荊 濤，孫 藝，方禹心，顧強強，安峻峰

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

0 引言

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

沈陽地震基準(zhǔn)臺作為國家基準(zhǔn)臺之一，配備了JCZ-1T 超寬頻帶地震計，儀器頻帶為50Hz～DC，該地震計分別有兩個通道輸出：50Hz～360s 速度平坦輸出及360s～DC 的加速度平坦輸出，觀測頻帶覆蓋了短周期地震波至長周期固體潮。全國僅有16 個基準(zhǔn)臺運行此設(shè)備。該儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定，周圍觀測環(huán)境無明顯干擾，數(shù)據(jù)質(zhì)量連續(xù)可靠。

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

1 資料選取

為了更全面、更系統(tǒng)地對地震前地脈動變化進行研究分析，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變化特征，資料選取范圍涵蓋了震后一周的觀測資料，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31 天，采用沈陽地震臺JCZ-1T 超寬頻帶00通道速度輸出數(shù)字觀測資料。

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頻域分析影響很大，通過對地震波進行頻譜分析后發(fā)現(xiàn)，地震的體波會擾亂高頻波段分析，地震的面波會干擾低頻分析，研究數(shù)據(jù)中一旦混入地震干擾不僅會影響頻域分析的曲線形態(tài)，還對后續(xù)計算結(jié)果造成很大偏差，會導(dǎo)致研究結(jié)果不準(zhǔn)確，所以去除干擾顯得尤為必要。在分析研究過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天的小時數(shù)據(jù)文件（1 小時）與全天數(shù)據(jù)文件（24 小時）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。不過這是正常現(xiàn)象，因為振幅值的大小會與觀測數(shù)據(jù)量成正比關(guān)系。所以小時數(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數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)，利用小時數(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，使最終計算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

2 數(shù)據(jù)處理

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

首先對研究數(shù)據(jù)進行全頻率掃描分析（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)勢頻率在此范圍內(nèi)。

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

以小時數(shù)據(jù)代替全天數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換（FFT），可以得出最優(yōu)頻率及振幅值（圖2），對最優(yōu)頻率值進行標(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 沈陽地震臺超寬頻帶測震數(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 地震前地脈動頻域分析

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

在燈塔M5.1 地震前，在這兩個頻段范圍內(nèi)的地脈動信息均出現(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 頻段地脈動異常分析

首先對研究數(shù)據(jù)進行1.4～1.6 Hz 頻率段的頻域分析，掃描天數(shù)為31 天，計算后得出31個最優(yōu)頻率及31 個最優(yōu)頻率振幅，共計62 個數(shù)據(jù)。通過振幅頻域曲線（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。值得注意的是當(dāng)月16 日后開始明顯趨勢下降，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 沈陽地震臺超寬頻帶地震前地脈動振幅頻域曲線（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）

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

圖4 沈陽地震臺超寬頻帶地震前地脈動頻率變化曲線（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 頻段地脈動異常分析

對研究數(shù)據(jù)進行2～3 Hz 頻率段的頻域分析，掃描天數(shù)為31 天，依然得出62 個數(shù)據(jù)。通過查看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。不過從17 日也同樣開始出現(xiàn)振幅值明顯趨勢下降，振幅值水平下降至3count 左右，最低值達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 沈陽地震臺燈塔地震前地脈動振幅變化曲線（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 日頻率變化相對較小，說明燈塔M5.1 地震地脈動的頻率變化不大，較為穩(wěn)定。不過值得注意的是，在2013 年01 月17 日（燈塔M5.1 地震前6 天） 開始出現(xiàn)地脈動優(yōu)勢頻率降低的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為優(yōu)勢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)天地脈動優(yōu)勢頻率都處于相對低頻區(qū)間，震后第二天（24 日）顯示出地脈動優(yōu)勢頻率開始向高值回升的態(tài)勢，出現(xiàn)了由低頻向高頻恢復(fù)的現(xiàn)象。

本文對以上兩組不同頻率段進行頻域分析，通過對振幅和頻率兩種參數(shù)研究分析后發(fā)現(xiàn)，燈塔M5.1 地震前沈陽地震臺超寬頻帶地脈動記錄確實出現(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 沈陽地震臺燈塔地震前地脈動頻率變化曲線（2～3 Hz）Fig.6 Curve of pulsation frequency before the Dengta earthquake in Shenyang Seismic Station（2～3 Hz）

4 結(jié)論

本文利用沈陽地震臺超寬頻帶地脈動資料對燈塔M5.1 地震進行回溯性研究分析，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)明顯異常現(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2～3 Hz 頻段分析研究后發(fā)現(xiàn)，燈塔M5.1 震前地脈動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)勢頻率變化均由高值趨勢性下降至低值，同樣也是在相對低值時段內(nèi)發(fā)震，異常時間只是比上一個研究頻段推遲了1 天，震后振幅值低值現(xiàn)象持續(xù)，而優(yōu)勢頻率變化出現(xiàn)低值向高值恢復(fù)的趨勢。

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

5 討論與建議

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

本文結(jié)論只是由沈陽地震臺超寬頻帶測震資料研究分析后得出，考慮到省內(nèi)其它臺站多數(shù)采用短周期或?qū)掝l帶地震計，觀測儀器的記錄周期、觀測頻帶不同，所記錄的數(shù)據(jù)會有差異，所以并不具備對比性，最終未對省內(nèi)其它臺站地震觀測數(shù)據(jù)進行對比分析。