地震前超寬頻帶地脈動記錄異常變化特征探討

荊 濤，孫 藝，方禹心，顧強(qiáng)強(qiáng)，安峻峰

（1. 沈陽地震臺，遼寧 沈陽 110100；2. 遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

自O(shè)mori 最早觀測到地脈動（microtremor）至今，地脈動的研究已有百年歷史，主要應(yīng)用在場地動力特性評價、地震區(qū)劃和速度結(jié)構(gòu)探測等方面。我國地脈動的研究始于60年代，主要以卓越周期為主，包括卓越周期和震害關(guān)系的研究及應(yīng)用。目前已有多個震例研究表明，地脈動對大地震的發(fā)生具有一定的指示意義。在某些特定頻率范圍內(nèi)地脈動的變化與地震有關(guān)[1-3]。本文在前期工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了下一步工作，查找震前地脈動異常頻率范圍，提取與地震相關(guān)的震前地脈動變化信息。

目前對超寬頻帶觀測儀的地脈動數(shù)據(jù)研究很少。前人對地震前地脈動異常變化研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)多源自短周期地震計（受客觀科技水平所限），隨著科技發(fā)展采用寬頻帶地震計資料進(jìn)行了一些研究，但對于超寬頻帶地脈動數(shù)據(jù)的研究較少。JCZ-1T 超寬頻帶地震計為我國自行研制的高性能地震計，儀器頻帶為50Hz-DC，每個地震計分別有兩個通道輸出：50Hz-360s速度平坦輸出及360s-DC 的加速度平坦輸出，觀測頻帶覆蓋了短周期地震波至長周期固體潮。

地震的發(fā)生是一個能量緩慢積累到突然釋放的過程，這個過程需要一定的時間。地震震級的大小與能量積累的時間是密切相關(guān)的，一個地震震級越大，其蘊(yùn)藏的能量就越大，孕育的時間也是會更長。在能量積累的過程中可能會引起地脈動的一些“異?！弊兓@些“異?！睍粌x器記錄下來，我們的任務(wù)就是在這大量數(shù)據(jù)記錄中提取有意義的地震前兆信息，為日后監(jiān)測預(yù)報工作提供科學(xué)依據(jù)。本文主要針對遼寧燈塔M5.1、內(nèi)蒙古科爾沁M(jìn)5.4 及吉林前郭震群（M≥5.0） 為研究對象（表1），上述地震相對沈陽地震臺來說震中距較近、震級較大，是非常典型的震例。對震前三個月沈陽地區(qū)地脈動數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，得到發(fā)震前沈陽地震臺地脈動異常變化特征。

表1 研究時段內(nèi)地震參數(shù)

1 資料選取及數(shù)據(jù)分析

1.1 資料選取

為了更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)匮芯空鹎暗孛}動異常信息，本文考慮到兩方面原因，一是震級大小，近些年來東北地區(qū)地震活動性處于相對不強(qiáng)的狀態(tài)下，大地震頻次很少，震級范圍確定為M≥5.0；二是震中距，地震的大小與影響范圍呈正比，地震越大，受影響的地區(qū)就越廣，鑒于本文只采用近幾年M≥5.0 的地震，震級不是很大，所以震中距范圍選取必然不會太大，確定以沈陽地震臺周邊500km 為半徑范圍內(nèi)的地震。通過以上，最終選取了3 個典型震例，包括沈陽燈塔M5.1、科爾沁M(jìn)5.3 及前郭M≥5.0震群（2013年度）。

資料選取了地震前長時段數(shù)據(jù)燈塔M5.1 地震發(fā)生于2013年01 月23 日、科爾沁M(jìn)5.3 地震發(fā)生于2013年04 月22 日、前郭M≥5.0 地震發(fā)于2013年10 月至2013年11 月），最終資料選取時間段為2012年09 月01 日至2014年5 月31 日，共計20 個月。采用速度輸出通道數(shù)字觀測資料。通過對比全天數(shù)據(jù)文件（24 小時） 和當(dāng)天小時數(shù)據(jù)文件（1 小時） 的頻域分析曲線，發(fā)現(xiàn)兩者非常相似，只是在振幅大小上有所差異，由于頻域分析中振幅大小與觀測數(shù)據(jù)量成正比，因此可以忽略振幅差異，采用小時數(shù)據(jù)文件作為研究樣本，從而降低數(shù)據(jù)處理的工作量。另外，降低數(shù)據(jù)樣本的時間跨度可以對人為、氣象、地震波等干擾因素起到回避作用，提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了提高本文結(jié)論的科學(xué)性及真實性，如遇選取時段中含有認(rèn)為、氣象、地震等干擾，均用當(dāng)天無干擾小時段進(jìn)行替換，所有參與計算的數(shù)據(jù)均是無上述干擾類型的數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)分析

