近年来，许多学者对分量钻孔应变在不同时间尺度下的前兆异常开展研究。池顺良等^[1]发现芦山7.0级地震前明显的应变阶跃异常，认为可能是临震前兆信号；张治广等^[2]认为，倾斜固体潮畸变信号可能是震前异常信号；蒲小武等^[3]发现，汶川地震前武都分量钻孔应变有显著的前兆异常变化；刘琦等^[4]研究了2016年门源6.4级地震前分量钻孔应变的异常变化；邱泽华等^[5]发现姑咱台分量钻孔应变记录到汶川地震前短周期的毛刺异常信号。经过多年积累，钻孔应变已成为地震预报的有效手段之一。

2016-12-08新疆自治区呼图壁县发生M_S6.2地震，震中位置43.83°N、86.40°E，震源深度6 km，震源机制解以逆断为主。本文首先介绍了距离震中102 km的巴伦台分量钻孔应变震前1 d出现的短临异常变化，然后通过对观测资料、仪器、环境及气象因素的核实论证异常的可靠性，并讨论该异常的时频变化特征。

1 测网及资料概况

呼图壁6.2级地震震中300 km范围内有18个定点前兆形变台站，共39套观测项目，其中倾斜类26套、应变类13套(图 1)，仅巴伦台分量钻孔应变在震前出现显著的短临异常变化。

巴伦台站位于和静县巴伦台镇，站点靠近山脚，坡度较大。钻孔孔深157 m，高程约2 725 m，孔口距观测房约20 m。仪器型号是RZB型电容式多分量钻孔应变仪。2014-09开始观测，仪器运行稳定，资料连续；2015-07仪器故障，期间无观测数据；2016-10正常工作。

2 异常变化特征及可靠性分析 2.1 短临异常变化特征

2016-12-07 14:22巴伦台分量钻孔应变4个分量准同步出现快速压缩变化，14:42结束，异常持续20 min，其中14:22~14:28快速压缩，14:28~14:36压缩速率变缓，14:36~14:42再次快速压缩变化。4个分量异常特征一致(图 2(a))。NS分量异常变化幅度为1.363×10^-7(图 2(b))，NE分量为1.358×10^-7(图 2(c))，EW分量为1.164×10^-7(图 2(d))，NW分量1.436×10^-7(图 2(e))，4个分量异常幅度相当。异常结束22 h 34 min后，距巴伦台102 km的呼图壁发生M_S6.2地震。二者是否相关，值得研究。

2.2 观测数据质量评价 2.2.1 相对标定计算和自检内精度

相对标定是对各个观测元件之间的相对灵敏度进行标定，以了解各个元件工作是否正常，相对标定系数越接近1，越符合理想情形。利用相对标定系数进行评价时，只能判断单个元件的观测数据。为了评价4个元件的观测数据质量，提出用自检内精度来客观反映。自检内精度值越小，则两组面应变一致性越好，观测质量越好。

巴伦台四分量钻孔应变观测数据分为两个时段，第一时段是2015-01~07，第二时段是2016-11~2017-03，缺数时段是仪器故障。4个元件的相对标定系数和自检内精度见表 1，可以看出，第二时段的自检内精度小于第一时段，说明仪器修复后观测数据质量有所提高，一致性较好。

2.2.2 面应变相关系数

在分量式钻孔应变中，1号和3号、2号和4号相互垂直，1号+3号和2号+4号结果越一致，仪器探头与围岩耦合效果就越好，记录的资料越可靠。面应变相关系数第一时段更接近1，观测数据质量高；第二时段一致性较好，相关性低于第一时段(表 2，图 3)。

2.2.3 潮汐因子和相对误差

对巴伦台分量钻孔应变预处理后的观测值进行逐月调和分析并计算应变潮汐参数，见表 3。可知，各分量应变潮汐因子值相对稳定，相对误差较小，符合技术规范要求。

2.3 仪器工作状态和环境调查

12-07畸变异常前后数据曲线光滑，固体潮形态好，且记录到12-08呼图壁M6.2级地震同震变化，表明异常期间仪器工作状态正常。异常测点周边无地貌变化、无大型施工作业、无人工干扰源，因此可以认为该异常变化真实可靠。

