楊慶生，張少偉，夏雅琴，陳維升

（北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）

不同地域震前次聲波異常信號的分析

楊慶生，張少偉，夏雅琴，陳維升

（北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）

利用次聲波觀測方法，分析了2010-01—2014-06發(fā)生在瓦努阿圖地區(qū)的M≥7.0級以上地震震前次聲波異常信號特征，發(fā)現(xiàn)其波形類似，呈多組分布，頻譜分析結(jié)果顯示其能量主要集中在0.001～0.005 Hz.同時，對中國發(fā)生的2010-04-14玉樹M7.1級地震、2013-04-20雅安M7.0級地震、2013-07-22定西M6.6級地震和2014-02-12于田M7.3級地震震前次聲波異常信號進行了波形及頻譜分析，并與瓦努阿圖地震前接收到的次聲波異常信號對比發(fā)現(xiàn)，不同地域的地震，其震前次聲波異常信號特性不同.這有助于研究震前次聲波異常信號與震源地理位置及地質(zhì)條件之間的關(guān)系，對次聲波方法預(yù)測震源有一定的實際意義.

震前次聲波；異常信號；頻率

大地震前次聲波異常信號特征各不相同.2010年，Xia等［8］通過對震前次聲波信號的長期觀測，將這種次聲波信號進行了分類:第1類波形光滑，頻率單一，正、負(fù)方向振幅相當(dāng)，以一組或多組的形式出現(xiàn)，每一組波的數(shù)目一般為3～7個，有效信號的持續(xù)時間為幾百秒到幾千秒；第2類由一種或多種主頻率的波組成，波形較復(fù)雜，有效信號的持續(xù)時間長達(dá)幾萬秒；第3類以單向脈沖信號的形式出現(xiàn)，周期在1 000 s左右，持續(xù)時間約數(shù)千秒.

利用震前次聲波異常信號可以預(yù)測發(fā)震時間和震級，目前還無法判定震源位置［9］.本文對瓦努阿圖地區(qū)和中國發(fā)生的幾次地震從不同震源地和次聲特性方面做了分析，對研究震前次聲波特性和震源判斷提供新的參考.

1　次聲波觀測系統(tǒng)

次聲波觀測系統(tǒng)是由次聲傳感器和記錄儀組成，如圖1所示.傳感器選用CC-1T型電容式次聲傳感器，探測靈敏度為0.01 Pa，頻響為0.2～200 s，動態(tài)范圍80 dB.記錄儀選用InSYS2008型數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)傳輸儀，儀器的總功耗＜5 W；能夠連續(xù)傳輸24 h，無丟失數(shù)據(jù)、無死機現(xiàn)象，且傳輸誤碼率為0.

2　瓦努阿圖地區(qū)震前次聲波異常情況分析

以美國地質(zhì)調(diào)查局提供的地震目錄為數(shù)據(jù)源，2003-01到2014-06全球共發(fā)生200余次M≥7.0級地震，90%以上發(fā)生在環(huán)太平洋地震帶.位于南太平洋地區(qū)的瓦努阿圖是地震多發(fā)地區(qū)之一，平均每年都會發(fā)生2～3次M≥7.0級地震，且震源位置集中在同一區(qū)域，這對研究震前次聲異常信號和震源位置提供了良好的條件.次聲觀測點位于北京工業(yè)大學(xué)地震研究所（39.87°N，116.48°E），震源區(qū)為瓦努阿圖首都維拉港為中心方圓100 km的區(qū)域（17.45±10°S，168.18±10°E）.震源區(qū)域在觀測點東偏南約45°方向，相距約8 000 km.

瓦努阿圖位于南太平洋板塊與印度-澳大利亞板塊俯沖帶上，所屬島嶼地震頻發(fā).且該俯沖帶上每年發(fā)生7級以上地震數(shù)次，是理想的次聲波與地震關(guān)系研究的試驗場地之一.

