震前蒙城地震台地脉动噪声的特征

张明明，曾宪军，杨 骏，应允翔，陈 俊，汪继林

（蒙城地震台，安徽 蒙城 233527）



震前蒙城地震台地脉动噪声的特征

张明明，曾宪军，杨 骏，应允翔，陈 俊，汪继林

（蒙城地震台，安徽 蒙城 233527）

摘要：对本台数字化地震观测以来记录到的典型地震，运用数字地震信号处理方法，测算每个抽选地震震前一分钟地脉动信号在时间域和频率域的特征数据，通过频谱分析法，获得了震前地脉动噪声频谱的差异性。初步研究了典型地震震前地脉动频谱变化的特征和规律，共归纳了18类震前地脉动噪声类型，按照无震平静分钟值脉动频谱特征类比典型地震震前分钟值频谱的异样变化，发现正常与异常的地脉动噪声特征，最主要的还是受震级强度和地理位置的影响较大。临震前地脉动分钟值频谱特征异常，可用于震前脉动前兆异常变化跟踪，从而利用地脉动频谱的特征参量监测地震孕育过程，为地震中长期及短临预报提供依据。

关键词：蒙城地震台；震前地脉动噪声；地脉动频谱分析；地脉动前兆异常

0　引言

地脉动是自然源及人类活动源在时间域和频率域对大地所激发出的微小振动，但有些微小振动却与破坏性大地震的孕育发生有关。地震背景噪声是近年来比较热门的研究课题之一，且研究方法不断改进，地球物理研究人员不断利用噪声，认识地球介质结构和动力学过程，美国地质调查局把地脉动作为一种有希望的地震预报途径，地震孕育的过程中，会导致地脉动各种运动学特性与动力学特性（包括频谱）出现前兆异常变化，地震震前波谱特征量的特殊变化，是震前震源区介质与周边介质结构发生变异有关的信息[1]。随着噪声理论研究的不断推进，实践证明，数字地震台网记录的地脉动以提供大震前应力场变化的信息，对破坏性地震发生前不同区域的地脉动异常的分析研究，创造了良好的条件，对地震预报方法的拓展也是一种新的尝试[1]。目前地脉动的观测和应用研究已愈来愈深入，预期在地震预报，场地构造等有广泛的应用前景，对地脉动噪声的研究认识还有大量工作可做，有必要进一步研究建立其在地震预报方面的的理论模式，以更好发挥台站对地震实时监测的作用。

1　分析思路和方法

蒙城地震台台基条件很好，地震观测灵敏度高，记录清晰，定位结果准确，对于地震仪器能记录分辨到10-9米量级的振动、频带宽0-360秒、动态范围可达140dB，这种大动态、高分辨率、高精度的地震震前一分钟的脉动波形信号，具有一定的稳定性，基本排除了临时或短时性干扰，相对复杂的干扰因素较小，但不排除热带风暴气候的影响，记录能准确地反映大地每一个微小变化，为地震监测预报发挥了很大作用[2]。我台自1998年运转以来，到现在已积累了许多地震事件波形数据，能为本课题的研究提供了方便。通过收集与整理台站及周边的典型地震事件，运用数字信号处理的MATLAB实现，获得震前分钟值地脉动信号随时间变化的频谱，优势频率，卓越周期，用频率域分析方法观察识别地震前脉动信号频域属性，刻画出它频率特征，然后根据频谱不同特性分析它的来源，是否与地震有关，与震级强度有，与地震的地理位置有关，并对有关特征量进行初步分析[3]。

2　数据处理

2.1单台数据预处理

采用蒙城地震台1998年至2014年记录到的57个典型地震，系宽频带地震计bbvs-120，EDAS-24IP采集器，采样率100。按照事件发生时间的先后顺序编号，利用有关地震分析软件提取出震前几分钟地脉动波形信号，本文只采用了垂直向数据。按照脉动信号编号序列，在频谱数据的输出端测算获取震前地脉动分钟信号频谱的优势频率记录在案，通过换算获得相应的卓越周期并记录在案，见表1。

