利用HHT方法淺析臺站地震前地脈動信息變化特征

任建輝李繼業(yè)武曉軍孫 強秦麗巖孫鵬宇張彥吉吳海波杜天嬌

（1.哈爾濱市防震減災(zāi)技術(shù)中心，黑龍江哈爾濱 150021；2.黑龍江省地震局，黑龍江哈爾濱 150090；3.哈爾濱市通河地震臺，黑龍江哈爾濱 150900；4.哈爾濱市阿城地震臺，黑龍江 哈爾濱 150300；5.哈爾濱市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會，黑龍江 哈爾濱 150000；6.哈爾濱市木蘭地震臺，黑龍江哈爾濱 151900）

0 引言

從地震觀測的角度可以把地脈動分為兩類，一類是短周期地脈動，一類是長周期地脈動。地脈動也就是地震噪聲，因為它干擾了小地震或遠(yuǎn)距離地震的觀測，許多人對地脈動進(jìn)行了研究。19世紀(jì)以來，微弱的震動，與地震、爆炸或當(dāng)?shù)氐脑肼曉礋o關(guān)的地震波的持續(xù)振蕩，已經(jīng)在地震波記錄中觀測到了（bertelli，1872）。 自 Omori（1908）用高倍測振儀器觀測到地脈動，并發(fā)表“論地脈動”至今已有一百多年，國內(nèi)外學(xué)者對地脈動的研究和應(yīng)用已做了許多的工作［1］。早期的工作主要是對地脈動的成因、傳播、定位等的研究，這些研究中主要是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 （Douze， 1967； Capon， 1973）［2］； Klaus Strobach（1965）分析指出地脈動不僅包含了基本的瑞利面波，還有勒夫面波，兩者在不同的臺站所占有的比例是不同的；Astiz（1997）畫出了全球臺網(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)，脈動峰值的源涉及在海洋產(chǎn)生的地震波［3］；Longuet-Higgins認(rèn)為主脈動的峰值是由在開闊的海洋里沿不同方向傳播的海洋波之間干涉產(chǎn)生的駐波所造成的［4］。

在臨震預(yù)報方面，通過孕震介質(zhì)轉(zhuǎn)播的地脈動的頻譜特征量的明顯變化，為地震預(yù)報提供了有用的信息。牛志仁等分析海城、唐山地震前后地脈動的變化，發(fā)現(xiàn)震前同樣的脈動幅值減小現(xiàn)象［5］；陳化然等利用功率譜和Sompi譜分析方法，對大震前的地脈動及特殊波形進(jìn)行研究表明地脈動特征量可為地震預(yù)報提供有用的信息［6］；范葉萍等介紹了遼寧數(shù)字臺網(wǎng)運行的脈動異常跟蹤系統(tǒng)在2004年印尼蘇門答臘西北近海8.7級地震前，營口、錦州臺地脈動波形的幅度和周期明顯異常情況，并展現(xiàn)了該系統(tǒng)的研究及應(yīng)用前景［7］；之后，許多學(xué)者在長周期事件中發(fā)現(xiàn)了慢地震事件，并在一些大震前幾天，發(fā)現(xiàn)了長周期形變波［8～9］；在此基礎(chǔ)上，尹亮進(jìn)行了進(jìn)一步的震例研究，并從重力等角度進(jìn)行了不同地球物理驗證研究［10］；姚家俊則從縮短計算地脈動序列時間長度、頻譜加窗處理等角度進(jìn)行相關(guān)方法和實用技術(shù)的探索研究［11］；馮少孔等利用高密度面波勘探和小型臺陣地脈動觀測在西部地區(qū)地震防災(zāi)應(yīng)用中發(fā)揮積極作用［12］。此外，還有許多科技人員利用地脈動做震源參數(shù)計算、地下速度結(jié)構(gòu)反演等大量的研究工作［13］。

