震前蒙城地震臺地脈動噪聲的特征

張明明，曾憲軍，楊 駿，應允翔，陳 俊，汪繼林

（蒙城地震臺，安徽 蒙城 233527）

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震前蒙城地震臺地脈動噪聲的特征

張明明，曾憲軍，楊 駿，應允翔，陳 俊，汪繼林

（蒙城地震臺，安徽 蒙城 233527）

摘要：對本臺數字化地震觀測以來記錄到的典型地震，運用數字地震信號處理方法，測算每個抽選地震震前一分鐘地脈動信號在時間域和頻率域的特征數據，通過頻譜分析法，獲得了震前地脈動噪聲頻譜的差異性。初步研究了典型地震震前地脈動頻譜變化的特征和規律，共歸納了18類震前地脈動噪聲類型，按照無震平靜分鐘值脈動頻譜特征類比典型地震震前分鐘值頻譜的異樣變化，發現正常與異常的地脈動噪聲特征，最主要的還是受震級強度和地理位置的影響較大。臨震前地脈動分鐘值頻譜特征異常，可用于震前脈動前兆異常變化跟蹤，從而利用地脈動頻譜的特征參量監測地震孕育過程，為地震中長期及短臨預報提供依據。

關鍵詞：蒙城地震臺；震前地脈動噪聲；地脈動頻譜分析；地脈動前兆異常

0　引言

地脈動是自然源及人類活動源在時間域和頻率域對大地所激發出的微小振動，但有些微小振動卻與破壞性大地震的孕育發生有關。地震背景噪聲是近年來比較熱門的研究課題之一，且研究方法不斷改進，地球物理研究人員不斷利用噪聲，認識地球介質結構和動力學過程，美國地質調查局把地脈動作為一種有希望的地震預報途徑，地震孕育的過程中，會導致地脈動各種運動學特性與動力學特性（包括頻譜）出現前兆異常變化，地震震前波譜特征量的特殊變化，是震前震源區介質與周邊介質結構發生變異有關的信息[1]。隨著噪聲理論研究的不斷推進，實踐證明，數字地震臺網記錄的地脈動以提供大震前應力場變化的信息，對破壞性地震發生前不同區域的地脈動異常的分析研究，創造了良好的條件，對地震預報方法的拓展也是一種新的嘗試[1]。目前地脈動的觀測和應用研究已愈來愈深入，預期在地震預報，場地構造等有廣泛的應用前景，對地脈動噪聲的研究認識還有大量工作可做，有必要進一步研究建立其在地震預報方面的的理論模式，以更好發揮臺站對地震實時監測的作用。

1　分析思路和方法

蒙城地震臺臺基條件很好，地震觀測靈敏度高，記錄清晰，定位結果準確，對于地震儀器能記錄分辨到10-9米量級的振動、頻帶寬0-360秒、動態范圍可達140dB，這種大動態、高分辨率、高精度的地震震前一分鐘的脈動波形信號，具有一定的穩定性，基本排除了臨時或短時性干擾，相對復雜的干擾因素較小，但不排除熱帶風暴氣候的影響，記錄能準確地反映大地每一個微小變化，為地震監測預報發揮了很大作用[2]。我臺自1998年運轉以來，到現在已積累了許多地震事件波形數據，能為本課題的研究提供了方便。通過收集與整理臺站及周邊的典型地震事件，運用數字信號處理的MATLAB實現，獲得震前分鐘值地脈動信號隨時間變化的頻譜，優勢頻率，卓越周期，用頻率域分析方法觀察識別地震前脈動信號頻域屬性，刻畫出它頻率特征，然后根據頻譜不同特性分析它的來源，是否與地震有關，與震級強度有，與地震的地理位置有關，并對有關特征量進行初步分析[3]。

2　數據處理

2.1單臺數據預處理

采用蒙城地震臺1998年至2014年記錄到的57個典型地震，系寬頻帶地震計bbvs-120，EDAS-24IP采集器，采樣率100。按照事件發生時間的先后順序編號，利用有關地震分析軟件提取出震前幾分鐘地脈動波形信號，本文只采用了垂直向數據。按照脈動信號編號序列，在頻譜數據的輸出端測算獲取震前地脈動分鐘信號頻譜的優勢頻率記錄在案，通過換算獲得相應的卓越周期并記錄在案，見表1。

