張占陽，孫啟凱，何亞東，張俊青，劉 坤

（中國地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180）

0 引言

針對(duì)2017 年新疆精河發(fā)生的MS6.6 地震，前人做了大量研究工作，為震前異常識(shí)別與震后斷層性質(zhì)判定以及構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征分析提供了重要的參考依據(jù)。如張治廣等[1]從熱紅外角度利用相對(duì)功率譜方法基于風(fēng)云衛(wèi)星熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)精河MS6.6 地震前存在明顯的前兆異常，震前28 d 在北天山地震帶的中東部地區(qū)出現(xiàn)相對(duì)功率譜的高值聚集現(xiàn)象，震前13 d 異常面積與幅度達(dá)到最大，隨后在轉(zhuǎn)折恢復(fù)過程中發(fā)震；艾力夏提·玉山等[2]從重力角度利用小波分解方法基于新疆地區(qū)2015—2017 年4 期流動(dòng)重力數(shù)據(jù)分析認(rèn)為震前2 個(gè)月震中以南60 km 處出現(xiàn)重力變化高梯度帶與零值線，且零值線兩側(cè)重力累積變化量達(dá)70 μGal，很可能為精河地震的前兆異常；趙彬彬等[3]從鉆孔應(yīng)變角度利用形態(tài)分析法對(duì)天山中段9 項(xiàng)鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)為其中5 項(xiàng)存在明顯短期異常與臨震異常，異常特征主要表現(xiàn)為壓縮-拉張變化、壓縮速率變快、高頻抖動(dòng)信息、規(guī)律性脈沖以及周期性臺(tái)階變化等；鐘駿等[4]從地下流體角度對(duì)精河MS6.6 地震震中400 km 范圍內(nèi)的51 個(gè)地下流體測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并確認(rèn)了7 個(gè)測(cè)項(xiàng)為前兆異常，震前異常持續(xù)時(shí)間以1—8 個(gè)月為主，且具有階段性特點(diǎn)，異?？臻g分布也不均勻，部分異常形態(tài)特征具有明顯的重現(xiàn)性；宋秀青[5]采用PTD 方法與新疆“2015 地殼速度模型”基于新疆測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的震相數(shù)據(jù)分析計(jì)算后得出本次地震主震震源深度約14 km；蔣祥華等[6]利用地震精定位研究余震空間分布發(fā)現(xiàn)此次地震的余震主要分布于主震西側(cè)，呈現(xiàn)由東至西的單側(cè)破裂特征，進(jìn)而基于G-R 關(guān)系的b 值與衰減系數(shù)h 值證明了該次地震為主-余型地震；郭志等[7]采用矩張量反演方法基于W-Phase 震相資料與全球地震事件波形資料研究認(rèn)為，精河MS6.6 地震為以逆沖型為主的地震破裂事件；劉兆才等[8]應(yīng)用MSATSI軟件基于GCMT 目錄收集的253 個(gè)震源機(jī)制解反演了該地震及其鄰區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)果顯示西北區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的最大主壓應(yīng)力軸的方位由西至東呈現(xiàn)NNW-NS-NNE 的漸變過程，東南區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的最大主壓應(yīng)力軸的方位穩(wěn)定在NNE 向，傾角都較小，最大主張應(yīng)力軸都大體呈EW 向，且傾角相對(duì)較大；翟亮等[9]通過CAP 與GPAT 兩種波形反演方法分析計(jì)算了精河MS6.6 地震主震及部分余震的震源機(jī)制解，并結(jié)合震源區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造推測(cè)近EW 走向的庫松木契克山前斷裂為本次地震的發(fā)震構(gòu)造。

