关于临震异常特征的识别分析与研究 ——以汶川地震为例

赵志闯 张 燕 赵 莹

1 中国地震局地震研究所地震大地测量重点实验室，武汉市洪山侧路40号，430071

就天然地震而言，其P波、S波、面波等本身具有各自独特的频率特征，而外界的各种干扰因素，如热带风暴、人工爆破等也具有各种频率特性，这些异常干扰现象从地震波形特征上很可能难以分辨，给临震期间前兆异常识别造成困扰[1]。而频谱分析法[2]作为数字信号处理的基本方法，可以在频域、时域分析不同频率信号成分的变化特征，清楚呈现震前异常信号随时间变化的关系。本文主要处理和分析四川境内汶川地震震中附近约50 个台站的地震仪数据，采用频谱分析法发掘临震异常信息，探讨其相关性，并试图揭示这类短临异常的特征及规律。

1 数据和方法

选取四川地震台网汶川地震震中附近约50个台站基础较好、观测环境稳定的地震台，其分布如图1所示。

图1 四川地震台网分布Fig.1 Distribution of Sichuan seismic network

1.1 信号预处理

本文选用的四川境内地震仪都具有100 Hz的高采样率，选取05-09～05-12连续的地震波形观测资料。由于原始数据有庞大的背景噪声扰动，在频谱分析前先进行预处理，去除均值仪器响应，选取的部分台站(WCH、LBO)结果如图2所示。从地震波形图上看出，震前4 d观测波形曲线逐渐变粗，扰动变强，一直延续到地震爆发。

图2 汶川地震台站记录的扰动信号(a1、b1)及其预处理(a2、b2)Fig.2 Disturbance signals (a1, b1) and their preprocessing (a2, b2) recorded by the Wenchuan seismic station

1.2 小波分析

为了得到时频域的特征，以每小时360 000个数据点构成的时间序列为研究对象，采用小波连续变换对震前4 d数据(WCH台)进行时频分析，得出震前信号频率随时间的变化特征(图3)。结果表明，无论是从原始波形曲线，还是小波时频分析图上，都可以清楚看到震前存在较为明显的扰动信息，且持续增强，主要频率范围为0.1～0.3 Hz。同时，在震前1～2 d开始出现主要频率范围为0.1～0.2 Hz的低频信号，也呈逐渐增强趋势，直到地震爆发，这与张雁滨等[3]在强震前异常波动信号探究中的结果较为相似。

图3 震前4 d小波时频谱Fig.3 Wavelet spectrum 4 days before the earthquake

1.3 频域分析

在此基础上，进一步研究震前2 d出现的0.1～0.3 Hz左右的信号扰动异常，用4 d相同数据长度(每天2 h时窗)通过FFT频谱分析得到图4、5。

图4 震前05-09～05-12的幅频谱(总)Fig.4 The amplitude spectrum from May 9th to 12th before the earthquake (total)

分析表明，震前4 d的频谱特征呈动态变化，确实存在主频为0.10～0.18 Hz和0.18～0.25 Hz的震前异常频段，且峰值相当(同一台站)。其中，0.10～0.18 Hz频段LBO台峰值为格值4.2，WCH台为3；0.18～0.25 Hz频段LBO台峰值为4.8，WCH台为3.1(图4)。从时间上看，0.10～0.18 Hz频段信号强度震前1～2 d开始快速、连续增大，LBO台由05-10的2.1急剧增加到05-12震前的14.3，而WCH台由05-10的1.8急剧增加到05-12震前的9.8，并在05-12当天急剧增至最大并超过0.18～0.25 Hz频段幅值；0.18～0.25 Hz频段，LBO台于05-11达最大幅值11.2，05-12开始衰减至9.6，WCH台于05-11达最大幅值9.8，05-12衰减至7.1(图5)。震前的这2个频段的变化值得进一步关注。

图5 震前05-09～05-12的幅频谱(分)Fig.5 The amplitude spectrum from May 9th to 12th before the earthquake(divided)

2 结果分析

2.1 台风影响

台风是热带气旋的一种，蕴含能量巨大且破坏力极强，在靠近海岸时往往能激发较强的地脉动。而2008年汶川大地震前，恰逢西太平洋海域产生台风威马逊，那么前文中出现的震前异常扰动是与汶川地震相关，还是由威马逊台风引起？为此利用2010年西太平洋201014号暹芭台风资料(无震期间)作为对比进行分析(两者路径相似)，结合前文频谱特征，将0.18～0.25 Hz频段用FIR滤波[4]分离出来单独研究。

