云南香格里拉、德钦—四川得荣交界5.9级地震加速度记录的时频分析

李大虎，李 军，邓 艳，严 媚，安东妮，黄成程，汤才成

（1.四川省地震局，成都 610041；2.四川赛思特科技有限责任公司，成都 610041；3.成都理工大学 地球物理学院，成都 610059）

云南香格里拉、德钦—四川得荣交界5.9级地震加速度记录的时频分析

李大虎1，2，李 军3，邓 艳2，严 媚2，安东妮2，黄成程2，汤才成2

（1.四川省地震局，成都 610041；2.四川赛思特科技有限责任公司，成都 610041；3.成都理工大学 地球物理学院，成都 610059）

2013年8月31日四川省甘孜藏族自治州得荣县、云南省迪庆藏族自治州德钦县、香格里拉县交界地区发生的Ms5.9级地震，发震构造为德钦—中甸—大具断裂。采用基于聚类经验模态分解（EEMD）的HHT计算方法，对通过对震区附近架设的2个流动强震观测台站获取了的地震加速度记录进行时频分析，得到了不同台站加速度记录分量的边际谱、傅里叶谱及瞬时能量谱，量化提取了平均周期、中心频率和最大振幅等时频特性。研究结果表明：经过EEMD分解及谱分析所得到的FFT谱与Hilbert边际谱相比，随着频率的增加会放大其幅值；并且随着震中距的增加，最大地震动峰值加速度迅速衰减，加速度记录主频成分则随之增加。最后从四川境内近年来不同断层的错动类型与强震加速度记录的时频特性及Hilbert瞬时能量谱所反映的信号能量释放特点方面存在的差异，进行了分析研究，结果表明断层的错动类型对边际谱与傅里叶谱之间的关系影响不大，无论是走滑断层还是倾滑断层错动，Hilbert边际谱在低频处的地震动幅值均大于傅里叶谱的幅值，但断层的错动类型对能量随时间的释放过程影响较大。

EEMD；HHT；加速度记录；时频特性；Hilbert边际谱；德钦—中甸—大具断裂

0 引言

2013年8月31日8时4分四川省甘孜藏族自治州得荣县、云南省迪庆藏族自治州德钦县、香格里拉县交界地区发生了Ms5.9地震（东经99.4°，北纬28.2°），震源深度10km。此次地震是继2013年8 月28日4时44分5.1级地震9.9km范围外发生的又一次中强地震。根据四川地震台网目录，截止9月4日1时，共记录到地震序列1 106次，其中地震序列最大余震为M4.5，四川省地震局震后应急小组在得荣震区附近架设的2个强震观测台站（得荣松麦台、得荣子庚台）获取了三分量加速度记录，最大水平峰值加速度记录为震中距8.1km处得荣县子庚乡瓦卡法庭流动台所获取的EW向分量427.29cm／s2（台站分布见图1）。这些记录不但对于近断层地震动时频特性的分析研究弥足珍贵，而且在一定程度上也丰富了我国的强震动记录数据库，分析研究地震加速度记录的时频特性对地震波的作用机理和传播特性研究以及地震波的预测预警工作都具有重要的地震学意义［1－2］。

近年来，地震工程界经常采用傅里叶变换、小波分析和HHT分析来处理地震加速度记录，而这些方法均存在一定程度的不足，如Fourier变换无法进行时频局部化分析、小波变换对基函数的选取不定等问题，而HHT方法对强震记录进行时频分析时在EMD分解过程中会存在模态混叠问题［3－4］。因此这里采用了一种基于聚类经验模态分解（EEMD）的HHT计算方法［11］，对四川数字强震台网记录到的此次得荣县和德钦县、香格里拉县交界处发生的Ms5.9地震不同震中距的台站（得荣松麦台、得荣子庚台）加速度记录进行时频分析，得到了这2个流动台站地震加速度分量的FFT谱、Hilbert边际谱瞬时能量谱，量化提取了中心频率、平均周期和最大振幅等时频特性，并与FFT谱进行了对比研究。最后从四川境内近年来不同断层的错动类型与强震加速度记录的时频特性及Hilbert瞬时能量谱所反映的信号能量释放特点方面存在的差异，进行了分析并从中获得了一些新的认识。

图1 区域地震构造与强震台站分布图Fig.1 Regional seismic tectonics and the distribution of strong earthquake stations

