强对流天气引致的“前驱波”及其对地震前兆诊断的新启示:以青藏高原东北部为例

地震前驱波自报道以来,国内已有不少研究相继发现了该变化,但其中不乏一些误诊案例。鉴于当下前驱波识别中存在的一些问题,笔者着重从观测实践的角度出发,同时还结合天气动力学背景,对2016年8月18日青海门源台钻孔应变记录中出现的形似远震前驱波的异常进行了综合诊断。结果表明,该“前驱波”主要源自青藏高原东北部强对流天气过程中的气压扰动。这一工作不仅有助于拓展前驱波理性识别的视角,同时还能为青藏高原地球物理观测中短时异常的溯源研究提供参考。

利用前驱波研究地幔间断面的若干进展

地幔速度结构提供了地球内部热和化学状态及其构造演化历史的重要信息。对于地幔间断面的研究可以更清楚地了解地球内部温度分布特征和化学结构,并对确定地幔间断面成因及地幔对流模式等地球动力学问题具有重要的意义。地震学观测显示在410 km、660 km深度普遍存在速度间断面,并且在全球特定区域的上地幔(220 km、300~350 km、520 km、560 km)和下地幔(800~900 km、1100~1200 km、1800 km、2400 km)也有速度间断面的存在,不同区域地幔间断面的起伏可能受到温度、含水量、矿物相变及俯冲板块的影响。利用前驱波来研究地幔间断面具有独特优势,前驱波相比参考震相较早到达观测台站,从而避免其他震相的干扰,可以更准确地研究较弱的速度间断面。文章收集整理近些年来地震学家利用前驱波研究地幔间断面的成果,包括长周期反射震相SS或PP的前驱波、深震震相sP、pP的前驱波和地球表面反射震相PKPPKP(P′P′)的前驱波等,并对不同前驱波的特点及地幔间断面的相关研究成果进行总结。利用前驱波研究地幔间断面的方法已较为成熟,及时收集总结相关的研究成果对认识地球内部结构并了解地幔的物质组成、板块俯冲对地幔结构的影响及地幔对流模式等科学问题具有重要的意义。

山西朔州井水位的“前驱波”记录及其讨论

在山西省朔州井水位动态观测的原始记录图中 ,发现很多远强震前的水位慢波动现象 ,称其为井水位的“前驱波”记录 .本文介绍了典型的“前驱波”记录图象 ,初步分析了该井水位对“前驱波”的记录特征 ,发现 38%的远大强震前有这种记录 ,波动周期为数分钟至数十分钟 ,多在震前两天内出现 ;讨论了“前驱波”的成因与传播及其井水位的响应条件 ,研究了井水位“前驱波”

井-含水层系统对前驱波响应能力的分析

对山西、河北、北京和江苏地区14口观测井的前驱波记录次数进行了统计分析,并给出了前驱波记录次数占统计年份地震总次数的百分比;利用Cooper等人推导的井-含水层系统放大因子表达式,分析了井-含水层系统的特征参数与前驱波响应能力之间的关系.研究结果表明,井-含水层系统对前驱波的响应能力大小与含水层的固有周期存在一定关系,即固有周期越大,记录前驱波的能力越强;井-含水层系统对前驱波的响应能力大小还与导水系数和井孔半径平方的比值大小有关,该比值越大,响应能力越强.

汶川Ms8.0地震前山西前兆低频前驱波特征分析

对汶JiIMs8．0地震前山西地区前兆测项变化进行了分析，认为震前前兆变化主要以低频前驱波为特征，其波动的优势周期为64～128分钟；异常点的展布方向与汶川地震主破裂方向一致；低频前驱波出现的时间具有丛集性特点，主要集中在5月11日14时至16时；研究还发现前兆测项对前驱波的响应能力与测点岩石的力学性质、观测仪器的频率特征、测点所处的构造部位有一定的关系。

井水位前驱波与气压、风、降雨及强震关系的分析

对山西朔州井与静乐井水位前驱波与气压、风、降雨及强震关系进行定量、半定量统计分析的结果表明,前驱波引起的井水位变幅与气压引起的井水位的水位变幅不一致,前驱波的周期与气压、风、降雨周期不匹配,出现的时间不同步,形态差异也很大,与短时间集中降雨也无明显的对应关系。前驱波与强震之间存在较好的对应关系,对应率在50%左右。井水位前驱波现象不是气压、风、降雨等干扰因素的短期突变所造成的,可能反映了大震前震源内部信息。

用小波方法系统检验强震“前驱波”