图6是台风移动路径变化图，根据中央气象台报道，暹芭于2010-10-25下午加强为强热带风暴(28 m/s)，于10-26凌晨加强为台风(33 m/s), 10-27～10-28加强为强台风(50 m/s)，中心位于日本冲绳岛那霸以南大约470 km的西北太平洋洋面上,扰动最大值出现在10-27 14:00～10-28 14：00(此间距离中国内陆最近，约为900～1 100 km)，随后风暴中心向东北方移动，扰动随台风的远离而逐渐减弱；威马逊于2008-05-09增强为台风，05-10～05-11达到超级台风的强度(55 m/s)，扰动最大值出现在05-11 20:00～05-12 02:00(此时距离中国大陆最近，约为1 300～1 400 km)，此后转向东北移动并逐步减弱。以台风发生期间每天的扰动记录为研究对象，用FIR带通滤波器拾取0.18～0.25 Hz频段信号，每天取2 h时间窗作扰动强度分析，并结合中央气象台的台风实时记录(图7)，最后得到台风在0.18～0.25 Hz频段内的形态和扰动强度变化(图8、图9)。台风扰动增强处其波形外包络线呈纺锤形叠加在正常观测背景上，在距大陆最近处达到最高幅值。由此可见，台风期间内陆地震台站所受扰动的强度主要与台风距中国大陆的距离密切相关。相比较而言，由于台风暹芭距离中国内陆更近，其对中国内陆台站的扰动影响要略高于威马逊(图7、图9)，暹芭对内陆台站产生最大扰动为11.2，高于威马逊的6.1；在整个移动过程中，二者移动路径极为相似(图6)，都处于西太平洋台风48 h警戒线附近，距离中国大陆约1 200 km，台风期间两者最大风速都超过45 m/s。综上所述，笔者认为，前文分析得到汶川地震前0.18～0.25 Hz频段的扰动极可能是威马逊台风引起的，这与张雁滨[5]等得出的来自西太平洋热带气旋(台风、热带风暴)对我国内陆地震台网宽频带数字地震计的影响主要在0.13～0.33 Hz频段的研究结果较为一致。

图6 台风威马逊与暹芭的移动路径Fig.6 Typhoon path of Rammasun and Chaba

图7 台风与内陆的距离和风速的变化Fig.7 The distance between the typhoon and the inland and wind speed changes

图8 0.18～0.25 Hz滤波后曲线形态对比Fig.8 Comparison of curve shapes after 0.18-0.25 Hz filtering

图9 台风强度变化Fig.9 Changes of typhoon intensity

从小波时频图上(图10)能清楚看到，威马逊台风期间，特别是地震爆发前一刻，有明显区别于暹芭台风的0.10～0.18 Hz低频段信号出现，这个信号应该不是由台风引起的，因此笔者对傅容珊等[6]所持的汶川地震震前异常完全为威马逊台风引起的观点并不完全认同。

图10 台风期间的小波时频图对比Fig.10 Comparison of wavelet time-frequencydiagrams during typhoon

2.2 低频扰动信号(0.10～0.18 Hz)

根据前文分析认为，0.18～0.25 Hz频段信号扰动极可能是由台风引起的，那么另一频段0.10～0.18 Hz是否与地震相关？笔者用带通滤波器分离低频信号，首先通过滤波结果得到这一低频扰动在震前的特征变化。从滤波图波形形态来看，0.10～0.18 Hz频段(图11)与上文0.18～0.25 Hz频段(图7)表现差异明显，且幅值最大值出现位置不同。0.10～0.18 Hz频段呈明显的外喇叭状，最大值出现在地震爆发时刻；0.18～0.25 Hz频段振幅最大值出现在05-11 20：00～05-12 02:00期间，此时正值台风距离中国大陆最近。因此0.10～0.18 Hz频段扰动可排除台风因素影响，且该低频扰动在05-12当天急剧增强，一直持续到地震爆发。同时，从扰动幅值结果来看，在05-12当天，LBO台0.10～0.18 Hz频段幅值为8.3，0.18～0.25 Hz频段幅值为5.8；WCH台0.10～0.18 Hz频段幅值为7.2，0.18～0.25 Hz频段幅值为4.1，低频扰动幅值要远超过台风扰动幅值(图12)。

图11 0.10～0.18 Hz频段滤波分析Fig.11 Filter analysis of 0.10-0.18 Hz frequency band

图12 低频扰动和台风扰动幅值对比Fig.12 Comparison of low-frequency disturbanceand typhoon disturbance amplitude

