荊 濤，孫 藝，方禹心，顧強(qiáng)強(qiáng)，安峻峰

（1. 沈陽(yáng)地震基準(zhǔn)臺(tái)，遼寧 沈陽(yáng) 110061；2. 遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

0 引言

Omori 于1908 年用高放大倍數(shù)的測(cè)振儀器在地面上觀測(cè)到了一種很小的振幅振動(dòng)，稱為微動(dòng)或地脈動(dòng)（microtremor），發(fā)表了“論地脈動(dòng)”一文，至今對(duì)地脈動(dòng)的研究已有百年的歷史。上個(gè)世紀(jì)50 年代以來(lái)，大量地球物理學(xué)家投身于地脈動(dòng)研究，采用了聚束技術(shù)、振幅法、單臺(tái)法等方法對(duì)大震前的地脈動(dòng)變化及地脈動(dòng)的信號(hào)源等進(jìn)行了研究。我國(guó)開始對(duì)地脈動(dòng)的研究是上個(gè)世紀(jì)60 年代，主要研究對(duì)象是卓越周期和震害關(guān)系的研究及應(yīng)用。馮德益等對(duì)唐山地區(qū)地震前的地脈動(dòng)及前震的頻譜特征進(jìn)行了研究[1]，夏英杰、倪四道等對(duì)汶川8.0 級(jí)地震前的地脈動(dòng)變化進(jìn)行了分析[2]，遼寧省地震局范葉平等[3]也對(duì)遼寧地區(qū)的地脈動(dòng)變化與大地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行過(guò)研究，得到的結(jié)果證明了在大地震發(fā)生前地脈動(dòng)均出現(xiàn)不同程度的異常變化。不過(guò)受當(dāng)時(shí)科技水平所限，上述研究成果的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)多源自于短周期地震計(jì)或是寬頻帶地震計(jì)數(shù)字記錄，目前對(duì)超寬頻帶地震計(jì)記錄的地脈動(dòng)研究較少。

沈陽(yáng)地震基準(zhǔn)臺(tái)作為國(guó)家基準(zhǔn)臺(tái)之一，配備了JCZ-1T 超寬頻帶地震計(jì)，儀器頻帶為50Hz～DC，該地震計(jì)分別有兩個(gè)通道輸出：50Hz～360s 速度平坦輸出及360s～DC 的加速度平坦輸出，觀測(cè)頻帶覆蓋了短周期地震波至長(zhǎng)周期固體潮。全國(guó)僅有16 個(gè)基準(zhǔn)臺(tái)運(yùn)行此設(shè)備。該儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定，周圍觀測(cè)環(huán)境無(wú)明顯干擾，數(shù)據(jù)質(zhì)量連續(xù)可靠。

地震是一個(gè)復(fù)雜的破裂過(guò)程，從醞釀到發(fā)生需要一定的時(shí)間積累，在能量積累的過(guò)程中必然有“蛛絲馬跡”——地脈動(dòng)異常變化，而我們需要做的就是在地震前尋找地脈動(dòng)異常變化。本文只針對(duì)燈塔M5.1 地震前，利用沈陽(yáng)地震臺(tái)超寬頻帶測(cè)震數(shù)字資料，對(duì)震前地脈動(dòng)變化異常進(jìn)行回溯性研究分析，從而得到燈塔M5.1 地震前地脈動(dòng)異常變化特征。

1 資料選取

為了更全面、更系統(tǒng)地對(duì)地震前地脈動(dòng)變化進(jìn)行研究分析，特選取燈塔M5.1 地震（2013年01 月23 日）前22 天，也為了更好地展示地震后地脈動(dòng)變化特征，資料選取范圍涵蓋了震后一周的觀測(cè)資料，最終本文資料選取范圍是2013 年01 月01 日至2013 年01 月31 日，共計(jì)31 天，采用沈陽(yáng)地震臺(tái)JCZ-1T 超寬頻帶00通道速度輸出數(shù)字觀測(cè)資料。