從垂直形變角度來看，目前新疆地區(qū)跨斷層場(chǎng)地（含流動(dòng)場(chǎng)地與定點(diǎn)臺(tái)站）共計(jì)14 處（圖1），距精河MS6.6 地震震中300 km 以內(nèi)的場(chǎng)地8 處，300 km以外場(chǎng)地6 處。張希等[10]通過斷層形變趨勢(shì)累積率方法分析新疆地區(qū)跨斷層場(chǎng)地2012—2017 年6 月的資料發(fā)現(xiàn)，距此次地震較近的古爾圖、巴音溝、伊寧3 處近場(chǎng)場(chǎng)地震前均出現(xiàn)了一定程度的高逆斷趨勢(shì)累積背景異常，又基于跨斷層灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)分析認(rèn)為距震中越近，“逆斷加速”的異常幅度也越大。然而，震例回溯分析發(fā)現(xiàn)，作為新疆地區(qū)唯一的跨斷層定點(diǎn)臺(tái)站，同時(shí)也是距精河MS6.6地震震中約369 km 的遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)地，烏魯木齊臺(tái)站的跨斷層短水準(zhǔn)測(cè)段數(shù)據(jù)震前也出現(xiàn)了較為顯著的短臨異常。本文從數(shù)理統(tǒng)計(jì)角度利用離差統(tǒng)計(jì)分析方法、通過變差系數(shù)與滑動(dòng)時(shí)間窗來定量分析測(cè)段數(shù)據(jù)在2017 年新疆精河MS6.6 強(qiáng)震前后的異常變化特征，進(jìn)而結(jié)合測(cè)段數(shù)據(jù)原始曲線對(duì)該典型震例進(jìn)行定性概括，并根據(jù)各自特點(diǎn)探索結(jié)合兩種方法分析數(shù)據(jù)異常的可行性。

圖1 新疆地區(qū)跨斷層場(chǎng)地分布圖

1 數(shù)據(jù)選取與處理方法

1.1 數(shù)據(jù)選取

使用烏魯木齊臺(tái)站W(wǎng)-N（k）測(cè)段數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)觀測(cè)方式為每日觀測(cè)，數(shù)據(jù)來源于中國地震局第一監(jiān)測(cè)中心全國大地形變測(cè)量技術(shù)管理部。臺(tái)站位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)，地處博格達(dá)弧形斷裂西端的雅瑪里克斷裂F2 分支斷裂上（圖2）。該斷裂附近1965 年11 月發(fā)生MS6.6 地震，此后又有多次中小地震發(fā)生[11-12]，臺(tái)站目前用以監(jiān)測(cè)斷層垂直形變的短水準(zhǔn)測(cè)段有3 個(gè)：E-N（k）、E-W、W-N（k），測(cè)段數(shù)據(jù)自1986 年啟用后一直應(yīng)用于該斷裂鄰近區(qū)域斷層垂直形變趨勢(shì)連續(xù)跟蹤與近場(chǎng)地震監(jiān)測(cè)，并取得了一定成效。經(jīng)驗(yàn)分析表明，相對(duì)于E-N（k）與E-W 測(cè)段數(shù)據(jù)，W-N（k）測(cè)段數(shù)據(jù)的測(cè)量精度略高，對(duì)歷史地震的反映更為敏感，且2017年8 月9 日新疆精河MS6.6 地震前后該測(cè)段數(shù)據(jù)也出現(xiàn)了明顯的震前異常與震后恢復(fù)，從震例回溯分析角度來看基本符合遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)地的震例特征。所以，本研究重點(diǎn)選取W-N（k）測(cè)段2017 年以來的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)包括測(cè)段往測(cè)高差、返測(cè)高差與往返測(cè)高差中數(shù)，所有數(shù)據(jù)均應(yīng)符合臺(tái)站水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)定的相關(guān)精度技術(shù)指標(biāo)[13-15]。

圖2 烏魯木齊地震臺(tái)場(chǎng)地分布圖

1.2 處理方法

測(cè)量數(shù)據(jù)離差統(tǒng)計(jì)分析方法的基本思路為：通過計(jì)算滑動(dòng)時(shí)間窗范圍內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)變差系數(shù)的變化趨勢(shì)來定量分析離差分布曲線與正態(tài)分布曲線的偏離程度，從而研判數(shù)據(jù)是否存在震前異常[16-17]。經(jīng)過前期對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)月尺度的滑動(dòng)時(shí)間窗對(duì)于短臨異常分析效果較好，基于其計(jì)算的臺(tái)站測(cè)段變差系數(shù)與離差分布曲線能更清晰地反映數(shù)據(jù)震前與震后的時(shí)空變化特征[18]。同時(shí)，為保證數(shù)據(jù)可靠性與穩(wěn)定性，首先需要對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用公式（1）剔除掉測(cè)段中往返測(cè)高差不符值超限的數(shù)據(jù)。對(duì)于符合要求的數(shù)據(jù)，再通過離差統(tǒng)計(jì)分析方法生成并利用公式（2）計(jì)算出所有測(cè)段數(shù)據(jù)（往測(cè)高差、返測(cè)高差、往返測(cè)高差中數(shù)）在相應(yīng)時(shí)間窗內(nèi)的離差分布曲線與變差系數(shù)。變差系數(shù)又稱變異系數(shù)，是用相對(duì)數(shù)的形式來刻畫數(shù)據(jù)離散程度的重要指標(biāo)，可以衡量數(shù)據(jù)在時(shí)間與空間上的相對(duì)變化程度[19-21]。最后，在時(shí)間窗滑動(dòng)的過程中根據(jù)變差系數(shù)的變化趨勢(shì)來定量分析離差分布曲線與正態(tài)分布曲線的偏離程度，并結(jié)合測(cè)段數(shù)據(jù)原始曲線研判數(shù)據(jù)是否存在震前短臨異常。

