2020 年河北唐山M5.1 地震震前地脈動異常特征初探＊

王嘉琦 楊東輝 常玉柱 郭亞亞

（河北省地震局承德中心站，河北承德 067000）

地脈動是在風、海浪等自然現象與固體地球表面耦合引發的自然源和交通、爆破等人工源共同作用下產生的一種穩定的非重復性隨機波動[1]，其振動幅值一般為幾微米到幾十微米[2]。地脈動信號主要集中在3 個頻率范圍內，分別是0.03—0.1 Hz 稱為第1 類地脈動，0.1—0.15 Hz 稱為長周期第2 類地脈動，0.17—0.25 Hz 稱為短周期第2 類地脈動[3]。寬頻帶地震計、甚寬頻帶地震計以及超寬頻帶地震計均能較為清晰地記錄地脈動信號[4]。部分學者研究了地震前地脈動頻域上異常變化的特性。荊濤等[5]對燈塔M5.1 地震前超寬頻帶地震計數字記錄地脈動變化進行頻域分析，確定了1.4—1.6 Hz 和2—3 Hz 頻段在燈塔M5.1 地震前1 周沈陽地震臺有地脈動異常變化；朱杰[6]利用魯甸MS6.5 地震的寬頻帶數字資料研究震前地脈動的異常變化特征，發現地震前周邊臺站地脈動異常變化具有一致性；梁沙沙等[7]對阿拉善左旗M5.8 地震連續數字地震資料進行包絡分析，發現地震前周邊臺站在0—0.25 Hz 出現頻譜向低頻偏移的現象；王梅德等[8]對河南及鄰區寬頻帶地震資料地震前地脈動時域、頻域、幅值進行分析，發現地震前2.4—3.6 天地脈動出現低頻異常。通過前人的研究發現，地震從孕育到發生過程中需要一定的時間積累以及能量積累，會反映在地脈動異常變化中，能被地震計捕捉記錄到，從而通過頻率分析能發現中強地震發生前地脈動信號在低頻段會出現一定的異常現象。

本文利用河北數字測震臺網承德、淶源、灤縣、京唐港和遷西的數據資料，對2020 年7 月12 日河北唐山M5.1 地震前后72 小時的地脈動信號進行分析，研究其在震前低頻段的優勢頻率及其幅值和功率譜密度是否存在一致性異常，從而得出唐山M5.1地震前地脈動異常變化特征。

1 資料選取及數據預處理

為了全面系統地對地震前地脈動變化進行研究分析，特以河北唐山M5.1 地震（2020 年7 月12 日）前后72 小時（2020 年7 月11—13 日）原始數據為研究對象，選取承德、京唐港、淶源、灤縣和遷西這5 個距離唐山地震震中較近的臺站的寬頻帶數字資料進行研究。圖1 為各臺相對震中位置。表1 為各臺基本信息。分別選取2020 年7 月11 日0 時—7 月13 日24 時5 個臺站的寬頻帶數字記錄的垂直向數據，以小時為時間間隔，去均值，扣除儀器響應。由于地脈動頻率較低，實際觀測資料中含有大量的高頻干擾，所以需要對資料進行濾波降噪處理，本文采用小波分解濾除各臺記錄資料中的高頻成分，保留并加強其低頻部分。采用Daubechies小波函數族中的DB4 小波，分解重構層數為8 層，小波分解之后，對每一細節分別進行功率譜計算分析[9]。以信號強度大小確定數據頻率范圍。以2020年7 月11 日1 時灤縣臺地脈動資料為例，通過小波分解，對分出的8 階地脈動信號分別計算功率譜（圖2）。通過功率譜值大小（最大值為1.93×107dB/Hz)，確定地脈動信號強度最大的頻率范圍為0.01—0.15 Hz，將所選數據進行快速傅里葉變換（FFT），使其由時間域轉為頻率域，并對其進行功率譜計算分析（圖3）。高頻部分基本濾除，而信號的低頻部分得以加強，細節處更明顯，為后續分析提供了較可靠、清晰的數據資料。

圖1 2020 年唐山M5.1 地震震中及臺站位置分布圖Fig.1 The distribution map of the epicenter and stations of the Tangshan M5.1 earthquake 2020

圖2 灤縣臺小波分解各細節功率譜Fig.2 Power spectrum of each detail of wavelet decomposition at Luanxian station

圖3 灤縣臺實測與通過小波分解方法濾波后時間域信號、頻率域信號和功率譜密度對比Fig.3 Comparison of time domain signals，frequency domain signals and power spectral densities of measured and after filtering by the wavelet decomposition method data of the Luanxian station

表1 各臺站基本信息表Table 1 Basic information of each station

2 唐山M5.1 地震前地脈動分析

利用上述方法，對5 個臺站每小時數據進行預處理，將預處理數據進行快速傅里葉變換（FFT），使其由時間域轉為頻率域，分別計算出優勢頻率及其對應振幅值，最終繪制地震前后振幅變化曲線（圖4）和優勢頻率變化曲線（圖5），對預處理數據進行功率譜密度計算（PSD），將優勢頻率所對應的功率譜密度值繪制成變化曲線（圖6）。