隨著我國測震臺網(wǎng)的建設(shè)，已經(jīng)積累了巨量的大動態(tài)、高分辨率、高精度的波形資源，這些波形既包括地震事件波形，而更多的是無震的地脈動數(shù)據(jù)。黑龍江省數(shù)字地震監(jiān)測臺網(wǎng)數(shù)據(jù)從2002年產(chǎn)出，共有35個專業(yè)臺站。2008年完成十五項目改造后，全部實現(xiàn)了數(shù)字化，目前測震臺網(wǎng)包含省內(nèi)及鄰省共計50余個臺站。本文旨在對數(shù)字地震觀測臺站積累的地脈動數(shù)據(jù)進(jìn)行一次觀測應(yīng)用和預(yù)測應(yīng)用的嘗試研究，使數(shù)據(jù)資源發(fā)揮更大的作用。

1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

依據(jù)地形地貌來分析，東北地塊長期以來受到西北方向力和北東方向力的作用。西北方向的作用力主要來源于太平洋板塊擠壓擴(kuò)張和抬升作用，形成了大興安嶺隆起和盆地，東北方向的力來源于北美板塊，形成小興安嶺，將盆地分隔成結(jié)雅盆地和松嫩盆地。東北地區(qū)的地震可分為日本海―長白山深震帶、郯廬斷裂帶北段地震區(qū)、松遼盆地內(nèi)部地震帶和松遼盆地西緣地震區(qū)［14］。松遼盆地是東北地區(qū)最大的中新生代陸相沉積盆地，盆地東、西兩側(cè)的依舒斷裂帶和嫩江斷裂帶的活動較弱，但盆地中的斷裂仍有一定程度的活動。松遼盆地也是東北地區(qū)發(fā)生淺源中強地震的場所，地震主要分布在盆地的中部?？紤]到數(shù)據(jù)獲取和掌握情況，以及地震活躍程度和地域研究的必要性，研究區(qū)域主要集中在對黑龍江省防震減災(zāi)工作影響更具有意義的松遼盆地及其周邊鄰近地區(qū)。

2 資料選取

考慮到研究的統(tǒng)一性和未來的可持續(xù)應(yīng)用性，選取“十五”項目改造之后的數(shù)據(jù)和震例作為研究對象。本次研究選用的數(shù)據(jù)是垂直分量UD向分鐘值（在一般情況下，對于三個分向的數(shù)據(jù)選取沒有特殊要求），地震選取分別為松遼盆地內(nèi)部2009年5月10日安達(dá)地震、2013年10月31日前郭地震和松遼盆地附近地區(qū)2013年11月20日樺南地震。研究區(qū)內(nèi)顯著斷裂展布及地震的空間分布見圖1，地震具體參數(shù)信息見表1。

圖1 研究區(qū)內(nèi)主要斷裂展布及3次M≥4.5地震空間分布圖（F1.敦密斷裂；F2.依舒斷裂；F3.扶余-肇東斷裂；F4.濱州斷裂；F5.勃利-北安斷裂；F6.嫩江斷裂）Fig.1 Spatial distribution of fault zones and M≥4.5 earthquakes in study area

根據(jù)以往學(xué)者的研究成果，地脈動在短臨預(yù)報方面有較好的應(yīng)用，有成功的預(yù)測經(jīng)歷，具有數(shù)小時至7天左右的地震短臨預(yù)報指標(biāo)意義［15-16］。選取震前20天，震后10天的地脈動數(shù)據(jù)總結(jié)震例的短臨預(yù)測指標(biāo)，研究使用的數(shù)據(jù)均來自黑龍江省地震局監(jiān)測中心，處理數(shù)據(jù)累計9264小時（約合555840分鐘），涉及臺站12個，其中黑龍江省臺網(wǎng)10個，包括慶安臺、北林臺、碾子山臺、五常臺、肇源臺、牡丹江臺、雙鴨山臺、依蘭臺、密山臺和佳木斯臺；其他臺網(wǎng)2個，為乾安臺和榆樹臺。臺站與震中分布均屬同一構(gòu)造塊體、震中距250km范圍內(nèi)。

