朱 杰

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

0 引言

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(朱传镇等，1997)，其振动幅值一般为几微米到几十微米(许建聪，2003)。地脉动信号主要由瑞利波构成，其能量分布集中于3个频率范围：0.03～0.1 Hz的第一类地脉动(单频信号，SF)，0.1～0.15 Hz的长周期第二类地脉动(长周期倍频信号，LPDF)以及0.17～0.25 Hz的短周期第二类地脉动(短周期倍频信号，SPDF)(Lee，1935)。

宽频带地震仪除了可记录地震事件外，还能时刻记录无地震时的地脉动信号。高广运等(2000)、简文彬等(2002)、许建聪和简文彬(2003)、许建聪等(2004)、黄蕾等(2009)、李平等(2013)以及林国良等(2019)利用地脉动测定场地卓越周期，进而把地脉动信号分析应用于震害分析、场地评价、场地类别划分等。另一部分学者则主要研究了大震前地脉动低频异常变化的特性，胡小刚和郝晓光(2008)、杨立明等(2009)、董蕾和杨立明(2012)研究发现汶川地震前，四川数字测震台网多个台站宽频带地震仪记录到的地脉动低频0.1～0.3 Hz段出现傅里叶谱幅值异常增大，并认为可能是低频波前兆异常；王梅德等(2014)研究了不同时空范围内3次MS7.0以上地震，也发现类似低频异常现象。

大洋上台风的扰动也会对地脉动低频段产生影响，夏英杰等(2011)运用单台法研究汶川地震前地脉动能量来源方位，认为其低频异常是由同时段太平洋上威马逊台风引起的；陈易平等(2017)和程威等(2018)研究了2001年昆仑山大地震，也认为其震前低频异常可能来源于台风扰动；胡小刚和郝晓光(2009)通过分析地脉动振幅变化与台风强度和路径的关系，认为汶川地震和昆仑山地震震前扰动可能与台风事件有关。为了进一步区分大震前地脉动低频异常的起因，尹亮等(2014，2016)研究了台风扰动和低频波前兆信息的频带区别，认为低频波前兆异常的可能频带范围是0.1～0.14 Hz，而强台风对地脉动的扰动频率范围是0.15～0.3 Hz；王梅德等(2015)分析了河南及邻区宽频带地震仪记录的大震前地脉动信号，也得出了类似的结果。

通过前人的研究可以知道，中强地震发生前地脉动低频段会出现一定的异常现象，而引起这一异常变化的因素较为复杂。本文利用云南数字测震台网昭通、巧家、盐津和东川台的宽频带数字记录，对2014年8月3日云南鲁甸地震前10天左右的地脉动信号进行分析，研究其在震前低频段是否存在异常，并进一步研究其能量来源。

1 宽频带数字资料分析处理

本文选取昭通台、巧家台、盐津台和东川台这4个距离鲁甸地震震中最近的台站的宽频带数字资料进行研究，各台相对震中位置如图1所示。其中，各台采用的地震仪如下：昭通台为CTS-1型，周期为120 s；巧家台为BBVS-60型，周期为60 s；盐津台为KS-2000M-60型，周期为60 s；东川台为KS-2000M-120型，周期为120 s。各台仪器的采样率均为100 SPS，奈奎斯特频率为50 Hz。分别选取2014年7月25日0时至8月4日23时4个台站的宽频带数字记录，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，本文采用小波分析滤除各台记录资料中的高频成分，保留并加强低频部分。采用Daubechies小波函数族中的DB4小波，分解重构层数为8层，每一层均强制剔除高频部分，最后用每一层的低频部分重构得到处理后的地脉动信号，取2014年7月27日14时的盐津台垂直向数据为例分析，如图2所示。

图1 2014年鲁甸MS6.5地震震中及台站位置图Fig.1 The map of the location of epicenter of Ludian MS6.5 earthquake in 2014 and stations

图2 原始信号与小波滤波后信号对比Fig.2 Comparison of the original signal with the signal after wavelet filtering

由图2可见，小波滤波后高频部分基本滤除，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。

1.2 宽频带数字资料分析

2014年8月3日16时30分云南鲁甸发生MS6.5地震，取2014年7月29日0时至8月2日23时震中附近昭通、巧家、盐津和东川4个台站的垂直向数据做能量谱密度时频图分析，如图3所示。