2004-12-26印尼蘇門答臘M9.1大地震前次聲波異常信號和2008-05-12汶川M8.0地震前次聲波異常信號［10］，如圖2所示.可以看出，蘇門答臘地震的信號波形清晰干凈、信號持續(xù)時間短，相比之下，汶川地震的信號連續(xù)波動，明顯疊加有高頻成分，信號持續(xù)時間長.大量震前次聲波異常信號的分析證明異常頻段在10-3Hz量級［11］.

采用美國地質(zhì)調(diào)查局公布的地震目錄，以2003-01至2014-06瓦努阿圖地區(qū)的M≥7.0級地震為研究對象，統(tǒng)計了該區(qū)域震前次聲波異常情況與地震的對應(yīng)關(guān)系，見表1.該時間段瓦努阿圖地區(qū)共發(fā)生M≥7.0級地震14次，其中11次于震前接收到次聲波異常信號.從異常信號幅值上來看，每年10月至次年5月接收到的異常信號的幅值均超過1 000 mV，而6—9月異常信號幅值偏小.從表1中可以看到，2007-08-02和2010-08-10以及2011-09-04發(fā)生的地震都沒有收到異常信號，而2007-09-02震前收到的異常信號幅值只有800 mV，2011-08-21震前收到的異常信號幅值甚至只有493 mV，根據(jù)多年的經(jīng)驗，北京6—9月空氣濕度大、氣溫高，次聲波能量削減較大，次聲信號幅值在該時段偏小［7］.從異常信號出現(xiàn)的時間與地震發(fā)生時間來看，時間間隔多在15 d以內(nèi)，平均7.9 d，圖3為次聲波異常信號出現(xiàn)和地震發(fā)生時間間隔圖，可以看出時間間隔多集中在8 d左右.

表1　2003-01—2014-06瓦努阿圖地區(qū)M≥7.0級地震震前次聲波異常信號表Table 1 Abnormal infrasound signals before M≥7.0 earthquakes in Vanuatu from 2003-01 to 2014-06

2.1時域分析

針對倉內(nèi)刮板機尾的斷鏈保護接近開關(guān)，重新設(shè)計安裝了支架，如圖1所示。在刮板箱兩側(cè)用角鋼搭起支撐固定探頭的架子。制作一副簡易的鉸鏈，鉸鏈一頭與扁鐵相連，另一頭固定在探頭架前。調(diào)整好扁鐵在自重狀態(tài)下的位置，使其在正常下垂?fàn)顟B(tài)下可以觸發(fā)探頭，測量信號。調(diào)節(jié)扁鐵長度，使其剛好可以觸碰到上層錨鏈的刮板。在開機過程中，由于上層錨鏈的擊打，使扁鐵來回擺動，不斷觸發(fā)測量信號。上位機檢測到刮板運行狀況。改用這種結(jié)構(gòu)后，徹底解決了機尾接近開關(guān)積煤以及機尾竄動致使開關(guān)誤動作等問題。

對應(yīng)表1中的地震分布，圖4給出了瓦努阿圖地區(qū)的幾個震前異常次聲信號波形圖.這些次聲波異常信號均出現(xiàn)在瓦努阿圖區(qū)域M≥7.0地震震前15 d以內(nèi).可以看到，這些異常信號波形不同于2004-12-26印尼蘇門答臘M9.1大地震前次聲波異常信號和2008-05-12汶川M8.0地震前次聲波異常信號［8］，而是呈現(xiàn)出了一定的特性:由頻率單一的波成組出現(xiàn)，由一組或多組組成，持續(xù)時間根據(jù)異常波形組在時間軸上的寬度可達(dá)幾千秒到上萬秒.圖 4中，（a）（c）（f）由一組異常信號組成，（b）（d）（e）均由多組信號組成，以圖4中（a）（e）為例說明:（a）給出了2010-05-28瓦努阿圖M7.1地震前10 d（5月18日）01:28:59—05:28:59時段接收到的次聲波信號圖，異常波形出現(xiàn)在3點至4點，持續(xù)了約1 h，幅值出現(xiàn)在3點30分左右，為2 595 mV；（e）為2013-02-06瓦努阿圖M8.0地震前14 d（1月23日）13: 08:28—17:09:28時段的次聲波信號圖，共出現(xiàn)了3組異常信號，持續(xù)了約4 h，幅值出現(xiàn)在14點45分左右，為1 793 mV.

