朱 杰

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

0 引言

地脈動(dòng)是在風(fēng)、海浪等自然現(xiàn)象與固體地球表面耦合引發(fā)的自然源和交通、爆破等人工源共同作用下產(chǎn)生的一種穩(wěn)定的非重復(fù)性隨機(jī)波動(dòng)(朱傳鎮(zhèn)等，1997)，其振動(dòng)幅值一般為幾微米到幾十微米(許建聰，2003)。地脈動(dòng)信號(hào)主要由瑞利波構(gòu)成，其能量分布集中于3個(gè)頻率范圍：0.03～0.1 Hz的第一類地脈動(dòng)(單頻信號(hào)，SF)，0.1～0.15 Hz的長(zhǎng)周期第二類地脈動(dòng)(長(zhǎng)周期倍頻信號(hào)，LPDF)以及0.17～0.25 Hz的短周期第二類地脈動(dòng)(短周期倍頻信號(hào)，SPDF)(Lee，1935)。

寬頻帶地震儀除了可記錄地震事件外，還能時(shí)刻記錄無(wú)地震時(shí)的地脈動(dòng)信號(hào)。高廣運(yùn)等(2000)、簡(jiǎn)文彬等(2002)、許建聰和簡(jiǎn)文彬(2003)、許建聰?shù)?2004)、黃蕾等(2009)、李平等(2013)以及林國(guó)良等(2019)利用地脈動(dòng)測(cè)定場(chǎng)地卓越周期，進(jìn)而把地脈動(dòng)信號(hào)分析應(yīng)用于震害分析、場(chǎng)地評(píng)價(jià)、場(chǎng)地類別劃分等。另一部分學(xué)者則主要研究了大震前地脈動(dòng)低頻異常變化的特性，胡小剛和郝曉光(2008)、楊立明等(2009)、董蕾和楊立明(2012)研究發(fā)現(xiàn)汶川地震前，四川數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)多個(gè)臺(tái)站寬頻帶地震儀記錄到的地脈動(dòng)低頻0.1～0.3 Hz段出現(xiàn)傅里葉譜幅值異常增大，并認(rèn)為可能是低頻波前兆異常；王梅德等(2014)研究了不同時(shí)空范圍內(nèi)3次MS7.0以上地震，也發(fā)現(xiàn)類似低頻異?，F(xiàn)象。

大洋上臺(tái)風(fēng)的擾動(dòng)也會(huì)對(duì)地脈動(dòng)低頻段產(chǎn)生影響，夏英杰等(2011)運(yùn)用單臺(tái)法研究汶川地震前地脈動(dòng)能量來(lái)源方位，認(rèn)為其低頻異常是由同時(shí)段太平洋上威馬遜臺(tái)風(fēng)引起的；陳易平等(2017)和程威等(2018)研究了2001年昆侖山大地震，也認(rèn)為其震前低頻異?？赡軄?lái)源于臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)；胡小剛和郝曉光(2009)通過分析地脈動(dòng)振幅變化與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和路徑的關(guān)系，認(rèn)為汶川地震和昆侖山地震震前擾動(dòng)可能與臺(tái)風(fēng)事件有關(guān)。為了進(jìn)一步區(qū)分大震前地脈動(dòng)低頻異常的起因，尹亮等(2014，2016)研究了臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)和低頻波前兆信息的頻帶區(qū)別，認(rèn)為低頻波前兆異常的可能頻帶范圍是0.1～0.14 Hz，而強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)地脈動(dòng)的擾動(dòng)頻率范圍是0.15～0.3 Hz；王梅德等(2015)分析了河南及鄰區(qū)寬頻帶地震儀記錄的大震前地脈動(dòng)信號(hào)，也得出了類似的結(jié)果。

通過前人的研究可以知道，中強(qiáng)地震發(fā)生前地脈動(dòng)低頻段會(huì)出現(xiàn)一定的異常現(xiàn)象，而引起這一異常變化的因素較為復(fù)雜。本文利用云南數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)昭通、巧家、鹽津和東川臺(tái)的寬頻帶數(shù)字記錄，對(duì)2014年8月3日云南魯?shù)榈卣鹎?0天左右的地脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，研究其在震前低頻段是否存在異常，并進(jìn)一步研究其能量來(lái)源。