表1　地脈動信號的優勢頻率與卓越周期參數

3　頻譜資料分析

3.1震前脈動信號的頻譜特征

根據脈動信號頻譜特征的相似度，把形神較一致的歸結在一個特征模型里，共歸納了18類脈動頻譜特征。經總結有如下18種頻譜特征：①減衰型；②半尖脈沖型；③龍舟型；④音頻起伏型；⑤起始突兀多點突跳型；⑥突起漸衰型；⑦孤尖突拖尾絮線型；⑧半正態分布電線桿型；⑨分散突跳型；⑩水噴型；11燈塔海面起伏型；頓號型；直線型；單尖凸粗絮線型；單鼓包型；單尖突型；微毛刺型；矛尖型。

57個事件中，占比例較大的是L直線型12個，占21.1％，起始突兀多點突跳型11個，占19.2％，單尖凸粗絮線型8個，占14.1％，微毛刺型7個，占12.3％，水噴型4個，占7.0％，矛尖型4個，占7.0％，頓號型3個，占5.2％。剩余其它類型8個，占14.1％，單獨來說，雖所占不多但有獨特個性，如龍舟型，半尖脈沖型，孤尖突拖尾絮線型，半正態分布電線桿型，單鼓包型，燈塔海面起伏型，音頻起伏型等如下頻譜特征圖所示。

3.2震前脈動信號的優勢頻率

地震的本質不外乎地球的構造運動促使板塊間的位移，板塊間的運動導致已存在的斷裂錯動或產生新的斷裂，激起巨大能量，引發各種形式，各種波長的彈性波，彈性波向外圍擴散，傳遞，隨傳播路徑的延展，介質不斷地吸收波能，最后彈性波的能量衰減殆盡。但促使這種彈性波成行的并不是一個偶然事件，而是有著一定的“準備”，這個“準備”就可能體現在震前脈動信號里，通過波載頻率的差異性提前顯現。

見圖19，可以看出震前地脈動頻寬在0.1～0.3Hz約占60％，0.3以上約占5％，0.0～0.1約占35％，地脈動信號的頻譜特征具有重現性，地脈動變化具有共性特征，在時間上具有持續性。地震前地脈動信號的高頻成分出現不多，即使有也是短暫性的，非過程均勻持續性的，相反地震前脈動信號呈現較多的低頻成分卻較為常見，究其原因可能是波場介質對地震波有吸收濾波作用和放大共振作用，利用優勢頻率的變化的差異性可以推斷未來震源的發育程度。

3.3震前脈動信號的卓越周期

見圖20，可以看出相當一部分地震前地脈動的卓越周期都比較大，特別是序號32的2011年3月11日日本9.0級大地震，卓越周期達到了1000秒。初步認為這是大震的低頻波前兆異常，大地震發生前，在震源區及其附近會產生許多微小的錯動和裂縫，大量微裂隙串通和位錯的進一步發展，將導致斷裂發生大的錯動。震前這種微裂位錯可以引發頻帶很寬的振動，這種振動，不是一蹴而就的引發孕震震源體整體介質結構的崩潰，往往具有局部性，間歇性，階段性，能量受應力狀態的調整，逐漸積累或釋放，強度也可能表現為漸增性，漸減性的，并且振動可以以波的形式向外傳播，既有高頻、中頻的，也有低頻的。極低頻與極高頻只不過是地球介質運動形式的兩個極端現象，受控于地球介質結構的屬性以及介質所承受的應力狀態[4]。所以利用地脈動的卓越周期可以推斷未來地震震源的發育程度。

4　結論與討論

本文利用57個典型地震震前幾分鐘的脈動資料，對其進行傅里葉頻譜測量，刻畫出每個脈動的頻譜特征，提取出來各個震前分鐘值脈動的優勢頻率和卓越周期，揭示了地脈動信號來源與震級強度和地理位置關系密切，頻譜特征受其控制。

（1）地震震級強度與頻譜特征的關系。通過對震前脈動信號頻譜觀察研究，發現地脈動異常對震級大小更敏感，震級越大脈動信號的頻譜特征表現多趨向于直線型、龍舟型、孤尖突拖尾絮線型，如2011年3月11日日本9.0級地震，2004年12月26日印尼8.9級地震，2008年5月12日汶川8.0級地震，震級小時多趨向于其它類型，這說明大震前地脈動頻譜特征受控于震級強度。大地震發生前，地脈動的高頻部分會被吸收，使得主要能量集中于低頻部分，在孕震空間或附近外圍向外擴散，這時受連累單元體介質微破裂方向可能是比較模糊的，但是隨著孕震震源區微破裂發育，微破裂加速、微裂隙的貫穿連通進一步加速刺激微破裂程度，伴隨產生了破裂速率漸強，頻率漸增的向高頻方向發展的清晰破裂走向彈性波的持續脈動輸入，把這種頻域信息加載到震前地脈動信號里，反饋過來的頻譜特性無疑可以將這種大震前地脈動異常的狀態暴露出來，該特殊頻率波動的物理本質受控于震源和孕震動力學過程，具有臨震預測意義[5]。