2.4 气象因素干扰剔除分析

12-07分量应变出现异常期间，气压和水位观测资料无明显变化(如图 4)，可以排除气压和水位的干扰。

3 高频信号特征分析

超限率方法是在高通滤波基础上，利用观测数据中高频成分的均方差SD或α倍SD来描述高频成分^[6-7]。数量超限率即单位时间内超出阈值范围的超限点数量，强度超限率即单位时间内所有超限点超出阈值范围的绝对值累加和：

$ {X_S} = \sum\limits_{j = 1}^N {\left( {\left| {{{X'}_j}} \right| - {\rm{SD}}} \right)} $

(1)

S变换方法采用尺度可变的局部高斯窗，使其时频分辨率具有频率相关性，既具有小波变换的多尺度特性，又具有傅里叶变换的无损可逆性, 且能够将二维的观测数据时间序列转换成时频平面上的三维信号，更清晰地反映数据中各频率信号的频谱动态演化^[8]：

$ S(\tau , f) = \int\limits_{ - \infty }^\infty {\frac{{\left| f \right|}}{{\sqrt {2\pi } }}} s(t)\exp \left( { - \frac{{{{\left( {\tau - t} \right)}^2}{f^2}}}{2}} \right){{\rm{e}}^{ - 2\pi ift}}{\rm{d}}t $

(2)

式中，τ、f分别表示时间和频率，均为实数。

首先选择Hamming窗高通滤波器，保留周期小于4 h的准高频信号。由于趋势项、潮汐项等主要成分已被滤掉，极大地提高了高频成分的信噪比。然后，对经过高通滤波的数据计算超限率和S变换。

图 5是巴伦台分量钻孔应变NS和EW分量的S变换时频计算结果(其他2个分量类似)。4个分量于2016-12-07准同步出现压性阶变异常，之后12-08发生呼图壁6.2级地震，阶变异常前后均有光滑的固体潮记录。异常信号集中在1 440~10 min频段，NS分量最大信号强度为185×10^-10，EW分量最大为140×10^-10。同震信号主要集中在60~10 min频段，最大信号强度仅有40×10^-10，明显低于异常信号。

从图 6看，2016-12-07出现显著高频异常，其他时段相对正常。选用3、3.5倍均方差为阈值计算的超限率显示，高频异常从12-06开始逐渐增强，12-07达到峰值，12-08基本恢复，S变换的最大幅值和平均幅值也在12-07达到最大。而NS和NE分量这种压性阶变异常出现在原始曲线趋势压缩时段，可能反映区域应力增大的背景下钻孔附近岩石在临震前出现挤压破裂。巴伦台钻孔应变的4个分量中，NS和NE分量的压性阶变出现在压缩背景时段，EW和NW分量出现在拉张背景时段，而呼图壁地震震中位置正好在巴伦台的NNE方向，符合该区域应力受挤压不断增强的背景。部分机构给出呼图壁地震的震源类型为逆断型。同震结果显示，NS和NW分量同震阶变表现为拉张性质，而EW和NE分量表现为压缩性质。地震发生时常伴随积累应力的释放，因此，表现拉张性质的NS和NW向应力可能得到释放。

4 结语

判断一个地震台站应变资料出现的异常变化是否为地震前兆，需要确定3个必要判据：1)有正常背景；2)非干扰影响；3)与地震相关^[5]。巴伦台分量钻孔应变4个分量在呼图壁地震前记录到压性临震异常变化。其周边无干扰源，主要的干扰是气压和水位，文中已排除。因此，该异常能满足依据的前两个条件。至于是否与地震相关，值得讨论。由于钻孔应变观测还受钻孔耦合、介质各向异性、仪器漂移等一系列因素的影响，使得准确判定异常的信度还面临较多困难。在没有充分证据否定之前，本文暂将其作为短临异常列出，为后人继续研究提供资料。

在多次强震前，倾斜仪记录曲线出现畸变、掉格等，一般出现在震前几天，最长出现在震前5个月。不少学者将这种现象解释为是主破裂前震源区微破裂的扩展、预滑等^[9-11]。此次压性阶变与掉格现象类似，很可能与震源区外围某些薄弱部位的缓慢破裂过程有关。