用超限率分析法提取精河6.6级地震前的高频信号异常

高丽娟 李尚伟 滕海涛

新疆维吾尔自治区地震局,乌鲁木齐 830011

0 引言

随着数字化观测网的逐渐普及,数字化前兆资料较模拟记录资料具有信息量大、干扰多的特点。如何从数字化的形变资料中识别与消除观测环境、仪器故障及气象因素等造成的毛刺、阶跃、畸变等干扰,是应用前兆资料进行地震预测面临的基础问题。此类信号的研究可以为今后新疆及附近地区地震前兆的判定提供支持。那么,如何将这些高频信号提取出来？这些变化是否为地震前兆异常？如何进行定量的描述？研究这些问题具有重要的现实意义。邱泽华等(2009、2012)用超限率分析法研究了汶川地震前姑咱台的应变异常变化。周龙寿等(2009a、2009b)使用超限率分析法来定量检验前驱波。刘琦等(2011、2014)利用S变换时频方法提取到了姑咱台四分量钻孔应变在汶川8.0级、芦山7.0级地震前“压性脉冲”和“潮汐畸变”信号。超限率和S变换时频分析方法是目前提取高频信号较实用的方法,它们都可以定量描述高频信号。许多学者(赵彬彬等,2017；张治广等,2017；艾萨·伊斯马伊力等,2017)已对2018年8月9日精河MS6.6地震的前兆异常进行了初步分析和总结,本文拟采用超限率分析方法提取震前部分钻孔应变台出现的高频信号异常。

1 基础资料评价

本文用C95来描述分量钻孔应变观测资料质量信度,它可以刻画1+3路和2+4路元件的自洽程度,越接近1表示信度越高。表1为新疆四分量钻孔应变台观测资料质量评价结果。如表1 所示,结合偏差和自洽信度结果来看,巩留台最好,但实际上,考虑偏差时,也应考虑4个元件的标定系数k1、k2、k3和k4的值,巩留台的4个元件的标定系数最偏离1,k1甚至为负数,因此,综合评价,巩留台的自洽信度最差,信度较好的是小泉沟台和尼勒克台。

表1 新疆四分量钻孔应变台观测资料质量评价结果

台项元件相对标定系数(差分值)观测信度C95k1k2k3k4平均值偏差(相对于1)校正前校正后小泉沟台1.01050.97170.80430.74830.88370.18390.70480.7710尼勒克台0.71401.07070.93480.9306台0.91250.18870.50380.7469巩留台-0.33330.33330.99990.33330.33330.09760.05620.9982

图 1 为小泉沟台、尼勒克台和巩留台钻孔应变四分量的潮汐因子中误差曲线。国家台评比标准中，潮汐因子中误差≤0.05,表明观测数据质量精度高,稳定性好。小泉沟台除了NW分量精度不高,其它3个分量潮汐因子中误差基本都符合国家台评比标准。巩留台NE分量数据质量较差,其它3个分量潮汐因子中误差也都基本符合国家台评比标准。尼勒克台除了个别超限点,潮汐因子中误差基本都小于0.05。文中研究的信号异常多表现为阶变、毛刺加粗等固体潮畸变,而潮汐因子变化一定程度上可以反映固体潮畸变,因此潮汐因子变化误差可以反映观测资料的稳定性。

图 1 潮汐因子中误差时序曲线

2 基本原理

观测数据选取经过高通滤波处理后的值,该值总是在0值的附近变化。将某观测资料时间序列记为Xi(i=1,…,N),N为数据点总数。该时间序列的均值为

(1)

而其标准差为

(2)

可用SD来描述数据变化的一般范围,把超出这个范围的点称为超限点,把这个点的观测值Xi的绝对值|Xi|超出SD的部分|Xi|-SD称为超限强度。称单位时间内的超限点数N为数量超限率,称单位时间内所有超限点的超限强度之和为强度超限率,即

(3)