在研究過程中發(fā)現(xiàn)多種干擾現(xiàn)象，影響地脈動分析的干擾因素主要有三種：氣象干擾、人為干擾、地震干擾（地震計記錄的體波和面波）。對干擾的處理采用兩種方法，一種是濾波，對自然干擾及人為干擾進(jìn)行濾波處理，濾掉干擾頻率，最終祛除干擾；另一種是更換相近時段的測震波形數(shù)據(jù)（地震干擾）。

利用MATLAB 平臺提供的快速傅里葉變換（FFT） 算法，對所研究震例震前、后地脈動測量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析。對于不同的目標(biāo)頻段，使用振幅值作為研究指標(biāo)，頻段內(nèi)振幅值的確定方法如圖1 所示。

2 地震前地脈動變化及特征

本文以沈陽地震臺JCZ-1T 超寬頻帶地震計的垂直分量速度信號記錄信息為研究對象，該通道的觀測頻帶為50Hz-360s。研究數(shù)據(jù)以天為單位，每天選取固定時間段，由于時間段相對固定，當(dāng)有大地震發(fā)生產(chǎn)生干擾時，在地震前重新選取研究數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的可靠。對沈陽地震臺JCZ-1T 地震計記錄波形進(jìn)行頻譜分析，確定振幅幅度較突出的頻率段，共計二十二組，對不同頻率段幅值變化曲線進(jìn)行對比分析，最終確定研究對象頻率范圍為0.2～0.5Hz，并對該頻段幅值變化進(jìn)行了詳細(xì)分析。

通過對沈陽地震臺超寬頻帶地震資料進(jìn)行全頻域分析后發(fā)現(xiàn)0.2～0.5Hz 頻段是較為活躍的頻段，其中表現(xiàn)為振幅值較大，并且在中強(qiáng)震前均有高值現(xiàn)象出現(xiàn)。但有時出現(xiàn)振幅高值單點突跳，并不一定會有地震發(fā)生，本文判斷是否為地震前兆要滿足兩個條件：（1） 振幅值出現(xiàn)高值異常；（2） 異常高值時段至少保持一個月以上，有在較長時段振幅值保持高值“異?！?，這才有可能屬于地震“前兆”。以上兩個條件缺一不可。

本文采用“四分位法”來確定沈陽地震臺超寬頻帶資料振幅正常值和異常值的范圍，將所有振幅值按大小順序排列并分成四等份，處于三個分割點位置即為四分位數(shù)。Q1=下四分位數(shù)，即第25 百分位數(shù)；Q2=中位數(shù)，即第50百分位數(shù)；Q3=上四分位數(shù)，即第75 百分位數(shù)。Q2 為沈陽臺超寬頻帶地震儀的平均振幅值，經(jīng)多個震例對比分析，發(fā)現(xiàn)地震前振幅值高值異常均在上四分位數(shù)（Q3） 區(qū)間內(nèi)，以此可用上四分位數(shù)來確定異常振幅值。

Q1 的位置= （n+1） × 0.25

Q2 的位置= （n+1） × 0.5

Q3 的位置= （n+1） × 0.75

其中n 表示項數(shù)。

經(jīng)計算后得出沈陽地震臺超寬頻帶數(shù)據(jù)四分位值（表 2），其中平均振幅值為22.0515（Q2），異常振幅值起止點為33.71445（Q3），振幅值超過Q3，并長時段保持此狀態(tài)，這就需要注意了。不過需要說明的是由于本文資料選取時段是2012年9 月至2014年5 月，數(shù)據(jù)量不大，計算結(jié)果的準(zhǔn)確率存在一定的誤差，日后應(yīng)繼續(xù)完善。

表2 沈陽地震臺超寬頻帶四分位值

2.1 燈塔M5.1 地震前地脈動變化特征

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，北京時間2013年01 月23 日12 時18 分在遼寧省燈塔市（北緯41.30 度，東經(jīng) 123.12 度） 發(fā)生 M5.1 級地震，震源深度10 千米。

圖2 給出了燈塔M5.1 地震前近三個月的振幅譜值曲線（2012.11-2013.01）（圖2a）。考慮到地脈動變化可能會有周期性，將2013年度（2013.11-2014.01）（圖 2b） 與 2012年度振幅譜值曲線進(jìn)行了對比。2012年度與2013年度振幅譜值曲線形態(tài)完全不一致，這樣就可以排除地脈動變化具有周期性。2012年度（燈塔M5.1地震前） 振幅譜值整體水平與2013年度振幅譜值相比明顯要高，可以證明在燈塔M5.1 地震前確實存在地脈動高值異常的現(xiàn)象。

