种普遍存在和频繁发生的客观事实。且与宽频带地震计的观测在持续时间和形态上完全吻合,相互印证。通常无需任何数学处理,震颤异常波就可直观呈现在固体潮观测曲线上。这些信号的强度大多较弱,持续时间约为 1～3天。研究表明,一部分震颤异常波由热带气旋引起[14]。图 5给出了 2004年 12月 26日印度尼西亚Ms8.9、2010年 1月 13日海地Ms7.3、2010年2月 27日智利 Ms8.8和 2010年 4月 14日玉树Ms7.0等地震前,HUST台站 DZ W重力仪和 VS-1倾斜仪的LP1通道在地震当月观测资料的高通滤波。其中,数据处理中所采用的数字高通滤波器[15]参数都相同。即同取 Hamming-1型窗口,截止周期为 30分钟,窗口长度 121分钟。结果反映了固体潮仪器对震颤异常波和地震波等“高频”信号的响应。显然,除热带气旋引起的震颤异常波外,强地震前也会出现震颤异常波。若以强震前的 10天作为统计的时间窗,DZ W重力仪、VS-1倾斜仪的LP1通道和宽频带地震计的观测都一致表明,约 80%的Ms7.0地震前都会发现有震颤异常波。这种在 LP1通道中的寻常现象,在LP2通道和其他地震连续形变仪器观测中却罕有发现。

图5 强震前HUST台站DZ W和VS-1观测的震颤异常波Fig.5 Abnor mal tremorwaves recorded byDZ W gravimeter and VS-1 tiltmeter before strong earthquake

图4 HUST台站固体潮观测的频谱(2005-08-01—31日)Fig.4 Frequency spectrum of tidal observations at HUST station(Aug.1～31,2005)

图6给出了HUST台站DZ W重力仪和VS-1倾斜仪的 LP1通道 2008-01-01—05-31固体潮观测的高通滤波 (数据处理所采用的滤波器参数同图5)。

显然,2008年 1～3月,持续时间在 1～3天的震颤异常波就有 10多例,此间全球共发生Ms7.0强地震5次 (2008年2月8日中大西洋海岭Ms7.3, 2月 20日、25日和 26日印度尼西亚Ms7.7、7.6和7.0地震,以及 3月 21日新疆于田Ms7.3地震)。而西太平洋和北印度洋并无台风发生,仅西太平洋有过一次热带风暴 (http：//weather.unisys.com/ usgs/和 http：//www.typhoon.gov.cn/)。2008年 4月 1日至 5月 12日,明显的震颤异常波就有 3例,对应的时间分别为 2008-04-07—13日 (震颤 1)、2008-04-17—24日 (震颤 2)和 2008-05-09—12日,且震颤 1和震颤 2的幅度均大于汶川地震前三天的“异常波动”。这期间,除 2008年 5月 12日的汶川Ms8.0地震外,全球Ms7.0及以上的强地震还有 4例 (4月 9日洛亚尔提群岛Ms7.3、4月 12日麦夸里群岛地区Ms7.1、5月 2日安德烈亚诺夫群岛Ms7.1和 5月 8日日本Ms7.0)。此期间,西太平洋发生台风两次(Neoguri(浣熊),2008-04-14—19日和 Rammasun(威马逊),2008-05-07—12日),北印度洋发生台风 1次(NARGIS(纳吉斯),2008-04-27—05-03日)。

震颤 1期间,没有台风发生,但有两次 7级强震;震颤 2期间,虽无 7级强震,但却有台风“浣熊”。这些震颤异常波与地震计的观测结果在时间上非常吻合,相互印证,为同一原因所致,具有同一来源。图 7给出了采用 JCZ-1地震计的连续地震波形数据所获得的 HUST台站的观测背景噪声信号、震颤 1和震颤 2的频谱特征。不难看出,震颤 1和震颤 2的频谱成分与背景噪声的频谱成分明显不同,伴随有强地震的震颤 1中主要包含有 3～7 s、10～20 s和 40～60 s 3种主要的频谱成分,而震颤 2中却几乎只有 3～7 s一种主要的频谱成分。

图6 2008-01—5月 HUST台站观测的震颤异常波Fig.6 Abnor mal tremorwave recorded at HUST station(Jan.1～May.31,2008)

图7 背景噪声信号和震颤异常波的频谱特征Fig.7 Frequency spectrum of noise signal and abnor mal tremorwave

4 分析与讨论

综上所述,目前地震监测中的地形变前兆大多为震颤异常波,是一种来源复杂的地球脉动信号,其包络线大多呈“纺锤状”或“尾巴状”,信号的频率成分复杂,可覆盖地震波至固体潮整个波段,持续时间远远长于地震波,约为 1～3天,能被分布广泛的地震连续形变仪器和宽频带数字地震计同时和频繁观测到。大多数地震连续形变台站罕能观测到“前驱波”和震颤异常波等“地震前兆”,是因为其主要目的是获取地震孕育过程中的“静态”、“微小”地形变信息,则必须以固体潮为衡量观测质量和地形变观测技术的客观标准。因此,地震连续形变仪器就采用了与宽频带地震计不同的传递函数和输出特性设计,抑制和滤除高频信号及噪声,获得光滑稳定的固体潮曲线,以确保对长周期的微小地形变前兆变化测量的灵敏和精确。也就是说,地震连续形变观测技术的传递函数与高频特性对于前兆监测和分析也是非常重要的,不容忽视。否则就可能造成地震前兆识别的误读和矛盾,产生瓶颈,阻碍和制约地震监测和预测能力。