1 加速度记录的分析方法

使用EMD算法进行信号分解的条件及处理流程已经出现在相关的研究论文中［9，14］，但其本身在分解过程中存在的模态混叠问题一直未得到很好地解决，而基于EEMD的HHT方法可以有效抑制模态混叠问题［10－11］，该方法主要由EEMD分解和Hilbert变换组成。EEMD分解原理及算法流程［10－11］此处不做详细介绍，EEMD分解得到不同的各个IMF分量，然后是对分解出来的IMF分量进行Hilbert变换［9，12，15］得式（1）。

再构造原信号的解析信号得式（2）。

由式（3）进而得到式（4）。

这就称作Hilbert谱

再定义Hilbert边际谱

另外作为Hilbert边际谱的附加结果，可以定义Hilbert瞬时能量谱：， Hilbert瞬时能量谱反映了信号能量随时间的变化过程。

2 加速度记录的时频分析

2.1 EEMD分解结果

选取震中距8.1km处得荣县子庚乡瓦卡法庭流动台所记录到的EW向分量加速度记录进行了处理和计算，先对EW向分量进行EEMD分解，从图2的分解结果中可以看出，得荣子庚台加速度记录EW向分量被分解成了C1－C8等不同的IMF分量和res残余项，不同的IMF分量尺度特征也相应不同，EEMD分解出来的C1分量频率最高；随着分量的增加，C2－C6分量频率逐渐降低，而C7－C8分量的频率更小，最后的残余项R表示地震加速度曲线的变化趋势。因此EEMD方法可以将信号本身IMF分量按频率从高到低的顺序提取出来，同时地震加速度曲线中的信息也可以从IMF分量集中体现出来。

图2 基于EEMD分解得到的各IMF分量Fig.2 Various IMF component based on the decomposition of EEMD

关于每个IMF分量具体的时频信息，经计算后的结果如表1所示。

表1 IMF分量统计表Tab.1 The IMF component statistical characteristics of values

2.2 Hilbert变换与谱分析

将EEMD分解后的IMF各分量经Hilbert变换和计算后得到图3－图6，其中图3为震中距8.1 km的得荣子庚台EW向分量的加速度记录，从图4 FFT谱与Hilbert边际谱对比可以看出，FFT谱在低频处会低估地震动的幅值，在高频段又会放大地震动的幅值；同样，对得荣县子庚台NS向分量和UD向分量以及对震中距24.3km的得荣松麦台所获取的三分量加速度记录，进行傅里叶谱与边际谱对比分析也可以发现这个时频特性。图5所示的瞬时能量谱表达了不同方向的加速度分量的能量与时间的变化关系，图6时频谱相对于FFT而言可以同时进行时频局部化，它表示了加速度信号于不同时刻存在不同的频率信息，各频段的谱值也不相同。

图3 加速度时程记录Fig.3 Acceleration schedule records

图4 边际谱与傅里叶谱对比Fig.4 The contrast between marginal spectrum and Fourier spectral

图5 瞬时能量谱Fig.5 Instantaneous energy spectrum

图7和图8分别为得荣松麦台EW向分量的加速度记录及Hilbert边际谱，与图4对比可以发现，随着震中距的增加，得荣松麦台信号主频集中在10 Hz左右，远远大于Hilbert边际谱中所反映的得荣子庚台的主频分布范围，并且随着震中距的增加，最大地震动峰值加速度迅速衰减，加速度记录主频成分则随之增加，以EW向分量为例，主频成分由得荣子庚台的3.7Hz增加到得荣松麦台的10.5Hz，这与当地特有的地质构造环境以及地震波传播途径紧密相关。由于震区内的德钦—中甸—大具断裂沿着云南奔子栏—四川得荣子庚—云南尼西一线展布，北西段位于高山峡谷区内（如奔子栏—子庚沿着金沙江峡谷展布），南东段延伸带到云南尼西乡一带，断裂控制着新生代盆地边界。由于此次5.9级地震造成了子庚乡房屋破坏较为严重，土木结构房屋个别墙倒，部分墙体局部倒塌，多数墙体开裂，框架结构的房屋梁柱结合部位填充墙裂隙较大（图9），而松麦镇土木结构的房屋部分墙体出现裂纹，框架结构房屋极个别承重梁可见细微裂纹，其破坏程度较子庚乡的震害程度降低（图10）。这些震害特点除了与房屋结构和场地条件因素有关之外，对不同震中距台站所获取的加速度记录的时频分析，所得出地震波频段对建筑物破坏特性的差异，也是造成此次5.9级地震建筑物破坏和震害特点分布的原因之一。

图6 时频谱Fig.6 Time－frequency spectrum

图7 得荣松麦台加速度记录EW向分量Fig.7 EW to acceleration records figure of Derong－songmai station