2.2頻域分析

為了進一步得到瓦努阿圖地區(qū)地震的頻率特性，對圖4中的次聲信號做了頻譜分析，如圖5所示.從整體能量分布來看，這些信號的能量主要集中在0.001～0.005 Hz，為典型的震前次聲異常信號.從各個頻譜圖的能量分布來看，由一組異常信號組成的波形圖頻譜特征與由多組異常信號組成的波形圖頻譜特征不同.單組信號如圖中（a）（c）及（f），可以看出，其能量分布較為集中；而多組信號如（b）（d）（e），由于受到多個主頻疊加作用，能量分布較為分散.同樣以圖5中（a）（e）為例說明:（a）出現(xiàn)了3個主峰值，分別在0.001 5、0.003、0.004 Hz附近，其余頻段能量則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主峰值，圖形呈柱狀分布，說明主頻較為單一；（e）中雖然在0.001 5 Hz附近也有明顯的峰值，但峰值并不明顯，圖形呈折線分布，說明其由多個主頻率疊加而成.

對圖4（e）的震前次聲信號進行分拆，提取出14:10—15:10的信號，并進行頻譜分析，如圖6所示，可以看到將多組異常信號中的一組提取出來單獨進行頻譜分析后，其能量分布圖與單組的類似，這說明多組異常信號頻譜圖上能量分布是由單組疊加的結(jié)果.

3　中國大陸地區(qū)M≥6.5級震前次聲波分析

2010-01至2014-06期間，中國大陸地區(qū)發(fā)生了4次破壞性較大的地震，分別是2010-04-14玉樹M7.1級地震、2013-04-20雅安M7.0級地震、2013-07-22甘肅定西 M6.6級地震和 2014-02-12于田M7.3級地震.這些地震對人民財產(chǎn)和生命安全造成了巨大的損失，對其分析研究有著重要的意義.

青海位于由印度板塊與歐亞大陸板塊持續(xù)擠壓而形成的青藏高原的東北部，而這次地震的震中位于兩大板塊交匯處北部的數(shù)百公里.玉樹地震與汶川大地震具有相同的孕育機制［12］.印度板塊與歐亞大陸板塊持續(xù)的相對運動導(dǎo)致其交匯處的地殼變厚并隆起.美國地質(zhì)調(diào)查局報告顯示，這種地殼變化和阿爾泰山脈與昆侖山脈的走向滑移斷層活動一并成為這次地震的主要成因.

雅安地震震源距離雅安市市區(qū)33 km，位于龍門山前緣構(gòu)造帶南段.龍門山斷裂帶位于青藏高原東緣，該斷裂帶上地震多發(fā)，2008年的汶川大地震即在距離蘆山縣北部大川鎮(zhèn)僅69 km處發(fā)生.雅安地震為“逆沖型地震”，破裂特征與汶川大地震非常相似，美國地質(zhì)勘探局認(rèn)為雅安地震是汶川大地震的一次余震.

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心的資料顯示，岷縣地震發(fā)生在臨潭—宕昌斷裂帶附近（距離小于14 km）. 1900年以來，震中附近100 km范圍內(nèi)曾發(fā)生8次5級以上地震.

2014年2月12日新疆維吾爾自治區(qū)于田縣發(fā)生了M7.3級地震，根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心的資料，其發(fā)震斷裂為阿爾金斷裂帶西南段的貢嘎錯斷裂帶.于田地震是在青藏高原向北東運動背景下左旋走滑的阿爾金斷裂向南西端擴展的結(jié)果.

