杨庆生，张少伟，夏雅琴，陈维升

（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124）

不同地域震前次声波异常信号的分析

杨庆生，张少伟，夏雅琴，陈维升

（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124）

利用次声波观测方法，分析了2010-01—2014-06发生在瓦努阿图地区的M≥7.0级以上地震震前次声波异常信号特征，发现其波形类似，呈多组分布，频谱分析结果显示其能量主要集中在0.001～0.005 Hz.同时，对中国发生的2010-04-14玉树M7.1级地震、2013-04-20雅安M7.0级地震、2013-07-22定西M6.6级地震和2014-02-12于田M7.3级地震震前次声波异常信号进行了波形及频谱分析，并与瓦努阿图地震前接收到的次声波异常信号对比发现，不同地域的地震，其震前次声波异常信号特性不同.这有助于研究震前次声波异常信号与震源地理位置及地质条件之间的关系，对次声波方法预测震源有一定的实际意义.

震前次声波；异常信号；频率

大地震前次声波异常信号特征各不相同.2010年，Xia等［8］通过对震前次声波信号的长期观测，将这种次声波信号进行了分类:第1类波形光滑，频率单一，正、负方向振幅相当，以一组或多组的形式出现，每一组波的数目一般为3～7个，有效信号的持续时间为几百秒到几千秒；第2类由一种或多种主频率的波组成，波形较复杂，有效信号的持续时间长达几万秒；第3类以单向脉冲信号的形式出现，周期在1 000 s左右，持续时间约数千秒.

利用震前次声波异常信号可以预测发震时间和震级，目前还无法判定震源位置［9］.本文对瓦努阿图地区和中国发生的几次地震从不同震源地和次声特性方面做了分析，对研究震前次声波特性和震源判断提供新的参考.

1　次声波观测系统

次声波观测系统是由次声传感器和记录仪组成，如图1所示.传感器选用CC-1T型电容式次声传感器，探测灵敏度为0.01 Pa，频响为0.2～200 s，动态范围80 dB.记录仪选用InSYS2008型数字化网络传输仪，仪器的总功耗＜5 W；能够连续传输24 h，无丢失数据、无死机现象，且传输误码率为0.

2　瓦努阿图地区震前次声波异常情况分析

以美国地质调查局提供的地震目录为数据源，2003-01到2014-06全球共发生200余次M≥7.0级地震，90%以上发生在环太平洋地震带.位于南太平洋地区的瓦努阿图是地震多发地区之一，平均每年都会发生2～3次M≥7.0级地震，且震源位置集中在同一区域，这对研究震前次声异常信号和震源位置提供了良好的条件.次声观测点位于北京工业大学地震研究所（39.87°N，116.48°E），震源区为瓦努阿图首都维拉港为中心方圆100 km的区域（17.45±10°S，168.18±10°E）.震源区域在观测点东偏南约45°方向，相距约8 000 km.

瓦努阿图位于南太平洋板块与印度-澳大利亚板块俯冲带上，所属岛屿地震频发.且该俯冲带上每年发生7级以上地震数次，是理想的次声波与地震关系研究的试验场地之一.

2004-12-26印尼苏门答腊M9.1大地震前次声波异常信号和2008-05-12汶川M8.0地震前次声波异常信号［10］，如图2所示.可以看出，苏门答腊地震的信号波形清晰干净、信号持续时间短，相比之下，汶川地震的信号连续波动，明显叠加有高频成分，信号持续时间长.大量震前次声波异常信号的分析证明异常频段在10-3Hz量级［11］.

采用美国地质调查局公布的地震目录，以2003-01至2014-06瓦努阿图地区的M≥7.0级地震为研究对象，统计了该区域震前次声波异常情况与地震的对应关系，见表1.该时间段瓦努阿图地区共发生M≥7.0级地震14次，其中11次于震前接收到次声波异常信号.从异常信号幅值上来看，每年10月至次年5月接收到的异常信号的幅值均超过1 000 mV，而6—9月异常信号幅值偏小.从表1中可以看到，2007-08-02和2010-08-10以及2011-09-04发生的地震都没有收到异常信号，而2007-09-02震前收到的异常信号幅值只有800 mV，2011-08-21震前收到的异常信号幅值甚至只有493 mV，根据多年的经验，北京6—9月空气湿度大、气温高，次声波能量削减较大，次声信号幅值在该时段偏小［7］.从异常信号出现的时间与地震发生时间来看，时间间隔多在15 d以内，平均7.9 d，图3为次声波异常信号出现和地震发生时间间隔图，可以看出时间间隔多集中在8 d左右.

