汶川大震前數(shù)字地震儀位移地脈動低頻異?，F(xiàn)象研究①

董 蕾，楊立明

（中國地震局蘭州地震研究所，甘肅蘭州 730000）

汶川大震前數(shù)字地震儀位移地脈動低頻異常現(xiàn)象研究①

董 蕾，楊立明

（中國地震局蘭州地震研究所，甘肅蘭州 730000）

選取了2008年4月25日至5月12日間的四川臺網(wǎng)14個臺寬頻帶地震儀記錄到的地脈動波形資料，把速度波形做適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)校正和濾波處理后，經(jīng)積分轉(zhuǎn)換成位移波形。頻譜分析結(jié)果表明：地震發(fā)生前存在低頻異常顫動，地震前2～3天開始0．1～0．3Hz頻段傅里葉譜幅值逐漸增大；各個臺的位移振幅值逐漸增強。其中靠近龍門山斷裂帶的臺站記錄到的地脈動變化較明顯。

汶川地震；低頻波；地脈動；位移波形；傅里葉譜

Abstract：Through selection the broadband digital seismic data from April 25，2008to May 12，2008，recorded by fourteen seismic stations in Sichuan province，the microtremor wave form records are transformed to displacement wave forms after the data correction and filtering．The results of Fourier analysis indicate that before the earthquake occurred the low－frequency abnormal quiver is found；Fourier spectrum value at 0．1～0．3Hz band is increased in two to three days．Amplitude values of displacement waves are gradually increased at every seismic stations．The microtremor records change greater at stations near the Longmenshan fault zone．

Key words：Whenchuan earthquake；Low－frequency wave；Microtremor；Displacement wave；Fourier spectrum

0 引言

地震儀記錄到的不僅是地震事件，還記錄到了沒有地震時的微小地面運動，它是由風(fēng)、城市等的高頻噪聲，海洋波和周期長些的天氣過程效應(yīng)產(chǎn)生的波所造成的［1］。

Longuet－Higgins［2］對長周期地脈動進行了研究，所研究的長周期地脈動又分為原生地脈動和次生地脈動。Oliver和Page［3］首次注意到了原生地脈動和次生地脈動與同樣的大氣干擾的關(guān)系，觀測到了原生地脈動的優(yōu)勢周期是次生地脈動兩倍；在陸地上觀測到的原生地脈動頻率在40～80mHz；次生或雙倍頻率的地脈動是經(jīng)常觀測到的，優(yōu)勢峰值頻率在100～160mHz，或接近2倍的海浪峰值頻率。之后人們在長周期事件中發(fā)現(xiàn)了慢地震事件［4－5］。并在一些大震發(fā)生前幾天，發(fā)現(xiàn)了長周期形變波［5］。Astiz［1］比較了全球臺網(wǎng)的100個不同臺站的典型噪聲水平，發(fā)現(xiàn)脈動峰值在5～8s的周期出現(xiàn)。楊立明［6－7］利用連續(xù)數(shù)字儀速度地脈動記錄的資料，研究發(fā)現(xiàn)震前臨震階段0．1～0．3Hz頻率的幅值出現(xiàn)快速、持續(xù)的增大現(xiàn)象，該現(xiàn)象具有重現(xiàn)性。根據(jù)以上的研究結(jié)果，本文將地震臺的速度脈動記錄轉(zhuǎn)成位移記錄，并嘗試基于位移地脈動波形記錄新的分析方法，探討大震前低頻段的地脈動變化，觀察汶川地震前地脈動的走向在時空上的變化情況，以及地脈動與大震發(fā)生的關(guān)系。

1 資料和方法

1．1 資料的來源

本文資料來源四川臺網(wǎng)中心。四川地震臺網(wǎng)由52個數(shù)字地震臺站構(gòu)成，使用CMG－3ESPC、CTS－1E等寬頻帶地震儀，觀測結(jié)果穩(wěn)定。采樣間隔為0．01s，Nyquist頻率是50Hz。本文選取了14個臺站，都圍繞震中相對對稱分布，大致分布分在龍門山斷裂帶以西，以東及斷裂帶上。臺站的位置如圖1所示，震中距見表1。

表1 臺站與震中的距離

圖1 臺站和震中分布圖Fig．1 Distribution of the selected seismic stations and the epicenter of Wenchuan earthquake．

1．2 位移積分

寬頻帶數(shù)字地震儀具有記錄頻帶寬、分辨率高、動態(tài)范圍大的特點。數(shù)字化地震儀基本上采用速度平坦型設(shè)計。數(shù)字地震學(xué)中，使用位移型、速度型、加速度型的說法主要是指儀器的頻率特性，地面運動可以是位移、速度和加速度。數(shù)字地震學(xué)中提到數(shù)字記錄只是一種數(shù)字，單位是“數(shù)字?jǐn)?shù)”［8］。而從數(shù)字記錄恢復(fù)到位移波形一直是地震學(xué)中的一個基本問題，位移波形是確定震源深度、破裂面和地震矩等震源參數(shù)以及反演震源破裂過程的基礎(chǔ)［9－10］。

