楊立明 梅秀蘋 姜佳佳
中國地震局蘭州地震研究所,蘭州市東崗西路450號 730000
前震或廣義前震對于強(qiáng)震的短臨乃至臨震預(yù)測至關(guān)重要,1975年海城7.3級地震就是利用前震序列進(jìn)行成功預(yù)測的典型例子(吳開統(tǒng)等,1976;Kanamori,1981)。近年來的玉樹7.1級、于田7.3級等地震均具有明顯的前震活動,因此判斷1次顯著事件或地震序列是否具有前震屬性是一個十分重要的問題。
對于前震或廣義前震特征的研究,20世紀(jì)70、80年代以來得到了廣泛的關(guān)注,其中從地震波頻譜特征的角度進(jìn)行判斷是主要的研究方向之一,國內(nèi)外許多研究人員已開展了大震前孕震區(qū)地震波頻譜特征的研究。Kanamori(1981)指出,對于震前除了可研究前震、空區(qū)、平靜、震群和面包圈型等地震活動外,也可進(jìn)行諸如波譜、震源機(jī)制和背景地震波形特征等物理參數(shù)的測量。Tsujiura(1977)的研究結(jié)果認(rèn)為前震的應(yīng)力降與主震、余震或正常背景地震的應(yīng)力降有所不同,而不同地區(qū)前震的應(yīng)力降也存在差異。許紹燮等(1981)對海城7.3級地震進(jìn)行了較為詳細(xì)的討論,但未發(fā)現(xiàn)有確認(rèn)前震的肯定判據(jù)。馮德益等(1983、1994)研究認(rèn)為,大震前短周期面波的群速度、相速度及波形、頻譜等可能在震前顯示出一定的前兆異常特性。郭履燦等(1998)通過測定地震的震級譜和頻譜特征識別前震和前震序列。
楊立明等(2006)研究指出,區(qū)域顯著地震事件的發(fā)生是祁連山地震帶5級以上地震孕育進(jìn)入短期階段的時間判據(jù)之一。為了識別這類區(qū)域顯著地震事件,本文作者在大量研究工作的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)進(jìn)入短期階段的顯著地震事件存在頻譜范圍變窄且向低頻端偏移等現(xiàn)象,而孕震早期或其后沒有5級以上地震發(fā)生的中等震級地震的頻譜范圍較寬且沒有向低頻端偏移的現(xiàn)象,從而對正常背景的中等震級地震活動和具有前震或廣義前震性質(zhì)的中等震級地震提出了一種分辨方法。本文基于甘肅、青海和新疆等區(qū)域數(shù)字化測震臺網(wǎng)的地震記錄,利用頻譜偏移法對2011年12月阿爾金斷裂與祁連山地震帶交匯區(qū)發(fā)生的多次中等地震、2010年4月14日玉樹7.1級地震前2h發(fā)生的4.7級地震和2014年2月12日于田7.3級地震前1天發(fā)生的5.3級地震進(jìn)行檢驗(yàn)性判斷,以進(jìn)一步驗(yàn)證和完善該判別方法。
關(guān)于前震及廣義前震的定義和屬性,許多學(xué)者進(jìn)行過討論。梅世蓉等(1993)將前震定義為“前震是指主震前發(fā)生在震源區(qū)內(nèi)與主震有關(guān)的一些地震,震前40天中發(fā)生在距主震100 km內(nèi)的地震被認(rèn)為是有意義的前震,或稱直接前震”,而陸遠(yuǎn)忠等(1985)將廣義前震定義為“廣義前震是發(fā)生在一個地震序列之前較長時間(幾個月、幾年甚至更長)、較遠(yuǎn)距離(距震源數(shù)十千米甚至數(shù)百千米)、與該序列孕育有關(guān)的單個地震(即前兆地震),或地震群(即前兆震群)以及它們的組合”。因此,前震或廣義前震是與未來強(qiáng)震孕育密切相關(guān)的地震事件。