圖2 2012年度與2013年度燈塔M5.1 地震沈陽地震臺振幅譜值曲線對比圖Fig.2 Comparison of the amplitude spectrum curves of the Shenyang Seismic Station of the Dengta M5.1 earthquake in 2012 and 2013

在燈塔M5.1 地震前近4 個月內(nèi)出現(xiàn)長時段振幅譜高值現(xiàn)象（圖3），自2012年10 月初至燈塔M5.1 地震前存在長時段的高值異常，異常時段近4 個月，期間平均振幅值達(dá)38.71143056，已達(dá)到異常閾值。不過值得注意的是2012年12月31 日（震前23 天） 振幅值開始下降，直至地震發(fā)生低值現(xiàn)象都很平穩(wěn)，振幅值由高值回落到低值區(qū)間時發(fā)震，震后振幅值仍然保持高值狀態(tài)，未恢復(fù)到震前低值水平。

圖3 燈塔M5.1 地震前后沈陽地震臺超寬頻帶地脈動日變曲線Fig.3 Ultra-wideband daily pulsation curves of Shenyang Seismic Station before and after the Dengta M5.1 earthquake

燈塔M5.1 地震前振幅譜值變化特征是在地震前出現(xiàn)持續(xù)高值現(xiàn)象，由高值轉(zhuǎn)入低值后，在低值時段內(nèi)發(fā)震。值得注意的是燈塔M5.1 震后振幅譜值沒有恢復(fù)到低值狀態(tài)，反而再次升到高值水平，正常情況下一個地區(qū)發(fā)生地震后，該地區(qū)地脈動活動水平應(yīng)趨于平靜，振幅的低值現(xiàn)象應(yīng)該是燈塔地震后的理論現(xiàn)象，但燈塔地震后沒有恢復(fù)到低值水平，這有可能是3 個月后科爾沁發(fā)生M5.3 地震埋下的伏筆。

2.2 科爾沁M(jìn)5.3 地震前地脈動變化特征

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，北京時間2013年04 月22 日17 時11 分在內(nèi)蒙古科爾沁 （北緯42.54 度，東經(jīng) 122.21 度） 發(fā)生 M5.3 級地震，震源深度10 千米。

對比 2013年度 （2013.01-2013.04）（圖 4a）與 2014年度 （2014.01-2014.04）（圖 4b）振幅譜值曲線，可以明顯看出兩個年度振幅日變化曲線完全不同，并且2013年度與2014年度相比，2013年度振幅值水平要高于2014年度。

圖4 2013年度與2014年度科爾沁M(jìn)5.3 沈陽地震臺振幅譜值曲線對比圖Fig.4 Comparison of amplitude spectrum curves of Korqin M5.3 Shenyang Seismic Station in 2013 and 2014

圖5 所示，科爾沁M(jìn)5.3 地震前三個月大部分時間內(nèi)都處于高值狀態(tài)（燈塔M5.1 地震后振幅值無下降趨勢），并且在燈塔M5.1 地震后仍然維持在高值水平，自燈塔M5.1 地震后至科爾沁 M5.3 地震前，于 2013年 4 月 10 日 （震前12 天） 振幅值出現(xiàn)趨勢下降，由高值轉(zhuǎn)為低值，也是在相對低值時發(fā)震，震后振幅譜值穩(wěn)定在低值區(qū)間，直至5 月底振幅值仍然保持持續(xù)走低的態(tài)勢，后續(xù)無中強(qiáng)地震發(fā)生（以沈陽臺為中心300km 范圍內(nèi)）。自燈塔M5.1 地震發(fā)生后至科爾沁M(jìn)5.3 地震發(fā)生前，平均振幅值達(dá)29.0875，雖然沒有達(dá)到異常值水平，但也遠(yuǎn)超平均值水平，在科爾沁M(jìn)5.3 地震發(fā)生前的三個月已經(jīng)有一個5 級地震（燈塔M5.1） 觸發(fā)，能量已經(jīng)釋放了一部分，所以作者認(rèn)為科爾沁M(jìn)5.3 地震前振幅值沒有達(dá)到異常水平也屬正常。

圖5 科爾沁M(jìn)5.3 地震前后沈陽地震臺超寬頻帶地脈動日變曲線Fig.5 Diurnal variation curve of ultra-wideband ground pulsation at Shenyang Seismic Station before and after the Horqin M5.3 earthquake

