利用差分法提取大同水管倾斜仪震前异常

李秀英，邓海岩，任选民

(1.大同市地震局，山西 大同 037006；2.同车公司观测站，山西 大同 037038；3.同煤一中观测站，山西 大同 037003)

0 引言

地倾斜观测资料已在我国地震监测预报工作中得到广泛应用,有关专家、学者对地倾斜观测震前异常特征做了大量的研究工作，取得了较多重要研究成果[1-6]。目视水管倾斜仪由于仪器故障率少、抗干扰能力强、观测资料长期稳定可靠，在我国地震监测预报领域中发挥了一定的重要作用。

同煤一中地倾斜观测站是大同市目前唯一的目视水管倾斜仪观测站，该仪器已运行二十多年，积累了大量的长周期观测资料。为探讨大同市地倾斜观测资料的映震特征，以同煤一中地倾斜观测数据为依据，采用差分法进行分析，为研究该地区的地震活动提供参考依据。

1 观测站背景概述

1.1 区域历史地震及构造背景

公元1 000年以来，1626年灵丘7级地震是大同行政区划历史上发生的最大地震。1989年大同-阳高6.1级地震、1991年大同-阳高5.8级地震、1998年河北张北尚义6.2级地震及1999年大同-阳高5.6级地震是晋冀蒙交界区近二十多年来发生的较大地震事件，该地备受地震学者、专家的关注。

大同市位于晋冀内蒙交界区，是全国历史文化名城，又是山西北部经济、文化中心，地处大同盆地的北端。盆地内主要有北东走向的口泉断裂、北东东走向的六棱山北缘断裂、恒山北缘断裂3条主要活动断裂，对盆地形成、发育、新构造格局和地震活动有一定的影响，形成了以北东西南向为主体的断裂构造(见图1)。

图1 大同盆地活动断裂分布图[7]Fig.1 Distribution of active faults in Datong basin

同煤一中地倾斜观测站位于大同盆地的北端西缘，处于口泉山脉东侧，海拔高度为1 070.3 m。观测站位于口泉山前冲洪积扇中下部,周边地势较为平坦。根据地质勘察资料，本地15 m深度范围之内，表层杂添土之下地层以粉土为主，夹有砂层。地下水位埋深约10 m左右，北西侧的口泉断裂为当地主体构造。

1.2 仪器安装情况

同煤一中地倾斜观测始于1983年，1992年后在新建观测楼一层观测室内安装两套水管倾斜仪，同时在两边仪器墩上各布置温度计1部。仪器墩体结构为砼结构，其中，N端仪器墩长62 cm，宽56 cm，高60 cm。S端与E端共用一个仪器墩，长107 cm，宽57 cm，高63 cm。W端仪器墩长55 cm，宽54 cm，高55 cm。墩的四周设有隔震槽，深度直达墩的底部。观测室以正E-W、正N-S方向布设，观测仪器分别是SQ型水管倾斜仪及DG-1A型静力水准仪。前者EW向基线长10.14 m，主要对EW向的倾斜变化进行观测；后者NS向基线长12.05 m，主要对NS向的倾斜变化进行观测。考虑一年四季的温差变化，在该仪器观测房间加装暖气，室内温差不大(见图2)。

图2 同煤一中观测站地倾斜仪器布设图Fig.2 Layout of ground tilt instrument for observation station in Tongmei No.1 middle school

1.3 数据的可靠性分析

(1) 大同市同煤一中地倾斜自1995年有观测资料以来，数据稳定、连续、可靠，每年各测项连续率均在100%(除1999年因电缆工程造成近2月的中断外)。EW向使用的是SQ型水管倾斜仪，具有清晰的年变动态，日变幅最大不超过1″；NS向使用的是DG-1A型水管倾斜仪，仪器以正北方向布设，年变动态清晰，日变幅最大不超过1″(见图3)。

