砂层应力资料的研究与应用*1

陈 光 陈超贤 王青平 杨锦玲 赵文波

(福建省地震局，福州 350003)

砂层应力资料的研究与应用*1

陈 光 陈超贤 王青平 杨锦玲 赵文波

(福建省地震局，福州 350003)

对砂层应力仪产出的数据进行分析，发现影响数据分析的主要因素包括高频与低频信息中的噪声、观测信号的背景性变化、地震前兆的趋势异常与短期异常等。为识别与消除干扰提取不同频率的信息，采用小波分析方法对信号进行了处理。

砂层应力;小波分析;去噪;颗粒介质;同震形变

1 引言

砂层应变是一种新型观测资料，一定程度上反映了颗粒介质的特性，在地震短临预报中已获得初步应用，汶川8.0级大地震前，北京昌平地震台砂层应力仪记录到完整的沙层应变动态演化过程［1］。2009年福建省地震局在莆田市设立了砂层应力台站，迄今为止，已积累了四年的数据。本文分别选取福建地区2012年4月15日仙游4.1级地震、台湾地区2009—2012年5.9级以上的地震、2012年4月11日苏门答腊8.6级大地震资料进行分析处理。

2 台站概述

莆田市砂层应力台站(图1)位于莆田荔城区北高镇岱峰初级中学，距离市中心约16 km，地处莆田市北高镇岱峰村，地理坐标北纬 25.33°，东经119.20°，海拔高程约11.00 m。该台处于长乐-诏安断裂带中北段，场地为坡地，地势北高南低，地貌上属丘陵地貌，土层厚度可达15 m，稳定水位埋深约3 m。台站井位在校园北侧山地缓坡，井位地面又高出校园地面约6 m。台站地处莆田市远郊区，在校园保护区内，观测环境条件较好，供电、通讯条件十分理想。沙层应力仪根据探头摆放方向的不同分别监测南北、东西、平行于断层(北东向40°)三个方向的应力变化情况。

图1 莆田沙层应力仪台站位置示意图Fig.1 Sketch map of sand stress in Putian

3 资料处理

砂层应力仪记录到的异常变化是一个地震发生前后的趋势变化过程。一个大地震的孕育包括快速加载、平衡相持、快速卸载、短临变化和临震信号等几个明显不同特征的变化阶段［2］，其动态演化过程具有完整性和连续性，特征上具有显著性和阶段差异性，特别是在后面几个阶段包含信息量较为丰富。孕震过程可以初步判断为一类典型的地震趋势前兆。运用小波分析方法处理观测资料，以去除干扰提取不同频率的信息。

莆田台砂层应力资料背景性日变图如图2所示。从图2可以看出，东西和平行断层方向的分量比南北向的稍好，其中东西与跨断层方向比较同步，经统计计算，砂层应力三个分量的每日变化最大幅值一般在500以内(去除非常明显的阶跃干扰信息)。

为了分析砂层应力仪对地震量测的灵敏度，利用苏门答腊ML8.6地震数据进行处理，分析其是否包含同震信息及前兆信息。数据的处理采用了原始的1 s采样率，时间窗口为一天，数据的预处理利用两点均值平滑技术(两点间的阶跃超过1 000幅值即用前两点的均值进行替代)。

3.1 苏门答腊ML8.6大地震

2012年4月11日印尼苏门答腊西北部海域发生ML8.6大地震，莆田砂层台位于苏门答腊东北方向，离震源4 000千米，从南北分量与断层平行来看同震扰动不明显，东西分量则清晰地记录到了两次疑是大地震后同震的扰动形态(图3)。

图2 砂层资料日变化Fig.2 Diurnal variation of sand materials

图3 苏门答腊地震震前变化Fig.3 Change chart before the Sumatra earthquake

为了清晰识别出地震信号，利用小波分析法对砂层应力东西分量数据进行7层分解(图4)，从图4可以看到小波分解第2～6层都清楚显示了震后扰动信息，第7层则为冲击波，其中第2～6层还显示在震前的07:00—10:00，砂层应力数据有两个阶跃，第一个阶跃是张性顺势脉冲在南北向上还有一个呼应，第二个阶跃是压性顺势脉冲，这两个脉冲的幅度大概在100。该脉冲是否是同震变形我们通过对比观测来证实。

选取砂层台附近的莆田荔城宽频带测震仪的数据进行对比处理，两台站相距22 km。通过对宽频带速度计的数据进行一次积分得到位移，并对这两种数据进行傅里叶频谱分析(图5、6)。对比分析发现，砂层台的数据记录到的同震形变波要滞后于测震仪器记录到数据，相差大概有600 s，根据颗粒介质理论，该现象与颗粒介质的力延迟传播有关［3］。从频谱图来看，砂层台的数据记录到的优势频谱与测震仪记录到的优势频谱一致，可认为砂层台记录到的是同震形变信息。

3.2 台湾地区2009—2012年5.9级以上的地震

图4 苏门答腊地震砂层应力东西分量的小波7层分解Fig.4 7 layers of wavelet decomposition of EW component of sand stress in the Sumatra earthquake

