摘 要：汶川地震前,姑咱台钻孔应变仪观测到频繁的周期从数分钟到数小时的脉冲变化,经过高通滤波,可看出姑咱台钻孔应变仪观测到的脉冲异常变化与汶川地震有明显的相关性。为了验证这种脉冲的异常变化与汶川地震的相关性,提出3条判断地震前兆的相关性特点,并用超限率分析法,对这种前兆异常进行了系统的、定量的分析。这种前兆现象与“地震前驱波”相去甚远,其统计特征与岩石破裂前的声发射现象类同。
1 引言
造成巨大灾害的汶川大地震的发生没有成功预报,再一次引发了地震界对大地震能不能成功预报的争论,争论的焦点是汶川地震之前到底有没有异常信号?
据目前公认的看法,在所有各种地球物理量中,应力(应变)变化与地震有最直接的联系。近年来,伴随美国“板块边界观测(PBO)”项目的开展,钻孔应变观测尤其引人注目[1]。Qiu, et al[2]曾论证,唐山地震前震中地区的两个钻孔应力台观测到互相可比的、与地面形变数据配套的异常应力变化,这说明大地震震中地区钻孔应变仪可以观测到地震前的前兆变化。
我国的钻孔应变观测台网“十五”期间得到迅速发展。然而,令人遗憾的是,所有钻孔应变观测点都距离汶川地震的震中区相当远,使用常规的分析方法,根本识别不出明显、可靠的前兆信号[3]。
池顺良[4]提出,姑咱台YRY-4型钻孔应变仪刚安装正常运行时固体潮形态完整而光滑,而汶川地震前却观测到频繁的周期为分钟或小时的脉冲变化,是一种前兆异常。传统的地震预报分析,通常不使用分钟值钻孔应变数据,但近年来关于地震前驱波的讨论[5-7],对钻孔应变资料对分钟值的分析有了新的认识。周龙寿等[8, 9]提出了超限率分析法来定量地检验前驱波,结果表明,大地震前并非普遍存在可以远距离传播的前驱波。姑咱台观测的脉冲变化是否是可靠的汶川地震前兆信号?是否是地震的前驱波?如何进行定量的描述?有无地震预报的考价值?对这些问题的研究均具有重要的现实意义。
2 观测资料
姑咱台位于龙门山断裂带西南延长线上,距汶川地震震中约150 km。姑咱台的YRY-4型四分量钻孔应变仪于2006年10月安装,探头深度约40m,采样率为每分钟1次。自运行以来,除极个别短时段外,一直保持良好工作状态,曲线连续、光滑(图1)。钻孔应变仪观测的是应变的地表附近变化(以张为正)。因为气压的变化直接导致地表附近的应变变化,所以这种观测一般配备有辅助性的气压记录,以便消除其影响。
通常,平面应变状态只有3个独立的分量。四分量钻孔应变仪探头安装了4个元件分别测量等分圆周的4个方向的钻孔孔壁位移,多了一个元件,可以用来验证所有元件观测值的可靠性。可以证明,当仪器工作正常时,只要探头周围介质均匀完整, 4个分量的观测值Si(i=1,2,3,4)就基本满足“自检条件”:S1+S3=S2+S4[10]。反过来,只要观测数据满足这个条件,就可以认为观测仪器工作正常。由图2中可见姑咱台钻孔应变仪的S1+S3和S2+S4曲线近乎相同,这使我们相信其观测资料是可靠的。
3 前兆变化
如图1所示,姑咱台钻孔应变观测曲线汶川地震前有大幅的变动,似乎是前兆信号。但是,四川省地震局分析人员认为这种变化可能是由附近大渡河的水位变化引起的①。其应变观测变化特点是,除与大渡河大体平行的第四分量外,各曲线变化形态相似,而第四分量则因受力小而变化不明显。且姑咱台位于青藏高原边缘,海拔1 450m。从其附近流过的大渡河发源于青藏高原,秋冬季节,降雪结冰,水流减小,且流量相对稳定;春夏季节,冰雪融化,一方面水流迅速增大,另一方面降水等天气过程的影响也很明显,这是决定一年中姑咱台应变观测曲线主要变化规律的环境因素。另外,经过核实,图1中汶川地震前两天的曲线阶跃是仪器调零造成的。因此,大体看来,很难判断姑咱台钻孔应变观测曲线中是否有长周期(以日计)的汶川地震前兆信号。
文献[4]给出两个时段的观测曲线图,一是姑咱台钻孔应变仪安装后,初期固体潮波形连续完整;二是汶川地震前却频繁出现周期为数分钟或数小时的脉冲。并提出这些脉冲在形态上表现为一些“毛刺”和“锯齿”,可能是地震前兆信号。重要的是,即使观测曲线有大量“锯齿”和“毛刺”,观测数据仍然基本满足自检条件。
因为这些脉冲幅度变化不大,所以在图1中难以看出。为检验这种脉冲变化是否是地震前兆,将姑咱台钻孔应变仪安装初期2006年12月1日—2008年10月14日的分钟值数据拼接起来,经过高通滤波(截止频率2小时),将相关短周期的变化突出显示出来,得到图3。
从图3可以看出,姑咱台应变观测资料的短周期的变化,确实与汶川地震有相当明显的相关性。其大体特征是,在初期相对平稳的背景上,越接近地震发生时,脉冲越密集、越大。
有几点需要说明:
1)这种脉冲活动与原始曲线变化特点不同,也就是说,与大渡河水位变化无显著对应关系,它不是冰雪消融的春季才出现,早在降雪结冰的冬季就已经很显著
2)比较高通滤波的应变观测曲线与气压观测曲线可见,这种脉冲活动与天气过程无关;
3)这种脉冲活动不是年变规律,如2007年第一季度几乎没有脉冲变化,而2008年第一季度脉冲变化却很强烈
4)汶川地震主震前后虽然脉冲活动都很强烈,但是二者的性质有所不同:主震前的脉冲没有伴随明显的地震活动,可能是主震前的应力场的调整引起的,而主震后的很多脉冲可能是汶川主地后的中强余震造成的。