鑒于所研究數(shù)據(jù)工作量較大并且其中必然摻雜一些干擾因素，譬如氣象干擾、人為干擾、地震干擾等，其中地震波的干擾對(duì)頻域分析影響很大，通過(guò)對(duì)地震波進(jìn)行頻譜分析后發(fā)現(xiàn)，地震的體波會(huì)擾亂高頻波段分析，地震的面波會(huì)干擾低頻分析，研究數(shù)據(jù)中一旦混入地震干擾不僅會(huì)影響頻域分析的曲線形態(tài)，還對(duì)后續(xù)計(jì)算結(jié)果造成很大偏差，會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果不準(zhǔn)確，所以去除干擾顯得尤為必要。在分析研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天的小時(shí)數(shù)據(jù)文件（1 小時(shí)）與全天數(shù)據(jù)文件（24 小時(shí)）的頻域分析曲線形態(tài)非常相似，頻率分析曲線幾乎一樣，只是在振幅幅度大小上有所差異。不過(guò)這是正?，F(xiàn)象，因?yàn)檎穹档拇笮?huì)與觀測(cè)數(shù)據(jù)量成正比關(guān)系。所以小時(shí)數(shù)據(jù)文件可以看做是全天數(shù)據(jù)的縮小版。在全天數(shù)據(jù)中找出沒有任何干擾的小時(shí)數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)，利用小時(shí)數(shù)據(jù)文件替代全天數(shù)據(jù)文件不僅可以減少工作量，還能避開干擾因素，使最終計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

2 數(shù)據(jù)處理

本文基于MATLAB 平臺(tái)對(duì)燈塔M5.1 地震前后地脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），使其由時(shí)間域轉(zhuǎn)為頻率域，主要是計(jì)算出頻率振幅及確定頻率變化特征，利用最終的計(jì)算結(jié)果畫出燈塔M5.1 地震前地脈動(dòng)頻域曲線，研究其變化特征。

首先對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行全頻率掃描分析（圖1），確定研究數(shù)據(jù)的頻率范圍，從圖1 中可以清晰看出優(yōu)勢(shì)頻率主要集中在0～5 Hz 范圍內(nèi)，可以確定所研究數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)頻率在此范圍內(nèi)。

圖1 沈陽(yáng)地震臺(tái)超寬頻帶測(cè)震數(shù)據(jù)全頻率分析Fig.1 Full frequency analysis of ultra-wideband seismic data from Shenyang Seismic Station

以小時(shí)數(shù)據(jù)代替全天數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），可以得出最優(yōu)頻率及振幅值（圖2），對(duì)最優(yōu)頻率值進(jìn)行標(biāo)記，圖中X 為本頻率段中最優(yōu)頻率，Y 為最優(yōu)頻率振幅值，分別記錄X、Y 值，畫出研究數(shù)據(jù)的頻域分析曲線。

圖2 沈陽(yáng)地震臺(tái)超寬頻帶測(cè)震數(shù)據(jù)頻域分析Fig.2 Frequency domain analysis of ultra-wideband seismic data from Shenyang Seismic Station

3 燈塔M5.1 地震前地脈動(dòng)頻域分析

以沈陽(yáng)地震臺(tái)JCZ-1T 超寬頻帶地震計(jì)00通道速度記錄波形時(shí)間為序列，以小時(shí)數(shù)據(jù)文件為研究對(duì)象，利用快速傅里葉變換（FFT）進(jìn)行頻域計(jì)算與分析。以每天（小時(shí)文件）為單位，計(jì)算出最優(yōu)頻率及最優(yōu)頻率振幅值，記錄并利用這兩個(gè)計(jì)算結(jié)果分別畫出燈塔M5.1 地震前后的地脈動(dòng)頻域分析曲線。通過(guò)對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行大量不同頻率段的頻域分析試驗(yàn)，窗長(zhǎng)為1 天，步長(zhǎng)為0.1 Hz，最終選出兩組在燈塔M5.1 地震前地脈動(dòng)異常變化的頻段，分別是1.4～1.6 Hz 和2～3 Hz 頻段。

