强远震前钻孔体应变潮汐响应及同震特征分析

陈永前

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

从1966年邢台地震后，在李四光先生的倡导下，我国开展了以地震预报为目的的钻孔应力应变连续观测。其中，体应变仪探头埋在地下几十米深处，传感器的膨胀水泥与基岩结合为一体，工作原理简单，仪器精度达到10-9。因此，避免了调试仪器、人为活动等引起的干扰，在很大程度上减少了外部因素的影响，使其能清晰地记录到各种应变潮汐和非应变信息[1]。随着钻孔体应变资料的积累，从事地震科学研究的学者对钻孔体应变的研究也越来越多，如何从中提取出与地震有关的前兆信息是地震分析预报人员一直想要攻克的难题。地震预报的关键是寻找地震前兆，基于浅源大地震的成因是地壳运动的结果，监测地壳变形或运动，获取地震前兆，早已是各国开展地震预报的重点[2]。地震的孕育和发生是震源区及其附近地壳应变能量积累和快速释放的过程[3]。当地震孕育到后期，震源区及其附近应变能高度积累，处于临界状态。固体潮是临界状态的一种重要触发因素，深入研究固体潮对地震的触发作用及机制不仅对地震成因有重要的理论意义，而且在地震预报上也有重大实际意义[4-5]。从2007年山西地区地震监测资料数字化以来，钻孔体应仪观测资料就具备观测质量高，连续性较好的特点，能清晰记录到8级以上强远震及初动明显且波形完整的地震同震响应。因此，为进一步深入分析与挖掘数据，试图通过维尼迪科夫Venidikov调和分析方法及小波分解法对钻孔体应变前兆异常信号进行分析和提取，同时对强远震引起的同震响应也进行研究。

1 计算原理

地球在日、月等天体引潮力的作用下产生周期性的弹性形变，即固体潮。固体潮是目前唯一能够预先准确计算出理论值的地球物理现象，主要是利用不同谐波运动角度速度不同这一差异性，对固体潮进行调和分析。维尼迪科夫(Venidikov)方法对资料连续性要求相对较低，只需48 h内连续即可，这对多年观测数据的系统处理是非常有利的[6]。固体潮观测值可以表示为：

(1)

(2)

Mj、Nj还可以表示为：

(3)

每连续48 h的观测值经滤波后，对各类分波波群得到两个方程，取一段时间内的观测资料，使方程的个数多于未知数的个数，便可根据式(2)、(3)，经过变换后，利用最小二乘法求出分波波群的潮汐因子和相位滞后等参数。

2 研究区域及资料选取

研究时挑选并收集整理了山西太原、代县、大同和临汾4个台站的钻孔体应变分钟值数据，由于这些台站的数据连续性较好，所以具备数据分析的基础。同时，对数据进行预处理，包括去除间断、阶跃、突跳和气压干扰等。选取2008年以来全球13次M≥8.0强远震，统计其对山西地区的4套钻孔体应变仪记录资料的影响，包括潮汐因子变化、同震响应延迟时间等信息。

3 分析过程

3.1 同震响应分析

对山西地区2008年以来13次强远震同震响应波进行计算，分析了13次地震对4个台站的体应变同震响应特征，根据其变化形态来判断其变化性质。为充分分析体应变对地震波的响应过程，选取地震当天体应变变化形态，从响应延迟时间、响应幅度、显示的应力特征等方面进行分析(见表1)。

表1 4个台站同震响应统计表Table 1 Statistics of coseismic response of 4 stations

从上表看出，钻孔体应变的同震响应特征主要以压缩波为主，个别存在突跳形态，只有新西兰8.0级地震没有记录到同震响应，而且都具有不同长短的延长时间，在4个台站钻孔体应变响应幅度大小方面，基本是同步的。文章只统计了4个钻孔体应变台在8级以上地震的同震形态，台站和震中距之间的关系对于同震响应特征的影响，还需要进一步研究。

