2020, Vol. 40
通常情况下，跨断层形变观测受降雨、温度、地下水等环境因素干扰和观测误差影响，会给地震前兆信息识别带来一定困难。为了排除干扰，提取明显的地震前兆信息，有学者先后提出低通滤波[1]、信息流合成[2]、小波分析[3-4]等一系列方法，并取得显著效果。
经验模态分解(EMD)是一种非线性信号处理方法，该方法依据数据自身的时间尺度特征进行信号分解，无需预先设定基函数，适用于非稳态、非线性的动态数据分析[5-7]。本文利用EMD方法对山西断裂带跨断层观测时间序列进行分解与重构，尝试提取信号中的异常信息，以分析断层的形变特征。
1 资料概况山西断裂带跨断层形变观测最早开始于1972-01，目前在测的共有11处跨断层流动场地和4处定点台站，均匀分布在山西断裂带的盆山构造部位，流动场地水准观测周期为1~2个月，定点台站水准观测周期为1~5 d，均为等间隔观测，每个测点(流动场地/定点台站)布设有1~4条测段。为了可靠地反映断裂的活动水平和状态，本文选择测点(场地/台站)监测效能较好[8-9]、起测时间较早且测段长度等资料较为完整的13个测点的13条跨断层测段1980年以来的观测数据进行分析(表 1)。
|
表 1 山西断裂带跨断层监测概况 Tab. 1 Overview of cross-fault monitoring stations in Shanxi fault zone |
对选取的13条测段数据资料进行预处理，包括剔除跨断层形变观测数据中明显由干扰因素引起的突变等，并对观测数据进行连续性检验，剔除重复数据，再使用线性插值获得连续等间隔观测数据(流动场地每2个月1期，定点台站每1个月1期)。
2.2 EMD方法的分解与重构采用EMD方法将形变观测信号分解为一组不同尺度、内在、客观的固有模态函数(IMF)和余项R。仿真数据和实际形变数据处理结果显示[6, 10-11]，EMD的IMF高频分量能够直接反映形变数据的高频信息；余项R能粗略描述原始形变数据的整体变化趋势；IMF低频分量则可以对余项R未捕捉到的局部趋势细节进行补充，细化对原始形变数据趋势的描述。本文采用单位根检验方法判断IMF分量的平稳性，通过快速傅里叶变换(FFT)计算每个IMF分量的平均周期。在综合考虑信号平稳性和平均周期的基础上，对EMD信号进行组合重构。
2.3 利用高频平稳信号分析地震前兆异常山西断裂带跨断层形变观测数据EMD的高频分量如IMF1、IMF2，经单位根检验为平稳时间序列，包含年内到年度的变化信息，可用于短期和中长期地震预报。将其组合重构为高频平稳信号，以信号周期相位偏离正常值超过2倍均方差作为异常判断指标，结合山西断裂带及其周围地区的典型地震进行前兆异常分析，地震参考《中国震例》按照震中距进行筛选并结合文献[12-13]进行补充。
2.4 利用低频趋势信号分析断层形变特征将IMF低频分量和余项R组合重构为跨断层运动趋势项，因各测点的测站布设数量和测线长度不尽相同，为方便比较，将各测段的垂直形变速率单位统一为mm·a-1·km-1，并以此为基础分析山西断裂带断层形变的时空分布特征。
3 计算结果分析 3.1 前兆异常特征分析对山西断裂带跨断层观测数据进行分析，结果表明，部分测段高频平稳信号有显著异常，且异常前后测点附近地区有中强及以上地震发生。
以太原为界，山西断裂带北段及其邻近地区中强地震较活跃，部分测段重构的高频平稳信号在1989-10大同MS6.1、1991-03大同MS5.8、1996-05包头MS6.4、1998-01张北MS6.2、1999-11大同MS5.6、2002-09寿阳MS4.7、2010-04大同MS4.5和2010-06太原阳曲MS4.6等地震前后出现明显异常(图 1)。其中，1989-10大同MS6.1、1996-05包头MS6.4和1998-01张北MS6.2强震前多个测点的异常同步特征明显。
|
图 1 山西断裂带北段高频平稳信号 Fig. 1 High-frequency stationary signals in the north of Shanxi fault zone |
2003~2005年大同、下达枝和停旨头等测点先后出现的异常可能与2006年文安MS5.1地震有关，2010年后代县和茶房口等测点出现的异常可能与忻州、五寨和原平发生的几次4级左右有感地震有关(图 2)。
|
图 2 高频平稳信号异常时空演化图 Fig. 2 Spatio-temporal evolution of high-frequency stationary signal abnormalities |
山西断裂带南段及其邻近地区地震活动性相对较弱，部分测段的重构信号在2003-11洪洞MS4.9、2010-01运城MS4.8和2016-03盐湖MS4.5等地震前后有明显异常(图 3)。广胜寺和峪里测点1980~1985年出现的异常可能与1981年隆尧MS5.8和1985年任县MS5.3地震有关；1994年前后出现的异常可能与1994-04灵石MS4.4地震有关(图 2)；2008年前后4个测点先后出现的异常可能与汶川MS8.0地震有关。