楊立明等(2006)在研究祁連山地震帶地震活動的短期綜合預(yù)測方案時指出:“局部地區(qū)地震活動的增強(qiáng)、大范圍群體前兆的成組同步異常、部分具有較高映震效能的前兆異常或區(qū)域顯著地震事件的發(fā)生”是祁連山地震帶距地震發(fā)生進(jìn)入短期階段的3條時間判據(jù)。其中,區(qū)域顯著地震事件是指5級以上地震前發(fā)生的中等震級地震,其震級大致為MS3.6~4.5,與未來主震震級相差約1~2級;時間上距主震一般為幾天~3.5個月,優(yōu)勢時段為幾天~1個月;與主震震中的空間距離為0~200km。1個典型的震例是2002年12月14日玉門5.9級地震前,同年12月2日酒泉發(fā)生1次4.2級地震,時間相差12天,空間相距127km。根據(jù)梅世蓉等(1993)、陸遠(yuǎn)忠等(1985)的定義,上述區(qū)域的顯著地震事件顯然是一種廣義前震。
眾所周知,對地震波形記錄進(jìn)行頻譜分析是一種常見的分析處理方法。一般來講,快速傅里葉變換(FFT)是一種有效求取并分析觀測序列頻譜特征的方法,且得到了廣泛的應(yīng)用(萬永革,2007;楊立明,2009)。本文利用基于Mapsis軟件的 FFT均方譜處理技術(shù),對區(qū)域臺網(wǎng)記錄到的顯著地震事件波形數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜計算,以頻譜范圍變窄且向低頻端偏移等作為判據(jù)進(jìn)行前震或廣義前震的識別。在實(shí)際資料處理中,發(fā)現(xiàn)利用地震事件NS、EW、UD等向分量的波形記錄進(jìn)行譜分析得到的結(jié)果較為一致。因此,本文僅利用NS向的波形計算結(jié)果來說明要討論的主要問題。同時,需要說明的是,目前我國數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄資料的采樣間隔為0.01s,根據(jù)采樣定律,其Nyquist頻率為50Hz,即能分辨的最大頻率為50Hz。
多年來的甘肅及鄰區(qū)中等震級地震的頻譜計算結(jié)果表明,正常背景性活動的中等震級地震頻譜分布范圍較寬,與前震或廣義前震的頻譜存在顯著差異。下面以近年來阿爾金斷裂與祁連山地震帶交匯地區(qū)的中等震級地震為例做進(jìn)一步的闡述。為了敘述的簡潔,文中統(tǒng)一用A(b)表示A臺站距離震中bkm,如“安西(170)”表示安西地震臺距離地震震中170km。
2011年12月在阿爾金斷裂與祁連山地震帶的交匯區(qū)域發(fā)生了多次顯著性地震事件,僅11~19日在酒泉阿克塞地區(qū)就發(fā)生了6次3.0級以上地震。對其中震級較大的3次地震進(jìn)行了頻譜分析,結(jié)果表明這3次地震的頻譜分布均較寬,沒有向低頻偏移的現(xiàn)象。下面以11日酒泉阿克塞MS4.0地震為例詳細(xì)說明。該地震震中200km范圍內(nèi)布有6個地震臺站,即敦煌(80)、安西(170)、大柴旦(183)、冷湖(111)、石包城(125)、玉門關(guān)(141);為了便于比較,選取超出200km的柳園(208)、花土溝(367)等臺站的資料一并計算。結(jié)果顯示,這8個臺的頻譜較為一致,表現(xiàn)為頻譜分布的優(yōu)勢頻率約為0~5Hz,分布范圍較寬,符合正常背景性地震活動的頻譜特征。圖1為其中部分地震臺站的計算結(jié)果。
圖1 2011年12月11日酒泉阿克塞M S 4.0地震多臺FFT均方譜
玉樹7.1級地震前2h在震源區(qū)發(fā)生了MS4.7地震、于田7.3級地震前1天在震源區(qū)發(fā)生了MS5.3地震。這2次地震都發(fā)生在主震的震源區(qū),屬于真正意義上的前震。
2.2.1 玉樹地震前震頻譜特征及識別
