地震前超宽频带地脉动记录异常变化特征探讨

荆 涛，孙 艺，方禹心，顾强强，安峻峰

（1. 沈阳地震台，辽宁 沈阳 110100；2. 辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

自Omori 最早观测到地脉动（microtremor）至今，地脉动的研究已有百年历史，主要应用在场地动力特性评价、地震区划和速度结构探测等方面。我国地脉动的研究始于60年代，主要以卓越周期为主，包括卓越周期和震害关系的研究及应用。目前已有多个震例研究表明，地脉动对大地震的发生具有一定的指示意义。在某些特定频率范围内地脉动的变化与地震有关[1-3]。本文在前期工作的基础上，进行了下一步工作，查找震前地脉动异常频率范围，提取与地震相关的震前地脉动变化信息。

目前对超宽频带观测仪的地脉动数据研究很少。前人对地震前地脉动异常变化研究的数据基础多源自短周期地震计（受客观科技水平所限），随着科技发展采用宽频带地震计资料进行了一些研究，但对于超宽频带地脉动数据的研究较少。JCZ-1T 超宽频带地震计为我国自行研制的高性能地震计，仪器频带为50Hz-DC，每个地震计分别有两个通道输出：50Hz-360s速度平坦输出及360s-DC 的加速度平坦输出，观测频带覆盖了短周期地震波至长周期固体潮。

地震的发生是一个能量缓慢积累到突然释放的过程，这个过程需要一定的时间。地震震级的大小与能量积累的时间是密切相关的，一个地震震级越大，其蕴藏的能量就越大，孕育的时间也是会更长。在能量积累的过程中可能会引起地脉动的一些“异常”变化，而这些“异常”会被仪器记录下来，我们的任务就是在这大量数据记录中提取有意义的地震前兆信息，为日后监测预报工作提供科学依据。本文主要针对辽宁灯塔M5.1、内蒙古科尔沁M5.4 及吉林前郭震群（M≥5.0） 为研究对象（表1），上述地震相对沈阳地震台来说震中距较近、震级较大，是非常典型的震例。对震前三个月沈阳地区地脉动数据进行频域分析，得到发震前沈阳地震台地脉动异常变化特征。

表1 研究时段内地震参数

1 资料选取及数据分析

1.1 资料选取

为了更严谨地研究震前地脉动异常信息，本文考虑到两方面原因，一是震级大小，近些年来东北地区地震活动性处于相对不强的状态下，大地震频次很少，震级范围确定为M≥5.0；二是震中距，地震的大小与影响范围呈正比，地震越大，受影响的地区就越广，鉴于本文只采用近几年M≥5.0 的地震，震级不是很大，所以震中距范围选取必然不会太大，确定以沈阳地震台周边500km 为半径范围内的地震。通过以上，最终选取了3 个典型震例，包括沈阳灯塔M5.1、科尔沁M5.3 及前郭M≥5.0震群（2013年度）。

资料选取了地震前长时段数据灯塔M5.1 地震发生于2013年01 月23 日、科尔沁M5.3 地震发生于2013年04 月22 日、前郭M≥5.0 地震发于2013年10 月至2013年11 月），最终资料选取时间段为2012年09 月01 日至2014年5 月31 日，共计20 个月。采用速度输出通道数字观测资料。通过对比全天数据文件（24 小时） 和当天小时数据文件（1 小时） 的频域分析曲线，发现两者非常相似，只是在振幅大小上有所差异，由于频域分析中振幅大小与观测数据量成正比，因此可以忽略振幅差异，采用小时数据文件作为研究样本，从而降低数据处理的工作量。另外，降低数据样本的时间跨度可以对人为、气象、地震波等干扰因素起到回避作用，提高计算结果的准确性。为了提高本文结论的科学性及真实性，如遇选取时段中含有认为、气象、地震等干扰，均用当天无干扰小时段进行替换，所有参与计算的数据均是无上述干扰类型的数据。

1.2 数据分析

在研究过程中发现多种干扰现象，影响地脉动分析的干扰因素主要有三种：气象干扰、人为干扰、地震干扰（地震计记录的体波和面波）。对干扰的处理采用两种方法，一种是滤波，对自然干扰及人为干扰进行滤波处理，滤掉干扰频率，最终祛除干扰；另一种是更换相近时段的测震波形数据（地震干扰）。