表1　2003-01—2014-06瓦努阿图地区M≥7.0级地震震前次声波异常信号表Table 1 Abnormal infrasound signals before M≥7.0 earthquakes in Vanuatu from 2003-01 to 2014-06

2.1时域分析

针对仓内刮板机尾的断链保护接近开关，重新设计安装了支架，如图1所示。在刮板箱两侧用角钢搭起支撑固定探头的架子。制作一副简易的铰链，铰链一头与扁铁相连，另一头固定在探头架前。调整好扁铁在自重状态下的位置，使其在正常下垂状态下可以触发探头，测量信号。调节扁铁长度，使其刚好可以触碰到上层锚链的刮板。在开机过程中，由于上层锚链的击打，使扁铁来回摆动，不断触发测量信号。上位机检测到刮板运行状况。改用这种结构后，彻底解决了机尾接近开关积煤以及机尾窜动致使开关误动作等问题。

对应表1中的地震分布，图4给出了瓦努阿图地区的几个震前异常次声信号波形图.这些次声波异常信号均出现在瓦努阿图区域M≥7.0地震震前15 d以内.可以看到，这些异常信号波形不同于2004-12-26印尼苏门答腊M9.1大地震前次声波异常信号和2008-05-12汶川M8.0地震前次声波异常信号［8］，而是呈现出了一定的特性:由频率单一的波成组出现，由一组或多组组成，持续时间根据异常波形组在时间轴上的宽度可达几千秒到上万秒.图 4中，（a）（c）（f）由一组异常信号组成，（b）（d）（e）均由多组信号组成，以图4中（a）（e）为例说明:（a）给出了2010-05-28瓦努阿图M7.1地震前10 d（5月18日）01:28:59—05:28:59时段接收到的次声波信号图，异常波形出现在3点至4点，持续了约1 h，幅值出现在3点30分左右，为2 595 mV；（e）为2013-02-06瓦努阿图M8.0地震前14 d（1月23日）13: 08:28—17:09:28时段的次声波信号图，共出现了3组异常信号，持续了约4 h，幅值出现在14点45分左右，为1 793 mV.

2.2频域分析

为了进一步得到瓦努阿图地区地震的频率特性，对图4中的次声信号做了频谱分析，如图5所示.从整体能量分布来看，这些信号的能量主要集中在0.001～0.005 Hz，为典型的震前次声异常信号.从各个频谱图的能量分布来看，由一组异常信号组成的波形图频谱特征与由多组异常信号组成的波形图频谱特征不同.单组信号如图中（a）（c）及（f），可以看出，其能量分布较为集中；而多组信号如（b）（d）（e），由于受到多个主频叠加作用，能量分布较为分散.同样以图5中（a）（e）为例说明:（a）出现了3个主峰值，分别在0.001 5、0.003、0.004 Hz附近，其余频段能量则远远小于主峰值，图形呈柱状分布，说明主频较为单一；（e）中虽然在0.001 5 Hz附近也有明显的峰值，但峰值并不明显，图形呈折线分布，说明其由多个主频率叠加而成.

对图4（e）的震前次声信号进行分拆，提取出14:10—15:10的信号，并进行频谱分析，如图6所示，可以看到将多组异常信号中的一组提取出来单独进行频谱分析后，其能量分布图与单组的类似，这说明多组异常信号频谱图上能量分布是由单组叠加的结果.

3　中国大陆地区M≥6.5级震前次声波分析

2010-01至2014-06期间，中国大陆地区发生了4次破坏性较大的地震，分别是2010-04-14玉树M7.1级地震、2013-04-20雅安M7.0级地震、2013-07-22甘肃定西 M6.6级地震和 2014-02-12于田M7.3级地震.这些地震对人民财产和生命安全造成了巨大的损失，对其分析研究有着重要的意义.

青海位于由印度板块与欧亚大陆板块持续挤压而形成的青藏高原的东北部，而这次地震的震中位于两大板块交汇处北部的数百公里.玉树地震与汶川大地震具有相同的孕育机制［12］.印度板块与欧亚大陆板块持续的相对运动导致其交汇处的地壳变厚并隆起.美国地质调查局报告显示，这种地壳变化和阿尔泰山脉与昆仑山脉的走向滑移断层活动一并成为这次地震的主要成因.