上述4次地震，屬于不同的斷裂帶構(gòu)造地震，但從地殼板塊上來講，均屬于亞歐板塊和印度洋板塊相互作用的結(jié)果，震源地均處于青藏高原邊緣地帶.位于北京工業(yè)大學(xué)的次聲波觀測系統(tǒng)，在上述4次地震發(fā)生前均監(jiān)測到了次聲信號異常，表2對其做了震前次聲波信號異常情況的分析.

表2　2010-01—2014-06中國大陸地區(qū)M≥6.5級震前次聲波異常信號表Table 2 Abnormal infrasound signals before M≥6.5 Earthquakes in China from 2010-01 to 2014-06

3.1時域分析

對應(yīng)表2中的震前次聲異常情況，圖7、8分別給出了這4次地震的次聲波信號圖和頻譜分析圖.由圖7可知，這些信號圖與瓦努阿圖地區(qū)震前接收到的次聲波信號明顯不同，這些異常信號多由單個高振幅脈沖的形式出現(xiàn)，如圖7（b）中幅值超過了2 500 mV.其持續(xù)時間也較短，一般為幾百秒.也有的異常信號會由好幾個脈沖組成，如圖7（a）所示，出現(xiàn)了多個脈沖，信號持續(xù)時間也相應(yīng)增大，與2008-05-12汶川地震前接收到的異常信號類似，這與陳立春［12］關(guān)于玉樹地震與汶川大地震具有相同的孕育機制的結(jié)論形成了很好的對應(yīng).

3.2頻域分析

圖8為這4次地震的震前次聲波頻譜圖，從能量分布來看，能量多集中在0.001～0.005 Hz，與瓦努阿圖地震情況類似，由圖8可知，呈鋸齒狀分布，說明均由多個主頻疊加而成，與瓦努阿圖的情況不同.

4　討論與結(jié)論

1）瓦努阿圖區(qū)域面積相對來說較小，大地震頻發(fā)，是研究地理位置與地震關(guān)系的理想?yún)^(qū)域.通過多年來對該區(qū)域地震與次聲波信號的研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)M≥7.0級地震震前次聲波異常信號存在一定的規(guī)律性:異常信號成組出現(xiàn)，由一組或多組構(gòu)成，持續(xù)時間根據(jù)異常信號組的多少長短不一，最長可達(dá)數(shù)小時，即上萬秒.頻譜分析的結(jié)果顯示，該區(qū)域震前次聲波能量主要集中在0.001～0.005 Hz，屬于典型的震前次聲波異常信號.從能量分布圖上看，單組異常信號能量呈柱狀分布，而多組出現(xiàn)時能量分布由于頻率疊加呈不規(guī)則折線形分布.

2）中國內(nèi)陸地區(qū)震前次聲波異常信號多呈單個高振幅的脈沖形式出現(xiàn)，持續(xù)時間較短，多為異常的單個脈沖的周期，一般為幾百秒.而頻譜圖上顯示，能量分布區(qū)域與瓦努阿圖的情況類似，多集中在0.001～0.005 Hz，但能量分布圖與后者不同，呈鋸齒狀分布，說明其由多個主頻疊加而成.

3）通過中國大陸地區(qū)震前異常次聲波和瓦努阿圖地區(qū)的震前次聲波對比發(fā)現(xiàn)，在不同的地質(zhì)構(gòu)造條件下，震前次聲波的波形圖和能量分布存在一定的區(qū)別，這對利用次聲技術(shù)判定震源位置，有著極大的意義.

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（責(zé)任編輯 楊開英）

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

國家科技支撐項目（2012BAK29B00）；北京市教育委員會項目（JZ001111201401）

楊慶生（1962—），男，教授，主要從事地震預(yù)測方法方面的研究，E-mail:qsyang@bjut.edu.cn