利用MATLAB 平台提供的快速傅里叶变换（FFT） 算法，对所研究震例震前、后地脉动测量数据进行频域分析。对于不同的目标频段，使用振幅值作为研究指标，频段内振幅值的确定方法如图1 所示。

2 地震前地脉动变化及特征

本文以沈阳地震台JCZ-1T 超宽频带地震计的垂直分量速度信号记录信息为研究对象，该通道的观测频带为50Hz-360s。研究数据以天为单位，每天选取固定时间段，由于时间段相对固定，当有大地震发生产生干扰时，在地震前重新选取研究数据，以保证数据的可靠。对沈阳地震台JCZ-1T 地震计记录波形进行频谱分析，确定振幅幅度较突出的频率段，共计二十二组，对不同频率段幅值变化曲线进行对比分析，最终确定研究对象频率范围为0.2～0.5Hz，并对该频段幅值变化进行了详细分析。

通过对沈阳地震台超宽频带地震资料进行全频域分析后发现0.2～0.5Hz 频段是较为活跃的频段，其中表现为振幅值较大，并且在中强震前均有高值现象出现。但有时出现振幅高值单点突跳，并不一定会有地震发生，本文判断是否为地震前兆要满足两个条件：（1） 振幅值出现高值异常；（2） 异常高值时段至少保持一个月以上，有在较长时段振幅值保持高值“异常”，这才有可能属于地震“前兆”。以上两个条件缺一不可。

本文采用“四分位法”来确定沈阳地震台超宽频带资料振幅正常值和异常值的范围，将所有振幅值按大小顺序排列并分成四等份，处于三个分割点位置即为四分位数。Q1=下四分位数，即第25 百分位数；Q2=中位数，即第50百分位数；Q3=上四分位数，即第75 百分位数。Q2 为沈阳台超宽频带地震仪的平均振幅值，经多个震例对比分析，发现地震前振幅值高值异常均在上四分位数（Q3） 区间内，以此可用上四分位数来确定异常振幅值。

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 表示项数。

经计算后得出沈阳地震台超宽频带数据四分位值（表 2），其中平均振幅值为22.0515（Q2），异常振幅值起止点为33.71445（Q3），振幅值超过Q3，并长时段保持此状态，这就需要注意了。不过需要说明的是由于本文资料选取时段是2012年9 月至2014年5 月，数据量不大，计算结果的准确率存在一定的误差，日后应继续完善。

表2 沈阳地震台超宽频带四分位值

2.1 灯塔M5.1 地震前地脉动变化特征

据中国地震台网测定，北京时间2013年01 月23 日12 时18 分在辽宁省灯塔市（北纬41.30 度，东经 123.12 度） 发生 M5.1 级地震，震源深度10 千米。

图2 给出了灯塔M5.1 地震前近三个月的振幅谱值曲线（2012.11-2013.01）（图2a）。考虑到地脉动变化可能会有周期性，将2013年度（2013.11-2014.01）（图 2b） 与 2012年度振幅谱值曲线进行了对比。2012年度与2013年度振幅谱值曲线形态完全不一致，这样就可以排除地脉动变化具有周期性。2012年度（灯塔M5.1地震前） 振幅谱值整体水平与2013年度振幅谱值相比明显要高，可以证明在灯塔M5.1 地震前确实存在地脉动高值异常的现象。

图2 2012年度与2013年度灯塔M5.1 地震沈阳地震台振幅谱值曲线对比图Fig.2 Comparison of the amplitude spectrum curves of the Shenyang Seismic Station of the Dengta M5.1 earthquake in 2012 and 2013

在灯塔M5.1 地震前近4 个月内出现长时段振幅谱高值现象（图3），自2012年10 月初至灯塔M5.1 地震前存在长时段的高值异常，异常时段近4 个月，期间平均振幅值达38.71143056，已达到异常阈值。不过值得注意的是2012年12月31 日（震前23 天） 振幅值开始下降，直至地震发生低值现象都很平稳，振幅值由高值回落到低值区间时发震，震后振幅值仍然保持高值状态，未恢复到震前低值水平。

图3 灯塔M5.1 地震前后沈阳地震台超宽频带地脉动日变曲线Fig.3 Ultra-wideband daily pulsation curves of Shenyang Seismic Station before and after the Dengta M5.1 earthquake