式（1）中：Δ限是測(cè)段往返測(cè)高差不符值限差；N 為測(cè)段的測(cè)站數(shù)。式（2）中：Cv是變差系數(shù)；S 是標(biāo)準(zhǔn)差；為 數(shù)據(jù)集的平均值；為離差；n 為數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)（本文中指所選時(shí)間窗內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)）。從理論角度分析，在數(shù)據(jù)集均值恒定的情況下：標(biāo)準(zhǔn)差S 越小，則變差系數(shù)Cv 越小，說明數(shù)據(jù)的離散程度也越低，其形成的離差分布曲線形態(tài)也越接近正態(tài)分布；反之，標(biāo)準(zhǔn)差S 越大，則變差系數(shù)Cv 也越大，說明數(shù)據(jù)的離散程度也越高，其形成的離差分布曲線形態(tài)也越偏離正態(tài)分布。而實(shí)際情況下，由于本文使用滑動(dòng)時(shí)間窗對(duì)測(cè)段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所以會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)集均值有細(xì)微變化，不過相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)差S 來說，值的大小為S 的幾百倍甚至千倍以上，所以值的細(xì)微變化并不會(huì)對(duì)變差系數(shù)Cv 造成大的影響。

2 結(jié)果分析

以新疆精河MS6.6 地震為例，利用離差統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)烏魯木齊臺(tái)站W(wǎng)-N（k）測(cè)段數(shù)據(jù)的變差系數(shù)與離差分布曲線震前特征與震后變化進(jìn)行定量分析，并結(jié)合原始曲線定性分析臺(tái)站所處斷裂地震前后的活動(dòng)狀況，研究了二者聯(lián)合分析的可行性。

2.1 離差統(tǒng)計(jì)定量分析

圖3a～3j 為通過3 個(gè)月滑動(dòng)時(shí)間窗分析計(jì)算生成的烏魯木齊臺(tái)站W(wǎng)-N（k）測(cè)段數(shù)據(jù)在地震前后的離差分布曲線與變差系數(shù)，圖中橫軸為根據(jù)測(cè)段各數(shù)據(jù)劃分的離差區(qū)間（deviations sections），縱軸為落在離差區(qū)間內(nèi)測(cè)段各數(shù)據(jù)（往測(cè)高差、返測(cè)高差與往返測(cè)高差中數(shù)）的離差頻率（deviations frequencies），并分別以go-k/n、co-k/n 與me-k/n 表示。此外，go-Cv、co-Cv與me-Cv分別表示往測(cè)高差、返測(cè)高差與往返測(cè)高差中數(shù)在對(duì)應(yīng)時(shí)間窗范圍內(nèi)的變差系數(shù)。通過分析效果圖可以看出：當(dāng)時(shí)間窗從圖3a（20170201—20170501）滑動(dòng)到圖3b（20170301—20170601）時(shí)，WN（k）測(cè)段數(shù)據(jù)的3 個(gè)變差系數(shù)變化不明顯，基本屬于正常的背景值，其對(duì)應(yīng)的離差分布曲線也都基本符合正態(tài)分布；當(dāng)時(shí)間窗滑動(dòng)到圖3c（20170401—20170701）時(shí)（震前1 個(gè)月8 天），該測(cè)段數(shù)據(jù)的3 個(gè)變差系數(shù)出現(xiàn)了急劇增大，其離差分布曲線也明顯偏離了正態(tài)分布；當(dāng)時(shí)間窗滑動(dòng)到圖3d（20170501—20170801）時(shí)（震前8 d），該測(cè)段數(shù)據(jù)的3 個(gè)變差系數(shù)仍然維持高值狀態(tài)，其離差分布曲線在偏離正態(tài)分布的同時(shí)也變得更加紊亂，并于2017 年8 月9 日發(fā)生了新疆精河MS6.6 地震，震中位于臺(tái)站西偏北約369 km 處（圖1）；當(dāng)時(shí)間窗滑動(dòng)到圖3e（20170601—20170901）～3h（20170901—20171201）時(shí)，該測(cè)段數(shù)據(jù)的3 個(gè)變差系數(shù)呈現(xiàn)出增大—減小的趨勢(shì)，其離差分布曲線也表現(xiàn)出恢復(fù)到正態(tài)分布的跡象；當(dāng)時(shí)間窗滑動(dòng)到圖3i（20171001—20180101）～3j（20171101—20180201）時(shí)（震后5 個(gè)月余），該測(cè)段數(shù)據(jù)的3 個(gè)變差系數(shù)逐步恢復(fù)到正常的背景值范圍，其對(duì)應(yīng)的離差分布曲線也恢復(fù)為正態(tài)分布。

