李大虎，李 軍，鄧 艷，嚴 媚，安東妮，黃成程，湯才成

（1.四川省地震局，成都 610041；2.四川賽思特科技有限責任公司，成都 610041；3.成都理工大學 地球物理學院，成都 610059）

云南香格里拉、德欽—四川得榮交界5.9級地震加速度記錄的時頻分析

李大虎1，2，李 軍3，鄧 艷2，嚴 媚2，安東妮2，黃成程2，湯才成2

（1.四川省地震局，成都 610041；2.四川賽思特科技有限責任公司，成都 610041；3.成都理工大學 地球物理學院，成都 610059）

2013年8月31日四川省甘孜藏族自治州得榮縣、云南省迪慶藏族自治州德欽縣、香格里拉縣交界地區(qū)發(fā)生的Ms5.9級地震，發(fā)震構(gòu)造為德欽—中甸—大具斷裂。采用基于聚類經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EEMD）的HHT計算方法，對通過對震區(qū)附近架設(shè)的2個流動強震觀測臺站獲取了的地震加速度記錄進行時頻分析，得到了不同臺站加速度記錄分量的邊際譜、傅里葉譜及瞬時能量譜，量化提取了平均周期、中心頻率和最大振幅等時頻特性。研究結(jié)果表明：經(jīng)過EEMD分解及譜分析所得到的FFT譜與Hilbert邊際譜相比，隨著頻率的增加會放大其幅值；并且隨著震中距的增加，最大地震動峰值加速度迅速衰減，加速度記錄主頻成分則隨之增加。最后從四川境內(nèi)近年來不同斷層的錯動類型與強震加速度記錄的時頻特性及Hilbert瞬時能量譜所反映的信號能量釋放特點方面存在的差異，進行了分析研究，結(jié)果表明斷層的錯動類型對邊際譜與傅里葉譜之間的關(guān)系影響不大，無論是走滑斷層還是傾滑斷層錯動，Hilbert邊際譜在低頻處的地震動幅值均大于傅里葉譜的幅值，但斷層的錯動類型對能量隨時間的釋放過程影響較大。

EEMD；HHT；加速度記錄；時頻特性；Hilbert邊際譜；德欽—中甸—大具斷裂

0 引言

2013年8月31日8時4分四川省甘孜藏族自治州得榮縣、云南省迪慶藏族自治州德欽縣、香格里拉縣交界地區(qū)發(fā)生了Ms5.9地震（東經(jīng)99.4°，北緯28.2°），震源深度10km。此次地震是繼2013年8 月28日4時44分5.1級地震9.9km范圍外發(fā)生的又一次中強地震。根據(jù)四川地震臺網(wǎng)目錄，截止9月4日1時，共記錄到地震序列1 106次，其中地震序列最大余震為M4.5，四川省地震局震后應(yīng)急小組在得榮震區(qū)附近架設(shè)的2個強震觀測臺站（得榮松麥臺、得榮子庚臺）獲取了三分量加速度記錄，最大水平峰值加速度記錄為震中距8.1km處得榮縣子庚鄉(xiāng)瓦卡法庭流動臺所獲取的EW向分量427.29cm／s2（臺站分布見圖1）。這些記錄不但對于近斷層地震動時頻特性的分析研究彌足珍貴，而且在一定程度上也豐富了我國的強震動記錄數(shù)據(jù)庫，分析研究地震加速度記錄的時頻特性對地震波的作用機理和傳播特性研究以及地震波的預(yù)測預(yù)警工作都具有重要的地震學意義［1－2］。

近年來，地震工程界經(jīng)常采用傅里葉變換、小波分析和HHT分析來處理地震加速度記錄，而這些方法均存在一定程度的不足，如Fourier變換無法進行時頻局部化分析、小波變換對基函數(shù)的選取不定等問題，而HHT方法對強震記錄進行時頻分析時在EMD分解過程中會存在模態(tài)混疊問題［3－4］。因此這里采用了一種基于聚類經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EEMD）的HHT計算方法［11］，對四川數(shù)字強震臺網(wǎng)記錄到的此次得榮縣和德欽縣、香格里拉縣交界處發(fā)生的Ms5.9地震不同震中距的臺站（得榮松麥臺、得榮子庚臺）加速度記錄進行時頻分析，得到了這2個流動臺站地震加速度分量的FFT譜、Hilbert邊際譜瞬時能量譜，量化提取了中心頻率、平均周期和最大振幅等時頻特性，并與FFT譜進行了對比研究。最后從四川境內(nèi)近年來不同斷層的錯動類型與強震加速度記錄的時頻特性及Hilbert瞬時能量譜所反映的信號能量釋放特點方面存在的差異，進行了分析并從中獲得了一些新的認識。