1 寬頻帶數(shù)字資料分析處理

本文選取昭通臺(tái)、巧家臺(tái)、鹽津臺(tái)和東川臺(tái)這4個(gè)距離魯?shù)榈卣鹫鹬凶罱呐_(tái)站的寬頻帶數(shù)字資料進(jìn)行研究，各臺(tái)相對(duì)震中位置如圖1所示。其中，各臺(tái)采用的地震儀如下：昭通臺(tái)為CTS-1型，周期為120 s；巧家臺(tái)為BBVS-60型，周期為60 s；鹽津臺(tái)為KS-2000M-60型，周期為60 s；東川臺(tái)為KS-2000M-120型，周期為120 s。各臺(tái)儀器的采樣率均為100 SPS，奈奎斯特頻率為50 Hz。分別選取2014年7月25日0時(shí)至8月4日23時(shí)4個(gè)臺(tái)站的寬頻帶數(shù)字記錄，以小時(shí)為時(shí)間間隔，去均值、扣除儀器響應(yīng)。由于地脈動(dòng)頻率較低，實(shí)際觀測(cè)資料中含有大量的高頻干擾，所以需要對(duì)資料進(jìn)行濾波降噪處理，本文采用小波分析濾除各臺(tái)記錄資料中的高頻成分，保留并加強(qiáng)低頻部分。采用Daubechies小波函數(shù)族中的DB4小波，分解重構(gòu)層數(shù)為8層，每一層均強(qiáng)制剔除高頻部分，最后用每一層的低頻部分重構(gòu)得到處理后的地脈動(dòng)信號(hào)，取2014年7月27日14時(shí)的鹽津臺(tái)垂直向數(shù)據(jù)為例分析，如圖2所示。

圖1 2014年魯?shù)镸S6.5地震震中及臺(tái)站位置圖Fig.1 The map of the location of epicenter of Ludian MS6.5 earthquake in 2014 and stations

圖2 原始信號(hào)與小波濾波后信號(hào)對(duì)比Fig.2 Comparison of the original signal with the signal after wavelet filtering

由圖2可見，小波濾波后高頻部分基本濾除，而信號(hào)的低頻部分得以加強(qiáng)，細(xì)節(jié)處更明顯，為后續(xù)分析提供了較可靠、清晰的數(shù)據(jù)資料。

1.2 寬頻帶數(shù)字資料分析

2014年8月3日16時(shí)30分云南魯?shù)榘l(fā)生MS6.5地震，取2014年7月29日0時(shí)至8月2日23時(shí)震中附近昭通、巧家、鹽津和東川4個(gè)臺(tái)站的垂直向數(shù)據(jù)做能量譜密度時(shí)頻圖分析，如圖3所示。

由圖3可見，除鹽津臺(tái)在0.05～0.1 Hz段有明顯的低頻干擾外，其余3個(gè)臺(tái)站的優(yōu)勢(shì)能量頻率清晰可見，其頻率段主要為0.1～0.25 Hz；7月29日0時(shí)至7月30日14時(shí)，0.1～0.15 Hz段和0.15～0.25 Hz段有分界帶，這與Lee(1935)研究結(jié)論相符合，從圖中可以看出長(zhǎng)周期第二類地脈動(dòng)以及短周期第二類地脈動(dòng)。從7月30日2～10時(shí)開始，各臺(tái)0.1～0.25 Hz頻率段能量持續(xù)增大，至7月31日21時(shí)發(fā)生安達(dá)曼群島6.0級(jí)地震，但能量不受影響一直持續(xù)增大，出現(xiàn)低頻異常。為了進(jìn)一步研究該異常特征，筆者選取2014年7月25日0時(shí)至8月4日23時(shí)各臺(tái)的垂直向數(shù)據(jù)，去除地震干擾，以小時(shí)為區(qū)間做快速傅里葉變換，并選取低頻波前兆異常的可能頻帶0.1～0.14 Hz(尹亮等，2014，2016)段數(shù)據(jù)，取每段數(shù)據(jù)包絡(luò)線最大值做時(shí)序圖(圖4)。

圖3 各地震臺(tái)數(shù)據(jù)能量譜密度時(shí)頻圖Fig.3 Time-Frequency diagram of energy spectrum density for each station

圖4 各地震臺(tái)振幅最大值時(shí)序圖Fig.4 Time series diagram of maximum amplitude for each station