科爾沁M(jìn)5.3 地震前振幅譜值變化特征也是在地震前出現(xiàn)長時間高值異?，F(xiàn)象，之后振幅譜值由高轉(zhuǎn)低，在低值時段內(nèi)發(fā)震?？茽柷進(jìn)5.3 地震發(fā)生后，振幅值逐漸恢復(fù)到低值水平，之后無中強(qiáng)地震發(fā)生。但燈塔M5.1 地震后，振幅譜值在震后并未回落至低值區(qū)間范圍內(nèi)，并且燈塔地震后仍然保持高值狀態(tài)，在這種不降反升的異常情況下，發(fā)生了科爾沁M(jìn)5.3地震，這就提醒我們對地震后振幅值未下降的情況要引起重視，說明后續(xù)還可能有中強(qiáng)地震發(fā)生。

2.3 前郭震群地震前地脈動變化特征

2013年10 月31 日以兩次M≥5.0（最大震級為M5.7） 地震宣告吉林前郭地區(qū)進(jìn)入地震活躍期。截止2013年12 月8 日共計發(fā)生M3.0～3.9 共 8 次，M4.0～4.9 共 6 次，M5.0～5.9 共 5次，其中最大震級為2013年11 月23 日前郭M5.8。

通過對比2012年度 （圖6a） 與 2013年度（圖6b） 振幅譜值曲線（圖6） 可以看出振幅譜值曲線形態(tài)依然不一致，且2013年度相比2012年度的振幅值水平明顯要高，可見前郭地震在震前同樣出現(xiàn)了地脈動異?，F(xiàn)象。

圖6 2012年度與2013年度前郭M≥5.0 地震沈陽地震臺振幅譜值曲線對比圖Fig.6 Comparison of the amplitude spectrum curves of Qianguo M≥5.0 earthquakes at Shenyang Seismic Station in 2012 and 2013

2013年7 月至 2013年9 月振幅值水平一直處于相對較低的水平，并且還是較為穩(wěn)定的，2013年9 月13 日也就是前郭震群開始活躍前43 天（圖7），振幅值突然由低值向高值轉(zhuǎn)變，高值現(xiàn)象一直持續(xù)到地震（前郭震群第一個M≥5.0 地震） 前 2 天 （10 月 29 日），期間平均振幅值達(dá)35.53016957，已達(dá)到異常值水平，共持續(xù)了一個多月，之后再次出現(xiàn)由高值向低值轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，接著2 天后發(fā)生兩次M≥5.0 地震，地震發(fā)生后振幅譜值依然保持高值，這應(yīng)該是后續(xù)還有5 級地震的異常表現(xiàn)，截止到2013年11 月31 日，期間又發(fā)生了3 次M≥5.0地震，這一現(xiàn)象與科爾沁M(jìn)5.3 地震前相似。

圖7 前郭M≥5.0 震群前后沈陽地震臺超寬頻帶地脈動日變曲線Fig.7 Daily variation curve of ultra-wideband ground pulsation of Shenyang Seismic Station before and after the Qianguo M≥5.0 earthquake swarm

2.4 小結(jié)

為了更全面、更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)匮芯空鹎暗孛}動異常，也考慮到上述典型震例發(fā)震時間間隔不是很長，特做出整體振幅值日變曲線，也能更直觀、清晰地闡述異?，F(xiàn)象，資料選取范圍為2012年 9 月 1 日至 2014年 5 月 31 日。本文確定以0.2～0.5Hz 作為研究頻段，該頻率段振幅值變化主要呈現(xiàn)出震前出現(xiàn)高值現(xiàn)象（圖8），發(fā)震時均處于較低水平。燈塔M5.1 地震前三個月振幅譜值高值現(xiàn)象明顯，并且在相對低值時段內(nèi)發(fā)震，震后振幅值不降，依然持續(xù)高值狀態(tài)，之后在振幅值由高轉(zhuǎn)低時發(fā)生了科爾沁M(jìn)5.3 地震，震后恢復(fù)低值水平，低值狀態(tài)一直持續(xù)近4 個月左右（圖9），期間無中強(qiáng)地震發(fā)生（遼寧及周邊地區(qū)，即沈陽地震臺300km 范圍內(nèi)），而后振幅值又突然趨勢上升，在前郭震群發(fā)震前一個月左右時，振幅值再次出現(xiàn)由高轉(zhuǎn)低的現(xiàn)象，同樣是在振幅值相對較低值發(fā)震，震后振幅值依然保持高值狀態(tài)，之后又發(fā)生了3 次M≥5.0 地震，這一現(xiàn)象可能對中強(qiáng)震后的地震趨勢判定有一定的指示意義。