在燈塔M5.1 地震前，在這兩個(gè)頻段范圍內(nèi)的地脈動(dòng)信息均出現(xiàn)不同程度的異常表現(xiàn)，主要表現(xiàn)為震前一周左右最優(yōu)頻率振幅幅度減小和最優(yōu)頻率的變化是逐步由高頻趨勢(shì)性轉(zhuǎn)為低頻的現(xiàn)象。

3.1 燈塔M5.1 地震前1.4～1.6 Hz 頻段地脈動(dòng)異常分析

首先對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行1.4～1.6 Hz 頻率段的頻域分析，掃描天數(shù)為31 天，計(jì)算后得出31個(gè)最優(yōu)頻率及31 個(gè)最優(yōu)頻率振幅，共計(jì)62 個(gè)數(shù)據(jù)。通過(guò)振幅頻域曲線（圖3）可以清晰看出，2013 年01 月01 日至2013 年01 月16 日振幅值曲線形態(tài)較為平穩(wěn)，振幅值在10count上下波動(dòng)。值得注意的是當(dāng)月16 日后開始明顯趨勢(shì)下降，出現(xiàn)振幅值明顯減小的現(xiàn)象，一直持續(xù)到31 日，振幅值平均值在1.5count 左右，最低值達(dá)0.53571count。在燈塔地震前一周（2013 年01 月16 日）振幅值大幅度下降，振幅值由高值轉(zhuǎn)為低值，下降幅度較大，在振幅值較低的時(shí)間段內(nèi)發(fā)震，并且燈塔地震發(fā)生后振幅值仍維持在低值水平，沒有恢復(fù)到震前高值的狀態(tài)。

圖3 沈陽(yáng)地震臺(tái)超寬頻帶地震前地脈動(dòng)振幅頻域曲線（1.4～1.6 Hz）Fig.3 Frequency spectrum of ground pulsation amplitude before the ultra-wideband earthquake in Shenyang Seismic Station（1.4～1.6Hz）

對(duì)燈塔M5.1 地震前地脈動(dòng)頻率變化曲線（圖4）可以看出，震前地脈動(dòng)頻率變化沒有明顯異常特征，地震前后頻率變化較為穩(wěn)定無(wú)異常波動(dòng)，基本上保持在1.5 Hz 左右，頻率變化曲線無(wú)明顯規(guī)律性特征。頻率變化在燈塔M5.1地震前后均無(wú)明顯異常表現(xiàn)。

圖4 沈陽(yáng)地震臺(tái)超寬頻帶地震前地脈動(dòng)頻率變化曲線（1.4～1.6 Hz）Fig.4 Curve of the pulsation frequency before the ultra-wideband earthquake in Shenyang Seismic Station（1.4～1.6 Hz）

3.2 燈塔M5.1 地震前2～3 Hz 頻段地脈動(dòng)異常分析

對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行2～3 Hz 頻率段的頻域分析，掃描天數(shù)為31 天，依然得出62 個(gè)數(shù)據(jù)。通過(guò)查看2～3 Hz 振幅頻域曲線（圖5），可以看出2013 年01 月01 日至2013 年01 月17 日振幅值曲線形態(tài)較為平穩(wěn)，振幅值在7count 上下波動(dòng)。不過(guò)從17 日也同樣開始出現(xiàn)振幅值明顯趨勢(shì)下降，振幅值水平下降至3count 左右，最低值達(dá)2.2405count，低值現(xiàn)象一直持續(xù)到燈塔地震后。在燈塔地震前6 天（2013 年01 月17 日）振幅值開始明顯下降，繼續(xù)由高值向低值轉(zhuǎn)變，仍然是在振幅值處在低值時(shí)間段內(nèi)發(fā)震，地震后振幅值仍維持在低值水平，未恢復(fù)到震前高值狀態(tài)。

圖5 沈陽(yáng)地震臺(tái)燈塔地震前地脈動(dòng)振幅變化曲線（2～3 Hz）Fig.5 Curve of pulsation amplitude before the Dengta earthquake in Shenyang Seismic Station（2～3 Hz）