2010年4月14日玉樹7.1級地震發(fā)生在左旋走滑的甘孜-玉樹斷裂歷史地震破裂空段,即玉樹段上(孫鑫喆等,2012),震前2h在主震震源區(qū)內(nèi)發(fā)生的MS4.7地震是一次前震。該地震震中附近臺站稀少,200km范圍內(nèi)僅有青海臺網(wǎng)的曲瑪萊(137)、雜多(124)、玉樹(40)等3個地震臺,500km范圍內(nèi)另有青海臺網(wǎng)的瑪多(250)、大武(364)、斑瑪(385)、興海(400)、都蘭(370)、德令哈(468)、格爾木(380),四川臺網(wǎng)的道孚(493)、甘孜(369)、壤塘(428)、巴塘(426)、理塘(499)等共計12個數(shù)字地震臺。利用這些臺站的波形記錄計算了相應(yīng)的頻譜,其中距離地震震中較近的瑪多臺波形記錄及FFT均方譜如圖2所示。圖2(b)中矩形框內(nèi)為瑪多臺0~4Hz頻譜放大圖,顯示出優(yōu)勢頻段為0~1.5Hz、頻率大于1.5Hz的振幅明顯偏低等特征。除玉樹臺以外的其余13個臺頻譜計算結(jié)果類似于瑪多臺,主要優(yōu)勢頻率均小于1.5Hz,有的甚至更低。與圖1所示的優(yōu)勢頻段0~5Hz相比,表現(xiàn)出明顯的頻帶變窄且向低頻端偏移集中的現(xiàn)象,符合前震或廣義前震的頻譜特征。部分臺站FFT均方譜計算結(jié)果如圖3所示。
圖2 2010年4月14日玉樹4.7級地震瑪多臺波形記錄(a)及其FFT均方譜(b)
圖3 2010年4月14日玉樹4.7級地震多臺FFT均方譜
2.2.2 于田地震前震頻譜特征及識別
2014年2月12日于田7.3級地震前1天在主震震源區(qū)發(fā)生的MS5.3地震是一次前震。該地震震中附近臺站稀少,200km范圍內(nèi)僅有民豐(51)、應(yīng)急B(115)等2個地震臺;500km范圍內(nèi)另有和田(251)、且末(292)、葉城(480)等臺站;為了增加觀測資料,選取超過500km的巴楚(520)、柯坪(640)等2個臺站的資料以便計算比較。利用這些臺站的波形記錄計算了相應(yīng)的頻譜,結(jié)果顯示出類似于玉樹地震前震的頻譜特征,優(yōu)勢頻段為0~1.5Hz(部分小于1Hz),具有明顯的頻帶變窄且向低頻端偏移集中的現(xiàn)象,符合前震或廣義前震的頻譜特征。部分臺站FFT均方譜計算結(jié)果如圖4所示。
圖4 2014年2月12日于田5.4級地震多臺FFT均方譜
2.3.1 較大震級地震頻譜偏移的適用性分析
由前述可知,最初的顯著地震是指震級為MS3.6~4.5的地震事件,而玉樹、于田地震的前震強(qiáng)度均超出了原來的研究范圍。因此,原來的結(jié)論是否仍然適用值得進(jìn)一步探索。為此,以區(qū)域內(nèi)震級相當(dāng)?shù)?012年5月3日金塔5.4級、2013年9月20日門源5.0級地震為例,利用前述方法進(jìn)行計算,這2次地震多臺記錄中的部分臺站頻譜特征如圖5、6所示。其中,圖5中涉及的臺站及震中距參數(shù)依次為河西堡(386)、石崗(484)、肅南(210)、金佛寺(130)、嘉峪關(guān)(94)、青頭山(122)等;圖6中涉及到的臺站及震中距參數(shù)依次為高臺(237)、河西堡(88)、金佛寺(304)、民勤(209)、山丹(121)、肅南(209)等。由圖 5、6 可見,2次地震的多臺FFT均方譜的頻譜分布范圍較寬,優(yōu)勢頻段在0~5.0Hz,且與玉樹4.7級、于田5.3級等前震0~1.5Hz的優(yōu)勢頻段存在明顯差異。因此,這2次地震具有正常背景性地震活動的特征。事實(shí)上,這2次地震后區(qū)域內(nèi)均未發(fā)生更大的地震,這也表明最初依據(jù)MS3.6~4.5地震提煉出的判據(jù)同樣適用于5級左右地震屬性的判定。
圖5 2012年5月3日金塔5.4級地震多臺FFT均方譜
圖6 2013年9月20日門源5.0級地震多臺FFT均方譜
2.3.2 頻譜偏移與震中距的關(guān)系分析
一般來講,隨著震中距的增大,地震波會逐漸衰減,尤其是高頻部分衰減較快。因此,上述結(jié)論中的頻譜特征與空間距離的關(guān)系需要進(jìn)一步研究。