（2）地震的地理位置與震前地脈動頻譜特征的關系。日常觀測到地脈動的頻譜，就表現了場地的動力傳遞函數，直接受場源的影響，地震位置與震前脈動信號的頻譜跟發震構造與臺址構造有關，震前地脈動分鐘噪聲背景擺脫不了對震源的依賴，脈動噪聲特征與臺址地表地質構造單元密切相關，同一地震震前地脈動異常在不同地理位置可能有不同的反映，這個雖沒有親自研究過，按照波在非均勻介質中傳播的性質，可以推斷會有所差異，但差異性會不大，因為地球介質各個方向上，空間上并非均勻體，會造成差異，但對觀測點的臺址構造來說，它有大范圍、持續或其它形式的共同輸入信息，地脈動頻譜特征往往會有較高的“形像神像”要素[6]。如海洋地震，201002271434智力海岸近海8.0級地震，本臺西南方向地震，如200705161704老撾6.9級地震，本臺西北方向地震，如201004140749青海玉樹7.3級地震，大陸架淺海地震，如201301051211中國東海5.0級地震等，處理本臺記錄的這些地區的震前分鐘值地脈動信號都具有一致的“形像神像”要素。對本臺震前地脈動觀察研究發現，同一個地理位置或相同的構造單元所孕育地震的震前地脈動頻譜具有一致的形態特征。利用這一現象可以較好地估計某個地區因孕震而引起的地脈動異常。

參考文獻：

[1]莊燦濤，陰朝民，吳忠良．數字地震觀側技術[M]．北京：地震出版社，2003.

[2]林建生，張有明，謝文杰，等．泉州地震臺數字地震儀臺址的地脈動噪聲分析[J]．華南地震，2011．31(1)：18—27.

[3]北京港震機電有限責任公司．數字地震儀參數測定軟件使用手冊[z]．北京：北京港震機電有限責任公司．2005.

[4]鄭現，趙翠萍，周連慶，等．．利用背景噪聲數據提取地震臺站間面波的可靠性分析[J]．地震學報，2013.35(2)：218—228.

[5]王梅德，韓艷杰，郭祥云，等．地脈動在大震前的異常變化研究[J]．地震研究，2014.37(1)：73—78.

[6]李玲俐，王偉濤，朱良寶，等．從背景噪聲提取瑞利面波頻散曲線[J]．地震2014.34(3)：108—115.

MENGCHENG SEISMIC STATION BEFORE THE EARTHQUAKE PULSATING NOISE CHARACTERISTICS

ZHANG Ming-ming，ZENG Xian-jun,YANG Jun，YING Yun-xiang，CHEN Jun，WANG Ji-lin
（Mengcheng Seismic Station，Anhui Mengcheng 233527，China）

Abstract:Since the digital seismic observation records to the typical earthquake,the use of digital seismic signal processing method,measure each lottery earthquake one minute fluctuation signal in time domain and frequency domain feature data,through the spectrum analysis method,before the earthquake of pulsating noise spectrum in one minute difference.Preliminary study on the typical seismic shock of microtremor spectral variation characteristics and rules,and concluded 18 before the earthquake to pulse noise type,calm and no shock minute value fluctuation spectrum characteristics of analog typical earthquake shock minutes ago value spectrum of abnormal changes,found in the normal and abnormal Ground Microtremor noise characteristics according to.The most important is the impact of the magnitude and location of the larger.Before the earthquake,the pulsating minute value spectrum characteristics of abnormal,can be used before earthquakes ripple precursory anomaly change tracking,which use microtremor spectral characteristic parameters of seismic monitoring birth process,earthquake in long-term and short-term and impending prediction provides the basis.

Key words:Mengcheng Seismic Station;noise of pre earthquake;spectrum analysis;ground pulsation precursor anomaly

作者簡介：張明明(1991-)，男，助理工程師，現主要從事臺站測震、電磁觀測方面的工作 。E-mail：670563395@qq.com

收稿日期：2015-09-24

修訂日期：2015-10-25

基金項目：2014年安徽省地震局蒙城地球物理野外觀測研究站基金項目資助

中圖分類號：P315.4

文獻標志碼：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.01.009

文章編號：1674-8565（2016）01-0051-08