2～3 Hz 頻率段的頻率變化曲線（圖6） 顯示，2013 年01 月01 日至2013 年01 月17 日頻率變化相對(duì)較小，說(shuō)明燈塔M5.1 地震地脈動(dòng)的頻率變化不大，較為穩(wěn)定。不過(guò)值得注意的是，在2013 年01 月17 日（燈塔M5.1 地震前6 天） 開始出現(xiàn)地脈動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率降低的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為優(yōu)勢(shì)頻率由高頻向低頻轉(zhuǎn)變。17 日后開始出現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)低頻現(xiàn)象，直至23 日發(fā)震當(dāng)天地脈動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率都處于相對(duì)低頻區(qū)間，震后第二天（24 日）顯示出地脈動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率開始向高值回升的態(tài)勢(shì)，出現(xiàn)了由低頻向高頻恢復(fù)的現(xiàn)象。

本文對(duì)以上兩組不同頻率段進(jìn)行頻域分析，通過(guò)對(duì)振幅和頻率兩種參數(shù)研究分析后發(fā)現(xiàn)，燈塔M5.1 地震前沈陽(yáng)地震臺(tái)超寬頻帶地脈動(dòng)記錄確實(shí)出現(xiàn)不同程度的異常特征。其中一組頻段在頻域分析中顯示了兩種參數(shù)均有異?，F(xiàn)象（2～3 Hz），另外一組頻段只有一種參數(shù)（振幅）出現(xiàn)明顯異?，F(xiàn)象（1.4～1.6 Hz）。

圖6 沈陽(yáng)地震臺(tái)燈塔地震前地脈動(dòng)頻率變化曲線（2～3 Hz）Fig.6 Curve of pulsation frequency before the Dengta earthquake in Shenyang Seismic Station（2～3 Hz）

4 結(jié)論

本文利用沈陽(yáng)地震臺(tái)超寬頻帶地脈動(dòng)資料對(duì)燈塔M5.1 地震進(jìn)行回溯性研究分析，研究結(jié)果表明，兩組不同頻段1.4～1.6 Hz 和2～3 Hz 在燈塔M5.1 地震前出現(xiàn)明顯異?，F(xiàn)象。

其中在1.4～1.6 Hz 研究頻段中，只有振幅值在震前7 天出現(xiàn)明顯由高值轉(zhuǎn)為低值的現(xiàn)象，地震在低值時(shí)段內(nèi)發(fā)生，地震發(fā)生后振幅值仍然維持在低值水平。

在對(duì)2～3 Hz 頻段分析研究后發(fā)現(xiàn)，燈塔M5.1 震前地脈動(dòng)的振幅值和頻率變化均有明顯異?，F(xiàn)象。異常主要體現(xiàn)在地震發(fā)生前6 天，振幅值和優(yōu)勢(shì)頻率變化均由高值趨勢(shì)性下降至低值，同樣也是在相對(duì)低值時(shí)段內(nèi)發(fā)震，異常時(shí)間只是比上一個(gè)研究頻段推遲了1 天，震后振幅值低值現(xiàn)象持續(xù)，而優(yōu)勢(shì)頻率變化出現(xiàn)低值向高值恢復(fù)的趨勢(shì)。

綜上所述，沈陽(yáng)地震臺(tái)超寬頻帶記錄的地脈動(dòng)振幅值和頻率變化出現(xiàn)由高值轉(zhuǎn)低值現(xiàn)象時(shí)，并且低值現(xiàn)象穩(wěn)定，發(fā)生地震的危險(xiǎn)性較大。

5 討論與建議

由于時(shí)間倉(cāng)促，未能與其它典型震例進(jìn)行延續(xù)分析，建議繼續(xù)對(duì)后續(xù)典型地震進(jìn)行同方法研究分析，確定結(jié)果是否繼續(xù)支持本文結(jié)論。

本文結(jié)論只是由沈陽(yáng)地震臺(tái)超寬頻帶測(cè)震資料研究分析后得出，考慮到省內(nèi)其它臺(tái)站多數(shù)采用短周期或?qū)掝l帶地震計(jì)，觀測(cè)儀器的記錄周期、觀測(cè)頻帶不同，所記錄的數(shù)據(jù)會(huì)有差異，所以并不具備對(duì)比性，最終未對(duì)省內(nèi)其它臺(tái)站地震觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。