①同一地震不同震中距的頻譜特征分析
圖1~6分別為1次獨(dú)立地震事件在不同震中距臺站的頻譜??梢钥闯?,圖1中冷湖(111)、石包城(125)、玉門關(guān)(141)、花土溝(367)等4個臺站的震中距逐步增大,介于111~367km之間,但頻譜圖較為一致,優(yōu)勢頻段為0~5Hz。圖4中民豐(51)、應(yīng)急B(115)、且末(292)、巴楚(520)、柯坪(640)等臺站的震中距逐步增大,介于51~640km之間,但頻譜圖也較為一致,優(yōu)勢頻段為0~1.5Hz。類似的特征也出現(xiàn)在圖5中,震中距94 km的嘉峪關(guān)臺與震中距484 km的石崗臺具有非常相似的頻譜結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),圖2、3、6等地震事件同樣具有類似的特征。
②不同地震同一震中距的頻譜特征分析
圖1~6的頻譜圖中存在不少震中距相當(dāng)?shù)呐_站,這為分析相同震中距條件下不同地震頻譜的差異性提供了可能。根據(jù)具體臺站的資料,選取130±、380±、480±km的3組震中距分析相應(yīng)的頻譜圖。表1為參與不同震中距波形頻譜比較的臺站參數(shù)。由圖1~6及表1可以看出,在相同震中距的臺站記錄中,普通地震與前震或廣義前震的頻譜結(jié)構(gòu)差異明顯;而不同的普通地震與前震或廣義前震,在相當(dāng)震中距的臺站記錄中其頻譜結(jié)構(gòu)及頻譜寬度均略有差異,但介于0~5.0Hz或0~1.5Hz之間的頻譜結(jié)構(gòu)特征相對穩(wěn)定。
表1 參與不同震中距波形頻譜比較的臺站參數(shù)
綜上所述,同一類地震在不同震中距臺站的記錄中頻譜結(jié)構(gòu)較為一致,頻譜差異較小;但普通地震與前震或廣義前震的頻譜結(jié)構(gòu)存在明顯的差異,且介于0~5.0Hz或0~1.5Hz的頻譜結(jié)構(gòu)特征相對穩(wěn)定。該特征可能意味著震源屬性是決定不同類型地震事件頻譜結(jié)構(gòu)的主要因素。同時還可以看出,在所研究的最大640km半徑范圍內(nèi),震中距的變化引起的頻譜衰減量級相對較小;有關(guān)衰減的細(xì)節(jié)尚需進(jìn)一步深入研究。
前震或廣義前震的頻譜向低頻端偏移的現(xiàn)象可能意味著波形記錄中低頻波發(fā)生了變化。有關(guān)震前低頻波輻射問題的研究引起了許多專家的關(guān)注,已有研究認(rèn)為其根源在于斷層的預(yù)滑或慢破裂(陳運(yùn)泰等,1979;郭增建等,1991)。馮德益等(1984)從地震發(fā)生的破裂和粘滑2種機(jī)制出發(fā),提出了粘滑前的預(yù)滑和破裂前的預(yù)擴(kuò)展(亞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展)可能是震前產(chǎn)生長周期波的2種波動源。而破裂成核理論(Dieterich,1992)中具有前兆意義的推論就是震前會出現(xiàn)低頻波。
近年來的部分實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果也顯示出有意義的結(jié)論。唐林波等(2002)在進(jìn)行破裂過程中的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究時指出,隨著微破裂的集結(jié)和裂紋的擴(kuò)展,輻射波的頻譜會逐漸向低頻移動。他們通過壓力試驗(yàn)給出了花崗巖破裂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其中巖石主破裂時的壓力為115MPa。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),當(dāng)壓力為54 MPa時聲發(fā)射的能量頻譜分布較廣,在壓力加載接近主破裂發(fā)生、達(dá)到111 MPa時發(fā)射的能量主要集中在低頻部分(圖7)。