表1 研究地震信息表Tab.1 The information of earthquakes in study area

3 HHT方法原理

對于非平穩(wěn)信號，如地震數(shù)據(jù)，其頻譜是時間的函數(shù)，所以要求分析方法能夠準(zhǔn)確反映出信號的局部時變頻譜特性，希爾伯特-黃變換（HHT）能夠進(jìn)行非線性、非平穩(wěn)信號的線性化和平穩(wěn)化處理，被認(rèn)為是近年來對以傅立葉變換為基礎(chǔ)的線性和穩(wěn)態(tài)譜分析的一個重大突破［17］。它由經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，簡稱EMD）方法和 Hilbert變換（Hilbert Transform）兩部分組成，其核心是EMD分解。分解的過程中保留了數(shù)據(jù)本身的特性，再對各 IMF分量進(jìn)行Hilbert變換，得到 Hilbert譜，算法流程如圖2。Hilbert譜表示的是信號幅值在整個頻率段上隨時間和頻率的變化規(guī)律，Hilbert邊際譜表示信號幅值在整個頻率段上隨頻率的變化情況，是通過對Hilbert譜積分得到的，Hilbert邊際譜是具有一定的概率意義，可以看作是一種加權(quán)的聯(lián)合幅值-頻率-時間分布，而賦予每個時間-頻率單元的權(quán)重即為局部幅值，而不是其信號上的幅值，只是通過其判斷哪個具體時刻出現(xiàn)振動的可能性。

圖2 HHT算法流程圖（據(jù)徐克全，2011）Fig.2 HHT algorithm flowchart（based on Xu，2011）

在某些情況下，頻域分析比時域分析更有優(yōu)勢。地震記錄中蘊含著多種頻率成分，就地震波本身來說，P波、S波、面波等具有不同的優(yōu)勢頻率分布，而諸如環(huán)境變化、氣象變化、爆破等干擾因素，也常常具有各自不同的頻率特征。這些不同來源、不同特性的波動疊加在地震記錄中，僅僅從地震波形特征的角度常常難以分辨；但是根據(jù)不同來源波動的頻率差異，在頻率域內(nèi)進(jìn)行分離，則可以較好地分辨出不同的影響因素及其變化。本文為了避免單獨事件對數(shù)據(jù)的干擾，應(yīng)用HHT方法邊際譜對地脈動的每日分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出每日頻率疊加幅值最大時段，這樣可以有效地分離了單個事件（前震、爆破、余震、其它干擾等）頻率對整體數(shù)據(jù)分析的影響。計算中，采用Matlab提供的HHT算法對分鐘地震記錄進(jìn)行邊際譜計算。

4 數(shù)據(jù)分析

利用HHT方法對地脈動UD分量每日分鐘值進(jìn)行頻譜信號計算與提?。▓D3）。

通過對3次地震前，多臺站、多時段的邊際譜分析發(fā)現(xiàn)，邊際譜在20～49μHz脈動的幅值出現(xiàn)快速、持續(xù)地增大，而此前的相應(yīng)結(jié)果比較穩(wěn)定，僅僅在一定的范圍內(nèi)波動。下面進(jìn)行具體分析。

安達(dá)地震研究選取北林、碾子山和慶安3個臺站（圖4a），數(shù)據(jù)截取2009年4月20日至5月20日；前郭地震研究選取乾安、五常、榆樹和肇源4個臺站（圖4b），數(shù)據(jù)截取2013年10月11日至11月10日；樺南地震研究選取牡丹江、雙鴨山、依蘭和密山4個臺站（圖4c），數(shù)據(jù)截取2013年10月31日至11月30日。分別利用HHT方法分別對每臺、每日UD分量進(jìn)行邊際譜分析，具體結(jié) 果見表2。