这两个超限率都是时间的函数(邱泽华等,2012)。

图 2 尼勒克台分量式钻孔应变高频信号时序曲线

3 计算结果分析

本研究具体方案为：首先,结合台站仪器工作日志,排除人为(标定、调仪器)、雨雪、雷电等干扰因素,剔除受影响的数据,对缺数利用插值方法进行拟合,对地震波采用平滑滤波的方式进行处理；其次,将处理好的分钟值数据进行高通滤波处理；然后,确定高通滤波残差值的阈值；最后,运用超限率统计方法分别提取钻孔应变的高频信号,分析它们与地震的关联性。阈值的确定折中考虑漏报率和时空占有率,即R值最大的点对应的阈值作为最优阈值。

图 3 巩留台分量式钻孔应变高频信号时序曲线

图 4 2016年6月1日～2017年8月10日小泉沟台分量式钻孔应变高频信号时序曲线

图2～4为3个台分量式钻孔应变强度超限率时序曲线,此类高频信号异常每个台的4个分量均同步出现,本文仅给出其中2个分量的变化。尼勒克台和巩留台分量式钻孔应变的强度超限率于2017年7月13日同步开始出现超阈值现象,异常持续5天左右,之后22天发生精河6.6级地震。2016年2月11日新源5.0级地震前2个台也同步出现过类似异常变化。小泉沟台分量式钻孔应变的强度超限率于2017年1月开始超限,3月之后3个分量高频信号基本结束,仅NW分量异常持续,7月22日恢复正常,17天之后发生精河6.6级地震。

图 5为尼勒克台、巩留台和小泉沟台钻孔应变的异常值与正常值的时序曲线。由图5 可知,3个台的正常值曲线固体潮光滑,形态呈“M”。尼勒克台(图5a)、巩留台(图5b)和小泉沟台(图5(c))分量式钻孔应变在精河6.6级地震前出现了阶变、突跳和毛刺加粗的高频信号。尼勒克台主要以台阶畸变为主,持续时间较短,间隔出现；巩留台以突跳和毛刺加粗型畸变为主,连续几天持续出现；小泉沟台以频繁出现阶变类信号为特征,类似信号连续出现,持续了4个月,震前恢复。这些阶变式的信号有如下共同特征：①阶跃出现时间短,多在几十分钟；②阶变信号多向下突变,即受压为主；③阶变幅度小,以几个应变单位变化为主,尼勒克台较小泉沟台幅度大；④小泉沟台阶变信号数量多,数天丛集出现,尼勒克台数量少,偶发性为主。

图 5 分量式钻孔应变时序曲线

小泉沟台出现的类似高频信号经异常核实已排除气压和水位的干扰,详情见核实报告[注]赵彬彬、杨绍富、张嘉敏，2018，异常核实——2018年3月3日新疆小泉沟台钻孔分量应变。。巩留台出现的毛刺加粗信号,与应变观测数据中风扰的现象类似,但巩留台异常变化时段未见风扰记录,查阅气压相关数据曲线,未见明显气压异常,因此排除风扰影响。而尼勒克台的固体潮畸变现象以往也出现过类似变化,未发现与气压等气象因素明显相关,也可能是受区域应力应变偶发性调整的影响,本文暂列为地震前兆异常,主要考虑与巩留台异常出现时间上较为同步。

尼勒克台和小泉沟台类似阶变信号在2008年汶川MS8.0、2010年芦山MS7.0、2012年新源和静交界MS6.6 地震前出现过。巩留台这种毛刺加粗的信号,杨又陵等(2003)[等在昆仑山口西MS8.0地震前捕捉到类似信号。精河地震前尼勒克台和巩留台高频信号震前1个月出现,持续时间仅5天左右,无规律,偶发性；而小泉沟台高频信号震前半年出现,震前半个月恢复正常,持续时间长,有一定规律可循。下文将对小泉沟台阶变异常信号细节进行分析,其特征表现为：第1阶段为2018年1～2月,4个分量高频信号以大尺度阶变突跳为主；第2阶段为2018年3月之后,仅NW分量出现小尺度阶变,呈现一定规律,其它分量恢复正常。下文以NW分量为例,来研究其信号特征,提取的基本思路是：首先,提取出阶变或者脉冲等高频信号的发生时间和幅度大小；其次,将幅度大小视为震级整理成地震目录格式,绘制时间扫描曲线；最后,分析其信号特征。