閆長斌等(2010)的研究指出,巖體爆破損傷特征可造成檢測聲波能量衰減和頻譜特征的變化。在巖體爆破損傷前后進(jìn)行聲波測試實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),多次爆破后測試信號的能量集中區(qū)和最大能量分布百分比對應(yīng)的頻段(頻率)出現(xiàn)向低頻方向偏移的現(xiàn)象;并指出測試信號頻譜特性的變化反映了巖體爆破的損傷程度,即與巖體內(nèi)裂隙擴(kuò)展、成核、貫通并形成主裂紋等有關(guān)。
圖7 不同壓力下的聲發(fā)射頻譜特征對比(據(jù)唐林波等(2003))
因此,就表象來看,前震或廣義前震事件的頻譜偏移特征判據(jù)與上述理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的一致性。強(qiáng)震前中等震級地震頻譜偏移,這可能與強(qiáng)震前震源區(qū)或主震相關(guān)區(qū)域應(yīng)力場增強(qiáng)接近臨界狀態(tài)時破裂的亞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展或區(qū)域介質(zhì)破碎損傷、裂隙擴(kuò)展、成核等過程有關(guān)。
綜合上述分析,可以得出如下結(jié)論:
(1)正常背景性地震活動的中等震級地震頻譜較寬,優(yōu)勢頻段為0~5Hz;而前震或廣義前震性質(zhì)的中等震級地震具有頻帶變窄且向低頻端偏移集中的特征,其優(yōu)勢頻段為0~1.5Hz(或小于1Hz)。該結(jié)論也適用于5級左右地震屬性的判定。這可能與強(qiáng)震前震源區(qū)或主震相關(guān)區(qū)域應(yīng)力場增強(qiáng)接近臨界狀態(tài)時破裂的亞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展或區(qū)域介質(zhì)破碎損傷、裂隙擴(kuò)展、成核等過程有關(guān)。
(2)同一類地震在不同震中距臺站的記錄中頻譜結(jié)構(gòu)較為一致,頻譜差異較小;但普通地震與前震或廣義前震的頻譜結(jié)構(gòu)存在明顯的差異,且介于0~5Hz或0~1.5Hz之間的頻譜結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性。該特征可能意味著震源屬性是決定不同類型地震事件頻譜結(jié)構(gòu)的主要因素。
(3)2010年4月14日青海玉樹7.1級、2014年2月12日新疆于田7.3級等地震前震的計算結(jié)果顯示,其頻譜都發(fā)生了偏移,且與非前震性同等震級地震的頻譜差異明顯,這進(jìn)一步驗(yàn)證了頻譜偏移法的有效性。因而,中等震級地震的頻譜偏移法提供了一種識別、判定前震或廣義前震的方法,該方法可能對區(qū)域地震活動短期乃至臨震預(yù)測具有一定的實(shí)用價值。
盡管經(jīng)過了多年的實(shí)際應(yīng)用,但以上結(jié)論仍有待更多震例、更多區(qū)域預(yù)測實(shí)踐的檢驗(yàn),其頻譜偏移機(jī)理及有關(guān)頻譜隨震中距衰減的細(xì)節(jié)也需要進(jìn)一步的深入研究。
致謝:成文中陸遠(yuǎn)忠、張曉東、李勝樂、鄧志輝等研究員給予了寶貴的指導(dǎo)與建議,鄭秀芬、李曉峰、馮建綱、陳繼鋒等給予了大量幫助,中國地震局地球物理研究所國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供了波形數(shù)據(jù),在此一并表示感謝。