前震或广义前震识别的频谱偏移法在石渠5.6级地震预测中的应用

孙玺皓，赵玉红，苏维刚，胡维云，马亮

(1.青海省地震局，青海西宁 810000；2.甘肃省地震局，甘肃兰州 730000)

0 引 言

青海省和四川省是全国地震多发省份，常年伴有破坏性地震发生。强震前应力在震源区积累，孕震过程较为复杂，破坏性地震具有明显的前震活动特征，所以有效判别强震前中等地震是否具有前震属性在强震短临预测中具有重要意义。频率谱是地震波信息中重要动力学特征，该方法使短临预测预报不再单纯是地震统计研究，而是从频率域挖掘更多的地震信息，通过频率谱特征进行前震研究。

我国学者认为前震是指主震前发生在震源区内与主震有关的一些地震, 震前40天内发生在距主震100 km范围内的地震被认为是有意义的前震,或称直接前震[1]。广义前震是在直接前震定义上的拓延, 它是发生在一个地震序列之前较长时间、较远距离，与该序列孕育有关的单个地震或震群以及它们的组合[2]。广义前震与主震发生的时空尺度存在着不确定性, 有的距离主震很近，类似于前震；有的距离主震较远，优势间距 300～400 km，这种空间分布与孕震构造及孕震应力场有关。广义前震距主震的发生时间一般为1～3个月, 相当于地震预测的短临阶段[3]。

在资料跟踪分析过程中发现，发生6级以上强震前在主震源区或者主震源区外相关区域常发生显著地震活动，这进一步说明6级以上地震孕育进入了短期阶段,表现在地震孕育演化中不同方面，具有地震活动的增强、前兆异常的成组同步活动、部分具有较高映震效能的前兆异常或区域显著地震事件的发生等特征[4-6]。为了识别这类区域显著地震事件，发现其频率谱存在频带宽度变窄，且向低频端偏移等现象(优势频段为0～1.5 Hz)，而孕震早期或其后没有6级以上地震发生的中等震级地震的频谱范围较宽且没有向低频端偏移的现象(频段主要集中在0～5.0 Hz)。Dieterich中具有前兆意义的推论也说明，地震数据中包含各种类型的信息大都是从频率域中提取的，前震性与非前震性中等地震事件的频谱特征有所不同，前震或广义前震频谱向低频端偏移可能与强震前震源区或主震相关区域应力场增强接近临界状态时破裂的亚稳态扩展有关[7-9]。陈运泰等认为显著地震频谱向低频端偏移的物理本质是断层的预滑或慢破裂，之后提出的破裂成核理论[10]。因此，对正常背景性的中等震级地震活动和具有前震或广义前震性质的中等震级地震提出了一种频谱偏移分辨方法。通过这种方法对具有前震或广义前震性质的6级以上强震进行回溯及跟踪分析。

1 频谱偏移法理论计算

频谱偏移法是一种利用中等地震波形数据的频率谱预测破坏性地震的试验性方法，其目的是判断目标地震是否具有前震属性。前震或广义前震频谱向低频端偏移，意味着震前记录低频波发生变化。本文应用msdp软件以及Mapsis软件谱分析对青海及邻区显著地震事件进行了计算。谱分析计算的基本原理为快速傅里叶变换，FFT是一种有效求取并分析观测序列频谱特征的方法，且得到了广泛的应用，通过FFT计算得到地震频率谱[11]，理论计算公式如下(公式1为连续函数傅里叶变换公式，但将波形信号转为频率域信息时出现很多离散情况，选定公式2作为计算公式)：

(1)

(2)

我国数字地震台网记录资料的采样间隔为0.01 s，根据采样定律，其Nyquist频率为50 Hz，即能分辨的最大频率为50 Hz，本文采用的数据都符合这一标准[12]。基于青海省、甘肃省和四川省等区域数字化测震台网记录波形数据，对2020年石渠5.6级地震所对应前震或者广义前震的频谱偏移特征进行检验性分析。

2 石渠4.3级地震偏移台站频谱特征

通过对青海及邻区3.0～4.9级地震频谱持续跟踪(强震后余震不参与频谱计算)，用于检验和改进频谱偏移法判定目标地震。计算了2020年1月23日石渠4.3级地震频谱，发现存在明显的频谱偏移现象，偏移台站空间分布见图1。笔者将上述结果于2020年1月25日在青海省地震局预报中心公布，用于内部检验。2020年4月1日四川石渠发生5.6级地震，空间上距离石渠4.3级地震6 km，时间上距离石渠4.3级地震69天，两次地震均发生在五道梁—长沙贡玛断裂带附近，符合前震定义的标准。从前震与主震间隔时间以及空间位置角度类比，此次4.3级地震与2010年4月14日玉树4.7级地震都是发生在主震源区内的前震，从前震角度具有相似的特征。

