郯庐断裂带、聊考断裂带均为山东省内主要的地震断裂带。2023-08-06 02:33山东省德州市平原县发生M5.5地震，08-09 03:28山东省菏泽市牡丹区发生M2.6地震，2次地震震中均位于聊考断裂带和郯庐断裂带附近，其中平原M5.5地震是近40 a来山东境内发生的最大地震，属浅源地震，震源深度10 km左右，地震影响范围较大，山东、江苏、河北、河南、安徽等地均有明显震感。体应变作为定点形变观测的重要手段之一，可连续直接观测形变的微动态变化(地壳介质应变呈压缩或拉伸状态)，分辨率为10^－9，可捕捉地壳介质破裂前的应变变化信息，为地震前兆研究提供重要依据。徐州台体应变仪于平原地震发生前至菏泽地震发生后(2023-08-05 19:44~08-09 23:16)记录到异常变化，本文通过分析2次地震前后体应变观测数据的异常变化特征，探讨该异常与孕震信息的关系，为未来周边区域地震趋势的预测提供参考。

1 台站概况

徐州地震台位于苏、鲁、豫、皖四省交界的徐州市南郊风景区云龙山第八节东坡，地质构造上属华北断块区南部，附近主要断裂有东部的郯庐断裂带、西部的聊考断裂带、北部的丰沛断裂带及南部的符离集断裂带。

TJ-Ⅱ型体应变仪于2019-05安装在徐州地震台院内1号井孔测点，探头深度65 m，岩芯完整，岩性为寒武系中统厚层灰岩。仪器工作状态优良，记录的应变固体潮汐曲线清晰规则，观测精度及数据质量在全国名列前茅。

2 异常情况

如图 1所示，徐州台体应变数据2023-08-01 12:38出现异常，呈加速压性变化，08-02 00:08恢复正常。平原M5.5地震发生前1 d(08-05 19:44)数据再次出现明显异常，呈突然增大的加速压性变化，一直持续至菏泽M2.6地震发生后(08-09 23:16)恢复正常，异常后期数据多次出现大幅张性(向下)台阶变化，记录的固体潮趋势与异常前原正常固体潮趋势几乎相同。因第1次异常出现时间距平原M5.5地震较远，且原因不够明确，而第2次异常出现在平原M5.5地震前，故本文主要对第2次异常现象进行分析。第2次异常由震前异常、同震变化和震后异常组成。对体应变观测系统进行全面检查，仪器主机、数采及供电等设备运行正常；对台站周围3 km范围进行调查，环境地貌均无异常变化，没有新增的大型施工场地，也未发现有大量抽水现象；同时排除降雨、雷电和气压等气象因素干扰。

3 异常分析 3.1 精度分析

体应变潮汐因子利用基于最小二乘法的维尼迪柯夫调和分析法计算各个波群的观测振幅与理论振幅的比值，体应变的内符合精度为M₂波潮汐因子的相对中误差^[1]，计算公式为：

$ \alpha=\frac{S}{R_\alpha} $

式中，S为M₂波中误差，R_α为M₂波潮汐因子。

如表 1所示，体应变异常发生前潮汐因子较上月变化一般在±1%以内，说明仪器运行状态一直较为稳定，产出的数据质量较高。而2023-08潮汐因子相对变化幅度远超正常水平，属于异常变化所致。

3.2 差分分析

体应变观测数据的每日变化相对稳定，但普遍存在零漂情况。造成数据的零漂主要有3个方面的因素：仪器自身漂移、地壳继承性新构造运动及外界(温度、气压、湿度、电压等变化)干扰^[2]，其中强降雨对体应变零漂的影响较大。为进一步分析体应变数据异常与降雨的关系，基于体应变正常数据长期零漂趋势基本一致的特性认为，体应变日均值差分结果也应在一定范围内相对稳定。为探究体应变压性异常变化原因，对2023-01-01~08-31体应变日均值观测数据进行一阶差分，并与徐州台RTP-2型气象三要素降水量数据进行对比分析。

如图 2所示，体应变数据异常发生前(01-01~08-04)日变值较为稳定，一般在(－20~150)×10^－9范围内浮动，5月份有2次降雨影响造成超限，每次超限时段降雨量累积超过100 mm。体应变数据异常(08-05~09)过程中，日变值分别为124×10^－9、389×10^－9、527×10^－9、429×10^－9和282×10^－9(图 3)，远超正常范围，且该时段无降雨。异常结束后日变值恢复稳定。因此，基本排除仪器自身漂移和降雨的干扰，认为异常可能是由地壳内部密度变化或物质迁移造成的。

3.3 分钟值异常分析

徐州台体应变仪2020-01运行至今工作稳定，观测数据可靠。2023-08-06 02:33平原M5.5地震发生前，即08-05 19:44体应变观测数据开始出现异常，持续至08-09 03:28菏泽M2.6地震发生后(08-09 23:16)恢复正常。