采用山东省泰安台观测精度达10-9量级的钻孔体应变仪观测资料,深入分析了2001—2005年MS≥7.5强远震前应变变化,对"前驱波"进行了客观、系统的检验.用高通滤波消除了周期大于128min的固体潮汐影响,然后用回归分析方法消除了气压的干扰.用小波变换方法将2—128min信号分解到6个不同频段进行分析.小波分析结果表明,该方法能提取出信号中微弱变化信息.根据小波变换提取的类似"前驱波"基本特征,提出了"超限率"方法,并对这种波形是否普遍存在进行了检验.该方法将单位时间内超过标准差的数据个数定义为单个超限率,类似"前驱波"波形存在时段内的超限率将高于正常时段.据此得出震前30天的超限率时间序列.用直线拟合该序列,最后对直线斜率进行统计分析.用超限率方法分析了所有小波分解的细节部分,得出了超限率时间序列的回归直线斜率的平均值和标准差,并分析其正负比.这3项统计数据显示,强远震前15天之内不能普遍检测到"前驱波".

用中国钻孔应变台网资料检验大震“前驱波”

利用中国钻孔应变台网的13个台站观测精度达10^-10-10^-8量级TJ式钻孔体应变仪观测资料,深入分析2004年12月23日澳大利亚麦阔里岛MS8.0和2004年12月26日印尼苏门答腊MS8.9大震前应变变化,对这两次地震＂前驱波＂进行了客观地检验。用高通滤波消除了周期大于128 min的固体潮汐影响,用回归分析方法消除了气压干扰。用小波变换方法将2-128 min信号分解到6个不同频段进行分析。结果显示,该方法能提取出信号中微弱变化信息。根据小波变换提取的类似＂前驱波＂基本特征,提出＂超限率＂分析方法检验小波分解的细节部分。对所有细节部分的超限率时间序列的回归直线斜率进行统计,得出了平均值和标准差,分析了正负比。这3项统计数据显示,大震前15 d之内不能普遍检测到＂前驱波＂。

井水位前驱波现象与震源成核之间关系的研究

经仔细研究了1999～2002年间全球48次Ms≥7．0以上、中国大陆12次Ms≥6．0以上地震前山西地区5口地下水位观测井强震前的前驱波事件，给出了井水位前驱波的识别方法。从理论与实验结果分析了前驱波与震源成核过程之间的关系；根据井一含水层系统的特征参数给出了不同类型观测井对前驱波响应能力的大小；根据记录地震前驱波信息所需要的条件，初步探讨了大震前驱波远程传播的机制。

汶川8.0级地震前驱波的统计检验

利用汶川8.0级大地震震中周围16个台站的四分量钻孔应变观测资料,对地震前驱波进行检验。用高通滤波消除周期〉128分钟的固体潮汐影响,用回归分析方法消除气压干扰,用小波变换方法将2～128分钟的信号分解到6个不同频段进行分析,结果显示小波变换方法能提取出信号中的微弱变化信息。根据小波变换提取的类似前驱波基本特征,利用“超限率”分析方法检验小波分解的细节部分,并对所有细节部分的超限率时间序列的拟合直线斜率进行统计,得出平均值和标准差。两项统计数据显示,震前15天之内不能普遍检测到地震前驱波。

地震前驱波观测与研究进展

前驱波的研究,可能成为未来地震预测和理论研究的一个突破点。列举了国内外前驱波观测事实,综述了近年来国内地震工作者对前驱波进行的实验和理论研究。

井水位前驱波普遍性问题的探讨

以山西、河北、内蒙等地5口映震能力较强的地下水位观测井为研究对象,对井水位前驱波普遍性问题进行了探讨。结果表明,强震井水位前驱波现象较为普遍,其比例可达65.1%(41/63);相同地震不同观测井前驱波特征各不相同,同一观测井在不同地震前的特征也各异,这可能与不同观测井具有不同的井-含水层结构以及不同地震前有着不同的震源参数有关;与单井水震波相比,震前有前驱波记录的次数略低于水震波,其比例在39.7%～50.7%之间;震前有前驱波记录的观测井占研究区观测井总数的比例可达66.7%。

河津4.8级地震前山西临汾台倾斜前驱波特征分析

采用临汾台SSQ-2I型石英摆和VP型宽带垂直摆倾斜仪观测资料,运用原始形态曲线方法,对2010年1月24日山西河津4.8级地震前观测曲线进行分析。结果表明:在震前两种观测手段都记录到明显的前驱波,其形态特征与岩石力学中的粘滑事件非常相似,应是此次地震前显著的短临异常信息,同时给出了产生慢粘滑现象的机理解释。