續(xù)表2

續(xù)表2

圖3 HHT方法計算地脈動UD分量24小時分鐘值Fig.3 24 hours minute value of microtremor UD component by HHT method

圖4 選取臺站與地震分布圖Fig.4 Distribution map of selected seismic stations and earthquakes

圖5為安達(dá)地震地脈動邊際普幅值觀測序列。其中，北林臺、慶安臺在4月21日出現(xiàn)幅度值隨時間單調(diào)增大的現(xiàn)象，碾子山臺則在4月22日出現(xiàn)類似情況，北林臺在5月2日后恢復(fù)到平靜值，慶安臺在5月3日恢復(fù)，碾子山臺則在6日恢復(fù)。距離震中最近的北林臺持續(xù)時間為12天，慶安臺持續(xù)13天，最遠(yuǎn)的碾子山臺持續(xù)了15天，距離越遠(yuǎn)持續(xù)的時間相對越長；從出現(xiàn)幅值增大的時間來看，距離震中位置相對較近的北林臺（140km）和慶安臺（180km）最先出現(xiàn)，且最大幅度值也較大（分別為15.2×106A、29.6×106A，A表示幅值，單位counts，下同），距離震中200km的碾子山臺則出現(xiàn)的較晚，幅度值相對也較小。優(yōu)勢頻率集中在20～38μHz，其中優(yōu)勢幅值頻率為26μHz。本文又分別對前郭地震和樺南地震的地脈動邊際普幅值序列進(jìn)行了時間掃描，由于篇幅的關(guān)系，僅把掃描結(jié)果進(jìn)行說明，具體情況見表3。

表3顯示，前郭地震前，乾安臺、五常臺和榆樹臺在10月12日出現(xiàn)幅度值隨時間單調(diào)增大的現(xiàn)象，肇源臺則在10月14日出現(xiàn)類似情況，榆樹臺在10月26日后恢復(fù)到平靜值，乾安臺、五常臺在5月28日恢復(fù)，肇源臺則在31日地震當(dāng)日恢復(fù)。距離震中最近的乾安臺持續(xù)時間為17天，肇源臺持續(xù)18天，相對較遠(yuǎn)的榆樹臺和五常臺則分別持續(xù)了15天、17天，距離越遠(yuǎn)持續(xù)的時間相對越短；從幅值增大的時間來看，距離震中位置相對較近的乾安臺（50km）最先出現(xiàn)，且最大幅度值也較大（19.0×106A），肇源臺（110km）雖然出現(xiàn)幅值增大的時間相對較晚，但最大幅值大于距離震中最遠(yuǎn)的五常臺。該震例中存在一個特殊情況就是，最大幅值出現(xiàn)在榆樹臺（230km），達(dá)到了71.1×106A，分析認(rèn)為，這可能與前郭地震類型有關(guān)。眾所周知，前郭地震是震群型，最大震級達(dá)到5.8級，且時間跨度近一個月。此外，根據(jù)作者以往的研究，一個中強地震可能與一個或者幾個典型場有關(guān)，一個典型場也可能與一個或幾個中強地震對應(yīng)［18］。10月31日地震后，仍有部分臺站出現(xiàn)幅值增大的現(xiàn)象，可能與震兆場對應(yīng)多個地震現(xiàn)象有關(guān)。前郭地震的優(yōu)勢頻率集中在20～49μHz，其中優(yōu)勢幅值頻率為32μHz。

圖5 安達(dá)地震地脈動UD向日值邊際譜幅值觀測序列Fig.5 Observation sequence of marginal spectrum amplitude of microtremor UD component of Anda earthquake

表3 邊際譜幅值信息與地震的關(guān)系Tab.3 The relationship between the marginal spectrum amplitude information and earthquakes