如图 4和5所示，震前体应变异常特征主要表现为2023-08-05 19:44~20:57短时压性变化，08-05 20:58~08-06 02:32数据曲线噪声略微增大，期间00:20~33、02:18~30噪声变化较为明显，且总体趋势较以往数据呈加速压性变化。08-06 02:33~46记录到山东省德州市平原县发生M5.5地震，震中距约为334 km，地震持续时间14 min，最大震幅约19.3×10^－9。平原M5.5地震发生后，异常特征(曲线噪声增大和加速压性变化)更为明显，08-09菏泽M2.6地震发生后，异常持续至23:16，体应变数据曲线恢复至正常形态，期间22:39~23:12多次出现张性台阶，累积变化量为－1 054×10^－9。

由于主破裂(主震)发生前，破坏性地震会发生许多不同速度和不同规模的破裂^[2]，因此，此次体应变异常有可能记录到的是平原M5.5地震的孕育过程，即进入临震状态阶段出现的应变不稳定变化。

3.4 小波分析

小波分析方法在时间域及空间域中均有解析信号局部特征的能力，同时具备多分辨率特性，因此可分解合成信号的不同频率成分。目前，小波分析已被应用于定点形变观测资料分析和前兆异常提取等领域^[3]。

小波分析变换公式为：

$ W_{\varphi f}(a, b)=\frac{1}{\sqrt{a}} \int_{\infty}^{-\infty} f(t) \varphi\left(\frac{t-b}{a}\right) \mathrm{d} t $

(1)

式中，Wφf(a，b)为小波变换后的各频段分量；a为尺度因子，控制小波函数的伸缩；b为时间平移因子，控制小波函数的平移；$\frac{1}{\sqrt{a}} \varphi\left(\frac{t-b}{a}\right) \mathrm{d} t$为小波母函数；f(t)为原始信号。

小波分析的小波基种类较多，在以往研究中，针对形变数据异常分析常使用DB₄小波基函数进行分析。应用此方法对徐州台钻孔体应变2023-01-01 00:00~08-31 23:00整点值数据进行6阶小波分解，其中体应变小波分解1~2阶小波结果主要为高频成分，异常时段较为突出；3~4阶小波结果主要为固体潮汐信息，整体变化平稳，敏感信息不明显；5~6阶小波结果主要为去除潮汐成分的非潮汐信息，分解幅度变化相对较小，存在的波动与降雨影响和异常时段互相对应^[4]。由图 6可见，M5.5地震前后多数波段均出现了不同程度的异常变化，其中高频段较为明显，如1~2阶小波结果。

小波变换时频分析是一种分析非平稳信号局部特性的有效方法，可提供信号在时域和频域的联合表示，以更好地理解体应变数据的变化规律和特征^[5]。绘制体应变数据异常前后(2023-07-01 00:00~08-31 23:00)小波分析时频分布。如图 7所示，正常时段能量基本集中在0.02~0.1 Hz频段，震前异常期出现了低频和高频扰动：低频处0.01~0.02 Hz频段有能量增强的信号出现，幅度明显，能量强度明显高于正常时段，平原M5.5地震发震时刻处低频能量达到顶峰后逐渐减弱；高频处0.20 ~0.35 Hz频段能量虽不及低频段，但相对于正常时段程度不失显著，且分布频段宽。震后异常期，频域出现了较大幅度相对稳定的能量表现，时域能量表现时强时弱。异常结束后，低频能量和高频扰动逐渐减弱至消失^[6]。

4 结语

对比平原M5.5地震前后体应变异常变化可知：

1) 通过对台站仪器进行全面核查，同时对周围环境进行深入了解，没有发现导致体应变数据出现异常的干扰因素；

2) 由精度分析可知，体应变潮汐因子的相对变化基本合规，精度符合观测规范要求标准，说明仪器工作状态正常；

3) 由一阶差分体应变数据和降雨量数据对比可知，降雨不是引起异常的原因。

从体应变分钟值时序分布和体应变小波分析结果可以看出，平原M5.5地震前后数据显现出连续突出的异常变化。由于地震前的短临阶段是介质进入非线性最为复杂的变化阶段，该阶段包含强烈的前兆反应及显著的速度变化^[7]，综合分析认为，可将平原M5.5地震前1 d，即2023-08-05 19:44~08-06 02:33徐州台体应变的数据异常作为地震的临震前兆异常，而2023-08-05~09的压性异常变化则是该地震震前、同震及震后的完整映震过程。由于地震前兆具有复杂性，在目前的认知水平下尚无法真正识别该区域的临震异常^[8]，后期将结合类似异常事件不断检验及完善。