形变速率累加法在山西定点水准观测分析及映震的研究

第４２卷㊀第２期２０２０年３月
地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报
C H I N A E A R T H Q U A K EE N G I N E E R I N GJ O U R N A L
V o l ．４２㊀N o ．２
M a r c h ,２０２０
㊀㊀收稿日期:２０１９Ｇ１２Ｇ１２
㊀㊀基金项目:
中国地震局专项:全国地球物理台网数据跟踪分析与产出㊀㊀第一作者简介:荆红亮(１９７５－),女,高级工程师,研究方向为地震前兆观测资料的异常分析.E Ｇm a i l :４７５６６０１２３＠q q
．c o m .荆红亮,张瑞芳,张聪聪,等．形变速率累加法在山西定点水准观测分析及映震的研究[J ]．地震工程学报,２０２０,４２(２):４０３Ｇ４０９．
d o i :１０．３９６９/j
．i s s n ．１０００－０８４４．２０２０．０２．４０３J I N G H o n g l i a n g ,Z HA N G R u i f a n g ,Z HA N G C o n g c o n g ,e ta l ．A p p l i c a t i o no fD e f o r m a t i o n R a t e A c c u m u l a t i o n M e t h o dt ot h e F i x e d Ｇp o i n tL e v e l i n g O b s e r v a t i o n i nS h a n x i [J ]．C h i n aE a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g J o u r n a l ,２０２０,４２(２):４０３Ｇ４０９．d o i :１０．３９６９/j
．i s s n ．１０００－０８４４．２０２０．０２．４０３
形变速率累加法在山西定点水准观测分析
及映震的研究
荆红亮１,
３,张瑞芳２,３,张聪聪１,３,郭国祥１,３,杨㊀静１,３,韩㊀磊１,３(１．山西临汾中心地震台,山西临汾０４１０００;２．山西省地震局,山西太原０３００２５;
３．山西太原大陆裂谷动力学国家野外观测站,山西太原０３００２５
)摘要:将形变速率累加法应用于山西地区４个定点水准观测资料分析,
研究计算结果与本区域及邻区中㊁强地震的对应关系,发现震前一些连续的异常 孤立 点,经过积分放大后,异常信息的提取更直观㊁突出,显示出较好的映震效果;该方法对于跨断层资料的异常识别,具有一定的参考意义.
关键词:形变速率累加法;定点水准观测;山西地区;异常指标中图分类号:P ３１５．７２５㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:１０００－０８４４(２０２０)０２－０４０３－０７
D O I :１０．３９６９/j
．i s s n ．１０００－０８４４．２０２０．０２．４０３A p p l i c a t i o no fD e f o r m a t i o nR a t eA c c u m u l a t i o n M e t h o d t o t h eF i x e d Ｇp o i n t L e v e l i n g O
b s e r v a t i o n i nS h a n x i J I N G H o n g l i a n g １,
３,Z H A N G R u i f a n g ２,
３,Z HA N GC o n g c o n g １,
３
,
G U O G u o x i a n g １,
３,Y A N GJ i n g １,
３,H A N L
e i １,
３
(１．L i n f e nC e n t r a l S e i s m i cS t a t i o n ,L i n f
e n０４１０００,S h a n x i ,C h i n a ;２．S h a n x iE a r t h q u a k eA g e n c y ,T a i y
u a n０３００２５,S h a n x i ,C h i n a ;３．N a t i o n a lC o n t i n e n t a lR i f tV a l l e y D y n a m i c sO b s e r v a t o r y o f T a i y
u a n０３００２５,S h a n x i ,C h i n a )A b s t r a c t :T h e m e t h o do fa c c u m u l a t i o nd e f o r m a t i o nr a t e w a su s e dt oc a l c u l a t ed a t af r o m f o u r
f i x e d Ｇp o i n t o b s e r v a t i o n s i t e s i nS h a n x iP r o v i n c e ,a n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h em e a s u r e m e n t r e s u l t s a n dm o d e r a t e a n ds t r o n
g e a r t
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i nt h i sa r e aa n da d