平板冲击下氧化铝陶瓷弹性前驱波衰减的细观机理

利用一级轻气炮开展了不同厚度氧化铝陶瓷样品的平板冲击压缩实验,并借助激光速度干涉仪(VISAR)测试了样品的自由面速度历程.根据自由面速度历程确定了不同厚度氧化铝陶瓷样品的Hugoniot弹性极限值,结果显示,冲击压缩下氧化铝陶瓷中存在弹性前驱波衰减现象.进一步基于氧化铝陶瓷的细观结构扫描电镜(HEL)图像,分析了氧化铝陶瓷的细观结构特征,构建了含晶相、玻璃相等细观特征的力学模型.数值模拟冲击压缩加载下氧化铝陶瓷细观结构的力学响应过程,从细观层次上分析了弹性前驱波衰减现象的产生机理,指出冲击压力低于HEL时材料的细观损伤引起的能量耗散以及前驱波在细观结构晶界处反射和透射引起的能量分散过程是其产生的主要原因.

利用甘肃地震台网记录的sP前驱波研究汤加—斐济俯冲带“410”间断面深度

本文首先利用甘肃数字测震台网和甘东南野外观测流动台阵记录的汤加—斐济俯冲带深震震相sP,使用倾斜叠加方法有效提取sP在近源区"410"速度间断面底界面反射的弱前驱波s410P;其次基于CRUST1.0修正的IASP91模型,通过震相sP与其前驱波s410P的到时差对比,给出了汤加—斐济俯冲带"410"速度间断面底部反射点的深度约为398.5km,抬升约11.5km,这与俯冲带与近源区"410"间断面的相互作用有关;最后得到了该区域新的地震波速度模型IASP91_Tonga.本文结果将对更好地认识该俯冲带的复杂结构、正确理解地球深部的动力学过程具有重要的参考价值.

青海地震前驱波的短临前兆特征分析

查阅了约100个5级以上地震前青海省各台站各类仪器记录的资料,经排除"疑似前驱波"对确认真实的地震前驱波分析其短临前兆特征,进而探讨了利用前驱波进行地震短临预报的相关问题。

潮汐形变前驱波的时空特征

分析了潮汐形变观测记录的14个震例中36个前驱波图像的特点、形态、量级，总结了潮汐形变前驱波的时空特征：主震震级Ms≥5．9时出现的可能性大，出现的时间多为震前0．1-6．5天；台站对Ms=5、6、7、≥7．9地震的有效监测距离分别为70、300、400、2000km。

静乐井水位前驱波重现性问题探讨

以山西静乐井为研究对象,对井水位前驱波重现性问题进行了探讨。结果表明,相似地震前前驱波起始时间和波动周期在一定范围内具有较强的重现性,其比例可达63.1%;部分相似地震前前驱波的波动形态和幅度也存在一定的相似性,但在研究范围内前驱波各项特征均相似的地震尚未发现,其原因可能与前驱波的成因、传播途径、相似地震的震源区特征等因素有关。

预应力对LY12铝弹性前驱波的影响

通过过盈配合的热装配方法对LY12铝合金平面样品施加了径向预应力,采用平面飞片撞击方法获得了预应力对弹性前驱波的影响。结果表明:当飞片均以500m/s的速度撞击样品时,压缩预应变为0(无预应变)、964.5×10-6和1 886.0×10-6时,弹性前驱波幅值分别为87.56、95.24、121.03 m/s,压缩预应力(变)提高了LY12铝弹性前驱波幅值。结合实验的特点,探讨了对样品施加静态径向预应力的数值模拟方法,结果表明,上升沿(100$s)较为缓慢的加载可以达到与准静态加载应力分布一样的结果。采用该数值模拟方法给出和验证了弹性前驱波随压缩预应力增加而上升的计算结果,与实验结果较为吻合。

冲击加载下20钢中弹性前驱波衰减与应力松弛行为实验研究

通过改变样品厚度,对平面冲击加载下20钢的弹性前驱波的波幅衰减和应力松弛进行了实验研究。采用激光速度干涉测速仪(VISAR)实测了样品后自由面速度历史,采样频率达到1 ns,保证了实验结果的准确性。实验结果显示:Hugoniot弹性极限随着传播距离呈指数衰减,在所研究的样品厚度范围内,Hugoniot弹性极限减小了44%;应力松弛行为和弹性前驱波的上升沿时间也依赖于传播距离;冲击加载的强度对材料动态屈服行为的影响很小。