|
图 3 山西断裂带南段高频平稳信号 Fig. 3 High-frequency stationary signals in the south of Shanxi fault zone |
定义异常指标S=(重构信号相位偏离正常值的幅度/2倍均方差)－1，当S≥0时为异常；当S＜0时为非异常。为更直观地展示前兆异常的时空演化特征，以时间为X轴，纬度为Y轴，绘制异常指标S的时空演化图。由图 2可以看出，1996-05包头MS6.4和1998-01张北MS6.2地震是发生在山西断裂带以外邻近构造带上的强震，2次地震前后山西断裂带跨断层形变都具有明显的同步异常特征。地震前兆异常的分布具有异常测点数量较多(6~8个)、分布范围较广(几乎涵盖山西北部大同盆地和忻定盆地的所有测点)、距离震中较远(约200~400 km)等特点，反映地震的孕育过程需要在较大范围内进行，可能包含相邻的几个地震带。山西断裂带与其邻近构造带在构造上密切联系，构造活动也相互影响和制约，因此当邻近构造带上有强震发生时，山西断裂带可能会显示部分异常信息[14]。
1989-10大同MS6.1地震是山西断裂带内1980年以来发生的最大地震，异常测点集中分布于震中所在的大同盆地及相邻的忻定盆地，距离震中较近，不超过200 km，异常与地震的孕育和发生过程直接相关或存在因果关系，具有由远及近、由外围向震中转移的特点。另外，山西断裂带北段发生的1991-01忻州MS5.1、1991-03大同MS5.8、1999-11大同MS5.6地震和南段发生的2003-11洪洞MS4.9、2010-01运城MS4.8等中强地震震前异常测点的数量相对较少，约1~3个，且较为集中地分布在震中200 km范围内。
3.2 断层运动特征分析以IMF低频分量和余项R的重构信号作为断层运动的趋势项描述，利用重构信号计算断层的垂直形变速率(图 4)，单位mm·a－1·km－1，其中速率为正表示张性，速率为负表示压性。计算结果显示，山西断裂带断层以继承性正断活动为主，下达枝(唐河断裂)、停旨头(五台山山前北麓断裂)、眉音口(系舟山断裂)和广胜寺(霍山山前断裂)等测点在观测期间的垂直形变速率为正负交替，反映断层的张压性交替变化。
|
图 4 断层垂直形变速率统计 Fig. 4 Statistics of the vertical fault deformation rate |
1992~2019年同步观测时段的计算结果显示，山西断裂带断层运动的分段特征明显，忻定盆地的垂直活动速率较小，处于相对闭锁状态，以停旨头测点为界，断层的垂直活动速率向南北两端增大[15]。
考虑到1989-10大同MS6.1、1996-05包头MS6.4、1998-01张北MS6.2、2008-05汶川MS8.0和2011-03日本MS9.0等地震可能对山西断裂带断层的活动产生影响，参考已有的研究成果[15-20]，将重构趋势信号分为1980~1989年、1990~1999年、2000~2008年、2008~2011年和2011~2019年5个时间段，分别计算断层的垂直形变速率(图 4)。可以看出：
1) 1980~1989年断层以继承性正断运动为主(下达枝和广胜寺测点除外)，以下达枝测点为界，断层的垂直活动速率向南北两端递增，南段略大于北段。临汾测点资料显示，其所跨断层的活动速率最大，为4.35 mm·a－1·km－1，可能与该时段山西北部及邻区地震相对较平静，而中南部相邻的河北及山东地区中强地震较活跃有关。
2) 1990~1999年山西北部大同、忻州及其相邻的河北、内蒙古等地区中强地震活跃，山西断裂带中北段大同盆地和太原盆地内的监测资料反映，测点所跨断层的垂直活动速率明显加快，下达枝测点呈继承性转折变化。忻定盆地和临汾盆地内断层的垂直活动速率减小，停旨头和眉音口测点呈逆继承性转折变化，反映山西断裂带的闭锁由大同盆地向南转移至忻定盆地，广胜寺测点维持逆继承性运动不变。该时段南端运城盆地内风柏峪测点的垂直活动加速明显，可能与该区域长期开采地下水有关。
3) 2000~2008年山西断裂带及其邻近地区地震活动相对平静，除下达枝测点监测资料表明断层的垂直活动速率略减缓外，其他测点均显示所跨断层的垂直活动速率增加，反映构造带所受的拉张作用增强。其中，大同盆地内断层的垂直活动速率增加缓慢，可能因为其仍处于1990~1999年地震活跃期的恢复阶段；忻定盆地、太原盆地和临汾盆地内断层的垂直活动速率增加相对较明显，停旨头、眉音口和广胜寺等测点呈继承性转折变化，可能与该时段内发生的2002-09寿阳MS4.7、2003-11洪洞MS4.9和2006-07文安MS5.1等地震有关。运城盆地内风柏峪测点受环境因素影响较大，垂直活动速率继续大幅增加。
4) 2008~2011年跨断层监测资料显示，停旨头测点呈逆继承性转折变化，大同盆地和运城盆地内断层的垂直活动加速，除受外界环境因素影响外，也可能与2010-01运城MS4.8和2010-04大同MS4.5地震有关。太原盆地和临汾盆地内断层的垂直活动速率减小，张性活动减弱，可能与2008-05汶川MS8.0地震后中国大陆东西部相对运动增强、鄂尔多斯块体与华北平原块体相对挤压和扭错显著增强、山西断裂带形变场由构造拉张转为挤压及局部应变能积累有关[17]。
