灯塔M5.1地震前沈阳地震台地脉动研究

荆 涛，孙 艺，方禹心，顾强强，安峻峰

（1. 沈阳地震基准台，辽宁 沈阳 110061；2. 辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

Omori 于1908 年用高放大倍数的测振仪器在地面上观测到了一种很小的振幅振动，称为微动或地脉动（microtremor），发表了“论地脉动”一文，至今对地脉动的研究已有百年的历史。上个世纪50 年代以来，大量地球物理学家投身于地脉动研究，采用了聚束技术、振幅法、单台法等方法对大震前的地脉动变化及地脉动的信号源等进行了研究。我国开始对地脉动的研究是上个世纪60 年代，主要研究对象是卓越周期和震害关系的研究及应用。冯德益等对唐山地区地震前的地脉动及前震的频谱特征进行了研究[1]，夏英杰、倪四道等对汶川8.0 级地震前的地脉动变化进行了分析[2]，辽宁省地震局范叶平等[3]也对辽宁地区的地脉动变化与大地震的对应关系进行过研究，得到的结果证明了在大地震发生前地脉动均出现不同程度的异常变化。不过受当时科技水平所限，上述研究成果的基础数据多源自于短周期地震计或是宽频带地震计数字记录，目前对超宽频带地震计记录的地脉动研究较少。

沈阳地震基准台作为国家基准台之一，配备了JCZ-1T 超宽频带地震计，仪器频带为50Hz～DC，该地震计分别有两个通道输出：50Hz～360s 速度平坦输出及360s～DC 的加速度平坦输出，观测频带覆盖了短周期地震波至长周期固体潮。全国仅有16 个基准台运行此设备。该仪器工作状态稳定，周围观测环境无明显干扰，数据质量连续可靠。

地震是一个复杂的破裂过程，从酝酿到发生需要一定的时间积累，在能量积累的过程中必然有“蛛丝马迹”——地脉动异常变化，而我们需要做的就是在地震前寻找地脉动异常变化。本文只针对灯塔M5.1 地震前，利用沈阳地震台超宽频带测震数字资料，对震前地脉动变化异常进行回溯性研究分析，从而得到灯塔M5.1 地震前地脉动异常变化特征。

1 资料选取

为了更全面、更系统地对地震前地脉动变化进行研究分析，特选取灯塔M5.1 地震（2013年01 月23 日）前22 天，也为了更好地展示地震后地脉动变化特征，资料选取范围涵盖了震后一周的观测资料，最终本文资料选取范围是2013 年01 月01 日至2013 年01 月31 日，共计31 天，采用沈阳地震台JCZ-1T 超宽频带00通道速度输出数字观测资料。

鉴于所研究数据工作量较大并且其中必然掺杂一些干扰因素，譬如气象干扰、人为干扰、地震干扰等，其中地震波的干扰对频域分析影响很大，通过对地震波进行频谱分析后发现，地震的体波会扰乱高频波段分析，地震的面波会干扰低频分析，研究数据中一旦混入地震干扰不仅会影响频域分析的曲线形态，还对后续计算结果造成很大偏差，会导致研究结果不准确，所以去除干扰显得尤为必要。在分析研究过程中发现，当天的小时数据文件（1 小时）与全天数据文件（24 小时）的频域分析曲线形态非常相似，频率分析曲线几乎一样，只是在振幅幅度大小上有所差异。不过这是正常现象，因为振幅值的大小会与观测数据量成正比关系。所以小时数据文件可以看做是全天数据的缩小版。在全天数据中找出没有任何干扰的小时数据作为研究基础，利用小时数据文件替代全天数据文件不仅可以减少工作量，还能避开干扰因素，使最终计算结果更为准确。

2 数据处理

本文基于MATLAB 平台对灯塔M5.1 地震前后地脉动数据进行频域分析，对研究数据进行快速傅里叶变换（FFT），使其由时间域转为频率域，主要是计算出频率振幅及确定频率变化特征，利用最终的计算结果画出灯塔M5.1 地震前地脉动频域曲线，研究其变化特征。

首先对研究数据进行全频率扫描分析（图1），确定研究数据的频率范围，从图1 中可以清晰看出优势频率主要集中在0～5 Hz 范围内，可以确定所研究数据优势频率在此范围内。

图1 沈阳地震台超宽频带测震数据全频率分析Fig.1 Full frequency analysis of ultra-wideband seismic data from Shenyang Seismic Station

以小时数据代替全天数据，通过对数据进行快速傅里叶变换（FFT），可以得出最优频率及振幅值（图2），对最优频率值进行标记，图中X 为本频率段中最优频率，Y 为最优频率振幅值，分别记录X、Y 值，画出研究数据的频域分析曲线。

图2 沈阳地震台超宽频带测震数据频域分析Fig.2 Frequency domain analysis of ultra-wideband seismic data from Shenyang Seismic Station

3 灯塔M5.1 地震前地脉动频域分析

以沈阳地震台JCZ-1T 超宽频带地震计00通道速度记录波形时间为序列，以小时数据文件为研究对象，利用快速傅里叶变换（FFT）进行频域计算与分析。以每天（小时文件）为单位，计算出最优频率及最优频率振幅值，记录并利用这两个计算结果分别画出灯塔M5.1 地震前后的地脉动频域分析曲线。通过对研究数据进行大量不同频率段的频域分析试验，窗长为1 天，步长为0.1 Hz，最终选出两组在灯塔M5.1 地震前地脉动异常变化的频段，分别是1.4～1.6 Hz 和2～3 Hz 频段。