2.1 震前地脈動振幅異常分析

首先對承德臺、京唐港臺、淶源臺、灤縣臺和遷西臺5 個測震臺7 月11—13 日的垂直向地震數據進行上述預處理，將預處理數據按小時分段進行傅里葉變換，在每小時計算結果中選取0.01—0.1 Hz 頻率范圍內幅值最高值作為該段數據的代表幅值，繪出地震前后地脈動振幅變化曲線（圖4）。為了更好地顯示異常情況，防止地震信號被干擾，也剔除了震發時刻所在小時的數據，并對所得結果進行二次擬合。由圖4 可見，承德臺、京唐港臺、淶源臺和遷西臺4 臺震前26 小時振幅呈趨勢上升，隨后逐漸下降，且幅值均由100 count 上升至峰值400 count 左右；灤縣臺表現為地震前幅值劇烈震蕩，在震前14 小時趨于平穩，整體水平維持在500 count 左右，推測灤縣臺與其他臺站趨勢不同的原因為灤縣臺距離震中最近。

圖4 各臺站地震前后地脈動振幅曲線Fig.4 The amplitude of the microtremor before and after the earthquake at each station

2.2 震前地脈動頻率異常分析

對上述5 個測震臺7 月11—13 日的垂直向地震數據進行上述預處理，將預處理數據按小時分段進行傅里葉變換，在每小時計算結果中選取0.01—0.1 Hz頻率范圍內幅值最高值所對應的頻率作為該段數據的優勢頻率，繪出地震前后地脈動頻域優勢頻率隨時間的變化曲線（圖5）。為了更好地顯示異常情況，防止地震信號被干擾，也剔除了震發時刻所在小時的數據。由圖5 可見，淶源臺在震前優勢頻率在0.05—0.1 Hz 間波動，在震后趨于平穩；灤縣臺在震前30小時優勢頻率由0.02 Hz 突然下降到0.014 Hz 左右，在震前14 小時恢復平靜，維持在0.02 Hz；承德臺、京唐港臺和遷西臺震前優勢頻率無明顯異常變化；推測原因除灤縣臺外，其他臺站距唐山—古冶斷裂較遠。

圖5 各臺站地震前后地脈動優勢頻率隨時間變化曲線Fig.5 The variation of dominant frequency of the microtremor with time before and after earthquake at each station

2.3 震前地脈動功率譜密度異常分析

對上述5 個測震臺7 月11—13 日的垂直向地震數據進行上述預處理，將預處理數據按小時分段進行功率譜密度（PSD）計算，在每小時計算結果中將0.01—0.1 Hz 頻率范圍內的優勢頻率所對應的功率譜密度值，繪出地震前后地脈動的功率譜密度值變化曲線（圖6）。為了更好地顯示異常情況，防止地震信號被干擾，也剔除了震發時刻所在小時的數據，并對計算結果進行二次擬合。由圖6 可見，承德臺、京唐港臺、淶源臺和遷西臺4 個臺震前PSD 呈趨勢上升，在震后逐漸下降，且PSD 值均由2×107dB/Hz 上升至1×108dB/Hz 左右；灤縣臺表現為地震前幅值劇烈震蕩，在震發前14 小時趨于平穩，與振幅曲線呈相同趨勢。

圖6 各臺站地震前后地脈動優勢頻率功率譜密度隨時間變化曲線Fig.6 The variation of power spectral density of dominant frequency of the microtremor with time before and after earthquake at each station

3 結論與討論

本文利用河北區域內5 個測震臺數據資料對河北唐山M5.1 地震進行回溯性研究分析，研究結果表明，在0.01—0.15 Hz 頻率范圍內，5 個測震臺均在地震前出現明顯異常現象。

（1）唐山地震前，承德臺、京唐港臺、淶源臺、灤縣臺和遷西臺5 臺均出現低頻地脈動前兆異常，且4 個臺站低頻異常具有一致性。

（2）承德臺、京唐港臺、淶源臺和遷西臺4 個臺表現為震前振幅趨勢上升（幅值從100 count 上升至400 count 左右），震后逐步下降的特征；灤縣臺震前幅值波動，在震前14 小時趨于平穩，整體水平也維持在500 count 左右。

（3）淶源臺在震前優勢頻率在0.05—0.1 Hz 間波動，在震后趨于平穩；灤縣臺在震前30 小時優勢頻率由0.02 Hz 下降到0.014 Hz，在震前14 小時恢復平靜；承德臺、京唐港臺和遷西臺并無明顯優勢頻率變化的規律性特征。

（4）承德臺、京唐港臺、淶源臺和遷西臺4 個臺震前PSD 變化具有一致性，呈趨勢上升，且PSD 值均由2×107dB/Hz 上升至1×108dB/Hz 左右，在震后逐漸下降；灤縣臺震前PSD 值波動，在震前14 小時趨于平穩，與振幅曲線呈相同趨勢。

綜上所述，基本可以判定這些幅值、頻率和功率譜密度變化為河北唐山M5.1 地震的地脈動前兆異常。后續將增加其他臺站數據進行同方法分析并對其他典型震例進行延續分析。