(2) 从DG-1A型及SQ型水管倾斜仪的仪器性能上看，这两种仪器均是一种多测头的连通器，采用水平面作为垂直形变观测的基准。在日常观测中，通过螺旋测距仪观测钵体内水柱高度的变化。此类仪器结构简单、稳定性好、抗干扰能力强。

(3) 虽仍采用目视人工读数，但观测人员在该工作岗位上已工作近三十多年，有丰富的观测经验、仪器调试及维护的能力，为保证资料的连续、稳定及可靠提供了可靠的条件。

(4) 据文献[8]的研究结果，该观测站观测数据受降雨、温度、地下水等自然因素变化及100 m外观测环境的变化(建筑工程)影响不大，且1995-2017年以来，观测站周边无大的环境变动。

综合以上分析得出，同煤一中地倾斜观测EW、NS向具有清晰的年变动态，仪器工作状态稳定，观测数据连续可靠。

图3 同煤一中地倾斜1995-2017年日均值曲线变化图Fig.3 Variation chart of daily mean value curve of ground tilt in Tongmei No.1 middle school from 1995 to 2017

2 数据处理方法及资料的选取

2.1 方法介绍

(1) 差分算术值。

ΔMi=Mi+1-Mi(i=1,2,3,…,n)，

式中：Mi为观测值；ΔMi为一阶差分值。若ΔMi>0，表示下一个观测值为相对增加；若ΔMi<0，则下一观测值为相对减少，因而ΔMi称为算术值。

(2) 差分绝对值。

ΔMi=|Mi+1-Mi|。

(3) 差分异常频次累计序列。

式中：ΔMi为一阶差分值；k为控制线倍数，一般取2～3倍；σ为差分序列的均方差；Ni为异常0-1化序列，则差分异常频次累计序列为：

式中：ΔN为一阶差分异常频次；Nmj为异常频次累计序列；k为累计长度(旬、月、半年)。

一阶差分反映了地倾斜速率的变化，相当于一个高通滤波器，能够保留高频成分，去掉趋势性及周期性等成分。根据相关文献[9]在地震孕育过程中，可能出现形变的速度或加速度变化，且异常信息主要包含在残差中；二阶差分反映地倾斜加速度变化的情况，具有一定的物理意义，该法普遍适用于各类台站。

2.2 资料选取

选取同煤一中地倾斜EW向、NS向1995-2017年的观测资料，收集整理22年间发生在晋冀蒙交界区300 km范围内M5.0以上地震目录(来源于中国地震台网目录)(见表1)。

表1 晋冀蒙交界区300 km范围内1995年-2017年M≥5.0地震目录Table 1 The seismic catalogue of M5.0 magnitude and above in the 300 km range of Shanxi-Hebei--Inner Mongolia border area

3 资料分析

同煤一中地倾斜自1995年有观测资料以来，EW、NS向两测项形变异常对发生在晋冀蒙交界区300 km范围的中强地震均有不同程度的反映(见图4、图5、第23页图6)。通过对研究时段内异常出现次数与中强地震映震率统计得出，EW向一阶差分出现异常后3个月内发震约占25%，在3个月至1年左右发震约占40%；EW向二阶差分出现异常后在3个月内发震约占22%，在3个月至1年左右发震约占50%。NS向一阶差分出现异常后在3个月内发震约占23%，在3个月至1年左右发震约占20%；NS向二阶差分出现异常后在3个月内发震约占57%，在3个月至1年左右发震约占21%(见表2)。

同煤一中地倾斜观测EW向在3个月至1年，异常发震时间占比较大，在3个月内异常发震占比较小。NS向在3个月内异常发震时间占比较大。

表2 同煤一中地倾斜观测1995-2017年异常出现次数与中强地震映震统计表Table 2 Statistical table of the number of abnormal occurrence and the reflection of moderate and strong earthquakes in the ground tilt observation in Tongmei No.1 middle school from 1995 to 2017