j a c e n t a r e a sw e r ea n a l y z e d ,a n d s o m e c o n t i n u o u s a b n o r m a l o u t l i e r sw e r e i d e n t i f i e db e f o r e t h e e a r t h q u a
k e ．T h e a n o m a
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n f o r m a Ｇt i o ne x t r a c t i o nw a sm o r e i n t u i t i v e a n d p r o m i n e n t ,s h o w i n g as t r o n g e a r t h q u a k e Ｇr e f l e c t i v e e f f e c t ．T h i s a p p r o a c hh a s c e r t a i n r e f e r e n c e s i g n i f i c a n c e f o r t h e a n o m a l y i d e n t i f i c a t i o no f c r o s s Ｇf a u l t d a t a i nS h a n x i ．
K e y
w o r d s :d e f o r m a t i o n r a t e a c c u m u l a t i o nm e t h o d ;f i x e d Ｇp o i n t l e v e l i n g o b s e r v a t i o n ;S h a n x i a r e a ;a n o m a l y
i n d e x
０㊀引言
地震的发生需要经历一个孕育的过程,地应力的改变必然会导致断层测点的异常变化,而地形变观测最能直观反映地壳形变的变化[１].跨断层水准测量获得的断层形变成果,物理意义明确,在地球动力学㊁活动构造和获取地震异常前兆信息中得到广泛应用[２Ｇ４].应用断层形变资料提取地震前兆信息有斜率差信息法㊁断层形变异常强度㊁最小二乘配置方法以及地球自转日长变化与地壳形变及应力相关性等多种方法[５Ｇ８],上述研究成果表明,跨断层形变的异常识别指标对地震预报方法的探索有着积极的作用.为有效捕获潜在震源区前兆变化信息与断层活动状态,２００７年刘冠中等[９]应用 形变速率累加分析 方法,对新疆跨断层定点形变站的水准观测资料进行了前兆异常指标甄别,异常时间以中期为主,根据计算结果并研究地震活动的对应关系,可为台站周边地区的地震预报提供时间参考指标.本文运用 形变速率累加 法建立数学模型,对收集到的山西地区４个定点短水准１９８５ ２０１８年观测资料进行处理并解算,得到原始观测数据与形变速率累加图进行对比分析,结合山西地区及邻区中㊁强地震,研究形变速率累加异常与地震的关系.
１㊀计算方法及资料的选取
１．１㊀方法模型
当一个数列的任意相邻两项,例如第n项a n和第n－１项a n－１的差的结果是一个特殊数列,这个数列的前n项和可以求出来,就可以使用累加法求数列通项.
对于形如a n＋１＝a n＋f(n)(nɪN)的数列,有:
a２－a１＝f(１)
a３－a２＝f(２)
a n－a n－１＝f(n－１)
将上述n－１个式子相加,可得:
a n＝a１＋f(１)＋f(２)＋ f(n－１)
此方法即为累加法.
跨断层短水准的实际观测序列f(n)包含各种成分,看起来变化多端,但由于它具有可分性和综合性[１０],蕴含了多种物理数学信息,可以做为一个特殊数列,应用上述数学理论方法对其正常情况下实际观测序列f(n)进行理论模拟. 形变速率累加法 即是对原始数据进行一阶差分,以２倍标准差为控制限剔除了在 正常 变化范围内的形变速率,只保留超出控制限的形变速率,对超出控制限的异常数据进行积分放大,可有效地排除短暂㊁非 连续 的速率变化,使得在某时段内较为频繁的速率异常变化更为直观和突出,异常幅度显著,更加易于异常的判定和异常指标的提取,适合应用于日常的分析预报工作中.唐红涛等[１１]用该方法对青藏块体东北缘㊁川滇跨断层资料进行了分析,达到了良好的结果.方法计算模型如下:
V＝|h i－h i－１|㊀(１ɤiɤn)㊀(１)σ＝
nðV２i－(ðV i)２
n(n－１)㊀(１ɤiɤn)㊀(２)
T＝
V－２σ,Vȡ２σ
０,V２σ
{㊀(３)
Z＝ðn i＝１T i㊀(４)式中:V为断层垂直向月形变速率,h为原始观测数据的月均值;(h i－h i－１)为相隔月均值的一阶差分值,在此过程中消除了原始观测资料的趋势变化;n 为原始观测总期数;σ为形变速率V的标准差;T为积分对象,即将Vȡ２σ的形变速率保留,将V＜２σ的形变速率设为０.刘冠中等[９]直接对V进行积分,唐红涛等[１１]将积分对象改进为V－２σ,一阶差分与２倍标准差的残差累积值,更能直观的表达异常分布的结果,本文采用的是后者的方法,Z为形变速率累加值,即对T求积分.
１．２㊀资料的选取
山西断裂带有４个定点短水准观测场地,由北向南分别为大同地震台㊁代县地震台㊁太原地震台㊁临汾地震台(图１).上世纪８０年代施测以来已取得３０余年的观测成果.山西断陷带位于鄂尔多斯块体的东侧,形成于上新世,由延怀㊁大同㊁忻定㊁太原㊁临汾和渭河等右行雁列盆地组成,总体走向N N E,平面上呈 S 型分布.这４个观测场地分别位于大同㊁忻定㊁太原㊁临汾盆地内(图１),监测断裂及相关信息如表１所列.上述断裂,除大同台监测的为N E走向右旋走滑外,其余３个台站全部为N E 向的正断层.观测周期为２０１８年１０月之前每日上㊁下午完成,后改为５天一测.
