楊小林, 丁曉光, 楊錦玲, 危自根
(1. 陜西地震臺(tái), 陜西 西安 710068; 2. 福建地震臺(tái), 福建 福州 350003;3. 中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院, 湖北 武漢 430077)
就地震前兆觀測(cè)和機(jī)理研究而言,雖然可從巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)[2]、數(shù)值模型[3]、統(tǒng)計(jì)模型[4]和觀測(cè)實(shí)證[5]等視角,來(lái)揭示前兆過(guò)程的形態(tài)及演化模式,但真實(shí)的震源物理、地殼介質(zhì)、場(chǎng)地效應(yīng)和非構(gòu)造影響因子等要遠(yuǎn)比理想假設(shè)復(fù)雜,故而在這些影響因子的驅(qū)動(dòng)下,地震前兆往往會(huì)涌現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性,這也使得地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)長(zhǎng)期面臨艱巨的挑戰(zhàn)[6]。
盡管現(xiàn)在針對(duì)前兆“震相”的診斷能力有所提升,但總體而言不盡理想,仍不乏似是而非的誤報(bào)案例。單以定點(diǎn)地形變(以下簡(jiǎn)稱(chēng)地形變)中的降雨干擾而論,其在不同時(shí)空尺度上所產(chǎn)生的地殼變動(dòng)具有高度的非線性,這就足以與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)混淆,所以地震前兆的判識(shí)難度也隨之加劇[7]。例如,1977年新西蘭6.2級(jí)地震前4個(gè)月,惠靈頓地傾斜臺(tái)便出現(xiàn)了大幅傾斜(震中距約50 km),但由于降雨影響的不當(dāng)校正,以致該現(xiàn)象被誤解為地震前兆[8-9];不僅如此,降雨的年際變化還會(huì)引起地形變臺(tái)出現(xiàn)群體性的趨勢(shì)異常[10]。可見(jiàn),客觀判識(shí)和定量診斷降雨因子的干擾,是開(kāi)展形變異常歸因研究的必要前提。
近年來(lái),地震學(xué)者也在這一方面開(kāi)展了大量而有意義的研究。例如,竹本修三[11]根據(jù)巖倉(cāng)(Iwakura)地形變臺(tái)對(duì)不同降雨量的響應(yīng)關(guān)系,擬合出了該臺(tái)降雨干擾的時(shí)變函數(shù);Braitenberg[12]和Chen等[13]則分別采用預(yù)測(cè)和遞歸濾波等數(shù)字信號(hào)處理方法,來(lái)刻畫(huà)鉆孔應(yīng)變對(duì)降雨的響應(yīng)特性;此外,田中寅夫[14]還借助水箱模型(Tank Model)以定量模擬降雨對(duì)洞體應(yīng)變的干擾特征。但這些方法均未考慮滲流和局部裂隙等因子對(duì)觀測(cè)洞室形變場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)影響,因此,有的研究便采用時(shí)移電阻率層析成像方法(Time-lapse Electrical Resistivity Tomography),來(lái)反演山體內(nèi)雨水的滲流過(guò)程[15];更進(jìn)一步,基于這一關(guān)鍵的邊界條件,就能有效算出雨水引起孔隙彈性變形的數(shù)值解[16]。