5) 2011~2019年监测资料显示，断层的垂直活动速率显著减小(代县、停旨头和峪里测点除外)，反映该时段山西断裂带构造张性活动减弱，可能受2011-03日本MS9.0地震及震后松弛对中国大陆板块卸载作用的影响[18]，具体原因有待进一步分析。此外，应县测点(大同盆地)向南至广胜寺测点(临汾盆地)断层的垂直活动速率整体低于历史水平，处于相对闭锁状态，段内下达枝、太原和广胜寺测点呈逆继承性转折变化，应持续关注其后续发展。
利用重构的低频趋势信号分时段分析断层形变特征发现，山西断裂带的中强震多发生在断层的垂直活动速率几乎停滞的闭锁区或逆继承性转折测点附近；受山西断裂带及其邻近地区中强地震的影响，断层的垂直活动速率变化显著，能在一定程度上反映该地区的应力变化情况。
4 结语采用EMD方法将山西断裂带跨断层形变观测资料分解为一系列不同尺度的固有模态函数IMF和余项R，IMF高频分量能够直接反映形变数据的高频信息，余项R能粗略描述原始形变数据的整体变化趋势，IMF低频分量则可以对余项R未捕捉到的局部趋势细节进行补充。本文利用单位根检验方法判断IMF分量的平稳性，通过快速傅里叶变换计算每个IMF分量的平均周期，在综合考虑信号平稳性和平均周期的基础上对EMD的信号进行组合重构，获得高频平稳信号和低频趋势信号，分别用于地震前兆和断层形变特征分析，得出以下结论：
1) 高频平稳信号由经单位根检验为平稳信号，并包含年内到年度变化信息的IMF高频分量重构获得，可用于短期和中长期地震预报。以信号周期相位偏离正常值超过2倍均方差作为异常判断指标发现，山西断裂带及其邻近地区在中强地震前部分跨断层测段高频平稳信号的异常明显，强震前山西断裂带异常测点具有数量多、分布广、距离震中较远等特点，而中强地震前异常测点则较集中分布于震中附近。
2) 利用IMF低频分量和余项R重构获得的低频趋势信号，分析断层的形变特征得出，山西断裂带断层以继承性正断运动为主，分时分段差异运动特征明显。
3) 山西断裂带中强震多发生在断层的垂直活动速率几乎停滞的闭锁区或逆继承性转折测点附近，受山西断裂带及其邻近地区中强地震的影响，断层的垂直活动速率变化显著，能在一定程度上反映该地区的应力变化情况。
| [1] |
张祖胜, 杨国华, 薄万举, 等. 地壳垂直形变速率梯度、断层形变速率变化与强震危险区研究[J]. 中国地震, 1996, 12(4): 347-357 (Zhang Zusheng, Yang Guohua, Bo Wanju, et al. Research on Vertical Crustal Deformation Rate Gradient, Change of Fault Deformation Rate and Strong Earthquake Hazard Area[J]. Earthquake Research in China, 1996, 12(4): 347-357)
(  0) |
| [2] |
薄万举, 谢觉民, 华彩虹. 地形变信息流合成用于首都圈震情判定的研究[J]. 华北地震科学, 1998, 16(1): 41-47 (Bo Wanju, Xie Juemin, Hua Caihong. Researches on Judgement of Capital Circle Seismic Situation upon Crustal Deformation Series Synthesis[J]. North China Earthquake Sciences, 1998, 16(1): 41-47)
( 0) |
| [3] |
李杰, 李明海, 刘希强, 等. 利用小波变换方法分析跨断层形变异常[J]. 大地测量与地球动力学, 2004, 24(3): 73-78 (Li Jie, Li Minghai, Liu Xiqiang, et al. Analysis of Anomaly of Cross-Fault Deformation after Wavelet Transform Method[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2004, 24(3): 73-78)
( 0) |
| [4] |
李杰, 于澄, 朱成林, 等. 沂沭断裂带及附近地区垂直形变特征分析[J]. 地震, 2018, 38(1): 169-179 (Li Jie, Yu Cheng, Zhu Chenglin, et al. Vertical Deformation Characteristics of the Yishu Fault Zone and Its Nearby Area[J]. Earthquake, 2018, 38(1): 169-179)