图1 石渠4.3级地震频谱偏移台站的空间分布

本文统一用A(b)或A[b]表示A台站到震中距离为b km，前者表示偏移台站，后者表示未偏移台站。石渠4.3级地震震中0～500 km范围内共计41个测震台站，通过计算UD分量共28个测震台存在偏移现象，偏移台站占参与计算台站68.3%，偏移比例较高。其中0～200 km范围内共有3个台站，包括BAM(171 km)、YUS[173 km]和GZI(185 km)；300 km范围内共7个测震台站，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个测震台站出现明显的偏移现象(图2)。由于本次地震震级超过4级，根据经验总结，4～5级地震的频率谱在500 km范围内是有效的，外推震中300～500 km范围34个测震台站并参与计算。300～400 km范围内13个台站，分别为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个台站存在偏移现象；400～500 km范围内21个测震台，分别为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个台站存在偏移现象。石渠4.3级地震偏移台站的频谱优势频段集中在0～1.5 Hz。可以看出，随着震中距的增加，偏移现象愈加明显，0～300 km范围内频率的权重基本在0～1.5 Hz内，300～500 km范围内偏移台站频率权重主要集中在0～0.5 Hz。为表征简洁，图中用虚线框圈出频段处于0～1.5 Hz的频率谱成分(图3)。

图2 震中距0～300 km范围内偏移台站的波形数据的FFT均方谱(按震中距距离由近到远排列)

图3 震中距300～500 km范围内偏移台站的波形数据的FFT均方谱(按震中距距离由近到远排列)

3 偏移台站三分量定性分析

通过对UD分量计算发现，本次地震偏移台站较多。选取200～500 km范围内的RTA(212 km)、MEK(335 km)、DUL(374 km)、REG(384 km)、WUL(433 km)和MXI(487 km)6个偏移台站进行东西、南北分量再计算，发现同一台站三分量均方谱幅度相近，而且同一偏移台站记录中频谱差异较小、频谱结构较为一致，优势频段都集中在0～1.5 Hz，在其内部0～1.0 Hz的频率所占权重很大。并且随着震中距增加，1～1.5 Hz的频率所占权重略有变化，频带变窄且向低频端偏移现象越明显(图4)。

图4 震中距200～500 km范围内偏移台站的波形数据的东西、南北分量FFT均方谱(按震中距距离由近到远排列)

4 未偏移台站频谱特点

参与计算的41个测震台站中有13个测震台站未出现偏移现象，0～400 km范围内玉树地震台东西/南北/垂直三分量、杂多地震台东西/南北/垂直三分量频带较宽，玉树地震台三分量频段主要集中在0～5 Hz，杂多地震台三分量频段主要0～3 Hz。随着距离增大，优势频段呈变窄的变化趋势，通过分析，1.5～5 Hz权重随震中距的增加略有变化(见图5)。扩大500 km范围，同仁地震台等未偏移11个台站的频谱未有明显数据记录。偏移台站的频谱与未偏移台站的频谱形状差异比较明显。在500 km处甘肃岷县地震台、西藏察隅地震台接收到的速度波形信噪比已经很低，频谱成分不清晰，可以认为4～5级地震频谱在500 km范围内有意义的。

图5 震中距0～500km范围内未偏移台站的波形数据的FFT均方谱(按震中距距离由近到远排列)

5 总结与讨论

(1)2020年4月1日四川石渠发生5.6级地震，空间上距离2020年1月23日石渠4.3级地震6 km，时间间隔69天，两次震级差为1.3，根据前震定义，可以认为石渠4.3级地震是石渠5.6级地震的前震，且属于单发型地震，1月23日石渠4.3级地震呈现出频谱偏移现象后，4月1日发生石渠5.6级地震，验证了频谱偏移法在进行前震或广义前震识别的有效性。

(2)目前研究频谱偏移方法，南北分量、东西分量和垂直分量均参与计算，通过对石渠4.3级前震周边500 km范围内41个测震台站计算分析，偏移测震台站0～1.5 Hz的频率所占权重很大，三分量数据频谱偏移形态基本相同。不同台站0～1.5 Hz的低频成分的权重略有不同，其中1～1.5 Hz的频率所占权重随着台站到震中距离的增加略有变化。

(3)频谱偏移技术具有短临预报效能，发生在主震源区内前震与主震空间距离一般在100 km范围内，而广义前震与主震空间距离较前震与主震空间距离相比较远，约在100～500 km范围内，前震或广义前震与主震间隔时间基本都在3个月之内。前震或广义前震计算台站频谱偏移比例高于60%，偏移特征较明显，未来会有强震的可能。