前震或廣義前震識(shí)別的頻譜偏移法在石渠5.6級(jí)地震預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

孫璽皓，趙玉紅，蘇維剛，胡維云，馬亮

(1.青海省地震局，青海西寧 810000；2.甘肅省地震局，甘肅蘭州 730000)

0 引 言

青海省和四川省是全國地震多發(fā)省份，常年伴有破壞性地震發(fā)生。強(qiáng)震前應(yīng)力在震源區(qū)積累，孕震過程較為復(fù)雜，破壞性地震具有明顯的前震活動(dòng)特征，所以有效判別強(qiáng)震前中等地震是否具有前震屬性在強(qiáng)震短臨預(yù)測(cè)中具有重要意義。頻率譜是地震波信息中重要?jiǎng)恿W(xué)特征，該方法使短臨預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)不再單純是地震統(tǒng)計(jì)研究，而是從頻率域挖掘更多的地震信息，通過頻率譜特征進(jìn)行前震研究。

我國學(xué)者認(rèn)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天內(nèi)發(fā)生在距主震100 km范圍內(nèi)的地震被認(rèn)為是有意義的前震,或稱直接前震[1]。廣義前震是在直接前震定義上的拓延, 它是發(fā)生在一個(gè)地震序列之前較長時(shí)間、較遠(yuǎn)距離，與該序列孕育有關(guān)的單個(gè)地震或震群以及它們的組合[2]。廣義前震與主震發(fā)生的時(shí)空尺度存在著不確定性, 有的距離主震很近，類似于前震；有的距離主震較遠(yuǎn)，優(yōu)勢(shì)間距 300～400 km，這種空間分布與孕震構(gòu)造及孕震應(yīng)力場有關(guān)。廣義前震距主震的發(fā)生時(shí)間一般為1～3個(gè)月, 相當(dāng)于地震預(yù)測(cè)的短臨階段[3]。

在資料跟蹤分析過程中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生6級(jí)以上強(qiáng)震前在主震源區(qū)或者主震源區(qū)外相關(guān)區(qū)域常發(fā)生顯著地震活動(dòng)，這進(jìn)一步說明6級(jí)以上地震孕育進(jìn)入了短期階段,表現(xiàn)在地震孕育演化中不同方面，具有地震活動(dòng)的增強(qiáng)、前兆異常的成組同步活動(dòng)、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)生等特征[4-6]。為了識(shí)別這類區(qū)域顯著地震事件，發(fā)現(xiàn)其頻率譜存在頻帶寬度變窄，且向低頻端偏移等現(xiàn)象(優(yōu)勢(shì)頻段為0～1.5 Hz)，而孕震早期或其后沒有6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有向低頻端偏移的現(xiàn)象(頻段主要集中在0～5.0 Hz)。Dieterich中具有前兆意義的推論也說明，地震數(shù)據(jù)中包含各種類型的信息大都是從頻率域中提取的，前震性與非前震性中等地震事件的頻譜特征有所不同，前震或廣義前震頻譜向低頻端偏移可能與強(qiáng)震前震源區(qū)或主震相關(guān)區(qū)域應(yīng)力場增強(qiáng)接近臨界狀態(tài)時(shí)破裂的亞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展有關(guān)[7-9]。陳運(yùn)泰等認(rèn)為顯著地震頻譜向低頻端偏移的物理本質(zhì)是斷層的預(yù)滑或慢破裂，之后提出的破裂成核理論[10]。因此，對(duì)正常背景性的中等震級(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)地震提出了一種頻譜偏移分辨方法。通過這種方法對(duì)具有前震或廣義前震性質(zhì)的6級(jí)以上強(qiáng)震進(jìn)行回溯及跟蹤分析。

1 頻譜偏移法理論計(jì)算

頻譜偏移法是一種利用中等地震波形數(shù)據(jù)的頻率譜預(yù)測(cè)破壞性地震的試驗(yàn)性方法，其目的是判斷目標(biāo)地震是否具有前震屬性。前震或廣義前震頻譜向低頻端偏移，意味著震前記錄低頻波發(fā)生變化。本文應(yīng)用msdp軟件以及Mapsis軟件譜分析對(duì)青海及鄰區(qū)顯著地震事件進(jìn)行了計(jì)算。譜分析計(jì)算的基本原理為快速傅里葉變換，F(xiàn)FT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，通過FFT計(jì)算得到地震頻率譜[11]，理論計(jì)算公式如下(公式1為連續(xù)函數(shù)傅里葉變換公式，但將波形信號(hào)轉(zhuǎn)為頻率域信息時(shí)出現(xiàn)很多離散情況，選定公式2作為計(jì)算公式)：

(1)

(2)