灯塔M5.1 地震前振幅谱值变化特征是在地震前出现持续高值现象，由高值转入低值后，在低值时段内发震。值得注意的是灯塔M5.1 震后振幅谱值没有恢复到低值状态，反而再次升到高值水平，正常情况下一个地区发生地震后，该地区地脉动活动水平应趋于平静，振幅的低值现象应该是灯塔地震后的理论现象，但灯塔地震后没有恢复到低值水平，这有可能是3 个月后科尔沁发生M5.3 地震埋下的伏笔。

2.2 科尔沁M5.3 地震前地脉动变化特征

据中国地震台网测定，北京时间2013年04 月22 日17 时11 分在内蒙古科尔沁 （北纬42.54 度，东经 122.21 度） 发生 M5.3 级地震，震源深度10 千米。

对比 2013年度 （2013.01-2013.04）（图 4a）与 2014年度 （2014.01-2014.04）（图 4b）振幅谱值曲线，可以明显看出两个年度振幅日变化曲线完全不同，并且2013年度与2014年度相比，2013年度振幅值水平要高于2014年度。

图4 2013年度与2014年度科尔沁M5.3 沈阳地震台振幅谱值曲线对比图Fig.4 Comparison of amplitude spectrum curves of Korqin M5.3 Shenyang Seismic Station in 2013 and 2014

图5 所示，科尔沁M5.3 地震前三个月大部分时间内都处于高值状态（灯塔M5.1 地震后振幅值无下降趋势），并且在灯塔M5.1 地震后仍然维持在高值水平，自灯塔M5.1 地震后至科尔沁 M5.3 地震前，于 2013年 4 月 10 日 （震前12 天） 振幅值出现趋势下降，由高值转为低值，也是在相对低值时发震，震后振幅谱值稳定在低值区间，直至5 月底振幅值仍然保持持续走低的态势，后续无中强地震发生（以沈阳台为中心300km 范围内）。自灯塔M5.1 地震发生后至科尔沁M5.3 地震发生前，平均振幅值达29.0875，虽然没有达到异常值水平，但也远超平均值水平，在科尔沁M5.3 地震发生前的三个月已经有一个5 级地震（灯塔M5.1） 触发，能量已经释放了一部分，所以作者认为科尔沁M5.3 地震前振幅值没有达到异常水平也属正常。

图5 科尔沁M5.3 地震前后沈阳地震台超宽频带地脉动日变曲线Fig.5 Diurnal variation curve of ultra-wideband ground pulsation at Shenyang Seismic Station before and after the Horqin M5.3 earthquake

科尔沁M5.3 地震前振幅谱值变化特征也是在地震前出现长时间高值异常现象，之后振幅谱值由高转低，在低值时段内发震。科尔沁M5.3 地震发生后，振幅值逐渐恢复到低值水平，之后无中强地震发生。但灯塔M5.1 地震后，振幅谱值在震后并未回落至低值区间范围内，并且灯塔地震后仍然保持高值状态，在这种不降反升的异常情况下，发生了科尔沁M5.3地震，这就提醒我们对地震后振幅值未下降的情况要引起重视，说明后续还可能有中强地震发生。

2.3 前郭震群地震前地脉动变化特征

2013年10 月31 日以两次M≥5.0（最大震级为M5.7） 地震宣告吉林前郭地区进入地震活跃期。截止2013年12 月8 日共计发生M3.0～3.9 共 8 次，M4.0～4.9 共 6 次，M5.0～5.9 共 5次，其中最大震级为2013年11 月23 日前郭M5.8。

通过对比2012年度 （图6a） 与 2013年度（图6b） 振幅谱值曲线（图6） 可以看出振幅谱值曲线形态依然不一致，且2013年度相比2012年度的振幅值水平明显要高，可见前郭地震在震前同样出现了地脉动异常现象。

图6 2012年度与2013年度前郭M≥5.0 地震沈阳地震台振幅谱值曲线对比图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 月振幅值水平一直处于相对较低的水平，并且还是较为稳定的，2013年9 月13 日也就是前郭震群开始活跃前43 天（图7），振幅值突然由低值向高值转变，高值现象一直持续到地震（前郭震群第一个M≥5.0 地震） 前 2 天 （10 月 29 日），期间平均振幅值达35.53016957，已达到异常值水平，共持续了一个多月，之后再次出现由高值向低值转变的现象，接着2 天后发生两次M≥5.0 地震，地震发生后振幅谱值依然保持高值，这应该是后续还有5 级地震的异常表现，截止到2013年11 月31 日，期间又发生了3 次M≥5.0地震，这一现象与科尔沁M5.3 地震前相似。