樺南地震前，依蘭臺、密山臺在11月6日出現(xiàn)幅度值隨時間單調(diào)增大的現(xiàn)象，雙鴨山臺在11月7日隨即出現(xiàn)增大現(xiàn)象，牡丹江臺則在11月9日出現(xiàn)類似情況，雙鴨山臺在11月19日后恢復(fù)到平靜值，牡丹江臺、依蘭臺、密山臺在11月20日同時恢復(fù)。距離震中最近的雙鴨山臺持續(xù)時間為13天，依蘭臺、密山臺各持續(xù)15天，相對較遠(yuǎn)的牡丹江臺則持續(xù)了12天，距離越遠(yuǎn)持續(xù)的時間相對越短；從出現(xiàn)幅值增大的時間來看，距離震中位置相對較近的依蘭臺（103km）和密山臺（113km）最先出現(xiàn)，且最大幅度值也相對較大（36.8×106A和33.0×106A），然后是距離震中最近的雙鴨山臺（76km），幅度值達(dá)到了41.0×106A，距離最遠(yuǎn)的牡丹江臺（180km）出現(xiàn)幅值增大的時間最晚，最大幅值也最小。樺南地震的優(yōu)勢頻率集中在20～49μHz，其中優(yōu)勢幅值頻率為38μHz。

綜上所述，地震發(fā)生前，一般表現(xiàn)在15天左右，連續(xù)出現(xiàn)5次或以上頻率幅度高值大于5.00×106A的現(xiàn)象。為了考證這種現(xiàn)象是否與地震前應(yīng)力場變化引起的脈動異常有一定關(guān)聯(lián)性，本文還對佳木斯、牡丹江和依蘭臺在無震平靜時段的地脈動UD分量邊際普幅值觀測序列進(jìn)行時間掃描，15天內(nèi)未發(fā)現(xiàn)5次以上高于5.00×106A的頻率幅度值，且頻率幅度都相對偏?。▓D6）。充的作用。由于篇幅的關(guān)系，詳細(xì)結(jié)果見表4，圖7為前郭地震臺站間地脈動互相關(guān)時間掃描情況。

圖6 平靜時段地脈動UD向日值觀測序列邊際譜（2016.4.1～4.15）Fig.6 Marginal spectrum of daily value observation sequence of microtremor UD component in quiet period

表4 地震與異常時間的關(guān)系表Tab.4 The relationship between the abnormal time and earthquakes

圖7 前郭地震地脈動UD向整點值互相關(guān)曲線Fig.7 Cross-correlation curve of whole value of microtremor UD component of Qianguo earthquake

表4顯示，安達(dá)地震前，互相關(guān)曲線在4月21日出現(xiàn)明顯離散現(xiàn)象，在26日達(dá)到最大，5月2日逐漸恢復(fù)，恢復(fù)一周后發(fā)生地震。前郭地震前，肇源／乾安互相關(guān)曲線在10月12日出現(xiàn)明顯離散現(xiàn)象，在16日達(dá)到最大，10月27日逐漸恢復(fù)，恢復(fù)一周內(nèi)發(fā)生地震；肇源／榆樹互相關(guān)曲線在10月16日出現(xiàn)離散現(xiàn)象，在24日達(dá)到最大，10月25日逐漸恢復(fù)，恢復(fù)一周內(nèi)發(fā)生地震；五常／乾安互相關(guān)曲線在10月12日出現(xiàn)離散現(xiàn)象，在16日達(dá)到最大，10月27日逐漸恢復(fù)，恢復(fù)一周內(nèi)發(fā)生地震；榆樹／乾安互相關(guān)曲線在10月12日出現(xiàn)明顯離散現(xiàn)象，在13日達(dá)到最大，10月30日恢復(fù)后一天發(fā)生地震。樺南地震前，密山／雙鴨山互相關(guān)曲線在11月7日出現(xiàn)離散現(xiàn)象，在18日達(dá)到最大，10月20日地震發(fā)生后逐漸恢復(fù)；密山／依蘭互相關(guān)曲線在11月6日出現(xiàn)明顯離散現(xiàn)象，在8日達(dá)到最大，11月19日恢復(fù)后一天發(fā)生地震；雙鴨山／依蘭互相關(guān)曲線在11月6日出現(xiàn)明顯離散現(xiàn)象，在7日達(dá)到最大，11月18日逐漸恢復(fù)，恢復(fù)一周內(nèi)發(fā)生地震。