我國數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄資料的采樣間隔為0.01 s，根據(jù)采樣定律，其Nyquist頻率為50 Hz，即能分辨的最大頻率為50 Hz，本文采用的數(shù)據(jù)都符合這一標(biāo)準(zhǔn)[12]?；谇嗪Ｊ?、甘肅省和四川省等區(qū)域數(shù)字化測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄波形數(shù)據(jù)，對(duì)2020年石渠5.6級(jí)地震所對(duì)應(yīng)前震或者廣義前震的頻譜偏移特征進(jìn)行檢驗(yàn)性分析。

2 石渠4.3級(jí)地震偏移臺(tái)站頻譜特征

通過對(duì)青海及鄰區(qū)3.0～4.9級(jí)地震頻譜持續(xù)跟蹤(強(qiáng)震后余震不參與頻譜計(jì)算)，用于檢驗(yàn)和改進(jìn)頻譜偏移法判定目標(biāo)地震。計(jì)算了2020年1月23日石渠4.3級(jí)地震頻譜，發(fā)現(xiàn)存在明顯的頻譜偏移現(xiàn)象，偏移臺(tái)站空間分布見圖1。筆者將上述結(jié)果于2020年1月25日在青海省地震局預(yù)報(bào)中心公布，用于內(nèi)部檢驗(yàn)。2020年4月1日四川石渠發(fā)生5.6級(jí)地震，空間上距離石渠4.3級(jí)地震6 km，時(shí)間上距離石渠4.3級(jí)地震69天，兩次地震均發(fā)生在五道梁—長沙貢瑪斷裂帶附近，符合前震定義的標(biāo)準(zhǔn)。從前震與主震間隔時(shí)間以及空間位置角度類比，此次4.3級(jí)地震與2010年4月14日玉樹4.7級(jí)地震都是發(fā)生在主震源區(qū)內(nèi)的前震，從前震角度具有相似的特征。

圖1 石渠4.3級(jí)地震頻譜偏移臺(tái)站的空間分布

本文統(tǒng)一用A(b)或A[b]表示A臺(tái)站到震中距離為b km，前者表示偏移臺(tái)站，后者表示未偏移臺(tái)站。石渠4.3級(jí)地震震中0～500 km范圍內(nèi)共計(jì)41個(gè)測(cè)震臺(tái)站，通過計(jì)算UD分量共28個(gè)測(cè)震臺(tái)存在偏移現(xiàn)象，偏移臺(tái)站占參與計(jì)算臺(tái)站68.3%，偏移比例較高。其中0～200 km范圍內(nèi)共有3個(gè)臺(tái)站，包括BAM(171 km)、YUS[173 km]和GZI(185 km)；300 km范圍內(nèi)共7個(gè)測(cè)震臺(tái)站，包括BAM(171 km)、YUS[173 km]、GZI(185 km)、DAW(208 km)、RTA(212 km)、MAD(224 km)和XIH(295 km)，6個(gè)測(cè)震臺(tái)站出現(xiàn)明顯的偏移現(xiàn)象(圖2)。由于本次地震震級(jí)超過4級(jí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，4～5級(jí)地震的頻率譜在500 km范圍內(nèi)是有效的，外推震中300～500 km范圍34個(gè)測(cè)震臺(tái)站并參與計(jì)算。300～400 km范圍內(nèi)13個(gè)臺(tái)站，分別為DFU(306 km)、QML(313 km)、MQT(316 km)、BTA[329 km]、ZAD[333 km]、MEK(335 km)、LTA(355 km)、DUL(374 km)、LYX(384 km)、YJI(384 km)、REG(384 km)、XJI(393 km)和HSH(396 km),其中11個(gè)臺(tái)站存在偏移現(xiàn)象；400～500 km范圍內(nèi)21個(gè)測(cè)震臺(tái)，分別為TOR[402 km]、DBT[418 km]、NMH[421 km]、LJX[430 km]、WUL(433 km)、LJS(442 km)、SPA[442 km]、GZA(445 km)、LTT[453 km]、XCE[455 km]、QSS(460 km)、XUH[460 km]、HUY(460 km)、HUL(464 km)、WCH(472 km)、TIJ(474 km)、XIN(480 km)、MXI(487 km)、LXA(496 km)、CHY[500 km]和MXT[500 km]，其中11個(gè)臺(tái)站存在偏移現(xiàn)象。石渠4.3級(jí)地震偏移臺(tái)站的頻譜優(yōu)勢(shì)頻段集中在0～1.5 Hz?？梢钥闯?，隨著震中距的增加，偏移現(xiàn)象愈加明顯，0～300 km范圍內(nèi)頻率的權(quán)重基本在0～1.5 Hz內(nèi)，300～500 km范圍內(nèi)偏移臺(tái)站頻率權(quán)重主要集中在0～0.5 Hz。為表征簡潔，圖中用虛線框圈出頻段處于0～1.5 Hz的頻率譜成分(圖3)。