由图3可见，除盐津台在0.05～0.1 Hz段有明显的低频干扰外，其余3个台站的优势能量频率清晰可见，其频率段主要为0.1～0.25 Hz；7月29日0时至7月30日14时，0.1～0.15 Hz段和0.15～0.25 Hz段有分界带，这与Lee(1935)研究结论相符合，从图中可以看出长周期第二类地脉动以及短周期第二类地脉动。从7月30日2～10时开始，各台0.1～0.25 Hz频率段能量持续增大，至7月31日21时发生安达曼群岛6.0级地震，但能量不受影响一直持续增大，出现低频异常。为了进一步研究该异常特征，笔者选取2014年7月25日0时至8月4日23时各台的垂直向数据，去除地震干扰，以小时为区间做快速傅里叶变换，并选取低频波前兆异常的可能频带0.1～0.14 Hz(尹亮等，2014，2016)段数据，取每段数据包络线最大值做时序图(图4)。

图3 各地震台数据能量谱密度时频图Fig.3 Time-Frequency diagram of energy spectrum density for each station

图4 各地震台振幅最大值时序图Fig.4 Time series diagram of maximum amplitude for each station

由图4可知，在鲁甸地震发生前，低频地脉动异常可分为2个阶段：第一阶段从震前4.5天(112 h)左右开始，地脉动0.1～0.14 Hz段幅值开始持续增大，一直持续到震前约1.5天(37 h)，各台振幅由平静时的4～7 count，最大增大到15～27 count；第二阶段从振幅最大值、约震前1.5天开始，0.1～0.14 Hz段幅值急剧下降，下降到某一低值附近发生地震。4个台站低频地脉动异常变化具有一致性，其中，昭通、巧家、盐津台变化趋势较为集中，东川台变化趋势相对离散。由于震后有较多余震，地脉动幅值快速回升，并一直维持在相对较高的水平。后续分析显示震后一周内，地脉动噪声水平才逐渐恢复到先前平静时水平。各台地脉动低频异常变化具体如表1所示。

表1 各台地脉动低频异常变化Tab.1 Low-frequency anomalous variation of microtremors for each station

由表1可看出，第一阶段震中距较近的昭通、巧家台地脉动低频异常开始时刻早于震中距较远的盐津、东川台，同时持续时间也较长，震中距最远的东川台开始时刻最晚，持续时间也最短；第二阶段震中距较远的东川台地脉动低频异常开始时刻最早，各台持续时间大体相差无几，远台持续时间相对稍长。第一阶段昭通、巧家台地脉动异常增幅大体一致，盐津台受0.05～0.1 Hz段干扰影响，增幅最大，震中距最远的东川台增幅最小；第二阶段震中距最远的东川台地脉动异常降幅最小，其余各台降幅大体相当，其中震中距最近的巧家台，降幅稍小于昭通和盐津台。综上分析可以发现，震前地脉动低频异常可能是由一个从震中附近位置向四周扩散的能量引起，震中距越近，地脉动低频异常变化受该能量控制越强。

2 低频异常变化能量来源分析

云南地区的地脉动噪声源可能同时受到印度洋和北太平洋的影响(王伟涛等，2011)，2014年7月30日至8月11日，太平洋上主要生成了强热带风暴娜基莉(Nakri)和超强台风夏浪(Halong)，这2个台风虽然未登陆中国大陆，且距离云南地区2 780～3 100 km，但是强台风通过驻波理论仍然可以影响中国内陆深处的地脉动变化(胡小刚，郝晓光，2009)，所以需要对鲁甸地震前的地脉动低频异常能量源做分析，分析其是来源于台风还是震源区。

2.1 相关系数分析

通过前文对鲁甸地震前地脉动低频异常的分析发现，异常变化可能是受到来自震中位置附近能量的控制，接下来笔者通过相关系数法分析其能量来源。取7月30日0时至8月3日15时震中距为655.4 km的孟连台的地脉动资料，与昭通、巧家、盐津和东川台同时段资料做互相关，如果这一时段云南地区的地脉动异常变化能量是来源于台风，那么由于台风中心距云南地区较远，几个台站可以看做在一点位置，则各台间的相关系数应该在一个量级；如果这一时段地脉动异常变化能量是来源于震源区，那么震中附近的几个台站两两相关系数应该高于各台与孟连台的相关系数。具体分析见表2。

表2 各台地脉动异常变化相关系数Tab.2 Correlation coefficient of microtremors for each station

由表2可以看出，昭通、巧家、盐津和东川台两两相关系数量级为10-2～10-1，其中震中距最近的昭通和巧家台异常波形相关系数最高，为0.139 796，其余各台两两相关系数量级在10-2，而震中附近4个台站与震中距较远的孟连台两两相关系数量级为10-3～10-5，并且昭通和巧家台与孟连台的相关系数最低，分别为10-4和10-5。因此，各台异常变化的能量源应该是在近场区，位于昭通、巧家、盐津和东川台附近，并且距离昭通和巧家台最近。