图 6 2016年5月30日～2017年11月27日阶变信号预处理后各类时间扫描曲线图(a)M-t图；(b)频度图；(c)累积频度图；(d)阶变信号发生时间间隔ΔT-T图

图 6为阶变信号经整理后绘制的时间扫描曲线,窗长取1天,步长也取1天。细节特征表现为：①阶变信号幅度,最大达到10×10-10个,2017年1～2月阶变信号幅度大,多集中在几个应变变化,3～7月的阶变幅度多在0.5个应变单位(图6(a))；②阶变信号频度分3阶段,第1阶段为1月15～21日,日变化频度由14个/日迅速增加到255个/日,1月24日之后迅速降到18个/日以下,第2阶段为2月12～28日,12日这天阶变频度达到97个/日,之后逐渐减小,截至28日,基本达到21个/日,之后更加趋于减少,第3阶段为3月11日～7月22日,日变化基本在10个/日以下(图6(b))；③阶变信号累积频度显示,1、2月分别出现2次突增变化,3月之后增加变缓(图6(c))；④阶变信号发生时间间隔显示,2017年1月之前偶尔出现,1～7月频繁间隔出现,7月中旬之后阶变信号基本消失(图6(d)),其细节特征表现为,1月阶变信号发生的平均时间间隔为0.03天,2月为0.04天,3月为0.24天,4月为0.34天,5月为0.22天,6月为0.53天,基本呈现间隔时间越来越大的态势。阶变信号出现的平均间隔时间由43min逐渐发展成1hr左右,然后又增大发展成5hr、8hr,甚至12hr左右(图7)。

图 7 阶变信号预处理后阶变信号发生时间间隔图取每月12～28日数据

总结来看,小泉沟台分量钻孔应变NW分量出现的阶变信号,以压性变化为主,幅度为0.5～10.0个应变单位,信号发生的间隔时间呈现出随着距主震震中越近,间隔越大的特征,1～2月信号丛集出现2次突增变化,一定程度表明该区域构造应力在1～2月可能存在增强的变化。

图 8 震中周围台站分布示意图

4 讨论与结论

通过超限率分析方法,提取出了小泉沟台分量钻孔应变在精河6.6级地震前的高频信号异常,同时,尼勒克台和巩留台在震前也配套出现了类似异常变化。然后对小泉沟台类似阶变的高频信号进行了细节分析,并总结其特征,得出以下几点认识：

(1)在精河6.6级地震前3个台出现了阶变、突跳和毛刺加粗的高频信号,类似的发现在以往新疆多次中强震前都出现过,一定程度上表明,该类信号是客观存在的自然现象,与地震的孕育可能存在某种关联,只是目前的认识还不够充分和深入,仍需更多的关注和研究。

(2)小泉沟台分量钻孔应变4个分量出现的高频信号同步出现,相互映证,仅NW分量在异常后期表现出独有的异常变化信号。但我们发现,NW分量元件的方向恰恰是与震中位置交角最小的方向,指向震中,在该方向上应力触发是否更敏感,表现出的异常是否更显著,有待我们进一步的积累和验证。

(3)小泉沟台高频信号异常是4个分量同时出现,异常后期仅NW分量出现；尼勒克台也是4个分量同时有畸变现象,巩留台是EW、NW分量同步出现毛刺加粗变化。超限率结果表明,巩留台和小泉沟台异常变化幅度最大的分量为NW向,尼勒克台变化最大的为NE向,如图8 所示,3个台异常变化最大的方位正好都与震中交角最小,即指向震中。

(4)根据前人总结的应变积累的4个特征,即稳定变化段、加速变化段、失稳段和震前突变段。其中在失稳段,应变变化极不稳定,是可能出现类似阶变、毛刺加粗等高频信号的阶段。其它岩石力学实验也观察到类似结果：岩石破坏之前,声发射活动存在稳定期、声发射活动初期、声发射活动加剧期和反转期等4个阶段。因此,从机制分析或者实验观察,在岩石破坏之前,类似高频信号的出现可能是客观存在的现象。

致谢：由中国地震局地壳应力研究所邱泽华研究员提供了本文所用程序,并在理论与方法上给予了诸多指导和帮助,审稿专家对本文细致审阅并提出了富有建设性的修改意见,在此深表谢意。