２㊀计算结果与分析
断层的活动形变异常是地壳运动不可缺少的一
４０４㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年
图１㊀山西地区定点水准观测场地分布图F i g．１㊀S i t e d i s t r i b u t i o no f f i x e dＧp o i n t l e v e l i n g o b s e r v a t i o n
i nS h a n x i a r e a 个分支信息源,但其复测周期短,受干扰因素众多,运用 形变速率累加法 对跨断层观测数据处理后能够提取有用信息,突出异常信息.根据 形变速率累加 方法,编写计算程序,利用公式(１)至(４)分别对大同台B M３－B M１测段㊁代县台B M２－B M３测段㊁
太原台B M１－B M３测段㊁临汾台B M４－B M１测段的观测资料进行处理计算,绘制原始观测曲线图,并与形变速率累加图进行对比分析.选取山西地区以及邻区发生的M Sȡ４．２地震进行分析研究.２．１㊀大同台异常形变累加值与地震的关系
由图２看出,大同盆地及邻区共发生７次M４．２以上地震.地震前,原始曲线图２(a)无明显异常显示,经过速率累加方法处理,在异常曲线图２(b)中,震前一些较为连续的异常 孤立 点被识别,以阶跃的形式表现出来,比较直观明了.如１９８９年山西大同震群(最大震级M６．１)前,１９８８年１月至１９８９年１０月形变累加曲线连续出现２次阶跃,阶跃前后形变速率累加值之差为０．７８８mm,持续时间２２个月,说明此时间段内断层活动相对活跃,速率超出了２倍标准差控制限,异常曲线呈上升趋势;１９９１年代县 原平M５．１地震(震中距１２１k m)㊁山西阳高M５．８地震前阶跃幅度为１．３５１mm,持续时间１０个月;１９９８年张北M６．２地震(震中距１３８k m)㊁１９９９年山西大同阳高M５．６地震前连续出现多次阶跃,
表１㊀研究区域部分台点相关信息表
T a b l e１㊀R e l e v a n t i n f o r m a t i o no f s t a t i o n s i n t h e s t u d y a r e a
场地名称经度纬度所跨断层标石类型测段名称实测走向观测周期大同１１３．２３ʎE４０．１３ʎN口泉断裂带基岩点B M３－B M１N－W１日代县１１３．０５ʎE３９．０５ʎN五台山北麓断裂带基岩点B M２－B M３N－W１日太原１１２．４３ʎE３７．７０ʎN交城断裂带基岩点B M１－B M３E－W１日临汾１１１．３７ʎE３６．０８ʎN罗云山断裂带基岩点B M４－B M１N－W１日
阶跃幅度为１．６１８mm,持续时间３３个月;２００６年河北文安M５．１地震(震中距２９７k m)前变化幅度为１．９１４mm,持续时间１２个月;２０１０年山西大同M４．６地震前阶跃幅度为１．８３４mm,持续时间１２个月.其他时段内速率累加曲线变化相对平稳,形变速率在２倍标准差控制限之内,表明此时间段内断层活动未发生显著异常变化.通过以上统计分析,７次地震对应的异常时段全部在１０个月之上,因此速率累加异常为中㊁长期预报指标,对震中距为３００k m以内的地震有效.速率累加曲线中阶跃还出现了３次,并没有相关地震发生,存在虚报.２．２㊀代县台异常形变累加值与地震的关系
图３看出,代县台原始曲线图３(a)持续波动变化,地震前无明显异常显示.图３(b)中在平静期形变速率累加曲线具有相对稳定的背景,而在地震发生前后,曲线出现较明显的上升,表明地震的孕育与发生可能使断层活动状态发生了变化,断层垂直运动加剧,异常变化比较突出.１９８９年山西大同震群(最大震级M６．１)㊁１９９１年代县 原平M５．１地震㊁山西阳高M５．８地震(震中距１２１k m)前,１９８６年２月至１９９０年３月累加曲线多次抬升,说明该时段内速率连续超出控制限,异常幅度最大为１．２７２mm,异常持续时间最长为３８个月,可以视为这３次地震的综合异常体现;１９９８年张北M６．２地震(震中距２５０k m)前,也有相同形态的上升异常,变化幅度为０．３９３mm,持续时间１３个月;１９９９年山西大同阳高
５０４
第４２卷第２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀荆红亮,等:形变速率累加法在山西定点水准观测分析及映震的研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
６０４㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年
图２㊀大同台B M３－B M１测段原始数据(a)与异常形变累加值曲线(b)对比图
F i g．２㊀C o m p a r i s o nb e t w e e no r i g i n a l d a t a a n da b n o r m a l d e f o r m a t i o na c c u m u l a t i o n
v a l u e o fB M３－B M１s e c t i o na tD a t o n g s e i s m i c s t a t i o n
图３㊀代县台B M２－B M３测段原始数据(a)与异常形变累加值曲线(b)对比图
F i g．３㊀C o m p a r i s o nb e t w e e no r i g i n a l d a t a a n da b n o r m a l d e f o r m a t i o na c c u m u l a t i o nv a l u e
o fB M２－B M３s e c t i o na tD a i x i a n s e i s m i c s t a t i o n
M５．６地震前连续出现多次阶跃,阶跃幅度为０．４８１mm,持续时间１１个月.图３(b)２０００年８月至２００１年６月出现的大幅阶跃与原始曲线图３(a)一致,只是一次独立的突跳,表明该方法对于非连续性的突跳并不能做异常速率积分[９].２０１２年６月至２０１５年７月多次抬升,无地震发生,导致虚报,２００９年山西原平M４．３地震㊁２０１６年原平M４．２地震前累加曲线未出现显著抬升,导致漏报.