2.2 单台法分析

目前确定地脉动信号源的方法有：聚束技术(Beamforming method)、振幅法、单台法(Polarization method)等。对于台站较少、分布稀疏的情况，单台法具有很好的适用性。单台法的原理是通过对单个台站2个正交的水平分量进行旋转，寻找振幅最大的方向，从而确定信号的能量来源方向。由于地脉动信号主要是由瑞利波组成，水平分量的能量最强，这就保证了单台法的实用性。

地脉动出现峰值时的信号长度为T0-T1，由快速傅里叶变换FFT得到NS向和EW向振幅序列，然后分别在f1～f2频率范围求和，得到振幅和值：

(1)

式中：N和E分别为NS和EW向振幅序列和值；un为NS向信号；ue为EW向信号；ei2πft为FFT的一个基本信号，f是频率，t是时间，其中2πf=ω，w为角频率。

设震源的方位角为φ，则N和E沿该方位角方向的矢量和为：

I=|Ncosφ+Esinφ|2

(2)

当I取最大值时的φ所对应的角度即为地脉动源相对于台站的方位角。

依据上述原理，可以分别估算出地脉动低频异常变化的源区相对于各台站的方位角。因为瑞利波主要沿大圆路径传播，所以不同台站确定出最大扰动能量来源方位沿着大圆路径的交汇处便是其源区(程威等，2018)。取各台2014年7月29日0时至8月2日23时出现低频异常变化时间段的数据，分别以小时为间隔，求出0.1～0.14 Hz各台低频异常能量来源，如图5所示。

图5 各台低频异常能量方位(°)Fig.5 Low-frequency anomalous energy azimuth for each station(°)

由图5可以看出，昭通台、巧家台最大扰动能量来源方位相对清晰集中，指向性强，易于直观辨认；盐津台、东川台最大扰动能量来源方位较为分散，最大扰动幅值与一般干扰幅值相差不大。各台低频异常能量来源情况如下：昭通台主要在方位角171°～175°，位于台站西偏南71°；巧家台主要在方位角298°～302°，位于台站东偏北30°；盐津台主要在方位角136°～150°、196°～210°，位于台站西偏南46°、东偏南60°；东川台主要在方位角256°～260°、346°～350°，位于台站东偏南10°、东偏北80°。

由以上分析可以看出，昭通台西偏南71°、巧家台东偏北30°、盐津台西偏南46°、东川台东偏北80°，大致相交于鲁甸地震震源区；而盐津台东偏南60°、东川台东偏南10°大致相交于南太平洋某区域，可能与同时间段的超强台风夏浪(Halong)有关。从以上分析可看出，震中距较近的台站能量来源较为清晰，指向性较单一，震中距较远的台站能量来源较复杂，指向较为分散。

2.3 单台法可靠性分析

单台法假定地脉动信号主要是瑞利面波，当来自某个方向的地脉动信号比背景信号强很多时，可以观测到瑞利面波独有的竖向和径向90°相位差。因此通过分析地脉动信号的竖向和径向相位差，可以评估单台法定位结果的可靠性。

选取源的方位角φ为173°，取2014年8月1日昭通台地脉动低频异常时间段的数据计算竖向和径向的相位差φH-φZ。图6为0.1～0.14 Hz段统计结果，昭通台的相位差主要集中在260°～270°，信号存在明显的瑞利波面波特征，说明单台法定位结果具有可靠性。

图6 昭通台地脉动竖向与径向相位差统计Fig.6 Statistical analysis of vertical and horizontal phase differences of microtremors for the Zhaotong station

3 结论

本文利用2014年8月3日鲁甸MS6.5地震前10天云南数字测震台网昭通、巧家、盐津和东川台的宽频带数字资料，采用相关系数法、单台法等，研究了震前区域地脉动低频异常现象及其能量来源，得到以下结论：

(1)鲁甸地震前，震中附近昭通台、巧家台、盐津台和东川台出现低频地脉动前兆异常，4个台站低频异常具有一致性。

(2)各台异常主要分为2个阶段：第一阶段为震前112 h左右，0.1～0.14 Hz频段包络线最大值逐渐升高，第二阶段为震前37 h左右，包络线最大值急剧下降，下降至某一低值时发生地震，之后又快速回升。

(3)各台低频异常第一阶段持续时间在58～81 h，第二阶段持续时间在30～37 h，第一阶段最大幅值约为平静时4.2倍。

(4)震中附近各台地脉动异常变化相关系数量级大于同时段远台波形相关系数，同时单台法显示各台地脉动异常变化能量来源相交于震源位置附近，所以可以认为该震前地脉动低频异常为震源区引起，排除台风干扰。

(5)该异常变化能量或与震中距有关，震中距较近的台站受该能量控制较强，异常变化第一阶段持续时间长，能量来源指向性强，且总体呈现为由震源区向四周扩散的趋势。