2008年5月27日16時(shí)37分,在陜西寧強(qiáng)縣境內(nèi)的青川—平武斷裂上發(fā)生了MS5.7地震,震源機(jī)制解顯示該事件以右旋走滑為主,其質(zhì)心深度為24.1 km[圖1(a)]。地震之后,論文“寧強(qiáng)5.7級(jí)地震前陜西定點(diǎn)形變的異常現(xiàn)象”[1],便對(duì)陜西6個(gè)地形變臺(tái)的觀測(cè)資料進(jìn)行了回溯分析,指出寶雞、西安、寧陜和安康等4臺(tái)[圖1(a),(b)]在震前2～6天普遍出現(xiàn)了較顯著的短臨前兆異常,且一些變化在震后3天依然持續(xù)。但在5月20—30日,陜西南部和西部地區(qū)又發(fā)生了大面積的降雨事件。從圖1(a)可以看出,除西安臺(tái)外,其余3臺(tái)均分布于降水落區(qū)內(nèi)。而日常觀測(cè)事實(shí)又表明,降雨是寶雞臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)的主要干擾源,從圖1(c)的逐日降雨量可以看出,在寧強(qiáng)MS5.7地震前2天即5月25日,與該臺(tái)相距約40 km的隴縣氣象站記錄到了16.8 mm的降雨量,這和寶雞臺(tái)洞體應(yīng)變異常的啟動(dòng)時(shí)刻又非常吻合。那么就有理由懷疑,寶雞臺(tái)洞體應(yīng)變所出現(xiàn)的短臨大幅異常(NS分量:約101×10-9,EW分量:約110×10-9)可能是降雨干擾所致,但其擾動(dòng)量有多大？擾動(dòng)形態(tài)又如何,會(huì)呈指數(shù)形式的壓縮和拉張變化嗎？此外,當(dāng)青川—平武斷裂上發(fā)生類(lèi)似中強(qiáng)地震前,該測(cè)項(xiàng)的異常形態(tài)能再現(xiàn)嗎？針對(duì)以上現(xiàn)象或問(wèn)題,文獻(xiàn)[1]并未進(jìn)行縝密分析,反而僅依據(jù)寶雞臺(tái)洞體應(yīng)變異常時(shí)段與發(fā)震時(shí)刻的相關(guān)性,便倉(cāng)促認(rèn)定其為地震前兆。若單從統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的角度來(lái)檢視,相關(guān)關(guān)系也并不意味著因果關(guān)系。可見(jiàn),該研究[1]對(duì)寶雞臺(tái)的判據(jù)尚存不足,值得商榷和實(shí)證檢驗(yàn)。
圖1 寧強(qiáng)MS5.7地震前寶雞臺(tái)洞體應(yīng)變的短臨異常變化Fig.1 Short-term and imminent abnormal changes of cave strain at Baoji station before Ningqiang MS5.7 earthquake
為此,本文著重對(duì)寶雞臺(tái)洞體應(yīng)變的短臨異常進(jìn)行了系統(tǒng)診斷,旨在揭示該變化的物理本質(zhì);相關(guān)結(jié)果,不僅有利于寧強(qiáng)MS5.7地震前兆的去偽存真,而且也能為類(lèi)似異常變化的物理歸因等提供借鑒。
寶雞臺(tái)位于北秦嶺造山帶內(nèi),與隴縣—寶雞斷裂帶相鄰[圖1(a)],臺(tái)站海拔高1 050 m,臺(tái)基巖性為印支期的斑狀黑云母花崗巖,引洞長(zhǎng)22 m,洞室進(jìn)深約60 m,覆蓋層最厚達(dá)47 m,洞室內(nèi)年溫差≤0.1 ℃,日溫差≤0.05 ℃,臺(tái)站地形及洞室布局如圖2所示。
圖2 寶雞臺(tái)地形及其觀測(cè)洞室布局Fig.2 Terrain of Baoji station and layout of observation cave
該臺(tái)伸縮儀為SS-Y型,其N(xiāo)S和EW分量的基線長(zhǎng)度均為29.8 m,采樣率為1次/分鐘。在地面氣象要素觀測(cè)方面,由于該臺(tái)雨量計(jì)故障頻發(fā),所以本文選用了與之相距約40 km的隴縣氣象站的逐日降雨數(shù)據(jù)[圖1(a)]。需要指出的是,該臺(tái)地處山區(qū),而在復(fù)雜地形的強(qiáng)迫下,降雨量的時(shí)空分布會(huì)存在明顯差異[17-19]。因此,隴縣站與寶雞臺(tái)的降雨量可能有所差異,但尚可提供半定量的分析證據(jù)。
