大地震前背景噪声的高频分析＊

李 英，李晓雪

（甘肃省地震局，甘肃 兰州 730000）

对于大震前的异常前兆信息，是国内外学者一直关注和研究的焦点问题之一。一些岩石破坏的实验研究证实，大破裂前的声发射低频扰动和频率的周期性升高和降低现象是应力调整使得岩石裂纹闭合和扩张的结果，岩石破裂类型其发生和规律与天然地震很相似[1]。对矿震事件的近场记录研究认为，震前的亚临界扩展阶段不仅激发长周期波，而且存在一些脆性破裂引起的高频小事件[2]。有学者研究了单轴压力下岩爆的声发射特征，发现应力加载过程中，声发射谱有低频向高频发展的现象存在。一般对浅源地震解释也是地壳介质在应力作用下发生快速脆性破裂的结果，而且存在地震破裂过程中频率随时间发生偏移的现象，因此，选取一些大震震例，对震前近场连续的背景噪声资料进行数学处理，试图提取与大震有关联的信息。

1 研究对象及资料

本项研究首先选择2008 年5 月12 日四川汶川Ms8.1 地震和2003 年10 月25 日发生在甘肃的民乐-山丹Ms6.1 地震作为研究对象，采用的资料为地震前连续记录的背景噪声数据。对汶川地震，采用了震中附近汶川台（WCH）、茂县台(MXI)和安县台(AXI),仪器带宽60 s-60 Hz，采样率100 sps.这三个台对主震的震中距分别是56 km、87 km 和121 km。对民乐-山丹地震，采用了震中附近山丹台（SDT）、河西堡台(HXP),仪器带宽20 s-20 Hz，采样率50 sps.这两个台对主震的震中距分别是45 km 和98 km。

2 HHT 方法

希尔伯特-黄变换（HHT）是在1998 年由美国NASA 的黄锷博士提出的一种信号分析方法[3]。与短时傅立叶变换、小波分解等方法相比，HHT 具有如下特点：

（1）HHT 能够分析非线性非平稳信号。如傅立叶变换只能处理线性非平稳的信号，小波变换在实际算法实现中也只能处理线性非平稳信号。而HHT则适于分析非线性非平稳信号。

（2）HHT 具有完全自适应性。HHT 依据数据自身的时间尺度特征来进行信号分解，无须预先设定任何基函数。而傅立叶变换的基是三角函数，小波变换的基是小波基函数，选择一个反映被分析数据或信号的特性的基函数是比较困难的，因为不同的基可能产生不同的处理结果。

（3）HHT 不受Heisenberg 测不准原理制约。傅立叶变换、短时傅立叶变换、小波变换都受Heisenberg 测不准原理制约，意味着不能在时间和频率同时达到很高的精度。而HHT 不受Heisenberg测不准原理制约，它可以在时间和频率同时达到很高的精度，适用分析突变信号。

（4）HHT 的瞬时频率是采用求导得到的。

傅立叶变换、小波变换的过程是预先选择基函数，通过与基函数的卷积过程，HHT 借助Hilbert 变换求得相位函数，再对相位函数求导产生瞬时频率。所以傅立叶变换的频率是全局性的，小波变换的频率是区域性的，而HHT 的频率是瞬时的。

HHT 的处理方法分为两个步骤：第一步，经验模态分解（EMD），这是HHT 方法的关键技术。对任意信号S（t）,首先得到最大值和最小值得包络线，包络线的均值为m。

S（t）-m=h

将h 作为新的是S（t）,进行迭代，直到h 满足一定条件时，c1=h,此时c1 为第一个IMF。

S(t)-c1=r

将残余项r 作为新的S（t）,进行迭代运算，依次得到IMF 的c2,c3…直到满足终止条件。

第二步，Hilbert 变换：连续曲线X（t）的Hilbert变换：

3 结果与讨论

HHT 计算程序是在Matlab 下编程实现。对汶川地震，选取2008 年5 月1 日—5 月12 日这个时段的汶川台、茂县台和安县台垂直向的连续背景噪声记录，对民乐-山丹地震，选取2003 年10 月20日—10 月25 日这个时段的山丹台和河西堡台垂直向的连续背景噪声记录，采用HHT 方法分别计算了每个台每天00 时—06 时7 h 的记录的1 阶IMF 的瞬时频率。对汶川地震，以小时为单位求得这一时段中高频成分（>15 Hz）频点数与所有频点数的比值，如图1 所示；对民乐-山丹地震，由于仪器采样率为50 Hz，以小时为单位求得这一时段中高频成分（>5 Hz）频点数与所有频点数的比值，如图2 所示。

图1 茂县台（MXI）和汶川台（WCH）的高频比

图2 河西堡台（HXP）和山丹台（SDT）的高频比

在资料选取和计算时，尽可能避免了其他因素对处理结果的影响，只选取计算每天00 时-06 时的数据，就是为了避免或减少白天人类活动对环境造成的干扰。由于在汶川地震前存在一个威尔逊台风的天气过程（据温州台风网，威尔逊台风的天气过程2008年5 月8 日02:00—2008 年5 月13 日02：00），考虑到可能受到的影响，首先对这个时段的汶川台、茂县台和安县台垂直向的连续背景噪声记录分频段进行了巴特沃斯带通滤波，结果表明，台风的影响主要集中在0.1-1 Hz，研究中只关注大于15 Hz 的频段，应该是避开了台风对处理结果的影响。

从图1 可以看出，在这一时段，MXI 台没有显示连续性的、规律性的频率变化，而WCH 台从5 月6 日—12 日出现总体的台阶式升高，表达的物理意义就是，在背景噪声中高频成分的比例增高，当然也显示出其间在7—9 日有一个高频成分下降的过程。如图2 所示，在这一时段，HXP 台没有显示连续性的、规律性的频率变化，而SDT 台从10 月24日—25 日出现总体的台阶式下降，意味着在背景噪声中高频成分的比例降低。

4 结语

（1）从研究的两个震例看，地震前的背景噪声中高频成分均有一个台阶式的变化。

（2）这种现象只在距震中较近的台站记录中存在，初步估计距离小于60 km。

（3）大震前背景噪声中高频成分变化的机理需做进一步研究。

（4）从研究的两个震例看，汶川地震震前表现为背景噪声中高频成分增多，民乐-山丹地震则表现为背景噪声中高频成分减少，这种差异也是需进一步关注和探讨的问题。

（5）虽然这项研究还在进行之中，但初步认为这种高频成分的变化与其后发生的地震是有关联的。