圖1 區(qū)域地震構(gòu)造與強震臺站分布圖Fig.1 Regional seismic tectonics and the distribution of strong earthquake stations

1 加速度記錄的分析方法

使用EMD算法進行信號分解的條件及處理流程已經(jīng)出現(xiàn)在相關(guān)的研究論文中［9，14］，但其本身在分解過程中存在的模態(tài)混疊問題一直未得到很好地解決，而基于EEMD的HHT方法可以有效抑制模態(tài)混疊問題［10－11］，該方法主要由EEMD分解和Hilbert變換組成。EEMD分解原理及算法流程［10－11］此處不做詳細介紹，EEMD分解得到不同的各個IMF分量，然后是對分解出來的IMF分量進行Hilbert變換［9，12，15］得式（1）。

再構(gòu)造原信號的解析信號得式（2）。

由式（3）進而得到式（4）。

這就稱作Hilbert譜

再定義Hilbert邊際譜

另外作為Hilbert邊際譜的附加結(jié)果，可以定義Hilbert瞬時能量譜：， Hilbert瞬時能量譜反映了信號能量隨時間的變化過程。

2 加速度記錄的時頻分析

2.1 EEMD分解結(jié)果

選取震中距8.1km處得榮縣子庚鄉(xiāng)瓦卡法庭流動臺所記錄到的EW向分量加速度記錄進行了處理和計算，先對EW向分量進行EEMD分解，從圖2的分解結(jié)果中可以看出，得榮子庚臺加速度記錄EW向分量被分解成了C1－C8等不同的IMF分量和res殘余項，不同的IMF分量尺度特征也相應(yīng)不同，EEMD分解出來的C1分量頻率最高；隨著分量的增加，C2－C6分量頻率逐漸降低，而C7－C8分量的頻率更小，最后的殘余項R表示地震加速度曲線的變化趨勢。因此EEMD方法可以將信號本身IMF分量按頻率從高到低的順序提取出來，同時地震加速度曲線中的信息也可以從IMF分量集中體現(xiàn)出來。

圖2 基于EEMD分解得到的各IMF分量Fig.2 Various IMF component based on the decomposition of EEMD

關(guān)于每個IMF分量具體的時頻信息，經(jīng)計算后的結(jié)果如表1所示。

表1 IMF分量統(tǒng)計表Tab.1 The IMF component statistical characteristics of values

2.2 Hilbert變換與譜分析

將EEMD分解后的IMF各分量經(jīng)Hilbert變換和計算后得到圖3－圖6，其中圖3為震中距8.1 km的得榮子庚臺EW向分量的加速度記錄，從圖4 FFT譜與Hilbert邊際譜對比可以看出，F(xiàn)FT譜在低頻處會低估地震動的幅值，在高頻段又會放大地震動的幅值；同樣，對得榮縣子庚臺NS向分量和UD向分量以及對震中距24.3km的得榮松麥臺所獲取的三分量加速度記錄，進行傅里葉譜與邊際譜對比分析也可以發(fā)現(xiàn)這個時頻特性。圖5所示的瞬時能量譜表達了不同方向的加速度分量的能量與時間的變化關(guān)系，圖6時頻譜相對于FFT而言可以同時進行時頻局部化，它表示了加速度信號于不同時刻存在不同的頻率信息，各頻段的譜值也不相同。