表1　地脉动信号的优势频率与卓越周期参数

3　频谱资料分析

3.1震前脉动信号的频谱特征

根据脉动信号频谱特征的相似度，把形神较一致的归结在一个特征模型里，共归纳了18类脉动频谱特征。经总结有如下18种频谱特征：①减衰型；②半尖脉冲型；③龙舟型；④音频起伏型；⑤起始突兀多点突跳型；⑥突起渐衰型；⑦孤尖突拖尾絮线型；⑧半正态分布电线杆型；⑨分散突跳型；⑩水喷型；11灯塔海面起伏型；顿号型；直线型；单尖凸粗絮线型；单鼓包型；单尖突型；微毛刺型；矛尖型。

57个事件中，占比例较大的是L直线型12个，占21.1％，起始突兀多点突跳型11个，占19.2％，单尖凸粗絮线型8个，占14.1％，微毛刺型7个，占12.3％，水喷型4个，占7.0％，矛尖型4个，占7.0％，顿号型3个，占5.2％。剩余其它类型8个，占14.1％，单独来说，虽所占不多但有独特个性，如龙舟型，半尖脉冲型，孤尖突拖尾絮线型，半正态分布电线杆型，单鼓包型，灯塔海面起伏型，音频起伏型等如下频谱特征图所示。

3.2震前脉动信号的优势频率

地震的本质不外乎地球的构造运动促使板块间的位移，板块间的运动导致已存在的断裂错动或产生新的断裂，激起巨大能量，引发各种形式，各种波长的弹性波，弹性波向外围扩散，传递，随传播路径的延展，介质不断地吸收波能，最后弹性波的能量衰减殆尽。但促使这种弹性波成行的并不是一个偶然事件，而是有着一定的“准备”，这个“准备”就可能体现在震前脉动信号里，通过波载频率的差异性提前显现。

见图19，可以看出震前地脉动频宽在0.1～0.3Hz约占60％，0.3以上约占5％，0.0～0.1约占35％，地脉动信号的频谱特征具有重现性，地脉动变化具有共性特征，在时间上具有持续性。地震前地脉动信号的高频成分出现不多，即使有也是短暂性的，非过程均匀持续性的，相反地震前脉动信号呈现较多的低频成分却较为常见，究其原因可能是波场介质对地震波有吸收滤波作用和放大共振作用，利用优势频率的变化的差异性可以推断未来震源的发育程度。

3.3震前脉动信号的卓越周期

见图20，可以看出相当一部分地震前地脉动的卓越周期都比较大，特别是序号32的2011年3月11日日本9.0级大地震，卓越周期达到了1000秒。初步认为这是大震的低频波前兆异常，大地震发生前，在震源区及其附近会产生许多微小的错动和裂缝，大量微裂隙串通和位错的进一步发展，将导致断裂发生大的错动。震前这种微裂位错可以引发频带很宽的振动，这种振动，不是一蹴而就的引发孕震震源体整体介质结构的崩溃，往往具有局部性，间歇性，阶段性，能量受应力状态的调整，逐渐积累或释放，强度也可能表现为渐增性，渐减性的，并且振动可以以波的形式向外传播，既有高频、中频的，也有低频的。极低频与极高频只不过是地球介质运动形式的两个极端现象，受控于地球介质结构的属性以及介质所承受的应力状态[4]。所以利用地脉动的卓越周期可以推断未来地震震源的发育程度。

4　结论与讨论

本文利用57个典型地震震前几分钟的脉动资料，对其进行傅里叶频谱测量，刻画出每个脉动的频谱特征，提取出来各个震前分钟值脉动的优势频率和卓越周期，揭示了地脉动信号来源与震级强度和地理位置关系密切，频谱特征受其控制。

（1）地震震级强度与频谱特征的关系。通过对震前脉动信号频谱观察研究，发现地脉动异常对震级大小更敏感，震级越大脉动信号的频谱特征表现多趋向于直线型、龙舟型、孤尖突拖尾絮线型，如2011年3月11日日本9.0级地震，2004年12月26日印尼8.9级地震，2008年5月12日汶川8.0级地震，震级小时多趋向于其它类型，这说明大震前地脉动频谱特征受控于震级强度。大地震发生前，地脉动的高频部分会被吸收，使得主要能量集中于低频部分，在孕震空间或附近外围向外扩散，这时受连累单元体介质微破裂方向可能是比较模糊的，但是随着孕震震源区微破裂发育，微破裂加速、微裂隙的贯穿连通进一步加速刺激微破裂程度，伴随产生了破裂速率渐强，频率渐增的向高频方向发展的清晰破裂走向弹性波的持续脉动输入，把这种频域信息加载到震前地脉动信号里，反馈过来的频谱特性无疑可以将这种大震前地脉动异常的状态暴露出来，该特殊频率波动的物理本质受控于震源和孕震动力学过程，具有临震预测意义[5]。