( 0) |
| [5] |
Huang N E, Shen Z, Long S R, et al. The Empirical Mode Decomposition and the Hilbert Spectrum for Nonlinear and Non-Stationary Time Series Analysis[J]. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 1998, 454(1 971): 903-995
( 0) |
| [6] |
武安绪, 李平安, 鲁亚军, 等. 基于经验模态分解的形变信号滤波处理与异常提取[J]. 东北地震研究, 2006, 22(3): 1-7 (Wu Anxu, Li Ping'an, Lu Yajun, et al. Deformation Signal Filtering Processing and Abnormity Picked-up Based on Empirical Mode Decompsition[J]. Seismological Research of Northeast China, 2006, 22(3): 1-7)
( 0) |
| [7] |
王宁, 吴云, 张燕. 时频分析方法在形变数据中的应用研究[J]. 地震工程学报, 2014, 36(2): 413-420 (Wang Ning, Wu Yun, Zhang Yan. The Application of Time-Frequency Analysis Methods in Deformation Data[J]. China Earthquake Engineering Journal, 2014, 36(2): 413-420)
( 0) |
| [8] |
万文妮. 山西带形变监测场地情况调查[J]. 华北地震科学, 2012, 30(2): 17-22 (Wan Wenni. Investigation on Monitoring Sites of Crustal Deformation in Shanxi Seismic Belt[J]. North China Earthquake Sciences, 2012, 30(2): 17-22)
( 0) |
| [9] |
彭丽娟, 陆明勇. 山西断裂带跨断层流动形变监测探讨[J]. 大地测量与地球动力学, 2019, 39(1): 84-87 (Peng Lijuan, Lu Mingyong. Investigation on Cross-Fault Deformation Monitoring in Shanxi Area[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2019, 39(1): 84-87)
( 0) |
| [10] |
武安绪, 吴培稚, 兰从欣, 等. Hilbert-Huang变换与地震信号的时频分析[J]. 中国地震, 2005, 21(2): 69-77 (Wu Anxu, Wu Peizhi, Lan Congxin, et al. Hilbert-Huang Transform and Time-Frequency Analysis of Seismic Signal[J]. Earthquake Research in China, 2005, 21(2): 69-77)
( 0) |
| [11] |
堵伟鹏, 王怡, 申影. 经验模式分解(EMD)在形变数据分析中的应用[J]. 内蒙古科技与经济, 2019, 419(1): 105-107 (Du Weipeng, Wang Yi, Shen Ying. The Application of EMD in Deformation Data Analysis[J]. Inner Mongolia Science Technology and Economy, 2019, 419(1): 105-107)
( 0) |
| [12] |
张肇诚, 郑大林, 罗咏生, 等. 《中国震例》前兆资料的初步研究[J]. 地震, 1990, 10(5): 9-24 (Zhang Zhaocheng, Zheng Dali, Luo Yongsheng, et al. Preliminary Research on Precursory Data from "Earthquake Cases in China"[J]. Earthquake, 1990, 10(5): 9-24)
( 0) |
| [13] |
李腊月, 许明元, 何庆龙, 等. 山西断裂带断层现今活动特征及与中强震关系浅析[J]. 地震, 2014, 34(4): 143-151 (Li Layue, Xu Mingyuan, He Qinglong, et al. Present-Day Fault Activity Characteristics of the Shanxi Fault Zone and Its Relationship with Moderate-Strong Earthquakes[J]. Earthquake, 2014, 34(4): 143-151)