當(dāng)然，為更清晰表達(dá)圖3 中變差系數(shù)數(shù)值隨時(shí)間窗滑動(dòng)的變化趨勢(shì)，可通過時(shí)序圖予以展示（圖4）。圖4 中橫軸為日期，縱軸為測(cè)段各數(shù)據(jù)在相應(yīng)時(shí)間窗內(nèi)的變差系數(shù)數(shù)值。通過圖4 可以看出W-N（k）測(cè)段數(shù)據(jù)的3 個(gè)變差系數(shù)在新疆精河MS6.6 地震前1 個(gè)月左右均出現(xiàn)了明顯增大，震后5 個(gè)月左右又逐漸恢復(fù)到正常范圍。從異常時(shí)間進(jìn)程來看，WN（k）測(cè)段數(shù)據(jù)異常在精河MS6.6 地震前3 個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)，震后6 個(gè)月內(nèi)緩和或消失，應(yīng)屬于短臨異常時(shí)間范圍，加之臺(tái)站距此次地震震中約369 km，故該測(cè)段數(shù)據(jù)對(duì)于精河MS6.6 地震所反映的異常變化特征應(yīng)屬于典型的遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)地震例特征。

圖3 烏魯木齊地震臺(tái)W-N（k）測(cè)段2017 年精河MS6.6 地震前后不同時(shí)間窗內(nèi)離差分布曲線

圖4 烏魯木齊地震臺(tái)W-N(k)測(cè)段變差系數(shù)時(shí)序圖

2.2 原始曲線定性分析

烏魯木齊臺(tái)站W(wǎng)-N（k）測(cè)段橫跨雅瑪里克斷裂南側(cè)的F2 分支斷裂，該斷裂走向?yàn)镹E60°，傾向SE，傾角60°～70°，W 點(diǎn)位于斷裂上盤（南盤），N 點(diǎn)位于斷裂下盤（北盤）（圖2）。從數(shù)據(jù)趨勢(shì)層面來看：圖5 中W-N（k）測(cè)段數(shù)據(jù)原始曲線顯示其2017 年6 月后出現(xiàn)加速下降，至6 月20 日到達(dá)階段性低點(diǎn)-1 587.05 mm，之后加速拉升，在拉升過程中于8 月9 日發(fā)生新疆精河MS6.6 地震，至11 月17 日達(dá)到階段性高點(diǎn)-1 585.51 mm，最大拉升幅度達(dá)1.54 mm，之后轉(zhuǎn)為波動(dòng)下降趨勢(shì)。數(shù)據(jù)趨勢(shì)反映到斷層活動(dòng)層面來看：雅瑪里克斷裂南側(cè)F2 分支斷裂的兩盤2017 年6 月后出現(xiàn)快速擠壓，6 月20 日后轉(zhuǎn)為快速拉張，在拉張過程中發(fā)生新疆精河MS6.6 地震，11 月17 日后又轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓趨勢(shì)。所以，綜合兩個(gè)層面看，斷層活動(dòng)性質(zhì)出現(xiàn)較明顯的快速轉(zhuǎn)變時(shí)可能會(huì)造成斷層面破裂，從而引發(fā)地震。而新疆精河MS6.6 地震位于近EW 走向的庫松木契克山前斷裂，較大的震級(jí)致使地震能量由西至東傳遞到博格達(dá)弧形斷裂西端的雅瑪里克斷裂上，導(dǎo)致遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)地烏魯木齊臺(tái)站W(wǎng)-N（k）測(cè)段數(shù)據(jù)大幅變化。前文提及，新疆地區(qū)跨斷層流動(dòng)場(chǎng)地中，除古爾圖、巴音溝、伊寧等幾處近場(chǎng)場(chǎng)地在精河MS6.6地震前出現(xiàn)一定程度的異常，其他場(chǎng)地震前異常變化并不是很明顯，可能與這些流動(dòng)場(chǎng)地觀測(cè)周期較長(zhǎng)（2 次/a）且距此次地震震中較遠(yuǎn)，無法精準(zhǔn)捕捉、連續(xù)跟蹤斷層活動(dòng)有一定關(guān)系，后續(xù)還需要繼續(xù)研究。