由圖4可知，在魯?shù)榈卣鸢l(fā)生前，低頻地脈動(dòng)異?？煞譃?個(gè)階段：第一階段從震前4.5天(112 h)左右開始，地脈動(dòng)0.1～0.14 Hz段幅值開始持續(xù)增大，一直持續(xù)到震前約1.5天(37 h)，各臺(tái)振幅由平靜時(shí)的4～7 count，最大增大到15～27 count；第二階段從振幅最大值、約震前1.5天開始，0.1～0.14 Hz段幅值急劇下降，下降到某一低值附近發(fā)生地震。4個(gè)臺(tái)站低頻地脈動(dòng)異常變化具有一致性，其中，昭通、巧家、鹽津臺(tái)變化趨勢(shì)較為集中，東川臺(tái)變化趨勢(shì)相對(duì)離散。由于震后有較多余震，地脈動(dòng)幅值快速回升，并一直維持在相對(duì)較高的水平。后續(xù)分析顯示震后一周內(nèi)，地脈動(dòng)噪聲水平才逐漸恢復(fù)到先前平靜時(shí)水平。各臺(tái)地脈動(dòng)低頻異常變化具體如表1所示。

表1 各臺(tái)地脈動(dòng)低頻異常變化Tab.1 Low-frequency anomalous variation of microtremors for each station

由表1可看出，第一階段震中距較近的昭通、巧家臺(tái)地脈動(dòng)低頻異常開始時(shí)刻早于震中距較遠(yuǎn)的鹽津、東川臺(tái)，同時(shí)持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，震中距最遠(yuǎn)的東川臺(tái)開始時(shí)刻最晚，持續(xù)時(shí)間也最短；第二階段震中距較遠(yuǎn)的東川臺(tái)地脈動(dòng)低頻異常開始時(shí)刻最早，各臺(tái)持續(xù)時(shí)間大體相差無(wú)幾，遠(yuǎn)臺(tái)持續(xù)時(shí)間相對(duì)稍長(zhǎng)。第一階段昭通、巧家臺(tái)地脈動(dòng)異常增幅大體一致，鹽津臺(tái)受0.05～0.1 Hz段干擾影響，增幅最大，震中距最遠(yuǎn)的東川臺(tái)增幅最小；第二階段震中距最遠(yuǎn)的東川臺(tái)地脈動(dòng)異常降幅最小，其余各臺(tái)降幅大體相當(dāng)，其中震中距最近的巧家臺(tái)，降幅稍小于昭通和鹽津臺(tái)。綜上分析可以發(fā)現(xiàn)，震前地脈動(dòng)低頻異?？赡苁怯梢粋€(gè)從震中附近位置向四周擴(kuò)散的能量引起，震中距越近，地脈動(dòng)低頻異常變化受該能量控制越強(qiáng)。

2 低頻異常變化能量來(lái)源分析

云南地區(qū)的地脈動(dòng)噪聲源可能同時(shí)受到印度洋和北太平洋的影響(王偉濤等，2011)，2014年7月30日至8月11日，太平洋上主要生成了強(qiáng)熱帶風(fēng)暴娜基莉(Nakri)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)夏浪(Halong)，這2個(gè)臺(tái)風(fēng)雖然未登陸中國(guó)大陸，且距離云南地區(qū)2 780～3 100 km，但是強(qiáng)臺(tái)風(fēng)通過駐波理論仍然可以影響中國(guó)內(nèi)陸深處的地脈動(dòng)變化(胡小剛，郝曉光，2009)，所以需要對(duì)魯?shù)榈卣鹎暗牡孛}動(dòng)低頻異常能量源做分析，分析其是來(lái)源于臺(tái)風(fēng)還是震源區(qū)。

2.1 相關(guān)系數(shù)分析

通過前文對(duì)魯?shù)榈卣鹎暗孛}動(dòng)低頻異常的分析發(fā)現(xiàn)，異常變化可能是受到來(lái)自震中位置附近能量的控制，接下來(lái)筆者通過相關(guān)系數(shù)法分析其能量來(lái)源。取7月30日0時(shí)至8月3日15時(shí)震中距為655.4 km的孟連臺(tái)的地脈動(dòng)資料，與昭通、巧家、鹽津和東川臺(tái)同時(shí)段資料做互相關(guān)，如果這一時(shí)段云南地區(qū)的地脈動(dòng)異常變化能量是來(lái)源于臺(tái)風(fēng)，那么由于臺(tái)風(fēng)中心距云南地區(qū)較遠(yuǎn)，幾個(gè)臺(tái)站可以看做在一點(diǎn)位置，則各臺(tái)間的相關(guān)系數(shù)應(yīng)該在一個(gè)量級(jí)；如果這一時(shí)段地脈動(dòng)異常變化能量是來(lái)源于震源區(qū)，那么震中附近的幾個(gè)臺(tái)站兩兩相關(guān)系數(shù)應(yīng)該高于各臺(tái)與孟連臺(tái)的相關(guān)系數(shù)。具體分析見表2。