雅安地震震源距离雅安市市区33 km，位于龙门山前缘构造带南段.龙门山断裂带位于青藏高原东缘，该断裂带上地震多发，2008年的汶川大地震即在距离芦山县北部大川镇仅69 km处发生.雅安地震为“逆冲型地震”，破裂特征与汶川大地震非常相似，美国地质勘探局认为雅安地震是汶川大地震的一次余震.

根据中国地震台网中心的资料显示，岷县地震发生在临潭—宕昌断裂带附近（距离小于14 km）. 1900年以来，震中附近100 km范围内曾发生8次5级以上地震.

2014年2月12日新疆维吾尔自治区于田县发生了M7.3级地震，根据中国地震台网中心的资料，其发震断裂为阿尔金断裂带西南段的贡嘎错断裂带.于田地震是在青藏高原向北东运动背景下左旋走滑的阿尔金断裂向南西端扩展的结果.

上述4次地震，属于不同的断裂带构造地震，但从地壳板块上来讲，均属于亚欧板块和印度洋板块相互作用的结果，震源地均处于青藏高原边缘地带.位于北京工业大学的次声波观测系统，在上述4次地震发生前均监测到了次声信号异常，表2对其做了震前次声波信号异常情况的分析.

表2　2010-01—2014-06中国大陆地区M≥6.5级震前次声波异常信号表Table 2 Abnormal infrasound signals before M≥6.5 Earthquakes in China from 2010-01 to 2014-06

3.1时域分析

对应表2中的震前次声异常情况，图7、8分别给出了这4次地震的次声波信号图和频谱分析图.由图7可知，这些信号图与瓦努阿图地区震前接收到的次声波信号明显不同，这些异常信号多由单个高振幅脉冲的形式出现，如图7（b）中幅值超过了2 500 mV.其持续时间也较短，一般为几百秒.也有的异常信号会由好几个脉冲组成，如图7（a）所示，出现了多个脉冲，信号持续时间也相应增大，与2008-05-12汶川地震前接收到的异常信号类似，这与陈立春［12］关于玉树地震与汶川大地震具有相同的孕育机制的结论形成了很好的对应.

3.2频域分析

图8为这4次地震的震前次声波频谱图，从能量分布来看，能量多集中在0.001～0.005 Hz，与瓦努阿图地震情况类似，由图8可知，呈锯齿状分布，说明均由多个主频叠加而成，与瓦努阿图的情况不同.

4　讨论与结论

1）瓦努阿图区域面积相对来说较小，大地震频发，是研究地理位置与地震关系的理想区域.通过多年来对该区域地震与次声波信号的研究，发现该地区M≥7.0级地震震前次声波异常信号存在一定的规律性:异常信号成组出现，由一组或多组构成，持续时间根据异常信号组的多少长短不一，最长可达数小时，即上万秒.频谱分析的结果显示，该区域震前次声波能量主要集中在0.001～0.005 Hz，属于典型的震前次声波异常信号.从能量分布图上看，单组异常信号能量呈柱状分布，而多组出现时能量分布由于频率叠加呈不规则折线形分布.

2）中国内陆地区震前次声波异常信号多呈单个高振幅的脉冲形式出现，持续时间较短，多为异常的单个脉冲的周期，一般为几百秒.而频谱图上显示，能量分布区域与瓦努阿图的情况类似，多集中在0.001～0.005 Hz，但能量分布图与后者不同，呈锯齿状分布，说明其由多个主频叠加而成.

3）通过中国大陆地区震前异常次声波和瓦努阿图地区的震前次声波对比发现，在不同的地质构造条件下，震前次声波的波形图和能量分布存在一定的区别，这对利用次声技术判定震源位置，有着极大的意义.

［1］章菲，杨庆生，夏雅琴，等.次声:监测地震的新领域［J］.地学前缘，2013，20（6）:94-101. ZHANG F，YANG Q S，XIA Y Q，et al.Infrasound:a new frontier in monitoring earthquakes［J］.Earth Science Frontiers，2013，20（6）:94-101.（in Chinese）

［2］杨训仁，陈宇.大气声学［M］.北京:科学出版社，2007:30-45.