根据相关文献[1，10]的研究，以2倍均方差为异常阈值，若连续2点以上超出阈值或半年至一年以上多个单点超出阈值，均判定出现异常，并在观测台站的一定范围内存在发生中强地震的可能。下面以表1所列的几个地震为例进行详述。

(1) 1996年5月3日内蒙古包头西乌拉特前旗6.4级地震。

在震中距观测站300 km之处，EW向震前出现1组差分值≥2.0倍标准差的异常，且一阶二阶差分异常时段比较一致，均为1995年4月2日至4日异常结束后1年1个月发生了内蒙古包头西乌拉特前旗6.4级地震；NS向震前出现2组差分值≥2.0倍标准差的异常，一阶二阶差分异常时段基本相同，为1995年9月4日至6日、1996年1月13日至15日，异常结束后3个月发生了6.4级地震(见图4)。

图4 同煤一中地倾斜观测1995-1996年差分值曲线图Fig.4 Difference value curve of ground tilt observation in Tongmei No. 1 middle school from 1995 to 1996

(2) 1998年1月10日张北尚义6.2级地震。

在震中距观测站153 km处，EW向震前一阶二阶差分出现2组差分值≥2.0倍标准差的异常，且时间同步，即1997年1月30日-2月3日、8月24日至26日，地震发生在异常结束后4个月；NS向震前一阶二阶差分同时出现2组差分值≥2.0倍标准差的异常，即1997年5月11日-8月26日、10月29日至31日，地震发生在异常结束后2个月(见图5)。

图5 同煤一中地倾斜观测1997-1998年差分值曲线图Fig.5 Difference value curve of ground tilt observation in Tongmei No. 1 middle school from 1997 to 1998

(3) 1999年3月11日河北张北5.6级地震。

在震中距观测站161 km处，EW向震前一阶二阶差分同时出现3组差分值≥2.0倍标准差的异常，即1998年3月21日至25日、9月4日至6日、11月26日至28日。异常结束后3个月发生了河北张北5.6级地震；NS向在5.6级地震前无明显异常(见图6)。

图6 同煤一中地倾斜观测1998-1999年差分值曲线图Fig.6 Difference value curve of ground tilt observation in Tongmei No. 1 middle school from 1998 to 1999

(4) 1999年11月1日大同-阳高5.6级地震。

在震中距观测站56 km处，EW向震前一阶二阶差分同时出现3组差分值≥2.0倍标准差的异常，即为1998年3月21日至25日、9月4日至6日、11月26日至28日。异常结束后11个月发生了大同-阳高5.6级地震；NS向一阶差分震前出现3组差分值≥2.0倍标准差的异常，即1999年4月28日至30日、8月22日至26日、10月19日至21日，震前异常明显，异常结束后10 d发生了5.6级地震。二阶差分无明显异常反映(见图6)。

4 结论与讨论

(1) 同煤一中地倾斜观测2个测项在晋冀蒙交界中强地震前的反映表现为EW向优于NS向，但不同测项对不同地震所表现出的异常特征有所不同。EW向一二阶异常时段具有准同步性，异常发震时间在3个月至1年，占比较大，在3个月异常发震占比较小；NS向在3个月内发震占比较大。有些震前有异常显示，有些则无。

(2) 同煤一中地倾斜观测资料对晋冀蒙交界区中强地震具有一定的映震反映，且震中距越远，出现异常的时间越早；震中距越近，异常的出现越临近发震时间。由于研究时段样本数量有限，且受该地区构造特点的影响及孕震成因的复杂性，EW、NS两个测项映震反映存在一定的差异性。

(3) 在实践观测中，采用差分法分析异常，由于异常原因的多解性，往往造成虚报。因此，在判别异常后，不仅要结合日常观测日志，还要结合周边同类型观测项目及该区的其他观测手段变化情况，有助于分析异常的可靠性，进而为地震预测预报提供可靠判据。

(4) 文章所得结论只是对观测资料处理方法的一种尝试结果，使用该方法对地震进行有效预报，还需长时间进一步检验、修正和完善。