比對地震目錄后發(fā)現(xiàn)譜振幅值處于低值時，與沈陽地震臺周邊300km 范圍內(nèi)發(fā)生M≥3.0的頻次耦合性較好（圖8-9）。2012年9 月至10 月與2013年5 月至8 月振幅譜值均處于低值區(qū)間，在這兩個時間段內(nèi)沈陽地震臺周邊300km 范圍內(nèi)（包含遼寧省內(nèi)） M≥3.0 地震活動進(jìn)行對比認(rèn)為：當(dāng)振幅譜值處于低值區(qū)間時，沈陽地震臺300km 范圍內(nèi)地震活動性較低，在此范圍的整體地震活動水平處于較弱狀態(tài)。

通過以上研究分析可以得出，震前振幅譜值均有高值現(xiàn)象出現(xiàn)，低值發(fā)震，震后振幅譜值下降，震后如出現(xiàn)低值持續(xù)平穩(wěn)，發(fā)生破壞性地震危險性很低（科爾沁地震后4 個月處于低值，期間無破壞性地震發(fā)生）；震后如高值持續(xù)，后續(xù)會有發(fā)生中強(qiáng)地震的可能（科爾沁M(jìn)5.3、前郭震群）。

圖8 2012.10.01—2014.05.31 沈陽地震臺JCZ-1T 振幅譜值曲線 （0.2～0.5 Hz）Fig.8 Curve of amplitude spectrum of JCZ-1T at Shenyang Seismic Station from Oct.1st，2012 to May.31st，2014（0.2～0.5 Hz）

圖9 2012.10—2013.05 以沈陽地震臺為中心300 km范圍內(nèi)M≥3.0 M-t、頻度圖Fig.9 M≥3.0 M-t and frequency map about 300km around Shenyang Seismic Station from Oct.，2012 to May，2013

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

通過以上分析可以得出以下結(jié)論，上述地震前2 個月左右沈陽地震臺超寬頻帶數(shù)據(jù)出現(xiàn)振幅值高值現(xiàn)象，振幅值從低值向高值發(fā)展，之后由高值轉(zhuǎn)為低值的過程中發(fā)震的危險性較大。震后如出現(xiàn)振幅值穩(wěn)定低值現(xiàn)象，以沈陽地震臺為中心300km 范圍內(nèi)發(fā)生破壞性地震危險性很低（科爾沁地震后振幅值于低值，期間也無破壞性地震發(fā)生）；震后如出現(xiàn)振幅值持續(xù)高值現(xiàn)象，后續(xù)仍有發(fā)生5 級以上地震的危險（科爾沁M(jìn)5.3、前郭M≥5.0 震群）。文中根據(jù)所選取的研究數(shù)據(jù)給出了沈陽地震臺超寬頻帶數(shù)據(jù)振幅平均值Q2 及異常值Q3，對于振幅值長時間（至少40 天以上） 處于異常閾值時需要警惕，可能有發(fā)生中強(qiáng)地震的危險。

3.2 討論

由于受地震計安裝時間限制（2012年8 月正式運(yùn)行），導(dǎo)致本文實驗樣數(shù)據(jù)有限，對沈陽臺超寬頻帶地震儀的平均振幅值及震前存在異常的振幅閾值的計算結(jié)果會有有一定誤差，同樣也未利用更多典型震例進(jìn)行同方法適用性分析，由于遼寧省內(nèi)僅此一臺超寬頻帶地震計，受資料所限未能開展同震例對比研究。未來將對后續(xù)典型地震進(jìn)行同方法比較，并對國內(nèi)其他基準(zhǔn)臺獲取的大地震超寬頻帶地脈動數(shù)據(jù)資料展開同震例對比分析。

文中結(jié)論以0.2～0.5 Hz 為研究頻段是經(jīng)過多組不同頻段進(jìn)行對比實驗后得出，該頻段振幅值波動較大，并且在典型震例震前均有高值現(xiàn)象出現(xiàn)，這是其它頻段所沒有的，至于為什么只有這個頻段會出現(xiàn)震前“前兆”信息，目前作者也無法給出具體解釋，作者也只是依據(jù)實驗得出的現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)說明，作者猜測可能一些有意義的震前信息會在0.2～0.5 Hz 頻段內(nèi)比較突出，為日后監(jiān)測預(yù)報工作提供一些參考。