圖3 加速度時程記錄Fig.3 Acceleration schedule records

圖4 邊際譜與傅里葉譜對比Fig.4 The contrast between marginal spectrum and Fourier spectral

圖5 瞬時能量譜Fig.5 Instantaneous energy spectrum

圖7和圖8分別為得榮松麥臺EW向分量的加速度記錄及Hilbert邊際譜，與圖4對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著震中距的增加，得榮松麥臺信號主頻集中在10 Hz左右，遠遠大于Hilbert邊際譜中所反映的得榮子庚臺的主頻分布范圍，并且隨著震中距的增加，最大地震動峰值加速度迅速衰減，加速度記錄主頻成分則隨之增加，以EW向分量為例，主頻成分由得榮子庚臺的3.7Hz增加到得榮松麥臺的10.5Hz，這與當?shù)靥赜械牡刭|(zhì)構(gòu)造環(huán)境以及地震波傳播途徑緊密相關(guān)。由于震區(qū)內(nèi)的德欽—中甸—大具斷裂沿著云南奔子欄—四川得榮子庚—云南尼西一線展布，北西段位于高山峽谷區(qū)內(nèi)（如奔子欄—子庚沿著金沙江峽谷展布），南東段延伸帶到云南尼西鄉(xiāng)一帶，斷裂控制著新生代盆地邊界。由于此次5.9級地震造成了子庚鄉(xiāng)房屋破壞較為嚴重，土木結(jié)構(gòu)房屋個別墻倒，部分墻體局部倒塌，多數(shù)墻體開裂，框架結(jié)構(gòu)的房屋梁柱結(jié)合部位填充墻裂隙較大（圖9），而松麥鎮(zhèn)土木結(jié)構(gòu)的房屋部分墻體出現(xiàn)裂紋，框架結(jié)構(gòu)房屋極個別承重梁可見細微裂紋，其破壞程度較子庚鄉(xiāng)的震害程度降低（圖10）。這些震害特點除了與房屋結(jié)構(gòu)和場地條件因素有關(guān)之外，對不同震中距臺站所獲取的加速度記錄的時頻分析，所得出地震波頻段對建筑物破壞特性的差異，也是造成此次5.9級地震建筑物破壞和震害特點分布的原因之一。

圖6 時頻譜Fig.6 Time－frequency spectrum

圖7 得榮松麥臺加速度記錄EW向分量Fig.7 EW to acceleration records figure of Derong－songmai station

圖8 得榮松麥臺加速度記錄Hilbert邊際譜Fig.8 Hilbert marginal spectrum of acceleration records Derong－songmai station

圖9 得榮子庚鄉(xiāng)瓦卡村阿稱組土木結(jié)構(gòu)的屋頂坍塌Fig.9 The roottop collasped in Zigeng town，Derong county

3 川內(nèi)不同震例加速度記錄的對比分析

四川地區(qū)活動斷層的分布特征與地震活動關(guān)系密切，尤其是近十多年以來，川內(nèi)地震活動較為頻繁（如2002年新龍Ms5.3地震、2008年汶川Ms8.0地震、攀枝花Ms6.1地震、2010年道孚Ms5.1地震、2011年爐霍Ms5.3地震以及2012年寧蒗－鹽源Ms5.7地震），斷層錯動類型和發(fā)震構(gòu)造的不同，會不會對強震臺站所獲取的加速度記錄的時頻特點及Hilbert瞬時能量譜所反映的信號能量釋放過程造成差異？因此先要對此次Ms5.9級地震的發(fā)震構(gòu)造進行調(diào)查研究，然后再分別針對不同性質(zhì)的斷層錯動所獲取的加速度記錄進行時頻分析。此次Ms5.9級地震發(fā)生后，四川省地震局地震現(xiàn)場工作隊對該斷裂進行了地震地質(zhì)調(diào)查與震源機制解分析研究，由于德欽—中甸—大具斷裂與紅河斷裂構(gòu)成了川滇塊體的南部邊界，且德欽—中甸—大具斷裂晚第四紀以來新活動行跡明顯，曾發(fā)生過多次中強地震，具備孕育和發(fā)生強震的構(gòu)造條件，而Ms5.9級地震的微觀震中就位于德欽—中甸—大具斷裂上，再結(jié)合由CAP反演的震源機制解結(jié)果表明，節(jié)面2走向與德欽—中甸—大具斷裂相吻合，以正斷型的斷層錯動為主，兼具一定的走滑分量，因此判定德欽—中甸—大具斷裂為此次Ms5.9級地震的發(fā)震構(gòu)造［6］。