圖2 震中距0～300 km范圍內(nèi)偏移臺(tái)站的波形數(shù)據(jù)的FFT均方譜(按震中距距離由近到遠(yuǎn)排列)

圖3 震中距300～500 km范圍內(nèi)偏移臺(tái)站的波形數(shù)據(jù)的FFT均方譜(按震中距距離由近到遠(yuǎn)排列)

3 偏移臺(tái)站三分量定性分析

通過對(duì)UD分量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，本次地震偏移臺(tái)站較多。選取200～500 km范圍內(nèi)的RTA(212 km)、MEK(335 km)、DUL(374 km)、REG(384 km)、WUL(433 km)和MXI(487 km)6個(gè)偏移臺(tái)站進(jìn)行東西、南北分量再計(jì)算，發(fā)現(xiàn)同一臺(tái)站三分量均方譜幅度相近，而且同一偏移臺(tái)站記錄中頻譜差異較小、頻譜結(jié)構(gòu)較為一致，優(yōu)勢(shì)頻段都集中在0～1.5 Hz，在其內(nèi)部0～1.0 Hz的頻率所占權(quán)重很大。并且隨著震中距增加，1～1.5 Hz的頻率所占權(quán)重略有變化，頻帶變窄且向低頻端偏移現(xiàn)象越明顯(圖4)。

圖4 震中距200～500 km范圍內(nèi)偏移臺(tái)站的波形數(shù)據(jù)的東西、南北分量FFT均方譜(按震中距距離由近到遠(yuǎn)排列)

4 未偏移臺(tái)站頻譜特點(diǎn)

參與計(jì)算的41個(gè)測(cè)震臺(tái)站中有13個(gè)測(cè)震臺(tái)站未出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，0～400 km范圍內(nèi)玉樹地震臺(tái)東西/南北/垂直三分量、雜多地震臺(tái)東西/南北/垂直三分量頻帶較寬，玉樹地震臺(tái)三分量頻段主要集中在0～5 Hz，雜多地震臺(tái)三分量頻段主要0～3 Hz。隨著距離增大，優(yōu)勢(shì)頻段呈變窄的變化趨勢(shì)，通過分析，1.5～5 Hz權(quán)重隨震中距的增加略有變化(見圖5)。擴(kuò)大500 km范圍，同仁地震臺(tái)等未偏移11個(gè)臺(tái)站的頻譜未有明顯數(shù)據(jù)記錄。偏移臺(tái)站的頻譜與未偏移臺(tái)站的頻譜形狀差異比較明顯。在500 km處甘肅岷縣地震臺(tái)、西藏察隅地震臺(tái)接收到的速度波形信噪比已經(jīng)很低，頻譜成分不清晰，可以認(rèn)為4～5級(jí)地震頻譜在500 km范圍內(nèi)有意義的。

圖5 震中距0～500km范圍內(nèi)未偏移臺(tái)站的波形數(shù)據(jù)的FFT均方譜(按震中距距離由近到遠(yuǎn)排列)

5 總結(jié)與討論

(1)2020年4月1日四川石渠發(fā)生5.6級(jí)地震，空間上距離2020年1月23日石渠4.3級(jí)地震6 km，時(shí)間間隔69天，兩次震級(jí)差為1.3，根據(jù)前震定義，可以認(rèn)為石渠4.3級(jí)地震是石渠5.6級(jí)地震的前震，且屬于單發(fā)型地震，1月23日石渠4.3級(jí)地震呈現(xiàn)出頻譜偏移現(xiàn)象后，4月1日發(fā)生石渠5.6級(jí)地震，驗(yàn)證了頻譜偏移法在進(jìn)行前震或廣義前震識(shí)別的有效性。

(2)目前研究頻譜偏移方法，南北分量、東西分量和垂直分量均參與計(jì)算，通過對(duì)石渠4.3級(jí)前震周邊500 km范圍內(nèi)41個(gè)測(cè)震臺(tái)站計(jì)算分析，偏移測(cè)震臺(tái)站0～1.5 Hz的頻率所占權(quán)重很大，三分量數(shù)據(jù)頻譜偏移形態(tài)基本相同。不同臺(tái)站0～1.5 Hz的低頻成分的權(quán)重略有不同，其中1～1.5 Hz的頻率所占權(quán)重隨著臺(tái)站到震中距離的增加略有變化。

(3)頻譜偏移技術(shù)具有短臨預(yù)報(bào)效能，發(fā)生在主震源區(qū)內(nèi)前震與主震空間距離一般在100 km范圍內(nèi)，而廣義前震與主震空間距離較前震與主震空間距離相比較遠(yuǎn)，約在100～500 km范圍內(nèi)，前震或廣義前震與主震間隔時(shí)間基本都在3個(gè)月之內(nèi)。前震或廣義前震計(jì)算臺(tái)站頻譜偏移比例高于60%，偏移特征較明顯，未來會(huì)有強(qiáng)震的可能。