运用小波分析方法研究盐湖Ms4.4和河津Ms4.8地震前山西地区井水位变化特征

窦立婷，李 云，成 诚，耿 伟,平 旗

(1.山西省地震局长治中心地震台，山西 长治 046000；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

小波分析(wavelet analysis)自1986年由Y.Meyer、S.Mallat及I.Daubechies等人提出以来得到迅速发展。小波分析具有很好的时频局部特征，是信号处理分析中的重要方法之一。此方法在低频部分具有较低的时间分辨率和较高的频率分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，适合于分析非平稳信号和提取信号的局部特征[1]。小波分析方法不但可以准确地描述瞬变信号的局部特征，还可以通过多尺度变换，从不同频带上观察信号的特征与演变，可以对水位资料进行更细致的分频处理，获取水位在不同频域的震前前兆异常特征。运用小波分析法对水位数据进行多尺度分析，可将数据的趋势变化和细节变化分开，并能有效地抑制噪声，提取地震与强地震孕育有关的前兆异常信息[2-7]。

在前人研究的基础上，文章收集、整理山西水位观测井2007年以来的观测资料，运用小波分析方法对山西盐湖Ms4.4和河津Ms4.8震前数据异常特征进行分析。根据之前的研究成果，采用db4作为母小波对井水位观测资料进行4～5层小波分解，分解后的近似部分能够清晰地反映数据趋势变化，细节部分能清晰地显示高频突跳信息。

1 山西水网观测井概况

目前，山西地区水位观测井有14口，除红崖头、鸦儿坑为背景场项目新增测点(2014年2月1日正式入网)外，其余为“十五”数字化期间新增改造测点。流体观测井沿北东向山西断裂带自南向北分布(见第19页图1)，分别布设在各构造边界带或主要断裂带上，除镇川井、红崖头井、漫水井为动水位观测外，其余9口井均为静水位观测。水位观测采用LN-3A和SWY-Ⅱ型水位仪，采样周期取值为1 min，水位分辨力为1 mm。

通过分析2007年以来的观测资料可知，东郭、孝义、临汾、红崖头井水位属趋势下降型变化；太原井水位属趋势上升型变化；介休、朔州、漫水、祁县、静乐井水位属起伏型变化；镇川井、鸦儿坑井水位属平稳型变化；洪洞井和曲沃井由于观测时间短，目前认为其属平稳型。14 口水位观测井均不同程度地受降雨渗入补给干扰，均有明显的地球固体潮汐日变化和气压效应。

2 小波分析前兆异常

针对上述的两次地震，根据山西流体观测井测震灵敏条件评价结果[3]、水位异常映震范围[4]以及各观测井的监测能力，对距河津地震震中200 km范围内映震能力较好的介休井与东郭井震前1 a内的水位数据进行分析。在地震前3个月，距震中168 km的介休井水位下降320 cm；地震前半个月，距震中65 km的东郭井水位下降60 cm。对距盐湖地震震中200 km范围内映震能力较好的东郭井进行分析，发现震前一个月距震中20 km的东郭井水位升高28 cm[6]。下面运用小波分析方法对这两次地震前的水位观测数据进行处理。

图1 山西地区井水位测点分布图Fig.1 Distribution of well water level in Shanxi area

2.1 河津4.8级地震前井水位异常分析

2010年1月24日在山西河津发生Ms4.8地震，对地震前半年的水位资料进行分析发现，2009年10月21日介休井水位数据趋势性下降320 cm，持续时间为2 d，而后变化较平稳，距发震时间3个月。利用 Mapsis小波分析，对介休井水位观测资料进行近似部分(低频)与细节部分(高频)信息的分离，图2分别给出介休井水位原始数据、小波变换低频与高频曲线。图2a表示不同频率范围的近似部分(低频)信息，反映整体变化趋势，经过4阶分解后，可以完全将各种干扰消除，显示出原始变化趋势；图2b给出不同频率范围细节(高频)部分信息，经过4阶分解后，河津4.8级地震前有明显的高频抖动。

2010年1月24日在山西河津发生Ms4.8地震，对地震前半年的水位资料进行分析发现，2010年1月6日19时，东郭井水位数据趋势性下降60 cm，持续时间为2 d，距离发震时间18 d[3-4]。如第20页图3所示，利用db4小波对数据进行5阶趋势与细节分析，可清晰看出地震前井水位的变化趋势。图3b中，5阶细节部分显示地震前有明显的高频扰动。

2.2 盐湖4.4级地震前井水位异常分析

2016年3月12日山西盐湖发生Ms4.4地震，对震前半年东郭井水位资料利用Mapsis小波分析，进行近似部分(低频)与细节部分(高频)信息的分离。第20页图4分别给出东郭井水位原始数据、小波变换低频与高频曲线。图4a表示不同频率范围的近似部分(低频)信息，反映出整体变化趋势；图4b给出不同频率范围细节(高频)部分，经过4阶分解后，盐湖4.4级地震前有明显的高频异常信息。

图2 2010年介休井水位数据小波分解近似部分和细节部分Fig.2 Approximate part and detail part by wavelet decomposition of the water level data of Jiexiu well in 2010

图3 2009—2010年东郭井水位数据小波分解近似部分和细节部分Fig.3 Approximate part and detail part by wavelet decomposition of Dongguojing water level data from 2009 to 2010

图4 2016年1至5月东郭井水位数据小波分解近似部分和细节部分Fig.4 Approximate part and detail part by wavelet decomposition of Dongguojing water level data from January to May in 2016

3 结论

通过分析山西水位观测井在盐湖4.4级地震与河津4.8级地震前的异常响应特征，表明分别有两口井和一口井存在一定的前兆异常，异常井距震中最远168 km，说明5级以下地震，在200 km范围内的井水位有一定的映震特征。采用db4作为母小波对井水位观测资料进行4～5层小波分解，分解后的近似部分能够清晰地看出数据趋势变化，细节部分能清晰地显示地震前高频突跳等异常信息。