圖10 得榮松麥鎮(zhèn)劉麥家土木結(jié)構(gòu)的墻體開裂Fig.10 The walls of buildings ruptured at Liumai，Songmai town，Derong county

由于2008年5月12日汶川Ms8.0級地震是龍門山斷裂帶逆沖兼走滑斷層錯動的結(jié)果［5］，而2011年4月10日爐霍Ms5.3地震則是純走滑型的斷層錯動［7］，因此作者又分別選取了綿陽安縣臺在汶川地震中獲取的加速度記錄NS向分量、爐霍地辦臺在爐霍地震中獲取的加速度記錄NS向分量和本次5.9級地震得榮子庚臺獲取的加速度記錄NS向分量，對這三次地震中四川強震臺網(wǎng)中不同臺站所獲取的NS向分量采用了EEMD分解的HHT分析方法，得到不同加速度信號的傅里葉譜、邊際譜和瞬時能量譜圖（圖11－圖13），根據(jù)圖11、圖12可以發(fā)現(xiàn)，正斷層（德欽—中甸—大具斷裂）錯動造成的得榮縣和德欽縣、香格里拉縣交界處發(fā)生的Ms5.9級地震和純走滑型斷層（鮮水河斷裂）錯動造成的爐霍Ms5.3地震能量釋放較為集中，而從圖13可以看出50s前后存在兩次較為明顯的能量釋放過程，逆沖斷層（龍門山斷裂）錯動造成的汶川Ms8.0級地震能量隨時間則表現(xiàn)出了分段釋放的特點；但通過不同地震加速度記錄的Hilbert邊際譜與FFT譜分析（圖4、圖11（c）、圖12（c））可以看出，無論是正斷層還是逆斷層錯動，在低頻處，邊際譜的地震動幅值均大于傅里葉譜，也就是說邊際譜與傅里葉譜之間和斷層的錯動類型關(guān)系不大，斷層的錯動類型對Hilbert瞬時能量譜所反映的信號能量釋放特點影響較大。

圖11 得榮子庚臺NS向分量瞬時能量譜Fig.11 NS to instantaneous energy spectrum figure of Derong－Zigeng station

4 結(jié)論與建議

1）強震發(fā)生后，及時架設(shè)流動強震臺站獲取震后地震加速度數(shù)據(jù)，對于評定地震烈度的和抗震設(shè)計規(guī)劃都具有重要的現(xiàn)實意義，作者選取了四川得榮縣和云南德欽縣、香格里拉縣交界處發(fā)生的Ms5.9地震不同震中距的臺站（得榮松麥臺、得榮子庚臺）所獲取的地震加速度信號，采用基于聚類經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的HHT方法對其進行時頻特征提取，得到了不同臺站獲取的加速度記錄不同分量的邊際譜、Hilbert譜及瞬時能量譜，研究發(fā)現(xiàn)基于EEMD分解的HHT，有效抑制了以往EMD分解過程中所出現(xiàn)的模態(tài)混疊問題，通過FFT譜與Hilbert邊際譜對比分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)FT譜在高頻段會放大地震動的幅值，而且還發(fā)現(xiàn)斷層錯動類型和發(fā)震構(gòu)造的不同，與加速度記錄的時頻特點及Hilbert瞬時能量譜所反映的信號能量釋放過程之間存在的關(guān)系。

圖12 爐霍地辦臺NS向分量Fig.12 NS direction component of the local station of Luhuo （a）加速度記錄；（b）邊際譜與傅里葉譜；（c）瞬時能量譜

圖13 綿陽安縣臺NS向分量Fig.13 NS direction component of the Anxian station of Mianyang （a）加速度記錄；（b）邊際譜與傅里葉譜；（c）瞬時能量譜