图8 得荣松麦台加速度记录Hilbert边际谱Fig.8 Hilbert marginal spectrum of acceleration records Derong－songmai station

图9 得荣子庚乡瓦卡村阿称组土木结构的屋顶坍塌Fig.9 The roottop collasped in Zigeng town，Derong county

3 川内不同震例加速度记录的对比分析

四川地区活动断层的分布特征与地震活动关系密切，尤其是近十多年以来，川内地震活动较为频繁（如2002年新龙Ms5.3地震、2008年汶川Ms8.0地震、攀枝花Ms6.1地震、2010年道孚Ms5.1地震、2011年炉霍Ms5.3地震以及2012年宁蒗－盐源Ms5.7地震），断层错动类型和发震构造的不同，会不会对强震台站所获取的加速度记录的时频特点及Hilbert瞬时能量谱所反映的信号能量释放过程造成差异？因此先要对此次Ms5.9级地震的发震构造进行调查研究，然后再分别针对不同性质的断层错动所获取的加速度记录进行时频分析。此次Ms5.9级地震发生后，四川省地震局地震现场工作队对该断裂进行了地震地质调查与震源机制解分析研究，由于德钦—中甸—大具断裂与红河断裂构成了川滇块体的南部边界，且德钦—中甸—大具断裂晚第四纪以来新活动行迹明显，曾发生过多次中强地震，具备孕育和发生强震的构造条件，而Ms5.9级地震的微观震中就位于德钦—中甸—大具断裂上，再结合由CAP反演的震源机制解结果表明，节面2走向与德钦—中甸—大具断裂相吻合，以正断型的断层错动为主，兼具一定的走滑分量，因此判定德钦—中甸—大具断裂为此次Ms5.9级地震的发震构造［6］。

图10 得荣松麦镇刘麦家土木结构的墙体开裂Fig.10 The walls of buildings ruptured at Liumai，Songmai town，Derong county

由于2008年5月12日汶川Ms8.0级地震是龙门山断裂带逆冲兼走滑断层错动的结果［5］，而2011年4月10日炉霍Ms5.3地震则是纯走滑型的断层错动［7］，因此作者又分别选取了绵阳安县台在汶川地震中获取的加速度记录NS向分量、炉霍地办台在炉霍地震中获取的加速度记录NS向分量和本次5.9级地震得荣子庚台获取的加速度记录NS向分量，对这三次地震中四川强震台网中不同台站所获取的NS向分量采用了EEMD分解的HHT分析方法，得到不同加速度信号的傅里叶谱、边际谱和瞬时能量谱图（图11－图13），根据图11、图12可以发现，正断层（德钦—中甸—大具断裂）错动造成的得荣县和德钦县、香格里拉县交界处发生的Ms5.9级地震和纯走滑型断层（鲜水河断裂）错动造成的炉霍Ms5.3地震能量释放较为集中，而从图13可以看出50s前后存在两次较为明显的能量释放过程，逆冲断层（龙门山断裂）错动造成的汶川Ms8.0级地震能量随时间则表现出了分段释放的特点；但通过不同地震加速度记录的Hilbert边际谱与FFT谱分析（图4、图11（c）、图12（c））可以看出，无论是正断层还是逆断层错动，在低频处，边际谱的地震动幅值均大于傅里叶谱，也就是说边际谱与傅里叶谱之间和断层的错动类型关系不大，断层的错动类型对Hilbert瞬时能量谱所反映的信号能量释放特点影响较大。

图11 得荣子庚台NS向分量瞬时能量谱Fig.11 NS to instantaneous energy spectrum figure of Derong－Zigeng station

4 结论与建议

1）强震发生后，及时架设流动强震台站获取震后地震加速度数据，对于评定地震烈度的和抗震设计规划都具有重要的现实意义，作者选取了四川得荣县和云南德钦县、香格里拉县交界处发生的Ms5.9地震不同震中距的台站（得荣松麦台、得荣子庚台）所获取的地震加速度信号，采用基于聚类经验模态分解的HHT方法对其进行时频特征提取，得到了不同台站获取的加速度记录不同分量的边际谱、Hilbert谱及瞬时能量谱，研究发现基于EEMD分解的HHT，有效抑制了以往EMD分解过程中所出现的模态混叠问题，通过FFT谱与Hilbert边际谱对比分析发现，FFT谱在高频段会放大地震动的幅值，而且还发现断层错动类型和发震构造的不同，与加速度记录的时频特点及Hilbert瞬时能量谱所反映的信号能量释放过程之间存在的关系。