本文使用寬頻帶速度地震儀的數(shù)字地震記錄，采用積分轉(zhuǎn)換計算來獲得地面運動的位移波形。時間域的一次積分運算相當(dāng)于頻率域除以圓周率，則原始記錄低頻成分會放大，產(chǎn)生低頻漂移，考慮到這個問題在積分前必須做濾波處理。

利用Matlab中復(fù)合梯形公式函數(shù)cumtrapz進行速度與位移的轉(zhuǎn)換計算，得到位移波形記錄。并利用快速傅里葉變換（FFT）求取頻率特征。

1．3 地脈動速度的計算

初始速度記錄的數(shù)據(jù)是evt格式的文件，由二進制數(shù)組成，經(jīng)由earthquake data transform＿v3．0軟件轉(zhuǎn)換成文本格式的文件，所得數(shù)值的單位是“數(shù)字?jǐn)?shù)”。除以系統(tǒng)靈敏度后可得近似的真實的地動速度（沒有除去儀器響應(yīng)和場地響應(yīng)）。

地動速度（μm／s）＝數(shù)字?jǐn)?shù)（counts）／

系統(tǒng)靈敏度（counts／μm／s

1．4 記錄的基線校正與濾波

由于地震記錄中含有直流分量及長周期漂移，直流分量在很大程度上影響FFT變換和積分結(jié)果，所以在進行FFT變換和積分前，要進行水平基線校正。水平基線校正簡單地是將所有記錄點減去它們的平均值。由于0．005Hz的低頻限可以濾掉由積分造成的長周期漂移的低頻波［10］，并且考慮到本文所涉及的頻段，用巴特沃斯4階高通濾波器濾掉小于0．05Hz的低頻波。

2 結(jié)果分析

2．1 汶川臺連續(xù)記錄頻率特征

本文以長周期地脈動為對象。長周期的脈動源是如雨、海浪、地質(zhì)內(nèi)力作用等的自然因素，它的優(yōu)勢周期在2～40s之間?？紤]到儀器的幅頻特性和積分等問題，本文所選的頻段是0．05～0．5Hz之間。圖2為汶川臺東西向位移波形的一些整點傅立葉譜，可以看出：（1）地脈動的位移波形的譜峰值有3個，且對于不同的時間點，它所對應(yīng)的頻率段不一樣，但大致分別是0．05～0．1Hz，0．1～0．16Hz，0．16～0．3Hz。（2）從5月11日開始，各頻段傅氏譜的振幅值增大明顯。

對其他臺站的分析也一樣。分析發(fā)現(xiàn)，遠震及小震對脈動的0．05～0．1Hz頻率段影響較大，這段頻率段的幅值不穩(wěn)定。本文以下選取0．1～0．3Hz頻率段進行分析。

圖2 汶川8．0地震前汶川臺EW道一些整點脈動位移記錄0．05～0．5Hz頻段的頻譜圖Fig．2 Fourier spectrums in 0．05～0．5Hz of microtremor displacement records in EW channel at Whenchuan seismic station before Whenchuan MS8．0earthquake．

汶川地震前4月25日到5月12日間全球共發(fā)生了5次大于5級的地震，其中2008年5月2日9時33分發(fā)生在安德烈亞諾夫群島的7級地震和2008年5月8日0時45分發(fā)生在日本本州東海岸近海的7．1級地震對本文所選的臺站記錄到的波形有很大影響。除此之外，還有一些小震和儀器故障等因素造成脈動頻譜的突變，所以扣除了5月2日 9時，10時，5月8日0時，1時這些時間段的記錄。

為了更清楚展示地震前4月25日到5月12日間脈動傅里葉譜值變化特征，求取每小時0．1～0．3 Hz頻段內(nèi)幅度值包絡(luò)線的極大值，并擴大1 000倍作為該時段的頻率幅值，最后得到汶川臺整點傅里葉譜峰值的變化進程，如圖3所示?？梢钥闯雒}動序列傅里葉譜峰值在10日后開始增大。

圖3 汶川8．0地震前汶川臺三通道整點脈動序列傅里葉譜峰值0．1～0．3Hz頻段變化進程Fig．3 Change of Fourier spectrum peak values in 0．1～0．3Hz of microtremor displacement in three channels records at Whenchuan station before Whenchuan MS8．0earthquake．

2．2 震前各臺連續(xù)脈動記錄頻譜特征的時間進程

經(jīng)過處理，選取的寬頻帶地震儀脈動記錄的UD方向震前整點記錄傅里葉譜0．1～0．3Hz頻段峰均值隨時間變化曲線如圖4，其中，圖4（a）為龍門山斷裂帶西邊的臺站，圖4（b）為龍門山斷裂帶上的臺站，圖4（c）為龍門山斷裂帶東邊的臺站?？梢钥闯?，汶川地震前從5月10日開始，每個臺的脈動的幅值都有不同程度的持續(xù)增大，而斷裂帶附近的臺站所記錄到的地脈動幅值增大明顯。

圖4 震前分區(qū)各臺連續(xù)脈動記錄頻譜特征的時間進程Fig．4 The time histories of spectrum characteristic of continuous microtremor displacement records from stations in three areas before the Wenchuan earthquake．

2．3 脈動位移波形的連續(xù)記錄

為了直觀的看出地震前脈動的變化，本文選取了成都臺5月7日到5月12日震前的波形記錄，對其進行積分得到位移波形（圖5）?？梢钥闯?，從10日開始脈動幅值增大。

圖5 汶川地震前5月7日到12日成都臺記錄的地脈動位移波形三分量Fig．5 The microtremor displacement wave forms in three channels recorded at Chengdu station from May 7to May 12，2008，before the Wenchuan earthquake．

類似的分析，得到其他臺的10日到12日震前脈動位移波形，如圖6所示。

可以看出，每個臺的脈動幅值都有不同程度的增加，斷裂帶以西的臺站增加幅度相對較弱。

3 結(jié)論與討論

（1）本文在分析了一些臺站的地脈動位移波形之后，發(fā)現(xiàn)震前有低頻前兆信息，臨近地震的發(fā)生，脈動在0．1～0．3Hz頻段的傅里葉幅值越來越大。震前2到3天內(nèi)脈動位移波形振幅值持續(xù)增加?？梢钥闯鑫灰撇ㄐ蔚恼穹蹬c0．1～0．3Hz頻段的傅里葉幅值是對應(yīng)增加的。

圖6 一些臺站5月10日到震前的NS道地脈動位移波形變化Fig．6 The change of the microtremor displacement wave forms in NS channel from stations in different areas．

（2）關(guān)于脈動異常已有大量的研究。楊又陵［5］研究發(fā)現(xiàn)2001年11月14日昆侖山口西8．1級地震前發(fā)生了緩慢運動事件，并認(rèn)為該慢地震事件是8．1級大震前中昆侖斷裂臨震預(yù)滑動引起的。許昭永等［11］通過巖石高溫高壓破裂實驗與有機玻璃破裂試驗認(rèn)為慢地震是臨界或亞臨界破裂或預(yù)先滑動所致，是低頻應(yīng)變波動；同時也發(fā)現(xiàn)并非所有巖石主破裂前都有明顯的臨界破裂或預(yù)滑動現(xiàn)象，所以并非每個地震前都有慢地震。Linde等［12－13］認(rèn)為慢地震是地震斷裂過程的一個組成部分，在地震成核作用過程中可能起著重要的作用——是導(dǎo)致地震發(fā)生的觸發(fā)因素。張晁軍等［12］認(rèn)為慢地震可能消除一個正趨于斷裂的地震威脅，也可能轉(zhuǎn)移應(yīng)力而觸發(fā)一個正常地震。

然而在2008年5月8日至12日期間，西太平洋上產(chǎn)生了強臺風(fēng)Rammasun（威馬遜），在較早的長周期地脈動信號研究中認(rèn)為脈動信號的產(chǎn)生與海洋中的暴風(fēng)系統(tǒng)有關(guān)。對于地脈動波形的產(chǎn)生有2種不同的產(chǎn)生機制：（1）在wiechert理論（Wiechert曾提出脈動是在激烈的碎浪對陡峭的海岸作用下產(chǎn)生的）中的海浪（1905，1907）；（2）根據(jù)Longuet－Higgins的理論（海浪波動非線性理論）提出的海洋駐波模型［2，4］。胡小剛［15］在研究后認(rèn)為路徑和強度類似于Rammasun的臺風(fēng)很難在中國內(nèi)陸引起明顯的異常擾動，因此，對于汶川地震震前四川的臺站記錄到的低頻脈動異常所產(chǎn)生的原因需做進一步的探討。

（3）本文首次將脈動速度記錄轉(zhuǎn)換為位移波形記錄，并對此進行傅里葉分析，結(jié)果與楊立明［7］利用速度記錄發(fā)現(xiàn)汶川地震前甘肅臺網(wǎng)存在地脈動特殊頻率波動的異?，F(xiàn)象是一致的。

本文是在前人工作的基礎(chǔ)上進行研究的，對于臨震前的低頻波動異?，F(xiàn)象的研究和應(yīng)用還需要大量進一步的工作，本文的研究僅是初步的，對此問題的深入研究有助于提高臨震預(yù)報的認(rèn)識水平。

致謝：感謝四川臺網(wǎng)中心提供寬頻帶地震儀記錄到的數(shù)據(jù)。

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Research on Low－frequency Anomalies of Microtremor Displacement Recorded by Digital Seismigraph before the Whenchuan Earthquake

DONG Lei，YANG Li－ming

（Lanzhou Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Lanzhou 730000，China）

P315．31

A

1000－0844（2012）03－0268－06

10．3969／j．issn．1000－0844．2012．03．0268

2011－05－10

中國地震局蘭州地震研究所論著編號：LC2012022

董 蕾（1986－），女（漢族），碩士，研究方向為地震綜合預(yù)測理論．