表2 各臺(tái)地脈動(dòng)異常變化相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of microtremors for each station

由表2可以看出，昭通、巧家、鹽津和東川臺(tái)兩兩相關(guān)系數(shù)量級(jí)為10-2～10-1，其中震中距最近的昭通和巧家臺(tái)異常波形相關(guān)系數(shù)最高，為0.139 796，其余各臺(tái)兩兩相關(guān)系數(shù)量級(jí)在10-2，而震中附近4個(gè)臺(tái)站與震中距較遠(yuǎn)的孟連臺(tái)兩兩相關(guān)系數(shù)量級(jí)為10-3～10-5，并且昭通和巧家臺(tái)與孟連臺(tái)的相關(guān)系數(shù)最低，分別為10-4和10-5。因此，各臺(tái)異常變化的能量源應(yīng)該是在近場(chǎng)區(qū)，位于昭通、巧家、鹽津和東川臺(tái)附近，并且距離昭通和巧家臺(tái)最近。

2.2 單臺(tái)法分析

目前確定地脈動(dòng)信號(hào)源的方法有：聚束技術(shù)(Beamforming method)、振幅法、單臺(tái)法(Polarization method)等。對(duì)于臺(tái)站較少、分布稀疏的情況，單臺(tái)法具有很好的適用性。單臺(tái)法的原理是通過對(duì)單個(gè)臺(tái)站2個(gè)正交的水平分量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，尋找振幅最大的方向，從而確定信號(hào)的能量來(lái)源方向。由于地脈動(dòng)信號(hào)主要是由瑞利波組成，水平分量的能量最強(qiáng)，這就保證了單臺(tái)法的實(shí)用性。

地脈動(dòng)出現(xiàn)峰值時(shí)的信號(hào)長(zhǎng)度為T0-T1，由快速傅里葉變換FFT得到NS向和EW向振幅序列，然后分別在f1～f2頻率范圍求和，得到振幅和值：

(1)

式中：N和E分別為NS和EW向振幅序列和值；un為NS向信號(hào)；ue為EW向信號(hào)；ei2πft為FFT的一個(gè)基本信號(hào)，f是頻率，t是時(shí)間，其中2πf=ω，w為角頻率。

設(shè)震源的方位角為φ，則N和E沿該方位角方向的矢量和為：

I=|Ncosφ+Esinφ|2

(2)

當(dāng)I取最大值時(shí)的φ所對(duì)應(yīng)的角度即為地脈動(dòng)源相對(duì)于臺(tái)站的方位角。

依據(jù)上述原理，可以分別估算出地脈動(dòng)低頻異常變化的源區(qū)相對(duì)于各臺(tái)站的方位角。因?yàn)槿鹄ㄖ饕卮髨A路徑傳播，所以不同臺(tái)站確定出最大擾動(dòng)能量來(lái)源方位沿著大圓路徑的交匯處便是其源區(qū)(程威等，2018)。取各臺(tái)2014年7月29日0時(shí)至8月2日23時(shí)出現(xiàn)低頻異常變化時(shí)間段的數(shù)據(jù)，分別以小時(shí)為間隔，求出0.1～0.14 Hz各臺(tái)低頻異常能量來(lái)源，如圖5所示。

圖5 各臺(tái)低頻異常能量方位(°)Fig.5 Low-frequency anomalous energy azimuth for each station(°)

由圖5可以看出，昭通臺(tái)、巧家臺(tái)最大擾動(dòng)能量來(lái)源方位相對(duì)清晰集中，指向性強(qiáng)，易于直觀辨認(rèn)；鹽津臺(tái)、東川臺(tái)最大擾動(dòng)能量來(lái)源方位較為分散，最大擾動(dòng)幅值與一般干擾幅值相差不大。各臺(tái)低頻異常能量來(lái)源情況如下：昭通臺(tái)主要在方位角171°～175°，位于臺(tái)站西偏南71°；巧家臺(tái)主要在方位角298°～302°，位于臺(tái)站東偏北30°；鹽津臺(tái)主要在方位角136°～150°、196°～210°，位于臺(tái)站西偏南46°、東偏南60°；東川臺(tái)主要在方位角256°～260°、346°～350°，位于臺(tái)站東偏南10°、東偏北80°。