4 超限率分析
图3给出的姑咱台钻孔应变观测短周期变化的图像,具有原始、定性的特点。为深入考查这种观测变化,定量地提取异常信号,并确定这种信号与地震的关系,利用超限率分析法来进行研究。
经过高通滤波,观测数据的短周期部分总是在0值的附近变化。将某观测应变分量短周期变化时间序列记为Xi(i=1,…,N),N为数据点总数。该时间序列的均值为:
可用SD来描述短周期部分变化的一般范围,把超出这个范围的点称为超限点,把这个点的观测值X′j的绝对值X′j超出SD的部分X′j-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。这两个超限率都是时间的函数。以日为单位时间,图4给出了姑咱台4个观测应变短周期变化的数量超限率和强度超限率曲线。
根据统计理论,可以合理地预料:对于没有异常的情况,观测值将在由标准差限定的范围内变化,由随机涨落引起的超限情况将均匀地遍布整个时段,即在整个时段上超限率基本上呈现为一条水平直线。若有地震,有前兆异常变化,那么超限率会增大,超出标准差限定的范围。
由随机涨落引起的超限率增大的情况是经常出现的,如何判断某个超限率增大的情况与地震的相关性呢?提出以下3方面的约束:
1)与地震孕育是一个逐渐成熟的过程对应:观测异常大体上越趋近地震发生越强烈;
2)与地震发生是一个突变过程对应:地震时的变化显著大于地震前兆变化;
3)与地震事件的结束对应:异常变化震后衰减。
从图4中各分量曲线可以看出:
1)随着地震发生时刻的临近,数量超限率和强度超限率都不断增大(拟合直线上升)。
2)地震发生时,因为在附近时段超限点普遍存在的背景上,地震的发生已经不能再显著增加超限点,所以数量超限率的增大幅度并不显著;相比之下,强度超限率曲线的增大是十分显著的。
3)主震发生后,数量和强度超限率都明显下降(拟合直线下降);考虑到其中包含众多余震产生的超限点,实际由前兆异常机制产生的超限情况应该更弱。
据此,进一步确认汶川地震前姑咱台钻孔应变仪观测到的频繁的脉冲变化,是地震前兆信号。
5 讨论与结语
目前流行的关于地震孕育与发生的理论尚不能给地震预报以可靠的指引,这是不争的事实。在这种条件下,如何判断某种应变变化是否是地震前兆信号的问题,不能从物理机制出发给出答案。按照文献[3]提出的地震前兆判据,本文从观测物理量的可靠性出发,通过说明异常变化的存在,接下来排除各种干扰的可能性,然后依据这种变化与地震的3个相关性约束,论证了姑咱台应变观测变化是汶川地震前兆信号。但是,这种异常变化的机制无疑是需要探讨的。
把这种异常与目前很多学者讨论的“地震前驱波”相提并论是不恰当的。根据Kanamori& Ci-par[11]最初提出的例子,“地震前驱波”可能是能量比较大的慢地震产生的,波形简单规则,周期为数分钟,传播距离可达上万千米。姑咱台观测的异常出现时间早,脉冲频繁而又形状不规则,周期从数分钟到数小时都有,并且传播距离短,数百千米外的台站就观测不到了。这些都与流行的“地震前驱波”概念有相当大的差别。实际上,Kanamori&Cipar讨论的1960年智利地震可能不过是一个特例。在这个震例中,Ms8. 3主震之前发生了一个Ms6. 8地震,认为伴随这个前震可能存在一个能量巨大的慢地震过程。长期以来,类似现象后来没有重复发现,并未得到普遍的证实。
总之,姑咱台观测到的地震前兆异常变化与岩石破裂前的声发射现象有可比性,可能反映了地震前小尺度的岩层破裂。
对姑咱台观测到的地震前兆信号的确认,可为地震预报提供新思路和新方法。有特别实际意义的是:这种对短周期信号的超限率分析,避开了在长趋势变化分析中难以识别零漂的困难,并且容易与各种常见的干扰影响区分开,是一种比较可靠的分析方法。
与唐山地震前钻孔应力观测的前兆异常变化[2]比较,引人注意的是,二者都是以周期比较短的频繁的脉冲为特点。唐山地震前观测张性应力脉冲的主方向大致垂直于地震断层;姑咱台应变变化的最大主方向整体也垂直于地震断层。唐山地震前观测到这种前兆异常的台站位于发震带上,且幅度变化大,以张性为主;姑咱台在发震带的延长线上,距离主震150 km,且幅度变化小,以压性为主。
参考文献
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4 池顺良.从512汶川地震前后分量应变议观测到的应变异常看建设密集应变观测网络的必要[J].国际地震动态2008,已待刊.
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10 邱泽华,石耀霖,欧阳祖熙.四分量钻孔观测的实地相对标定[J].大地测量与地球动力学, 2005, 25(1): 118-122.
11 KanamoriH and Cipar J J. Focalprocess of the greatChil-ean earthquake onMay 22, 1960[J]. Physics of the Earthand Planetary Interiors, 1974, 9: 128-136.