2）地震發(fā)生后，根據(jù)地震現(xiàn)場工作科學考察發(fā)現(xiàn)，本次地震的極震區(qū)為得榮子庚鄉(xiāng)，其地震烈度達Ⅷ度，與國內(nèi)其他類似震級的地震相比，受災(zāi)的面積和震害的特點明顯偏重，而得榮松麥鎮(zhèn)地震烈度為Ⅵ度，這些震害特點與加速度記錄的時頻分布特點存在一定的關(guān)系，即得榮松麥鎮(zhèn)10Hz及以上的地震動分量對工程結(jié)構(gòu)的破壞不大，因此對加速度記錄的時頻分析，可以為地震波傳播特性和抗震設(shè)計等方面的研究奠定基礎(chǔ)。除此之外，震區(qū)震害特點和表現(xiàn)形式還與居民房屋的建筑方式和地形效應(yīng)有關(guān)，由于地震災(zāi)區(qū)居民房屋大多數(shù)坐落在高山坡地，地形對地震作用也對其產(chǎn)生了放大效應(yīng)，加之房屋地基土質(zhì)結(jié)構(gòu)比較松散、地基條件較差，從而造成了距離震中不同距離處得榮子庚鄉(xiāng)和得榮松麥鎮(zhèn)震害程度的差異。

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The earthquake field work team，seismological bureau of Sichuan province.On August 31，2013in Yunnan，Xianggelila、Deqin－Sichuan Derong junction，Ms5.9 earthquake disaster losses assessment report（Sichuan Province）［R］.The earthquake field work team Seismological Bureau of Sichuan Province，2013.（In Chinese）

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Time－frequency analysis of Ms 5.9 earthquake acceleration records in border of Xianggelila between Deqin of Yunnan and Derong of Sichuan

LI Da－h(huán)u1，2，LI Jun3，DENG Yan2，YAN Mei2，AN Dong－ni2，HUANG Cheng－cheng2，TANG Cai－cheng2
（1.Earthquake Administration of Sichuan Province，Chengdu 610041，China；2.Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China；3.Key Laboratory ofGeophysics＆Information Technology ofthe Ministry ofEducation of China，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

On August 31of 2013，an earthquake（Ms5.9）occurred between the Xianggelila and Deqin－sichuan Derong （E99.4°，N28.2°）in the border of Yunnan.The seismogenic structure is along the Deqin－Zhongdian－Daju fault.Three components of earthquake acceleration were recorded by near the source region using two moving strong earthquake observation stations of the Sichuan digital seismic network.To analyze the time－frequency characteristics of the earthquake acceleration record，a clustering method based on the empirical mode decomposition（EEMD）extraction of the HHT of time－frequency characteristics was used in this paper.Got marginal spectrum and fourier spectrum and instantaneous energy spectrum of different stations acceleration records component，quantitative extraction is obtained of the center frequency，Hilbert energy，maximum amplitude corresponding time－frequency characteristics，The study shows that after decomposition of EEMD and spectrum analysis of Hilbert marginal spectrum compared with FFT spectrum.In the low frequency，F(xiàn)FT spectrumthe underestimated amplitude of ground motion.With the increase of frequency，F(xiàn)FT spectrum will magnify the amplitude.And with the increase of epicentral distance，The peak acceleration of ground motion rapidly attenuation，the acceleration record frequency composition is increased.Finally，the differences of dislocation types of different fault and time frequency characteristics of strong earthquake acceleration records and Hilbert instantaneous energy spectrum signal energy reflected the release characteristics of signal energy in Sichuan territory in recent years were analyzed.The results show that，dislocation type of fault had little effect on the marginal spectrum and Fourier spectrum effect relationship，either strike slip fault is dip slip faulting，Hilbert marginal spectrum in the low frequency amplitude were greater than the amplitude of Fourier spectrum，but dislocation type of fault on the energy release process with time influence is remarkable.

EEMD HHT；acceleration records；time－frequency characteristics；Hilbert marginal spectrum；the fault of Deqin－Zhongdian－Daju

P 631.4

：A

10.3969／j.issn.1001－1749.2015.06.08

1001－1749（2015）06－0716－08

2014－06－06改回日期：2014－08－14

中國地震局地震科技星火計劃項目（XH12041Y）；地震行業(yè)科研專項（201008006）

李大虎（1982－），男，博士，主要從事地震層析成像、地震活動斷層探測等工作，E－mail：lixiang2006＠sina.com。