圖5 烏魯木齊地震臺(tái)W-N（k）測(cè)段原始曲線

對(duì)比兩種分析方法，不難看出：離差統(tǒng)計(jì)分析能基于變差系數(shù)數(shù)值變化定量地反映出測(cè)段數(shù)據(jù)離差分布曲線的變化趨勢(shì)，變差系數(shù)數(shù)值的成倍或多倍增大往往說明離差分布曲線正在明顯的偏離正態(tài)分布，而經(jīng)核實(shí)在無明顯干擾因素存在的情況下，測(cè)段數(shù)據(jù)的離差偏離正態(tài)分布往往預(yù)示著測(cè)段所跨斷裂可能存在垂直形變異常，這也是導(dǎo)致地震發(fā)生的直接原因；原始曲線分析則基于測(cè)段數(shù)據(jù)曲線的變化趨勢(shì)直觀、定性地反映斷層活動(dòng)規(guī)律，對(duì)于斷層面上下盤長(zhǎng)-短趨勢(shì)變化分析具有明顯的優(yōu)勢(shì)。綜合來看，同樣是從垂直形變角度出發(fā)，離差統(tǒng)計(jì)定量分析比原始曲線定性的描述測(cè)段數(shù)據(jù)變化更為科學(xué)、精確，但后者對(duì)于斷層活動(dòng)趨勢(shì)較前者又更為準(zhǔn)確。所以，同一數(shù)據(jù)下兩種分析方法共用可取長(zhǎng)補(bǔ)短，使定量分析與定性分析相結(jié)合，準(zhǔn)確研判數(shù)據(jù)異常，為震前異常分析與識(shí)別提供參考。

3 結(jié)論與討論

本文以新疆精河MS6.6 地震的遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)地烏魯木齊臺(tái)站為例，基于臺(tái)站W(wǎng)-N（k）測(cè)段數(shù)據(jù)，利用離差統(tǒng)計(jì)分析方法通過變差系數(shù)數(shù)值的定量變化回溯分析其離差分布曲線地震前后的變化趨勢(shì)與形態(tài)特征，并結(jié)合原始曲線對(duì)臺(tái)站所跨斷層地震前后的活動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行了概括，并對(duì)比研究了兩種分析方法的特點(diǎn)。

1）目前分析概括的震例有限，初步認(rèn)為離差統(tǒng)計(jì)分析中3 個(gè)月尺度滑動(dòng)時(shí)間窗范圍內(nèi)進(jìn)行短臨異常定量分析是可行的。

2）在排除其他干擾因素的條件下，測(cè)段數(shù)據(jù)的變差系數(shù)增大，其對(duì)應(yīng)的離差分布曲線往往偏離正態(tài)分布，地震危險(xiǎn)性增強(qiáng)；反之亦然。

3）同一測(cè)段數(shù)據(jù)分析時(shí)，可結(jié)合離差統(tǒng)計(jì)分析與原始曲線分析兩種方法，從定量與定性兩個(gè)角度，以互為印證的方式分析數(shù)據(jù)異常。

4）后續(xù)還需開展對(duì)同一臺(tái)站多個(gè)震例、不同臺(tái)站同一震例以及其他分析方法的對(duì)比研究工作，探索該方法的實(shí)用效能。

致謝特別感謝中國地震局第一監(jiān)測(cè)中心楊國華研究員與薄萬舉研究員在前期工作中給予的細(xì)心指導(dǎo)與建議，感謝評(píng)審專家對(duì)本文提出的寶貴建議。