在灯塔M5.1 地震前，在这两个频段范围内的地脉动信息均出现不同程度的异常表现，主要表现为震前一周左右最优频率振幅幅度减小和最优频率的变化是逐步由高频趋势性转为低频的现象。

3.1 灯塔M5.1 地震前1.4～1.6 Hz 频段地脉动异常分析

首先对研究数据进行1.4～1.6 Hz 频率段的频域分析，扫描天数为31 天，计算后得出31个最优频率及31 个最优频率振幅，共计62 个数据。通过振幅频域曲线（图3）可以清晰看出，2013 年01 月01 日至2013 年01 月16 日振幅值曲线形态较为平稳，振幅值在10count上下波动。值得注意的是当月16 日后开始明显趋势下降，出现振幅值明显减小的现象，一直持续到31 日，振幅值平均值在1.5count 左右，最低值达0.53571count。在灯塔地震前一周（2013 年01 月16 日）振幅值大幅度下降，振幅值由高值转为低值，下降幅度较大，在振幅值较低的时间段内发震，并且灯塔地震发生后振幅值仍维持在低值水平，没有恢复到震前高值的状态。

图3 沈阳地震台超宽频带地震前地脉动振幅频域曲线（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）

对灯塔M5.1 地震前地脉动频率变化曲线（图4）可以看出，震前地脉动频率变化没有明显异常特征，地震前后频率变化较为稳定无异常波动，基本上保持在1.5 Hz 左右，频率变化曲线无明显规律性特征。频率变化在灯塔M5.1地震前后均无明显异常表现。

图4 沈阳地震台超宽频带地震前地脉动频率变化曲线（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 灯塔M5.1 地震前2～3 Hz 频段地脉动异常分析

对研究数据进行2～3 Hz 频率段的频域分析，扫描天数为31 天，依然得出62 个数据。通过查看2～3 Hz 振幅频域曲线（图5），可以看出2013 年01 月01 日至2013 年01 月17 日振幅值曲线形态较为平稳，振幅值在7count 上下波动。不过从17 日也同样开始出现振幅值明显趋势下降，振幅值水平下降至3count 左右，最低值达2.2405count，低值现象一直持续到灯塔地震后。在灯塔地震前6 天（2013 年01 月17 日）振幅值开始明显下降，继续由高值向低值转变，仍然是在振幅值处在低值时间段内发震，地震后振幅值仍维持在低值水平，未恢复到震前高值状态。

图5 沈阳地震台灯塔地震前地脉动振幅变化曲线（2～3 Hz）Fig.5 Curve of pulsation amplitude before the Dengta earthquake in Shenyang Seismic Station（2～3 Hz）

2～3 Hz 频率段的频率变化曲线（图6） 显示，2013 年01 月01 日至2013 年01 月17 日频率变化相对较小，说明灯塔M5.1 地震地脉动的频率变化不大，较为稳定。不过值得注意的是，在2013 年01 月17 日（灯塔M5.1 地震前6 天） 开始出现地脉动优势频率降低的现象，主要表现为优势频率由高频向低频转变。17 日后开始出现高频转低频现象，直至23 日发震当天地脉动优势频率都处于相对低频区间，震后第二天（24 日）显示出地脉动优势频率开始向高值回升的态势，出现了由低频向高频恢复的现象。

本文对以上两组不同频率段进行频域分析，通过对振幅和频率两种参数研究分析后发现，灯塔M5.1 地震前沈阳地震台超宽频带地脉动记录确实出现不同程度的异常特征。其中一组频段在频域分析中显示了两种参数均有异常现象（2～3 Hz），另外一组频段只有一种参数（振幅）出现明显异常现象（1.4～1.6 Hz）。

图6 沈阳地震台灯塔地震前地脉动频率变化曲线（2～3 Hz）Fig.6 Curve of pulsation frequency before the Dengta earthquake in Shenyang Seismic Station（2～3 Hz）

4 结论

本文利用沈阳地震台超宽频带地脉动资料对灯塔M5.1 地震进行回溯性研究分析，研究结果表明，两组不同频段1.4～1.6 Hz 和2～3 Hz 在灯塔M5.1 地震前出现明显异常现象。

其中在1.4～1.6 Hz 研究频段中，只有振幅值在震前7 天出现明显由高值转为低值的现象，地震在低值时段内发生，地震发生后振幅值仍然维持在低值水平。

在对2～3 Hz 频段分析研究后发现，灯塔M5.1 震前地脉动的振幅值和频率变化均有明显异常现象。异常主要体现在地震发生前6 天，振幅值和优势频率变化均由高值趋势性下降至低值，同样也是在相对低值时段内发震，异常时间只是比上一个研究频段推迟了1 天，震后振幅值低值现象持续，而优势频率变化出现低值向高值恢复的趋势。

综上所述，沈阳地震台超宽频带记录的地脉动振幅值和频率变化出现由高值转低值现象时，并且低值现象稳定，发生地震的危险性较大。

5 讨论与建议

由于时间仓促，未能与其它典型震例进行延续分析，建议继续对后续典型地震进行同方法研究分析，确定结果是否继续支持本文结论。

本文结论只是由沈阳地震台超宽频带测震资料研究分析后得出，考虑到省内其它台站多数采用短周期或宽频带地震计，观测仪器的记录周期、观测频带不同，所记录的数据会有差异，所以并不具备对比性，最终未对省内其它台站地震观测数据进行对比分析。