首先,本文將寶雞臺(tái)洞體應(yīng)變NS和EW分量在寧強(qiáng)MS5.7地震前的異常變化作為匹配模板,之后對(duì)2008—2019期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工檢測(cè),并最終挑選出12個(gè)較典型的個(gè)例。此外,為增加震例樣本,本文也特別選定了一例“重復(fù)地震”以作對(duì)比。通常來(lái)講,在提取或分析地形變數(shù)據(jù)中的構(gòu)造信號(hào)或降雨影響時(shí),首先要剔除其氣壓效應(yīng)。從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看[20],寶雞臺(tái)洞體應(yīng)變NS和EW分量的氣壓系數(shù)偏小,分別為1.84×10-9hPa和1.78×10-9hPa;加之,洞體應(yīng)變“異常”形態(tài)與氣壓的相關(guān)性較差,且后者變幅也均小于10 hPa。因此,本研究未校正洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)中的氣壓負(fù)荷信號(hào)。
在洞體應(yīng)變異常信號(hào)提取時(shí),鑒于文獻(xiàn)[1]所提的短臨異常為低頻成分,加之洞體應(yīng)變信號(hào)具有非線性非平穩(wěn)特性;所以,本文在剔除洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)的線性趨勢(shì)后,便采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(EEMD)[21]對(duì)預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波,以提取長(zhǎng)周期(>1 800 min)的非潮汐變化。在此基礎(chǔ)上,我們依次將非潮汐變化的第1、2個(gè)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)所在位置,定義為起始和最大響應(yīng)時(shí)刻,二者的時(shí)差為持時(shí),期間的應(yīng)變差值即為最大響應(yīng)量。
另外,寧強(qiáng)和青川地震的震源參數(shù),則采用全球矩心矩張量解(GCMT)。
3.1 震例實(shí)證
若假定寶雞臺(tái)洞體應(yīng)變短臨異常是寧強(qiáng)MS5.7地震的真實(shí)前兆,那么在“重復(fù)地震”且無(wú)或小雨(降水量<10 mm)的情況下,該現(xiàn)象還會(huì)重復(fù)么？為回答該問(wèn)題,本文特意選定了2018年9月12日19時(shí)6分發(fā)生在青川—平武斷裂上的青川MS5.0地震(質(zhì)心深度為24.7 km)作為實(shí)證樣本[圖1(a)]。該事件與寧強(qiáng)地震有3點(diǎn)相似:(1)震級(jí)大體相當(dāng);(2)震源性質(zhì)皆以右旋走滑為主;(3)震中位置相近(間距僅9 km),且均與寶雞臺(tái)相隔約235 km[圖1(a)]。所以,本文將其視為“寬松意義”上的“重復(fù)地震”。
圖3顯示,在9月9日有2 mm的小雨天氣,但其影響極其微弱故可忽略。之后,再細(xì)觀洞體應(yīng)變NS和EW分量的非潮汐變化,可以看出寧強(qiáng)地震的短臨前兆異常(如果確有的話)并未在青川地震前再現(xiàn)[圖1(b),3(a)]。這也不難理解,該測(cè)項(xiàng)在寧強(qiáng)地震前的短臨異常很可能源自降雨而非地震。因此,文獻(xiàn)[1]的論斷難以通過(guò)實(shí)證檢驗(yàn)。
圖3 青川MS5.0地震前寶雞臺(tái)洞體應(yīng)變(a)和逐日降雨(b)的短期變化Fig.3 Short-term variation of cave strain (a) and daily rainfall (b) at Baoji station before the Qingchuan MS5.0 earthquake
3.2 降雨干擾的統(tǒng)計(jì)實(shí)證
為客觀論證寶雞臺(tái)洞體應(yīng)變?cè)趯帍?qiáng)地震前的短臨異常是降雨干擾所致,本文將其“異常”形態(tài)與另外12個(gè)降雨干擾的典型特征進(jìn)行了半定量的統(tǒng)計(jì)實(shí)證。圖4給出了4例較為典型的干擾變化,其余8例的干擾統(tǒng)計(jì)特征詳見(jiàn)表1。需要指出的是,本文采用的是逐日降雨數(shù)據(jù),所以還無(wú)法精確給出洞體應(yīng)變響應(yīng)時(shí)段內(nèi)(分鐘級(jí))的累計(jì)降雨量。為簡(jiǎn)化問(wèn)題,我們僅粗略統(tǒng)計(jì)了洞體應(yīng)變起始響應(yīng)前一日至最大響應(yīng)當(dāng)日的累計(jì)降雨量;此外,洞體應(yīng)變的最大響應(yīng)量即為降雨的擾動(dòng)量。