２．３㊀太原台异常形变累加值与地震的关系
太原台B M１－B M３测段异常形变累加值曲线只在２００２年山西太原M４．７地震前出现抬升,幅度为０．９０７mm,持续时间４个月,其他两次地震前无明显异常显示.图４(b)中,２００５年３月至２０１６年３月,曲线斜率明显增加,变化幅度为１０．０mm,说明该时间段内可能存在一种外界干扰因素在起主导作用.孟彩菊[１２]对太原地震台短水准受水位影响分析结果表明,２００５年至２００７年太原台附近水位大幅下降,２００８年国家开始对小煤窑进行强制性关闭,水源地地下水位转折上升[１３],水位的大幅变化导致高差变化,掩盖了断层活动引起的真正变化量
.
图４㊀太原台B M１－B M３测段原始数据(a)与异常形变累加值曲线(b)对比图
F i g．４㊀C o m p a r i s o nb e t w e e no r i g i n a l d a t a a n da b n o r m a l d e f o r m a t i o na c c u m u l a t i o n
v a l u e o fB M１－B M３s e c t i o na tT a i y u a n s e i s m i c s t a t i o n
２．４㊀临汾台异常形变累加值与地震的关系
临汾台原始高差曲线(图５)在地震前变化明
显,经过异常速率累加后,效果更加直观,更容易识
别异常.１９８９年发生山西侯马M４．９地震前阶跃幅
度０．６０５mm,持续时间３６个月;２００２年山西太原
M４．７地震㊁２００３年山西洪洞M４．９地震前综合异
常显示,最大抬升幅度为１．６１mm,持续时间２０个
月;２０１０年山西河津M４．８地震前阶跃幅度为０．７１５
mm,持续时间３个月.２０１１年３月至８月的大幅
阶跃分析认为是受日本M９．０地震的影响,与原始
曲线对应一致.
３㊀结果与讨论
(１)综上所述,形变速率累加法为山西定点水
准观测数列异常提供了较为科学的定量变化,特别
是对于震前一些较为连续的异常点,进行积分放大
后能够捕捉到异常信息,异常效果直观㊁突出,更加
容易识别提取,而对于非连续性的突跳并不能做异
常速率积分计算.由此可见,速率累加法对于跨断
层资料的异常汲取具有一定的意义.
７０４第４２卷第２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀荆红亮,等:形变速率累加法在山西定点水准观测分析及映震的研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
图５㊀临汾台B M４－B M１测段原始数据(a)与异常形变累加值曲线(b)对比图F i g．５㊀C o m p a r i s o nb e t w e e no r i g i n a l d a t a a n da b n o r m a l d e f o r m a t i o na c c u m u l a t i o n
v a l u e o fB M４－B M１s e c t i o na tL i n f e n s e i s m i c s t a t i o n
㊀㊀(２)由于山西震例的局限性以及山西断裂带地质构造特殊性,除太原台观测场地受地下水干扰,对个别地震反应较弱外,其他３个观测场地一般对较近距离发生的地震反应显著.M４．２以上地震前３个月或稍长时间形变速率累加曲线会出现阶跃变化,本区域或邻区(震中距在３００k m以内)发生中㊁强地震的概率较大.因此形变速率累加法适用于定点水准观测数列,可以作为地震前兆异常甄别的参考指标.
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E x t r a c t i o n M e t h o d o fA n o m a l i e s o f
F i x e dP o i n t D e f o r m a t i o n o f
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[１３]㊀沈晓松,靳玉贞,孟彩菊,等．太原地震台水位异常分析[J]．地震地磁观测与研究,２０１２,３３(Z２):１７８Ｇ１８２．
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第４２卷第２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀荆红亮,等:形变速率累加法在山西定点水准观测分析及映震的研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀。