前震或廣義前震識(shí)別的頻譜偏移法及其應(yīng)用研究

楊立明 梅秀蘋 姜佳佳

中國(guó)地震局蘭州地震研究所，蘭州市東崗西路450號(hào) 730000

0 引言

前震或廣義前震對(duì)于強(qiáng)震的短臨乃至臨震預(yù)測(cè)至關(guān)重要，1975年海城7.3級(jí)地震就是利用前震序列進(jìn)行成功預(yù)測(cè)的典型例子(吳開(kāi)統(tǒng)等，1976;Kanamori，1981)。近年來(lái)的玉樹(shù)7.1級(jí)、于田7.3級(jí)等地震均具有明顯的前震活動(dòng)，因此判斷1次顯著事件或地震序列是否具有前震屬性是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。

對(duì)于前震或廣義前震特征的研究，20世紀(jì)70、80年代以來(lái)得到了廣泛的關(guān)注，其中從地震波頻譜特征的角度進(jìn)行判斷是主要的研究方向之一，國(guó)內(nèi)外許多研究人員已開(kāi)展了大震前孕震區(qū)地震波頻譜特征的研究。Kanamori(1981)指出，對(duì)于震前除了可研究前震、空區(qū)、平靜、震群和面包圈型等地震活動(dòng)外，也可進(jìn)行諸如波譜、震源機(jī)制和背景地震波形特征等物理參數(shù)的測(cè)量。Tsujiura(1977)的研究結(jié)果認(rèn)為前震的應(yīng)力降與主震、余震或正常背景地震的應(yīng)力降有所不同，而不同地區(qū)前震的應(yīng)力降也存在差異。許紹燮等(1981)對(duì)海城7.3級(jí)地震進(jìn)行了較為詳細(xì)的討論，但未發(fā)現(xiàn)有確認(rèn)前震的肯定判據(jù)。馮德益等(1983、1994)研究認(rèn)為，大震前短周期面波的群速度、相速度及波形、頻譜等可能在震前顯示出一定的前兆異常特性。郭履燦等(1998)通過(guò)測(cè)定地震的震級(jí)譜和頻譜特征識(shí)別前震和前震序列。

楊立明等(2006)研究指出，區(qū)域顯著地震事件的發(fā)生是祁連山地震帶5級(jí)以上地震孕育進(jìn)入短期階段的時(shí)間判據(jù)之一。為了識(shí)別這類區(qū)域顯著地震事件，本文作者在大量研究工作的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入短期階段的顯著地震事件存在頻譜范圍變窄且向低頻端偏移等現(xiàn)象，而孕震早期或其后沒(méi)有5級(jí)以上地震發(fā)生的中等震級(jí)地震的頻譜范圍較寬且沒(méi)有向低頻端偏移的現(xiàn)象，從而對(duì)正常背景的中等震級(jí)地震活動(dòng)和具有前震或廣義前震性質(zhì)的中等震級(jí)地震提出了一種分辨方法。本文基于甘肅、青海和新疆等區(qū)域數(shù)字化測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的地震記錄，利用頻譜偏移法對(duì)2011年12月阿爾金斷裂與祁連山地震帶交匯區(qū)發(fā)生的多次中等地震、2010年4月14日玉樹(shù)7.1級(jí)地震前2h發(fā)生的4.7級(jí)地震和2014年2月12日于田7.3級(jí)地震前1天發(fā)生的5.3級(jí)地震進(jìn)行檢驗(yàn)性判斷，以進(jìn)一步驗(yàn)證和完善該判別方法。

1 前震或廣義前震識(shí)別的頻譜偏移法

1.1 前震或廣義前震

關(guān)于前震及廣義前震的定義和屬性，許多學(xué)者進(jìn)行過(guò)討論。梅世蓉等(1993)將前震定義為“前震是指主震前發(fā)生在震源區(qū)內(nèi)與主震有關(guān)的一些地震，震前40天中發(fā)生在距主震100 km內(nèi)的地震被認(rèn)為是有意義的前震，或稱直接前震”，而陸遠(yuǎn)忠等(1985)將廣義前震定義為“廣義前震是發(fā)生在一個(gè)地震序列之前較長(zhǎng)時(shí)間(幾個(gè)月、幾年甚至更長(zhǎng))、較遠(yuǎn)距離(距震源數(shù)十千米甚至數(shù)百千米)、與該序列孕育有關(guān)的單個(gè)地震(即前兆地震)，或地震群(即前兆震群)以及它們的組合”。因此，前震或廣義前震是與未來(lái)強(qiáng)震孕育密切相關(guān)的地震事件。

楊立明等(2006)在研究祁連山地震帶地震活動(dòng)的短期綜合預(yù)測(cè)方案時(shí)指出:“局部地區(qū)地震活動(dòng)的增強(qiáng)、大范圍群體前兆的成組同步異常、部分具有較高映震效能的前兆異?；騾^(qū)域顯著地震事件的發(fā)生”是祁連山地震帶距地震發(fā)生進(jìn)入短期階段的3條時(shí)間判據(jù)。其中，區(qū)域顯著地震事件是指5級(jí)以上地震前發(fā)生的中等震級(jí)地震，其震級(jí)大致為MS3.6～4.5，與未來(lái)主震震級(jí)相差約1～2級(jí);時(shí)間上距主震一般為幾天～3.5個(gè)月，優(yōu)勢(shì)時(shí)段為幾天～1個(gè)月;與主震震中的空間距離為0～200km。1個(gè)典型的震例是2002年12月14日玉門5.9級(jí)地震前，同年12月2日酒泉發(fā)生1次4.2級(jí)地震，時(shí)間相差12天，空間相距127km。根據(jù)梅世蓉等(1993)、陸遠(yuǎn)忠等(1985)的定義，上述區(qū)域的顯著地震事件顯然是一種廣義前震。

1.2 廣義前震識(shí)別的頻譜偏移法

眾所周知，對(duì)地震波形記錄進(jìn)行頻譜分析是一種常見(jiàn)的分析處理方法。一般來(lái)講，快速傅里葉變換(FFT)是一種有效求取并分析觀測(cè)序列頻譜特征的方法，且得到了廣泛的應(yīng)用(萬(wàn)永革，2007;楊立明，2009)。本文利用基于Mapsis軟件的 FFT均方譜處理技術(shù)，對(duì)區(qū)域臺(tái)網(wǎng)記錄到的顯著地震事件波形數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜計(jì)算，以頻譜范圍變窄且向低頻端偏移等作為判據(jù)進(jìn)行前震或廣義前震的識(shí)別。在實(shí)際資料處理中，發(fā)現(xiàn)利用地震事件NS、EW、UD等向分量的波形記錄進(jìn)行譜分析得到的結(jié)果較為一致。因此，本文僅利用NS向的波形計(jì)算結(jié)果來(lái)說(shuō)明要討論的主要問(wèn)題。同時(shí)，需要說(shuō)明的是，目前我國(guó)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄資料的采樣間隔為0.01s，根據(jù)采樣定律，其Nyquist頻率為50Hz，即能分辨的最大頻率為50Hz。

2 前震或廣義前震的頻譜特征

2.1 正常背景中等震級(jí)地震的頻譜特征

多年來(lái)的甘肅及鄰區(qū)中等震級(jí)地震的頻譜計(jì)算結(jié)果表明，正常背景性活動(dòng)的中等震級(jí)地震頻譜分布范圍較寬，與前震或廣義前震的頻譜存在顯著差異。下面以近年來(lái)阿爾金斷裂與祁連山地震帶交匯地區(qū)的中等震級(jí)地震為例做進(jìn)一步的闡述。為了敘述的簡(jiǎn)潔，文中統(tǒng)一用A(b)表示A臺(tái)站距離震中bkm，如“安西(170)”表示安西地震臺(tái)距離地震震中170km。

2011年12月在阿爾金斷裂與祁連山地震帶的交匯區(qū)域發(fā)生了多次顯著性地震事件，僅11～19日在酒泉阿克塞地區(qū)就發(fā)生了6次3.0級(jí)以上地震。對(duì)其中震級(jí)較大的3次地震進(jìn)行了頻譜分析，結(jié)果表明這3次地震的頻譜分布均較寬，沒(méi)有向低頻偏移的現(xiàn)象。下面以11日酒泉阿克塞MS4.0地震為例詳細(xì)說(shuō)明。該地震震中200km范圍內(nèi)布有6個(gè)地震臺(tái)站，即敦煌(80)、安西(170)、大柴旦(183)、冷湖(111)、石包城(125)、玉門關(guān)(141);為了便于比較，選取超出200km的柳園(208)、花土溝(367)等臺(tái)站的資料一并計(jì)算。結(jié)果顯示，這8個(gè)臺(tái)的頻譜較為一致，表現(xiàn)為頻譜分布的優(yōu)勢(shì)頻率約為0～5Hz，分布范圍較寬，符合正常背景性地震活動(dòng)的頻譜特征。圖1為其中部分地震臺(tái)站的計(jì)算結(jié)果。

圖1 2011年12月11日酒泉阿克塞M S 4.0地震多臺(tái)FFT均方譜

2.2 2010年玉樹(shù)7.1級(jí)和2014年于田7.3級(jí)地震的前震識(shí)別

玉樹(shù)7.1級(jí)地震前2h在震源區(qū)發(fā)生了MS4.7地震、于田7.3級(jí)地震前1天在震源區(qū)發(fā)生了MS5.3地震。這2次地震都發(fā)生在主震的震源區(qū)，屬于真正意義上的前震。

2.2.1 玉樹(shù)地震前震頻譜特征及識(shí)別

2010年4月14日玉樹(shù)7.1級(jí)地震發(fā)生在左旋走滑的甘孜-玉樹(shù)斷裂歷史地震破裂空段，即玉樹(shù)段上(孫鑫喆等，2012)，震前2h在主震震源區(qū)內(nèi)發(fā)生的MS4.7地震是一次前震。該地震震中附近臺(tái)站稀少，200km范圍內(nèi)僅有青海臺(tái)網(wǎng)的曲瑪萊(137)、雜多(124)、玉樹(shù)(40)等3個(gè)地震臺(tái)，500km范圍內(nèi)另有青海臺(tái)網(wǎng)的瑪多(250)、大武(364)、斑瑪(385)、興海(400)、都蘭(370)、德令哈(468)、格爾木(380)，四川臺(tái)網(wǎng)的道孚(493)、甘孜(369)、壤塘(428)、巴塘(426)、理塘(499)等共計(jì)12個(gè)數(shù)字地震臺(tái)。利用這些臺(tái)站的波形記錄計(jì)算了相應(yīng)的頻譜，其中距離地震震中較近的瑪多臺(tái)波形記錄及FFT均方譜如圖2所示。圖2(b)中矩形框內(nèi)為瑪多臺(tái)0～4Hz頻譜放大圖，顯示出優(yōu)勢(shì)頻段為0～1.5Hz、頻率大于1.5Hz的振幅明顯偏低等特征。除玉樹(shù)臺(tái)以外的其余13個(gè)臺(tái)頻譜計(jì)算結(jié)果類似于瑪多臺(tái)，主要優(yōu)勢(shì)頻率均小于1.5Hz，有的甚至更低。與圖1所示的優(yōu)勢(shì)頻段0～5Hz相比，表現(xiàn)出明顯的頻帶變窄且向低頻端偏移集中的現(xiàn)象，符合前震或廣義前震的頻譜特征。部分臺(tái)站FFT均方譜計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 2010年4月14日玉樹(shù)4.7級(jí)地震瑪多臺(tái)波形記錄(a)及其FFT均方譜(b)

圖3 2010年4月14日玉樹(shù)4.7級(jí)地震多臺(tái)FFT均方譜

2.2.2 于田地震前震頻譜特征及識(shí)別

2014年2月12日于田7.3級(jí)地震前1天在主震震源區(qū)發(fā)生的MS5.3地震是一次前震。該地震震中附近臺(tái)站稀少，200km范圍內(nèi)僅有民豐(51)、應(yīng)急B(115)等2個(gè)地震臺(tái);500km范圍內(nèi)另有和田(251)、且末(292)、葉城(480)等臺(tái)站;為了增加觀測(cè)資料，選取超過(guò)500km的巴楚(520)、柯坪(640)等2個(gè)臺(tái)站的資料以便計(jì)算比較。利用這些臺(tái)站的波形記錄計(jì)算了相應(yīng)的頻譜，結(jié)果顯示出類似于玉樹(shù)地震前震的頻譜特征，優(yōu)勢(shì)頻段為0～1.5Hz(部分小于1Hz)，具有明顯的頻帶變窄且向低頻端偏移集中的現(xiàn)象，符合前震或廣義前震的頻譜特征。部分臺(tái)站FFT均方譜計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 2014年2月12日于田5.4級(jí)地震多臺(tái)FFT均方譜

2.3 討論

2.3.1 較大震級(jí)地震頻譜偏移的適用性分析

由前述可知，最初的顯著地震是指震級(jí)為MS3.6～4.5的地震事件，而玉樹(shù)、于田地震的前震強(qiáng)度均超出了原來(lái)的研究范圍。因此，原來(lái)的結(jié)論是否仍然適用值得進(jìn)一步探索。為此，以區(qū)域內(nèi)震級(jí)相當(dāng)?shù)?012年5月3日金塔5.4級(jí)、2013年9月20日門源5.0級(jí)地震為例，利用前述方法進(jìn)行計(jì)算，這2次地震多臺(tái)記錄中的部分臺(tái)站頻譜特征如圖5、6所示。其中，圖5中涉及的臺(tái)站及震中距參數(shù)依次為河西堡(386)、石崗(484)、肅南(210)、金佛寺(130)、嘉峪關(guān)(94)、青頭山(122)等;圖6中涉及到的臺(tái)站及震中距參數(shù)依次為高臺(tái)(237)、河西堡(88)、金佛寺(304)、民勤(209)、山丹(121)、肅南(209)等。由圖 5、6 可見(jiàn)，2次地震的多臺(tái)FFT均方譜的頻譜分布范圍較寬，優(yōu)勢(shì)頻段在0～5.0Hz，且與玉樹(shù)4.7級(jí)、于田5.3級(jí)等前震0～1.5Hz的優(yōu)勢(shì)頻段存在明顯差異。因此，這2次地震具有正常背景性地震活動(dòng)的特征。事實(shí)上，這2次地震后區(qū)域內(nèi)均未發(fā)生更大的地震，這也表明最初依據(jù)MS3.6～4.5地震提煉出的判據(jù)同樣適用于5級(jí)左右地震屬性的判定。

圖5 2012年5月3日金塔5.4級(jí)地震多臺(tái)FFT均方譜

圖6 2013年9月20日門源5.0級(jí)地震多臺(tái)FFT均方譜

2.3.2 頻譜偏移與震中距的關(guān)系分析

一般來(lái)講，隨著震中距的增大，地震波會(huì)逐漸衰減，尤其是高頻部分衰減較快。因此，上述結(jié)論中的頻譜特征與空間距離的關(guān)系需要進(jìn)一步研究。

①同一地震不同震中距的頻譜特征分析

圖1～6分別為1次獨(dú)立地震事件在不同震中距臺(tái)站的頻譜。可以看出，圖1中冷湖(111)、石包城(125)、玉門關(guān)(141)、花土溝(367)等4個(gè)臺(tái)站的震中距逐步增大，介于111～367km之間，但頻譜圖較為一致，優(yōu)勢(shì)頻段為0～5Hz。圖4中民豐(51)、應(yīng)急B(115)、且末(292)、巴楚(520)、柯坪(640)等臺(tái)站的震中距逐步增大，介于51～640km之間，但頻譜圖也較為一致，優(yōu)勢(shì)頻段為0～1.5Hz。類似的特征也出現(xiàn)在圖5中，震中距94 km的嘉峪關(guān)臺(tái)與震中距484 km的石崗臺(tái)具有非常相似的頻譜結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，圖2、3、6等地震事件同樣具有類似的特征。

②不同地震同一震中距的頻譜特征分析

圖1～6的頻譜圖中存在不少震中距相當(dāng)?shù)呐_(tái)站，這為分析相同震中距條件下不同地震頻譜的差異性提供了可能。根據(jù)具體臺(tái)站的資料，選取130±、380±、480±km的3組震中距分析相應(yīng)的頻譜圖。表1為參與不同震中距波形頻譜比較的臺(tái)站參數(shù)。由圖1～6及表1可以看出，在相同震中距的臺(tái)站記錄中，普通地震與前震或廣義前震的頻譜結(jié)構(gòu)差異明顯;而不同的普通地震與前震或廣義前震，在相當(dāng)震中距的臺(tái)站記錄中其頻譜結(jié)構(gòu)及頻譜寬度均略有差異，但介于0～5.0Hz或0～1.5Hz之間的頻譜結(jié)構(gòu)特征相對(duì)穩(wěn)定。

表1 參與不同震中距波形頻譜比較的臺(tái)站參數(shù)

綜上所述，同一類地震在不同震中距臺(tái)站的記錄中頻譜結(jié)構(gòu)較為一致，頻譜差異較小;但普通地震與前震或廣義前震的頻譜結(jié)構(gòu)存在明顯的差異，且介于0～5.0Hz或0～1.5Hz的頻譜結(jié)構(gòu)特征相對(duì)穩(wěn)定。該特征可能意味著震源屬性是決定不同類型地震事件頻譜結(jié)構(gòu)的主要因素。同時(shí)還可以看出，在所研究的最大640km半徑范圍內(nèi)，震中距的變化引起的頻譜衰減量級(jí)相對(duì)較小;有關(guān)衰減的細(xì)節(jié)尚需進(jìn)一步深入研究。

3 頻譜偏移的可能機(jī)理分析

前震或廣義前震的頻譜向低頻端偏移的現(xiàn)象可能意味著波形記錄中低頻波發(fā)生了變化。有關(guān)震前低頻波輻射問(wèn)題的研究引起了許多專家的關(guān)注，已有研究認(rèn)為其根源在于斷層的預(yù)滑或慢破裂(陳運(yùn)泰等，1979;郭增建等，1991)。馮德益等(1984)從地震發(fā)生的破裂和粘滑2種機(jī)制出發(fā)，提出了粘滑前的預(yù)滑和破裂前的預(yù)擴(kuò)展(亞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展)可能是震前產(chǎn)生長(zhǎng)周期波的2種波動(dòng)源。而破裂成核理論(Dieterich，1992)中具有前兆意義的推論就是震前會(huì)出現(xiàn)低頻波。

近年來(lái)的部分實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果也顯示出有意義的結(jié)論。唐林波等(2002)在進(jìn)行破裂過(guò)程中的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究時(shí)指出，隨著微破裂的集結(jié)和裂紋的擴(kuò)展，輻射波的頻譜會(huì)逐漸向低頻移動(dòng)。他們通過(guò)壓力試驗(yàn)給出了花崗巖破裂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中巖石主破裂時(shí)的壓力為115MPa。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力為54 MPa時(shí)聲發(fā)射的能量頻譜分布較廣，在壓力加載接近主破裂發(fā)生、達(dá)到111 MPa時(shí)發(fā)射的能量主要集中在低頻部分(圖7)。

閆長(zhǎng)斌等(2010)的研究指出，巖體爆破損傷特征可造成檢測(cè)聲波能量衰減和頻譜特征的變化。在巖體爆破損傷前后進(jìn)行聲波測(cè)試實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，多次爆破后測(cè)試信號(hào)的能量集中區(qū)和最大能量分布百分比對(duì)應(yīng)的頻段(頻率)出現(xiàn)向低頻方向偏移的現(xiàn)象;并指出測(cè)試信號(hào)頻譜特性的變化反映了巖體爆破的損傷程度，即與巖體內(nèi)裂隙擴(kuò)展、成核、貫通并形成主裂紋等有關(guān)。

圖7 不同壓力下的聲發(fā)射頻譜特征對(duì)比(據(jù)唐林波等(2003))

因此，就表象來(lái)看，前震或廣義前震事件的頻譜偏移特征判據(jù)與上述理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的一致性。強(qiáng)震前中等震級(jí)地震頻譜偏移，這可能與強(qiáng)震前震源區(qū)或主震相關(guān)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)接近臨界狀態(tài)時(shí)破裂的亞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展或區(qū)域介質(zhì)破碎損傷、裂隙擴(kuò)展、成核等過(guò)程有關(guān)。

4 結(jié)論與討論

綜合上述分析，可以得出如下結(jié)論:

(1)正常背景性地震活動(dòng)的中等震級(jí)地震頻譜較寬，優(yōu)勢(shì)頻段為0～5Hz;而前震或廣義前震性質(zhì)的中等震級(jí)地震具有頻帶變窄且向低頻端偏移集中的特征，其優(yōu)勢(shì)頻段為0～1.5Hz(或小于1Hz)。該結(jié)論也適用于5級(jí)左右地震屬性的判定。這可能與強(qiáng)震前震源區(qū)或主震相關(guān)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)接近臨界狀態(tài)時(shí)破裂的亞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展或區(qū)域介質(zhì)破碎損傷、裂隙擴(kuò)展、成核等過(guò)程有關(guān)。

(2)同一類地震在不同震中距臺(tái)站的記錄中頻譜結(jié)構(gòu)較為一致，頻譜差異較小;但普通地震與前震或廣義前震的頻譜結(jié)構(gòu)存在明顯的差異，且介于0～5Hz或0～1.5Hz之間的頻譜結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性。該特征可能意味著震源屬性是決定不同類型地震事件頻譜結(jié)構(gòu)的主要因素。

(3)2010年4月14日青海玉樹(shù)7.1級(jí)、2014年2月12日新疆于田7.3級(jí)等地震前震的計(jì)算結(jié)果顯示，其頻譜都發(fā)生了偏移，且與非前震性同等震級(jí)地震的頻譜差異明顯，這進(jìn)一步驗(yàn)證了頻譜偏移法的有效性。因而，中等震級(jí)地震的頻譜偏移法提供了一種識(shí)別、判定前震或廣義前震的方法，該方法可能對(duì)區(qū)域地震活動(dòng)短期乃至臨震預(yù)測(cè)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

盡管經(jīng)過(guò)了多年的實(shí)際應(yīng)用，但以上結(jié)論仍有待更多震例、更多區(qū)域預(yù)測(cè)實(shí)踐的檢驗(yàn)，其頻譜偏移機(jī)理及有關(guān)頻譜隨震中距衰減的細(xì)節(jié)也需要進(jìn)一步的深入研究。

致謝:成文中陸遠(yuǎn)忠、張曉東、李勝樂(lè)、鄧志輝等研究員給予了寶貴的指導(dǎo)與建議，鄭秀芬、李曉峰、馮建綱、陳繼鋒等給予了大量幫助，中國(guó)地震局地球物理研究所國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供了波形數(shù)據(jù)，在此一并表示感謝。