從圖4大致可以看出,不同降雨量對(duì)洞體應(yīng)變的擾動(dòng)過(guò)程具有明顯的共性特征,即當(dāng)累計(jì)降雨量較大時(shí)(>10 mm),NS和EW分量的非潮汐變化就會(huì)以指數(shù)形式響應(yīng)至極值,其中,前者皆為壓性應(yīng)變,后者反之;而后,兩者便會(huì)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)折并延續(xù)降雨干擾前的走勢(shì)。此外,受控于降雨形式的多樣性,不同個(gè)例持時(shí)的差異也非常明顯,但主要集中在0.8～2.8天;而對(duì)于NS和EW分量而言,二者的持時(shí)分別為1.2～2.8天、0.8～2.5天,前者的響應(yīng)時(shí)間要略長(zhǎng)于后者(表1,圖1、5);二者最大響應(yīng)幅度則介于34.8×10-9～476.1×10-9之間,其中,EW分量(34.8×10-9～476.1×10-9)普遍高于NS分量(-57.7×10-9～-282.4×10-9)(表1、圖1、5),最大可達(dá)193.7×10-9[圖1(b)]。再者,從這12個(gè)統(tǒng)計(jì)樣本來(lái)看,NS和EW分量最小的驅(qū)動(dòng)降雨量均為16.6 mm。
更進(jìn)一步,將以上特征與寧強(qiáng)地震前的短臨異常進(jìn)行對(duì)比(圖5),便可發(fā)現(xiàn)該異常的形態(tài)[圖5(a)]、持時(shí)[圖5(a)]和量級(jí)[圖5(b)]均符合降雨干擾的統(tǒng)計(jì)特性。因此,從這一簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)所形成的半定量結(jié)果,便可有效推斷出該異常主要源于16.8 mm的降雨干擾。
3.3 降雨干擾的機(jī)理分析
從前文中可以看出,EW分量對(duì)降雨干擾的響應(yīng)幅度普遍要大于NS分量,這可能是由山體覆蓋層EW和NS向地形、介質(zhì)結(jié)構(gòu)及裂隙網(wǎng)絡(luò)的差異所致[22]。
另外一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是,寶雞臺(tái)洞體應(yīng)變NS和EW分量對(duì)降雨的響應(yīng)性質(zhì)截然相反(圖5),其背后的動(dòng)力學(xué)機(jī)制是什么？鑒于該臺(tái)所在山體精細(xì)的介質(zhì)結(jié)構(gòu)和裂隙網(wǎng)絡(luò)至今不詳,所以本文也只能定性地探討其降雨干擾的機(jī)理。
一般而言,當(dāng)降雨滲入到山體的孔隙和裂隙后,孔隙壓力便會(huì)驅(qū)動(dòng)山體膨脹變形,這也是寶雞臺(tái)洞體應(yīng)變EW分量出現(xiàn)張性應(yīng)變的內(nèi)在機(jī)制,但其N(xiāo)S分量為何會(huì)呈壓性應(yīng)變？這可能主要有以下兩種原因:(1)當(dāng)覆蓋層山體EW向彈性拉張時(shí),其N(xiāo)S向則應(yīng)以壓縮變形進(jìn)行響應(yīng);(2)可能是由于洞室覆蓋層NS剖面上的主導(dǎo)裂隙以大尺度和高傾角為主(圖6),即當(dāng)降雨擴(kuò)散到這些裂隙時(shí),在不斷增強(qiáng)的孔隙壓力作用下,它們的開(kāi)度也隨之變大,進(jìn)而導(dǎo)致NS分量所在的洞室區(qū)段產(chǎn)生壓性應(yīng)變[15]。
圖4 洞體應(yīng)變受降雨干擾的4個(gè)典型個(gè)例Fig.4 Four typical cases of cave strain disturbed by rainfall
表1 其余8個(gè)典型降雨干擾個(gè)例的統(tǒng)計(jì)特征