图12 炉霍地办台NS向分量Fig.12 NS direction component of the local station of Luhuo （a）加速度记录；（b）边际谱与傅里叶谱；（c）瞬时能量谱

图13 绵阳安县台NS向分量Fig.13 NS direction component of the Anxian station of Mianyang （a）加速度记录；（b）边际谱与傅里叶谱；（c）瞬时能量谱

2）地震发生后，根据地震现场工作科学考察发现，本次地震的极震区为得荣子庚乡，其地震烈度达Ⅷ度，与国内其他类似震级的地震相比，受灾的面积和震害的特点明显偏重，而得荣松麦镇地震烈度为Ⅵ度，这些震害特点与加速度记录的时频分布特点存在一定的关系，即得荣松麦镇10Hz及以上的地震动分量对工程结构的破坏不大，因此对加速度记录的时频分析，可以为地震波传播特性和抗震设计等方面的研究奠定基础。除此之外，震区震害特点和表现形式还与居民房屋的建筑方式和地形效应有关，由于地震灾区居民房屋大多数坐落在高山坡地，地形对地震作用也对其产生了放大效应，加之房屋地基土质结构比较松散、地基条件较差，从而造成了距离震中不同距离处得荣子庚乡和得荣松麦镇震害程度的差异。

［1］ 李大虎，赖敏，何强，等.基于聚类经验模态分解（EEMD）的汶川Ms8.0强震动记录时频特性分析［J］.地震学报，2012，34（3）：350－362.

LI D H，LAI M，HE Q，et al.Time－frequency characteristics analysis of Wenchuan Ms8.0strong motion records based on EEMD decomposition［J］.Acta Seismologica Sinica，2012，34（3）：350－362.（In Chinese）

［2］ 李小军，周正华，于海英，等.汶川8.0级地震强震动观测及记录初步分析［R］.汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报吿，北京：中国建筑工业出版社，2008.

LI X J，ZHOU ZH H，YU H Y，et al.Wenchuan 8.0 earthquake strong vibration observation and record preliminary analysis［R］.Wenchuan earthquake building damage investigation and disaster reconstruction.Beijing：China Construction Industry Press，2008.（In Chinese）

［3］ 罗奇峰，石春香.Hilbert－Huang变换理论及其计算中的问题［J］.同济大学学报：自然科学版，2003，31 （6）：637－640.

LUO Q F，SHI CH X.Hilbert－Huang transform and several problems in its calculation method［J］.Journal of tongji university：natural science，2003，31（6）：637－640.（In Chinese）

［4］ 石春香，罗奇峰.时程信号的Hilbert－Huang变换与小波分析［J］.地震学报，2003，25（4）：398－405.

SHI CH X，LUO Q F.Hilbert－Huang transform and wavelet analysis of time history signal［J］.Acta Seismologica Sinica，2003，25（4）：398－405.（In Chinese）

［5］ 徐锡伟，闻学泽，叶建青，等，汶川Ms8.0地震地表破裂带及其发震构造［J］.地震地质，2008，30（3）：597－629.

XU X W，WEN X Z，YE J Q，et al.The Ms8.0Wenchuan earthquake surface ruptures and its seismogenic structure［J］.Seismology and geology，2008，30（3）：597－629.（In Chinese）

［6］ 四川省地震局地震现场工作队.2013年8月31日云南香格里拉、德钦—四川得荣交界5.9级地震灾害直接损失评估报告（四川省部分）［R］.四川省地震局地震现场工作队，2013

The earthquake field work team，seismological bureau of Sichuan province.On August 31，2013in Yunnan，Xianggelila、Deqin－Sichuan Derong junction，Ms5.9 earthquake disaster losses assessment report（Sichuan Province）［R］.The earthquake field work team Seismological Bureau of Sichuan Province，2013.（In Chinese）

［7］ 四川省地震局.2011年4月10日四川省甘孜藏族自治州炉霍县5.3级地震灾害直接损失评估报告［R］.四川省地震局，2011.

Seismological bureau of Sichuan province.On April 10，2011.Sichuan Province Ganzi Tibetan autonomous prefecture Luhuo county Ms5.3earthquake disaster direct loss report［R］.Sichuan Province Earthquake Administration，2011.（In Chinese）

［8］ HUANG N E，ZHENG SHEN，STEVEN R L.A new view of nonlinear water waves：the Hilbert spectrum［J］.Annu.Rev.Fluid Mech，1999，31（1）：417－457.