在剔除了热带气旋 (台风)过程引起的震颤异常波后,诸多“异常”之后往往还有强地震发生,对应率非常之高。由西太平洋的热带气旋引起的震颤异常波的信号周期主要在 3～7 s范围,而强震前的震颤异常波的信号周期往往既有 3～7 s的成分,还包含 10～60 s以及更长的周期成分。这些现象和差异也许反映了不同原因的震颤异常波的特征和特性,或可帮助我们进一步认识和了解地震的孕育过程,有效获取地震前兆。

事实上,即使是在采样间隔为分钟值的地震连续形变观测技术中,也能经常观测到震颤异常波等高频信号,与地震计的观测结果相互印证,充分证实了这些异常信号是真实和客观存在的。但两者的观测特征频域却差异明显,表明这些异常信号只是客观真实现象在地震连续形变观测中的“混叠”或映射,难以反映真实的地面运动。尽管如此,它仍然对地震前兆的监测和研究具有重要参考价值,是切实促进地震科技发展和水平提高的基础。也说明在地形变前兆信息的特征分析中,简单和直接地应用地形变数字观测资料获得的信号频谱与特征,往往不能准确表述信号和地震前兆的本质,只是一种“视频谱”或“视特征”。即在实际的前兆分析和地震预测工作中,应充分清楚相关的观测技术和分析方法的原理与特性,这样才可能发现和找到问题的本质所在,更加科学和有效地获取地震前兆。

5 结语

地震连续形变仪器与地震计的本质相同,观测信息覆盖了从地震波至固体潮的宽广频域,两者在频域上自然衔接和延拓,是地震研究的重要基础。它们的交叉、渗透、互补和综合,将有助于地震监测和研究的深入,推进地震相关领域的发展与进步。因此,地震连续形变仪器的传递函数与特性必须清楚,不应或缺。它可以拓宽视野、明辨是非、去伪存真,获得新的发现。也有助于更加有效和正确地获取地震及其前兆,促进地震前兆研究的科学性与标准化;突破地震监测的“瓶颈”,切实提高地震监测与预测能力。

地震过程及其前兆是极其复杂的,现有的认知和经验还比较粗浅,尚在不断地深化和进步中,解决问题的最可行途径就应是做尽可能准确和完善的观测。因此,地震连续形变观测技术的科学性与标准化研究,以及应用地震连续形变观测技术和地震计,对震颤异常波进行综合观测和“源”的探索研究就是非常必要和迫切的。可以不断启示、修正、提升和完善我们对地震过程的科学认识,也可以探索和发现一些过去被“忽视”的,但很可能是更深入地认识地震和提高地震预测水平的关键所在。

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APPL I CATI ON OF SEIS M I C DEFOR MATI ON OBSERVATI ON TECHNIQUES TO EFFECTIVELY MONITOR EARTHQUAKE PRECURSOR

Jiang Jun,Zhang Yanbin,Lin Gang,Chengcong,Li Chang andMa Xiaofei
(School of Physics,Huazhong University of Science and Technology,W uhan 430074)

In dailymonitoring of seis mic crustal defor mation,we often found out that there are some abnormal microseis ms in the tidal signals.These microseis ms called abnor mal tremor wave are observed by the broadband digital seis mograph.This article reports a lot of the abnor mal tremor waves recorded by DZ W gravimeter and VS-1 tiltmeter in HUST seis mic and tidal station.According to the principle of seismic measuring techniques and observations,we present a unified characteristic curve for seis mic crustal defor mation observation techniques,analyze and explain them to the roots of different precursory response.The differencesof the response to the abnormal tremorwaves are mainly decided by the transfer function and the features of the instruments.The seis mic crustal defor mation instruments are sampling perminute,so the abnormal tremorwaves are the aliasing ormapping of the real signals,it can not reflect the true ground motion.Are the abnor mal tremor waves before an earthquake related to the earthquake?Is it precursor?We need to analyze and research deeply.This article ai ms to discuss and expound how to more effectively and accurately obtain earthquake precursor,promote earthquake precursory observation techniques scientific and standardization,breakthrough earthquake monitoring by the bottleneck,and improve the ability of earthquake monitoring and prediction.

seismic observation techniques;gravimeter;tiltmeter;abnormal tremor wave;earthquake precursory monitoring

1671-5942(2011)04-0010-08

2011-04-24

公益性行业(地震)科研专项(200808071)

蒋骏,男,1959年生,博士,教授,主要研究方向：固体潮与地震学,地震数字观测技术与应用.E-mail：JiangJun@mail.hust.

edu.cn

P315.72+6

A