3.2 震前潮汐因子变化特征

大量实验结果表明，潮汐因子等参数的时间序列变化能在一定程度上反映周边介质物性的非线性变化过程[7]。正常情况下，一个地方的潮汐因子会在一定幅度内上下波动。借助这一基础，通过计算各台站钻孔体应变的M2波潮汐因子，对强远震前体应变震例进行统计，对13次强远震震前1 a的潮汐因子进行计算，由结果得知，萨摩亚群岛地区8级地震、鄂霍次克海8.2级地震、智利北部沿岸近海8.1级地震和墨西哥沿岸近海8.2级地震在震前1 a时间内固体潮变化幅度较大。其中萨摩亚群岛地区8级地震前，大同台和代县台240多天时变化较大，潮汐因子分别由3.75和2降到了1附近，太原台和临汾台相对大同台和代县台的潮汐因子变化较小(见第3页图1)；在鄂霍次克海8.2级地震前，太原台的潮汐因子变化较为显著，在这次地震前约150 d时，潮汐因子由1.5突升至6.75左右，持续45 d后又突降至1.5左右，并处于稳定状态，其他3个台站的潮汐因子变化不大(见第3页图2)；在智利北部沿岸近海8.1级地震前，临汾台和大同台的潮汐因子变化较大，临汾台由0.25升至3.2的峰值后突降再突升，最后降至稳定状态，大同台由0.5升至2.5后突降到1附近的稳定状态(见第3页图3)；在墨西哥沿岸近海8.2级地震前，临汾台的潮汐因子由1.5降至0，后缓慢上升至1.25的水平，太原台在1.25的水平波动，大同台和代县台稳定在0.5的水平，呈水平直线状态(见第3页图4)。

图1 萨摩亚群岛地区8级地震前潮汐因子变化Fig.1 Change of tide factors before M 8 earthquake in Samoa area

图2 鄂霍次克海8.2级地震前潮汐因子变化Fig.2 Variation of tidal factors before the M 8.2 earthquake in the sea of Okhotsk

图3 智利北部沿岸近海8.1级地震前潮汐因子变化Fig.3 Variation of tidal factors before the M 8.1 earthquake in the coastal waters of northern Chile

图4 墨西哥沿岸近海8.2级地震前潮汐因子变化Fig.4 Variation of tidal factors before M 8.2 earthquake in coastal waters of Mexico

笔者整理了2008年以来全球8级以上地震、国内南北地震带6级以上地震和山西地区4级以上地震，如第3页表2所示，通过计算山西地区4套钻孔体应变仪的潮汐因子发现，上述4次国外地震前后也伴有国内6级以上地震发生。如2009年9月30日萨摩亚群岛地区发生8.0级地震前，我国汶川县发生了8.0级地震。那么，大同台和临汾台潮汐因子的异常变化到底对应哪次地震呢？笔者认为，以目前的研究水平来看，还无法区分是近震还是远震引起的，现在可以明确的是在大地震前，钻孔体应变的潮汐因子确实存在较大的异常变化，这对研究和预测地震有一定的意义。

表2 2008年以来国内外主要地震目录Table 2 Main earthquake catalogue at home and abroad since 2008

3.3 小波分解

为进一步分析强远震前体应变临震异常特征，对13次强远震前的数据进行5阶小波处理，结果发现，部分地震在震前有相对微弱的高频信号出现，以萨摩亚群岛地区8级地震前10 d的小波分析结果为例。如图5所示，阶数越高信号越微弱，振幅主要在±30×10-9之间，持续时间较短。

图5 萨摩亚群岛地区8级地震5阶小波分析结果Fig.5 5th order wavelet analysis results of M 8 earthquake in Samoa area

4 结论及讨论

利用太原台、代县台、大同台和临汾台体应变观测资料，采用多种数学方法对2008年以来体应变观测资料进行处理，系统分析强震前异常信息和特征，初步形成以下结论：

(1) 4个台站有11次强震记录到了同震响应，仅有2016年11月14日新西兰8.0级地震和2015年10月21日瓦努阿图群岛8.2级地震无同震响应。汶川地震引起4个台站的同震响应特征以突跳为主，其他地震引起的则以波动压缩为主。

(2) 对体应变的潮汐因子分析，发现震前潮汐因子变化较大，主要变化特征为突升突降，说明在孕震过程中地壳活动有一个相对活跃的状态。但目前还无法区分是强远震还是近震引起，可以参考水位、水温同震响应研究成果，针对某一钻孔应变台站，结合地质、水位、构造、温度等背景材料，从机理上做进一步的分析研究。

(3) 小波变换可给出不同层数下信号分解的近似和细节部分，可以进一步了解数据在不同频段内的变化。通过利用小波分析法对强远震前10 d日值数据的处理发现，某些类型的地震在震前存在一些微弱的高频信号，但容易被信号中的其他优势成分所掩盖。