2020 年河北唐山M5.1 地震震前地脉动异常特征初探＊

王嘉琦 杨东辉 常玉柱 郭亚亚

（河北省地震局承德中心站，河北承德 067000）

地脉动是在风、海浪等自然现象与固体地球表面耦合引发的自然源和交通、爆破等人工源共同作用下产生的一种稳定的非重复性随机波动[1]，其振动幅值一般为几微米到几十微米[2]。地脉动信号主要集中在3 个频率范围内，分别是0.03—0.1 Hz 称为第1 类地脉动，0.1—0.15 Hz 称为长周期第2 类地脉动，0.17—0.25 Hz 称为短周期第2 类地脉动[3]。宽频带地震计、甚宽频带地震计以及超宽频带地震计均能较为清晰地记录地脉动信号[4]。部分学者研究了地震前地脉动频域上异常变化的特性。荆涛等[5]对灯塔M5.1 地震前超宽频带地震计数字记录地脉动变化进行频域分析，确定了1.4—1.6 Hz 和2—3 Hz 频段在灯塔M5.1 地震前1 周沈阳地震台有地脉动异常变化；朱杰[6]利用鲁甸MS6.5 地震的宽频带数字资料研究震前地脉动的异常变化特征，发现地震前周边台站地脉动异常变化具有一致性；梁沙沙等[7]对阿拉善左旗M5.8 地震连续数字地震资料进行包络分析，发现地震前周边台站在0—0.25 Hz 出现频谱向低频偏移的现象；王梅德等[8]对河南及邻区宽频带地震资料地震前地脉动时域、频域、幅值进行分析，发现地震前2.4—3.6 天地脉动出现低频异常。通过前人的研究发现，地震从孕育到发生过程中需要一定的时间积累以及能量积累，会反映在地脉动异常变化中，能被地震计捕捉记录到，从而通过频率分析能发现中强地震发生前地脉动信号在低频段会出现一定的异常现象。

本文利用河北数字测震台网承德、涞源、滦县、京唐港和迁西的数据资料，对2020 年7 月12 日河北唐山M5.1 地震前后72 小时的地脉动信号进行分析，研究其在震前低频段的优势频率及其幅值和功率谱密度是否存在一致性异常，从而得出唐山M5.1地震前地脉动异常变化特征。

1 资料选取及数据预处理

为了全面系统地对地震前地脉动变化进行研究分析，特以河北唐山M5.1 地震（2020 年7 月12 日）前后72 小时（2020 年7 月11—13 日）原始数据为研究对象，选取承德、京唐港、涞源、滦县和迁西这5 个距离唐山地震震中较近的台站的宽频带数字资料进行研究。图1 为各台相对震中位置。表1 为各台基本信息。分别选取2020 年7 月11 日0 时—7 月13 日24 时5 个台站的宽频带数字记录的垂直向数据，以小时为时间间隔，去均值，扣除仪器响应。由于地脉动频率较低，实际观测资料中含有大量的高频干扰，所以需要对资料进行滤波降噪处理，本文采用小波分解滤除各台记录资料中的高频成分，保留并加强其低频部分。采用Daubechies小波函数族中的DB4 小波，分解重构层数为8 层，小波分解之后，对每一细节分别进行功率谱计算分析[9]。以信号强度大小确定数据频率范围。以2020年7 月11 日1 时滦县台地脉动资料为例，通过小波分解，对分出的8 阶地脉动信号分别计算功率谱（图2）。通过功率谱值大小（最大值为1.93×107dB/Hz)，确定地脉动信号强度最大的频率范围为0.01—0.15 Hz，将所选数据进行快速傅里叶变换（FFT），使其由时间域转为频率域，并对其进行功率谱计算分析（图3）。高频部分基本滤除，而信号的低频部分得以加强，细节处更明显，为后续分析提供了较可靠、清晰的数据资料。

图1 2020 年唐山M5.1 地震震中及台站位置分布图Fig.1 The distribution map of the epicenter and stations of the Tangshan M5.1 earthquake 2020

图2 滦县台小波分解各细节功率谱Fig.2 Power spectrum of each detail of wavelet decomposition at Luanxian station

图3 滦县台实测与通过小波分解方法滤波后时间域信号、频率域信号和功率谱密度对比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 各台站基本信息表Table 1 Basic information of each station

2 唐山M5.1 地震前地脉动分析

利用上述方法，对5 个台站每小时数据进行预处理，将预处理数据进行快速傅里叶变换（FFT），使其由时间域转为频率域，分别计算出优势频率及其对应振幅值，最终绘制地震前后振幅变化曲线（图4）和优势频率变化曲线（图5），对预处理数据进行功率谱密度计算（PSD），将优势频率所对应的功率谱密度值绘制成变化曲线（图6）。