［3］许文杰，官洪运，邬晓琳.泥石流次声信号时频分析方法的应用研究［J］.计算机与现代化，2013（4）:36-39. XU W J，GUAN H Y，WU X L.Analysis of debris flow infrasound signal based on time-frequency analysis methods ［J］.Computer and Modernization，2013（4）:36-39.（in Chinese）

［4］SAHETAPY-ENGEL S T，HARRIS A J L，MARCHETTI E，et al.Thermal，seismic and infrasound observations of persistent explosiveactivityandconduitdynamicsat Santiaguitolavadome，Guatemala［J］.Jouralof Volcanology and Geothermal Research，2008，173（1/2）: 1-14.

［5］ULIVIERI G，MARCHETTI E，RIPEPE M，et al. Monitoring snow avalanches in Northwestern Italian Alps using an infrasound array［J］.Cold Regions Science and Technology，2011，69（2/3）:177-183.

［6］秦飞，郑菲，李均之，等.孕震过程中次声波的产生机理［J］.北京工业大学学报，2006，32（6）:568-572. QIN F，ZHENG F，LI J Z，et al.The generating mechanism of infrasound in the seismogenic process［J］. Journal of Beijing University of Technology，2006，32（6）: 568-572.（in Chinese）

［7］夏雅琴，崔晓燕，李均之，等.震前次声波异常信号的研究［J］.北京工业大学学报，2011，37（3）:463-469. XIA Y Q，CUI X Y，LI J Z，et al.The reach of abnormal infrasound signals before earthquakes［J］.Journal of Beijing University of Technology，2011，37（3）:463-469. （in Chinese）

［8］XIA Y Q，LIU T Y，CUI X Y，et al.Abnormal infrasound signals before 92 M≥70 worldwide earthquakes during 2002—2008［J］.Journal of Asian Earth Sciences，2010，41:434-441.

［9］夏雅琴，胡争杰，郑菲.震前次声波信号特征研究［J］.北京工业大学学报，2005，31（5）:461-465. XIA Y Q，HU Z J，ZHENG F.Research of infrasound signal before earthquakes［J］.Journal of Beijing University of Technology，2005，31（5）:461-465.（in Chinese）

［10］林琳，杨亦春.大气中一种低频次声波观测研究［J］.声学学报，2010，35（2）:200-207. LIN L，YANG Y C.Observation&study of a kind of low-frequency atmospheric infrasonic waves［J］.Acta Acustica，2010，35（2）:200-207.（in Chinese）

［11］任振球，李均之，曾小平.大地震临震预测的研究进展［J］.地学前缘，2001，8（2）:217-223. REN Z Q，LI J Z，ZENG X P.Research progress of impending earthquake prediction［J］.Earth Science Frontiers，2001，8（2）:217-233.（in Chinese）

［12］陈立春，王虎，冉永康，等.玉树MS7.1级地震地表破裂与历史大地震［J］.科学通报，2010，55:1200-1205. CHEN L C，WANG H，RANG Y K，et al.Yushu MS7.1 earthquake surface rupture and historical earthquakes［J］. Science Bulletin，2010，55:1200-1205.（in Chinese）

（责任编辑 杨开英）

Analysis of Abnormal Infrasound Signals in Different Regions

YANG Qingsheng，ZHANG Shaowei，XIA Yaqin，CHEN Weisheng
（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

The characteristics of the abnormal infrasound signals before the M≥7.0 earthquakes from 2002 to 2014 occurred in Vanuatu were studied in this paper by using infrasonic observation method.It is found that the waveforms is similar，and these waves occur in one groups with frequencies in a range of 0.001-0.005 Hz.Moreover，the characteristics of the abnormal infrasound signals of the M7.1 April 14，2010 Yushu Earthquake，the M7.0 April 20，2013 Yaan Earthquake，the M6.6 July 22，2013 Dingxi Earthquake and the M7.3 February 12，2013 Yutian Earthquake were analyzed.It is found that the abnormal infrasound signals have different waveforms in different regions.This research is contributed to study the relationship between the abnormal infrasound signals and the source of earthquakes，and it also has the certain practical significance in prediction of seismic source.

infrasound；abnormal signals；frequencies

TG 501

A

0254-0037（2016）02-0167-07

10.11936/bjutxb2015010063

2015-01-26

国家科技支撑项目（2012BAK29B00）；北京市教育委员会项目（JZ001111201401）

杨庆生（1962—），男，教授，主要从事地震预测方法方面的研究，E-mail:qsyang@bjut.edu.cn