图7 前郭M≥5.0 震群前后沈阳地震台超宽频带地脉动日变曲线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 小结

为了更全面、更严谨地研究震前地脉动异常，也考虑到上述典型震例发震时间间隔不是很长，特做出整体振幅值日变曲线，也能更直观、清晰地阐述异常现象，资料选取范围为2012年 9 月 1 日至 2014年 5 月 31 日。本文确定以0.2～0.5Hz 作为研究频段，该频率段振幅值变化主要呈现出震前出现高值现象（图8），发震时均处于较低水平。灯塔M5.1 地震前三个月振幅谱值高值现象明显，并且在相对低值时段内发震，震后振幅值不降，依然持续高值状态，之后在振幅值由高转低时发生了科尔沁M5.3 地震，震后恢复低值水平，低值状态一直持续近4 个月左右（图9），期间无中强地震发生（辽宁及周边地区，即沈阳地震台300km 范围内），而后振幅值又突然趋势上升，在前郭震群发震前一个月左右时，振幅值再次出现由高转低的现象，同样是在振幅值相对较低值发震，震后振幅值依然保持高值状态，之后又发生了3 次M≥5.0 地震，这一现象可能对中强震后的地震趋势判定有一定的指示意义。

比对地震目录后发现谱振幅值处于低值时，与沈阳地震台周边300km 范围内发生M≥3.0的频次耦合性较好（图8-9）。2012年9 月至10 月与2013年5 月至8 月振幅谱值均处于低值区间，在这两个时间段内沈阳地震台周边300km 范围内（包含辽宁省内） M≥3.0 地震活动进行对比认为：当振幅谱值处于低值区间时，沈阳地震台300km 范围内地震活动性较低，在此范围的整体地震活动水平处于较弱状态。

通过以上研究分析可以得出，震前振幅谱值均有高值现象出现，低值发震，震后振幅谱值下降，震后如出现低值持续平稳，发生破坏性地震危险性很低（科尔沁地震后4 个月处于低值，期间无破坏性地震发生）；震后如高值持续，后续会有发生中强地震的可能（科尔沁M5.3、前郭震群）。

图8 2012.10.01—2014.05.31 沈阳地震台JCZ-1T 振幅谱值曲线 （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）

图9 2012.10—2013.05 以沈阳地震台为中心300 km范围内M≥3.0 M-t、频度图Fig.9 M≥3.0 M-t and frequency map about 300km around Shenyang Seismic Station from Oct.，2012 to May，2013

3 结论与讨论

3.1 结论

通过以上分析可以得出以下结论，上述地震前2 个月左右沈阳地震台超宽频带数据出现振幅值高值现象，振幅值从低值向高值发展，之后由高值转为低值的过程中发震的危险性较大。震后如出现振幅值稳定低值现象，以沈阳地震台为中心300km 范围内发生破坏性地震危险性很低（科尔沁地震后振幅值于低值，期间也无破坏性地震发生）；震后如出现振幅值持续高值现象，后续仍有发生5 级以上地震的危险（科尔沁M5.3、前郭M≥5.0 震群）。文中根据所选取的研究数据给出了沈阳地震台超宽频带数据振幅平均值Q2 及异常值Q3，对于振幅值长时间（至少40 天以上） 处于异常阈值时需要警惕，可能有发生中强地震的危险。

3.2 讨论

由于受地震计安装时间限制（2012年8 月正式运行），导致本文实验样数据有限，对沈阳台超宽频带地震仪的平均振幅值及震前存在异常的振幅阈值的计算结果会有有一定误差，同样也未利用更多典型震例进行同方法适用性分析，由于辽宁省内仅此一台超宽频带地震计，受资料所限未能开展同震例对比研究。未来将对后续典型地震进行同方法比较，并对国内其他基准台获取的大地震超宽频带地脉动数据资料展开同震例对比分析。

文中结论以0.2～0.5 Hz 为研究频段是经过多组不同频段进行对比实验后得出，该频段振幅值波动较大，并且在典型震例震前均有高值现象出现，这是其它频段所没有的，至于为什么只有这个频段会出现震前“前兆”信息，目前作者也无法给出具体解释，作者也只是依据实验得出的现象进行详细说明，作者猜测可能一些有意义的震前信息会在0.2～0.5 Hz 频段内比较突出，为日后监测预报工作提供一些参考。