（2）地震的地理位置与震前地脉动频谱特征的关系。日常观测到地脉动的频谱，就表现了场地的动力传递函数，直接受场源的影响，地震位置与震前脉动信号的频谱跟发震构造与台址构造有关，震前地脉动分钟噪声背景摆脱不了对震源的依赖，脉动噪声特征与台址地表地质构造单元密切相关，同一地震震前地脉动异常在不同地理位置可能有不同的反映，这个虽没有亲自研究过，按照波在非均匀介质中传播的性质，可以推断会有所差异，但差异性会不大，因为地球介质各个方向上，空间上并非均匀体，会造成差异，但对观测点的台址构造来说，它有大范围、持续或其它形式的共同输入信息，地脉动频谱特征往往会有较高的“形像神像”要素[6]。如海洋地震，201002271434智力海岸近海8.0级地震，本台西南方向地震，如200705161704老挝6.9级地震，本台西北方向地震，如201004140749青海玉树7.3级地震，大陆架浅海地震，如201301051211中国东海5.0级地震等，处理本台记录的这些地区的震前分钟值地脉动信号都具有一致的“形像神像”要素。对本台震前地脉动观察研究发现，同一个地理位置或相同的构造单元所孕育地震的震前地脉动频谱具有一致的形态特征。利用这一现象可以较好地估计某个地区因孕震而引起的地脉动异常。

参考文献：

[1]庄灿涛，阴朝民，吴忠良．数字地震观侧技术[M]．北京：地震出版社，2003.

[2]林建生，张有明，谢文杰，等．泉州地震台数字地震仪台址的地脉动噪声分析[J]．华南地震，2011．31(1)：18—27.

[3]北京港震机电有限责任公司．数字地震仪参数测定软件使用手册[z]．北京：北京港震机电有限责任公司．2005.

[4]郑现，赵翠萍，周连庆，等．．利用背景噪声数据提取地震台站间面波的可靠性分析[J]．地震学报，2013.35(2)：218—228.

[5]王梅德，韩艳杰，郭祥云，等．地脉动在大震前的异常变化研究[J]．地震研究，2014.37(1)：73—78.

[6]李玲俐，王伟涛，朱良宝，等．从背景噪声提取瑞利面波频散曲线[J]．地震2014.34(3)：108—115.

MENGCHENG SEISMIC STATION BEFORE THE EARTHQUAKE PULSATING NOISE CHARACTERISTICS

ZHANG Ming-ming，ZENG Xian-jun,YANG Jun，YING Yun-xiang，CHEN Jun，WANG Ji-lin
（Mengcheng Seismic Station，Anhui Mengcheng 233527，China）

Abstract:Since the digital seismic observation records to the typical earthquake,the use of digital seismic signal processing method,measure each lottery earthquake one minute fluctuation signal in time domain and frequency domain feature data,through the spectrum analysis method,before the earthquake of pulsating noise spectrum in one minute difference.Preliminary study on the typical seismic shock of microtremor spectral variation characteristics and rules,and concluded 18 before the earthquake to pulse noise type,calm and no shock minute value fluctuation spectrum characteristics of analog typical earthquake shock minutes ago value spectrum of abnormal changes,found in the normal and abnormal Ground Microtremor noise characteristics according to.The most important is the impact of the magnitude and location of the larger.Before the earthquake,the pulsating minute value spectrum characteristics of abnormal,can be used before earthquakes ripple precursory anomaly change tracking,which use microtremor spectral characteristic parameters of seismic monitoring birth process,earthquake in long-term and short-term and impending prediction provides the basis.

Key words:Mengcheng Seismic Station;noise of pre earthquake;spectrum analysis;ground pulsation precursor anomaly

作者简介：张明明(1991-)，男，助理工程师，现主要从事台站测震、电磁观测方面的工作 。E-mail：670563395@qq.com

收稿日期：2015-09-24

修订日期：2015-10-25

基金项目：2014年安徽省地震局蒙城地球物理野外观测研究站基金项目资助

中图分类号：P315.4

文献标志码：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.01.009

文章编号：1674-8565（2016）01-0051-08