进一步以震前小时数据为研究对象，对地震发生前该低频扰动信号进行更为精细的分析，最后得到震前20 h的信号的频域变化特征(图13)。结果表明，汶川地震前低频扰动急剧增强主要集中在震前约10 h，如LBO台扰动幅值由震前10 h的8.9急剧增加至发震时的15，WCH台扰动幅值由震前10 h的7.4急剧增加至发震时的13.8，最大值出现在地震爆发时刻。然而该扰动信号的强度随台站分布的不同有较大的差异(图14)，位于四川境内震中距不同的LBO、WCH、MDS、HWS台，从其震前20 h的低频幅值统计来看，MDS、HWS台受震前低频扰动影响相比于LBO、WCH台更为明显，MDS台幅值大小更是数倍于WCH台，如震前1 h MDS台幅值为19.3，而WCH台幅值为7.6(图14)。在同一区域内为何会呈现如此大的差异性？为了重点探究0.10～0.18 Hz 频段扰动强度随台站分布的变化特征，与胡小刚[7]等所用的全国46台地震仪观测数据不同，笔者对四川境内约50台地震仪数据进行滤波处理和频谱分析，详细统计其震中距与震前20 h能量幅值变化的关系，结果见表1。

图13 震前20 h频谱分析Fig.13 Spectrum analysis 20 hours before the earthquake

图14 低频扰动能量随台站分布呈现差异化(部分)Fig.14 Low-frequency disturbance energy varies with the distribution of stations (partial)

表1 四川境内的46个台站信息和震前20 h低频扰动强度

分析四川境内所有台站(除个别数据缺失台站)震前20h扰动幅值变化发现，从强度变化上分析，扰动强度较大的地区震前数小时变化也最大(表1数据根据震前1 h强度排序)，如YZP台扰动强度最大，从震前20 h的10.38增加到震前1 h的25.66，变化幅度为14.78；从距离上看，震前低频扰动并未表现出明显的震中距越小而越强的特征，如同样在震中距约50 km的WCH台，扰动强度较弱，其震前1 h强度为7.98，而YZP台强度可达25.66；从方位上看，则具有显著的差异性，龙门山北川至映秀断裂带东部扰动明显强于西部，如位于断裂带东侧的 JJS 台扰动强度明显大于HSH台；同时，扰动强度较高的台站多集中在断裂带两端(图15)，在扰动较强的20个台站中有13个位于断裂带两端。对这种差异进行分析认为，从破裂方向上看，根据地震多普勒效应，汶川地震错动破裂从映秀开始，朝着东北、西南方向拓展，震前的低频扰动也多源于此，因此两侧扰动偏强；从地质构造上看[8-9]，龙门山断裂带处于西部青藏高原腹地与东部扬子地台相接的一个特殊地段，有着独特的造山带和前陆盆地，在此断裂带上产生的能量累积与释放，也是汶川地震发生的根本原因。西部的阿坝、甘孜州主要是山地和高原，底部岩石成分主要由片岩、板岩、千枚岩等构成，质地软弱，且含有较多断裂，而东部为成都平原和四川盆地，多处于扬子地台，地质结构完整性较好且稳固。在这种地质结构下，震前扰动产生的低频波更容易在断裂带东侧传播，而西侧受天然地质条件的阻隔，能量耗散迅速，所以龙门山断裂带东侧台站要比西侧台站扰动能量更强。

图15 四川境内震前1 h不同扰动强度的台站分布Fig.15 Distribution of different disturbance intensity at stations in Sichuan

3 结 语

本文以汶川大地震为例，从四川境内地震仪观测到的震前3～4 d扰动现象出发，以频谱分析方法对这些临震异常进行研究，从时域、频域探讨汶川地震前的扰动现象及其相关性。结果表明，震前扰动主要由2种频段信号组成，主频为0.18～0.25 Hz的频段异常由西太平洋上威马逊 台风引起，而主频为0.10～0.18 Hz的频段异常则可能为汶川地震爆发前的低频异常，与地震孕育相关。

傅征祥等[3,10]认为，岩石层上闭锁面在克服静摩擦力逐渐加速运动，且当V位错≈VS波时即发生地震，从位错突破闭锁区端部阻挡开始运动，到速度达到横波速度的这个过程总持续时间为几天到几个月，而在最后滑动速度接近VS波的时刻，会呈现越来越迅猛的特点，汶川地震前10 h的0.10～0.18 Hz异常频段的急剧变化很可能就源于此。然而由于不同地区地震的环境差异和介质特性差异，其短临异常阶段的长短不同，因而不同地震的临震异常可能会显示出差异性，后续会通过芦山地震、九寨沟地震等多个震例深入分析该类异常的特征，对临震预报具有重要意义。