2.1 震前地脉动振幅异常分析

首先对承德台、京唐港台、涞源台、滦县台和迁西台5 个测震台7 月11—13 日的垂直向地震数据进行上述预处理，将预处理数据按小时分段进行傅里叶变换，在每小时计算结果中选取0.01—0.1 Hz 频率范围内幅值最高值作为该段数据的代表幅值，绘出地震前后地脉动振幅变化曲线（图4）。为了更好地显示异常情况，防止地震信号被干扰，也剔除了震发时刻所在小时的数据，并对所得结果进行二次拟合。由图4 可见，承德台、京唐港台、涞源台和迁西台4 台震前26 小时振幅呈趋势上升，随后逐渐下降，且幅值均由100 count 上升至峰值400 count 左右；滦县台表现为地震前幅值剧烈震荡，在震前14 小时趋于平稳，整体水平维持在500 count 左右，推测滦县台与其他台站趋势不同的原因为滦县台距离震中最近。

图4 各台站地震前后地脉动振幅曲线Fig.4 The amplitude of the microtremor before and after the earthquake at each station

2.2 震前地脉动频率异常分析

对上述5 个测震台7 月11—13 日的垂直向地震数据进行上述预处理，将预处理数据按小时分段进行傅里叶变换，在每小时计算结果中选取0.01—0.1 Hz频率范围内幅值最高值所对应的频率作为该段数据的优势频率，绘出地震前后地脉动频域优势频率随时间的变化曲线（图5）。为了更好地显示异常情况，防止地震信号被干扰，也剔除了震发时刻所在小时的数据。由图5 可见，涞源台在震前优势频率在0.05—0.1 Hz 间波动，在震后趋于平稳；滦县台在震前30小时优势频率由0.02 Hz 突然下降到0.014 Hz 左右，在震前14 小时恢复平静，维持在0.02 Hz；承德台、京唐港台和迁西台震前优势频率无明显异常变化；推测原因除滦县台外，其他台站距唐山—古冶断裂较远。

图5 各台站地震前后地脉动优势频率随时间变化曲线Fig.5 The variation of dominant frequency of the microtremor with time before and after earthquake at each station

2.3 震前地脉动功率谱密度异常分析

对上述5 个测震台7 月11—13 日的垂直向地震数据进行上述预处理，将预处理数据按小时分段进行功率谱密度（PSD）计算，在每小时计算结果中将0.01—0.1 Hz 频率范围内的优势频率所对应的功率谱密度值，绘出地震前后地脉动的功率谱密度值变化曲线（图6）。为了更好地显示异常情况，防止地震信号被干扰，也剔除了震发时刻所在小时的数据，并对计算结果进行二次拟合。由图6 可见，承德台、京唐港台、涞源台和迁西台4 个台震前PSD 呈趋势上升，在震后逐渐下降，且PSD 值均由2×107dB/Hz 上升至1×108dB/Hz 左右；滦县台表现为地震前幅值剧烈震荡，在震发前14 小时趋于平稳，与振幅曲线呈相同趋势。

图6 各台站地震前后地脉动优势频率功率谱密度随时间变化曲线Fig.6 The variation of power spectral density of dominant frequency of the microtremor with time before and after earthquake at each station

3 结论与讨论

本文利用河北区域内5 个测震台数据资料对河北唐山M5.1 地震进行回溯性研究分析，研究结果表明，在0.01—0.15 Hz 频率范围内，5 个测震台均在地震前出现明显异常现象。

（1）唐山地震前，承德台、京唐港台、涞源台、滦县台和迁西台5 台均出现低频地脉动前兆异常，且4 个台站低频异常具有一致性。

（2）承德台、京唐港台、涞源台和迁西台4 个台表现为震前振幅趋势上升（幅值从100 count 上升至400 count 左右），震后逐步下降的特征；滦县台震前幅值波动，在震前14 小时趋于平稳，整体水平也维持在500 count 左右。

（3）涞源台在震前优势频率在0.05—0.1 Hz 间波动，在震后趋于平稳；滦县台在震前30 小时优势频率由0.02 Hz 下降到0.014 Hz，在震前14 小时恢复平静；承德台、京唐港台和迁西台并无明显优势频率变化的规律性特征。

（4）承德台、京唐港台、涞源台和迁西台4 个台震前PSD 变化具有一致性，呈趋势上升，且PSD 值均由2×107dB/Hz 上升至1×108dB/Hz 左右，在震后逐渐下降；滦县台震前PSD 值波动，在震前14 小时趋于平稳，与振幅曲线呈相同趋势。

综上所述，基本可以判定这些幅值、频率和功率谱密度变化为河北唐山M5.1 地震的地脉动前兆异常。后续将增加其他台站数据进行同方法分析并对其他典型震例进行延续分析。