［9］ N E HUANG，Z SHEN，LONG S R.The Empirical Mode Decomposition and the Hilbert Spectrum for Nonlinear and Non－stationary Time Series Analysis ［C］.Proe.R.Soc.Lond，1998.A454：903－995.

［10］Z WU AND N E HUANG.A study of the characteristics of white noise using the empirical mode decomposition method［J］.Proc.R.Soc.1and.A，2004，460 （2046）：1597－1611.

［11］WU Z H，HUANG N E.Ensemble empirical mode decomposition：a noise assisted data analysis method ［J］.Advances in Adaptive Data Analysis，2009，1（1）：1－41.

［12］RILLING G，FLANDRIN P，GONC P，et a1.On empirical mode decomposition and its algorithms［C］.

IEEE－EURASIP Work－shop on Nonlinear Signal and Image Processing，NSIP－03，2003，1－5.

［13］HUANG N E，WU M C，LONG S R.A confidence limit for the empirical mode decomposition and hilbert spectral analysis［J］.Proc R Soc Lond，2003.A（459）：2317－2345.

［14］FLANDRIN PR.Empirical mode decomposition as a filterbank［J］.IEEE Signal Process Lett，2004，11（2）：112－114.

［15］Z WU，N E HUANG.A review on Hilbert－Huang transform：method and its applications to geophysical studies［J］.Reviews of Geophysics，2008，46（2）：RG2006＋.

［16］Z WU，N E HUANG.Ensemble Empirical Mode Decomposition－A Noise－Assisted Data Analysis Method［R］.Calverton：Center for Ocean－Land－Atmosphere Studies，2005.

［17］TSUI P H，CHANG C C，CHANG C C，et a1.An adaptive threshold filter for ultrasound signal rejection ［J］.Ultrasonics，2009，49（4）：413－418.

Time－frequency analysis of Ms 5.9 earthquake acceleration records in border of Xianggelila between Deqin of Yunnan and Derong of Sichuan

LI Da－hu1，2，LI Jun3，DENG Yan2，YAN Mei2，AN Dong－ni2，HUANG Cheng－cheng2，TANG Cai－cheng2
（1.Earthquake Administration of Sichuan Province，Chengdu 610041，China；2.Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China；3.Key Laboratory ofGeophysics＆Information Technology ofthe Ministry ofEducation of China，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

On August 31of 2013，an earthquake（Ms5.9）occurred between the Xianggelila and Deqin－sichuan Derong （E99.4°，N28.2°）in the border of Yunnan.The seismogenic structure is along the Deqin－Zhongdian－Daju fault.Three components of earthquake acceleration were recorded by near the source region using two moving strong earthquake observation stations of the Sichuan digital seismic network.To analyze the time－frequency characteristics of the earthquake acceleration record，a clustering method based on the empirical mode decomposition（EEMD）extraction of the HHT of time－frequency characteristics was used in this paper.Got marginal spectrum and fourier spectrum and instantaneous energy spectrum of different stations acceleration records component，quantitative extraction is obtained of the center frequency，Hilbert energy，maximum amplitude corresponding time－frequency characteristics，The study shows that after decomposition of EEMD and spectrum analysis of Hilbert marginal spectrum compared with FFT spectrum.In the low frequency，FFT spectrumthe underestimated amplitude of ground motion.With the increase of frequency，FFT spectrum will magnify the amplitude.And with the increase of epicentral distance，The peak acceleration of ground motion rapidly attenuation，the acceleration record frequency composition is increased.Finally，the differences of dislocation types of different fault and time frequency characteristics of strong earthquake acceleration records and Hilbert instantaneous energy spectrum signal energy reflected the release characteristics of signal energy in Sichuan territory in recent years were analyzed.The results show that，dislocation type of fault had little effect on the marginal spectrum and Fourier spectrum effect relationship，either strike slip fault is dip slip faulting，Hilbert marginal spectrum in the low frequency amplitude were greater than the amplitude of Fourier spectrum，but dislocation type of fault on the energy release process with time influence is remarkable.

EEMD HHT；acceleration records；time－frequency characteristics；Hilbert marginal spectrum；the fault of Deqin－Zhongdian－Daju

P 631.4

：A

10.3969／j.issn.1001－1749.2015.06.08

1001－1749（2015）06－0716－08

2014－06－06改回日期：2014－08－14

中国地震局地震科技星火计划项目（XH12041Y）；地震行业科研专项（201008006）

李大虎（1982－），男，博士，主要从事地震层析成像、地震活动断层探测等工作，E－mail：lixiang2006＠sina.com。