由以上分析可以看出，昭通臺(tái)西偏南71°、巧家臺(tái)東偏北30°、鹽津臺(tái)西偏南46°、東川臺(tái)東偏北80°，大致相交于魯?shù)榈卣鹫鹪磪^(qū)；而鹽津臺(tái)東偏南60°、東川臺(tái)東偏南10°大致相交于南太平洋某區(qū)域，可能與同時(shí)間段的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)夏浪(Halong)有關(guān)。從以上分析可看出，震中距較近的臺(tái)站能量來(lái)源較為清晰，指向性較單一，震中距較遠(yuǎn)的臺(tái)站能量來(lái)源較復(fù)雜，指向較為分散。

2.3 單臺(tái)法可靠性分析

單臺(tái)法假定地脈動(dòng)信號(hào)主要是瑞利面波，當(dāng)來(lái)自某個(gè)方向的地脈動(dòng)信號(hào)比背景信號(hào)強(qiáng)很多時(shí)，可以觀測(cè)到瑞利面波獨(dú)有的豎向和徑向90°相位差。因此通過分析地脈動(dòng)信號(hào)的豎向和徑向相位差，可以評(píng)估單臺(tái)法定位結(jié)果的可靠性。

選取源的方位角φ為173°，取2014年8月1日昭通臺(tái)地脈動(dòng)低頻異常時(shí)間段的數(shù)據(jù)計(jì)算豎向和徑向的相位差φH-φZ(yǔ)。圖6為0.1～0.14 Hz段統(tǒng)計(jì)結(jié)果，昭通臺(tái)的相位差主要集中在260°～270°，信號(hào)存在明顯的瑞利波面波特征，說明單臺(tái)法定位結(jié)果具有可靠性。

圖6 昭通臺(tái)地脈動(dòng)豎向與徑向相位差統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistical analysis of vertical and horizontal phase differences of microtremors for the Zhaotong station

3 結(jié)論

本文利用2014年8月3日魯?shù)镸S6.5地震前10天云南數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)昭通、巧家、鹽津和東川臺(tái)的寬頻帶數(shù)字資料，采用相關(guān)系數(shù)法、單臺(tái)法等，研究了震前區(qū)域地脈動(dòng)低頻異?，F(xiàn)象及其能量來(lái)源，得到以下結(jié)論：

(1)魯?shù)榈卣鹎埃鹬懈浇淹ㄅ_(tái)、巧家臺(tái)、鹽津臺(tái)和東川臺(tái)出現(xiàn)低頻地脈動(dòng)前兆異常，4個(gè)臺(tái)站低頻異常具有一致性。

(2)各臺(tái)異常主要分為2個(gè)階段：第一階段為震前112 h左右，0.1～0.14 Hz頻段包絡(luò)線最大值逐漸升高，第二階段為震前37 h左右，包絡(luò)線最大值急劇下降，下降至某一低值時(shí)發(fā)生地震，之后又快速回升。

(3)各臺(tái)低頻異常第一階段持續(xù)時(shí)間在58～81 h，第二階段持續(xù)時(shí)間在30～37 h，第一階段最大幅值約為平靜時(shí)4.2倍。

(4)震中附近各臺(tái)地脈動(dòng)異常變化相關(guān)系數(shù)量級(jí)大于同時(shí)段遠(yuǎn)臺(tái)波形相關(guān)系數(shù)，同時(shí)單臺(tái)法顯示各臺(tái)地脈動(dòng)異常變化能量來(lái)源相交于震源位置附近，所以可以認(rèn)為該震前地脈動(dòng)低頻異常為震源區(qū)引起，排除臺(tái)風(fēng)干擾。

(5)該異常變化能量或與震中距有關(guān)，震中距較近的臺(tái)站受該能量控制較強(qiáng)，異常變化第一階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，能量來(lái)源指向性強(qiáng)，且總體呈現(xiàn)為由震源區(qū)向四周擴(kuò)散的趨勢(shì)。