5 結(jié)論與討論

本文通過HHT方法計算中強地震前地脈動數(shù)據(jù)的邊際譜，總結(jié)出地震前邊際譜的優(yōu)勢頻率范圍，發(fā)現(xiàn)地脈動幅值在地震前隨時間快速、持續(xù)地增大，并在震前恢復(fù)平靜的完整過程。研究的初步結(jié)論如下：

（1）地震發(fā)生前，頻率幅值存在隨時間上升—下降—恢復(fù)的完整動力過程變化，頻率集中在 20 ～ 49μHz，其中優(yōu)勢幅值頻率為 26μHz、32μHz和 38μHz。

（2）地震前，幅值增高變化在時域上一般表現(xiàn)為15天左右，且連續(xù)出現(xiàn)5次或以上頻率幅度高值大于5.00×106A的現(xiàn)象。

（3）頻率幅值與震級存在一定的正比例關(guān)系，震級越大，幅值相對越大。震中距與幅值存在一定的反比例關(guān)系，臺站距離震中越遠(yuǎn)，出現(xiàn)幅值相對越小。異常出現(xiàn)時間與震中距存在一定的正比例關(guān)系，距離震中越近的臺站，可能越早出現(xiàn)異常。

（4）對出現(xiàn)頻率幅度高值的臺站進(jìn)行互相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)相關(guān)性曲線存在明顯的離散現(xiàn)象，且這種現(xiàn)象在地震發(fā)生前逐漸減弱或消失。

（5）地震一般在異常消失后的一周內(nèi)發(fā)生，具有短臨預(yù)測意義。

通過研究也發(fā)現(xiàn)該項工作也存在著一些缺點和需要繼續(xù)完善的方面：

（1）算法復(fù)雜且無法快速的進(jìn)行計算。數(shù)據(jù)處理量較大，研究時段長度受制約，適合短臨預(yù)測以及追溯性檢驗、總結(jié)工作。如將該方法應(yīng)用到日常工作當(dāng)中，每日處理數(shù)據(jù)，可適用于長期震情跟蹤工作。

（2）在處理干擾過程中由于儀器不同、工作周期不同、臺站受到的干擾因素不同，一些干擾只能有針對的定向去分析，對于干擾嚴(yán)重的數(shù)據(jù)，可能無法完全消除干擾信息，只是相對提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（3）受到東北地區(qū)地震震例少，震級小的限制，在分析提取地震前兆異常中，僅對3個震例進(jìn)行了分析研究，且臺站選取距離震中相對較近。未來需要利用該方法繼續(xù)開展同構(gòu)造塊體內(nèi)遠(yuǎn)場信號的提取與識別工作，嘗試降低震級下限探索預(yù)測指標(biāo)的適用性，并逐漸完善平靜期背景指標(biāo)，豐富震例總結(jié)數(shù)量，拓寬檢驗時間長度等工作?？紤]到地震活動受到許多因素的影響，如太陽黑子活動、地球自轉(zhuǎn)速率變化以及活動斷裂運動等等，本次研究并未予以考慮，因而研究結(jié)果具有局限性［19］。此外，本文僅對3次震例進(jìn)行了現(xiàn)象描述和較淺的特征分析，預(yù)測指標(biāo)也需要日后更多的震例研究進(jìn)行檢驗與完善，并結(jié)合其它方法進(jìn)行輔助預(yù)測。

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