圖5 降雨干擾持時(shí)、累計(jì)降雨量與洞體應(yīng)變量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系Fig.5 Statistical relationship among rainfall disturbance duration, accumulated rainfall, and cave strain
圖6 降雨干擾引致壓性應(yīng)變的機(jī)理示意圖(修改自Hermann等[15])Fig.6 Schematic diagram of the mechanism of compressive strain caused by rainfall interference (Modified from Hermann, et al.[15])
針對(duì)寧強(qiáng)MS5.7地震前,寶雞臺(tái)洞體應(yīng)變NS和EW分量所記錄到的短臨異常是否為地震前兆這一問(wèn)題？本文利用“重復(fù)地震”和12個(gè)典型的降雨干擾實(shí)例,對(duì)其進(jìn)行了回溯檢驗(yàn)和半定量的統(tǒng)計(jì)實(shí)證,結(jié)果表明該異常難以通過(guò)“重復(fù)地震”檢驗(yàn),而其形態(tài)、幅度和持時(shí)等卻均符合降雨干擾的統(tǒng)計(jì)特征;有鑒于此,本文綜合推定該異常為降雨干擾所致。
但此處需要特別強(qiáng)調(diào)的是,由于寶雞臺(tái)降雨數(shù)據(jù)的缺失,加之所選取的降雨干擾的樣本數(shù)量有限,因此使得本文所統(tǒng)計(jì)的半定量降雨干擾特征可能與實(shí)況不符;另外,尚未探明的巖體裂隙結(jié)構(gòu),也增加了流固耦合滲流模型構(gòu)建的難度。因此,我們對(duì)該臺(tái)降雨干擾機(jī)制的認(rèn)識(shí)也只是定性的。
目前,地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的理論、方法和技術(shù)等仍處于探索階段;加之,地形變臺(tái)網(wǎng)的密集度較低,儀器的布設(shè)模式也非臺(tái)陣式[23]。所以,在形變異常的物理解釋方面,難免會(huì)存在單文孤證或穿鑿附會(huì)等問(wèn)題。誠(chéng)然,這無(wú)益于地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能力的提升。因此,加快發(fā)展適應(yīng)于未來(lái)臺(tái)陣式的觀測(cè)需求和相應(yīng)的動(dòng)力診斷支撐體系,是解決地震前兆研究“軟肋”的關(guān)鍵途徑。
致謝:本文所用降雨數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。
猜你喜歡寧強(qiáng)洞體前兆依蘭地震臺(tái)新老洞體應(yīng)變儀比較研究科技創(chuàng)新與應(yīng)用(2022年22期)2022-08-06混凝土預(yù)制板拼裝技術(shù)在大型氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞建設(shè)中的應(yīng)用機(jī)械工程師(2022年5期)2022-05-14發(fā)光的葡萄小小說(shuō)月刊(2022年3期)2022-02-26發(fā)光的葡萄小小說(shuō)月刊(2022年2期)2022-02-24——寧強(qiáng)">文化名家——寧強(qiáng)文化學(xué)刊(2021年7期)2021-10-20無(wú)底線直播女友，抖音小主為漲粉瘋狂分憂(2019年9期)2019-09-20塔河油田縫洞型碳酸鹽巖油藏水驅(qū)后剩余油分布主控因素與提高采收率途徑石油勘探與開(kāi)發(fā)(2019年4期)2019-09-06哪些現(xiàn)象是地震前兆娃娃樂(lè)園·綜合智能(2018年21期)2018-12-05右肝區(qū)不適或疼痛是肝癌表現(xiàn)的前兆嗎肝博士(2015年2期)2015-02-27塔河油田S80單元縫洞體分布規(guī)律及發(fā)育模式油氣地質(zhì)與采收率(2014年6期)2014-12-16