( 0) |
| [14] |
武烈. 邢台唐山地震对山西地震带的影响[J]. 华北地震科学, 1986, 4(2): 104-108 (Wu Lie. The Effect of Xingtai and Tangshan Earthquakes on Shanxi Seismic Zone[J]. North China Earthquake Sciences, 1986, 4(2): 104-108)
( 0) |
| [15] |
贾晓东, 武艳强, 闫伟, 等. 山西断裂带跨断层形变观测资料动态特征分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2012, 32(3): 35-39 (Jia Xiaodong, Wu Yanqiang, Yan Wei, et al. Dynamic Analysis of Shanxi Fault Zone Cross-Fault Deformation Observation Data[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2012, 32(3): 35-39)
( 0) |
| [16] |
郭良迁, 胡新康, 王秀文, 等. 山西断陷带的形变应变特征及地震活动[J]. 大地测量与地球动力学, 2004, 24(4): 64-71 (Guo Liangqian, Hu Xinkang, Wang Xiuwen, et al. Characteristics of Crust Deformation and Strain of Shanxi Rift Zone and Seismicity[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2004, 24(4): 64-71)
( 0) |
| [17] |
刘峡, 马瑾, 占伟, 等. 汶川地震前后山西断裂带的地壳运动[J]. 大地测量与地球动力学, 2013, 33(3): 5-10 (Liu Xia, Ma Jin, Zhan Wei, et al. Crustal Motion on Shanxi Rift Zone before and after Wenchuan Earthquake[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2013, 33(3): 5-10)
( 0) |
| [18] |
王丽凤, 刘杰, 赵金贵, 等. 2011年日本9.0级地震的同震位错以及震后应力松弛过程对中国大陆的影响[J]. 地震, 2013, 33(4): 238-247 (Wang Lifeng, Liu Jie, Zhao Jingui, et al. Coseismic Slip and Post-Seismic Relaxation of the 2011 M9.0 Tokoku-Oki Earthquake and Its Influence on China Mainland[J]. Earthquake, 2013, 33(4): 238-247)
( 0) |
| [19] |
刘瑞春, 李自红, 赵文星, 等. 汶川M8.0地震前后山西地震带水平形变场变化特征研究[J]. 地震工程学报, 2014, 36(3): 634-638 (Liu Ruichun, Li Zihong, Zhao Wenxing, et al. Characteristics of Horizontal Deformation Field of the Shanxi Seismic Zone before and after the Wenchuan M8.0 Earthquake[J]. China Earthquake Engineering Journal, 2014, 36(3): 634-638)
( 0) |
| [20] |
陈阜超, 塔拉, 陈聚忠. 基于水准剖面的山西断裂带现今活动性研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2015, 35(4): 576-580 (Chen Fuchao, Ta La, Chen Juzhong. Study of Recent Activity in the Shanxi Rift Zone Based on Leveling Profile[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2015, 35(4): 576-580)
( 0) |