台湾地区多发中强以上地震，对福建地区影响较大。2009年11月5日17点32分台湾南投县发生5.9级地震，福建全省震感强烈，莆田台距此次震中为219 km。从图7可以看出，震前11点多开始，砂层应力东西分量和平行断层方向几乎同步出现阶跃，幅值约为100多，到13点又有一个阶跃，后持续强烈的扰动(最大变化幅度有700多)，到16点出现平静，至17点32分地震发生，有明显同震波动。对比苏门答腊地震，该地震前兆信息持续时间更长，变化幅度更大，这与南投与莆田距离很近，处于同一构造带上相符合。半年后，2010年3月4日8时18分在离南投110 km外的高雄又发生了一次6.7级地震，莆田台距此次震中为304 km。通过分析，结果见图8，在东西和平行跨断层分量上，在地震前半个多小时(7点30分开始)，砂层应力数据出现了类似南投地震的剧烈扰动，但变化幅值无南投的大，扰动持续了48分钟后(8点18分)地震发生。两次震例显示在中强地震前，砂层应力仪在短临预报方面有一定的指标作用。

4.3 福建陆地上4级以上地震

图5 砂层应力东西分量同震幅频图Fig.5 Amplitude-frequency diagram of EW component of sand stress

图6 测震仪东西分量同震幅频图Fig.6 Amplitude-frequency diagram of EW component in seismometers

2009年以来，福建陆地上只发生了一次4级以上地震，即2012年4月15日17点仙游ML4.1地震。莆田台距震中78km，对该天原始数据干扰后利用两点均值平滑技术(两点间的幅值阶跃超过1 000即用前两点的均值进行替代)进行处理获得图9。从图9可发现临震前11点30分开始砂层应力数据在东西分量上有一个阶梯下降，16点发生转折，转折恢复过程中发震。这次地震离莆田台较近(78 km)，但只有一个方向出现了明显的变化，而且是阶跃的变化，该震例表明地震异常信息在距震源远近不同时，表现出不同的差异，这与断层走向及破裂方向不同有关。

图7 台湾南投5.9级地震砂层应力三分量图Fig.7 Three components diagram of sand stress in the magnitude 5.9 Nantou earthquake

图8 台湾高雄6.7级地震砂层应力三分量图Fig.8 Three components diagram of sand stress in the magnitude 6.7 Taiwan Gaoxiong earthquake

5 结束语

通过近四年砂层应力仪观测数据的分析表明:

图9 福建仙游4.1级地震砂层应力三分量图Fig.9 Three components diagram of sand stress in the magnitude 4.1 Fujian Xianyou earthquake

1)砂层应力非地震前兆异常的背景变化特征较为明显。秒值、分钟值细化了观测资料地下介质实时变化情况，弥补了常规仪器采样率偏低的问题;整点值、日均值记录特征明显;仪器三分量之间差异较大，有利于判断各方向的地震前兆异常。

2)砂层应力数据具有一定的物理意义，传感器对地壳形变具有比较好的响应，能记录到比较规则的固体潮日变信息。其中砂层的东西分量的变化规律最好，平行跨断层分量次之，南北分量最差，对地震的同震响应及前兆灵敏度貌似也有如此规律，推测与福建主应力方向为北西向有关。

3)砂层应力数据的处理中运用了傅里叶频谱分析法(验证比对不同仪器对同一种信号源的频率响应)、小波分析方法(对信号不同频率域细节的分辨)、两点均值平滑方法(对原始信号不同分量数据共同背景干扰的剔除)，这些方法的应用与预期结果比较相符。

通过砂层应力资料分析远震巨震、台湾陆地5.9级以上地震和福建4级地震前后同震响应及可能的前兆信息，获取了一定的规律和经验。但由于资料较短震例太少，目前总结的一些可能的前兆应变规律只能说是对特定的几个地震的一个归纳总结，还有待搜集更多的地震做进一步的研究验证。

1 武安绪，等.从昌平台砂层应变记录看汶川大地震孕震过程［J］.国际地震动态，2009，17(4):13 －18.

2 孙伟.破坏性地震史可以预测的孕震物理模型和临震信号［J］.中国工程科学，2007，9(7):23 －36.

3 陆坤权，等.颗粒介质中探测地震前兆和前兆应力-应变传播模型［J］.科学通报，2011，56(6):63－70.

RESEARCH AND APPLICATION ON SAND STRESS DATA

Chen Guang，Chen Chaoxian，Wang Qingping，Yang Jinling and Zhao Wenbo
(Earthquake Administration of Fujian Province，Fuzhou 350003)

Based on the output data of sand stress meter，it is found that the impact of the main factors include the noise in high frequency and low frequency，the background changes of the observed signals，the trend anomalies and short-term anomalies of earthquake precursor.For identifing the different frequency information，the signal is processed using the wavelet analysis method.

sand stress;wavelet analysis;denoising;granular media;coseismic deformation

P315.5

A

1671-5942(2013)Supp.(Ⅰ)-0122-04

2013-04-08

福建省地震局科技基金(FJ2011008)

陈光，男，1980年生，工程师，主要从事地震预报、GPS大地测量与地震波应用的研究.E－mail:chenguang0912@163.com