关于地震仪资料中的异常信号，早在1974年Kanamori等^[1]就发现在1960年智利大地震前Pasadena长周期应变地震计所记录的在主震15 min前到达的长周期波；尹亮等^[2]发现汶川地震前4 d起成都台地震仪特殊连续的脉冲式异常现象。前人研究表明，地震仪信号中存在具有前兆信息的可能性，对其进行异常的研究是可行的，但目前关于地震仪数据中的异常信号研究较少，且为局部台站或单点台站的结果。

本文以2008-05-12汶川M_S8.0地震前的连续波形资料为研究对象，选取震中距800 km范围内所有地震仪台站在震前40 d的记录资料进行分析，对其中可能存在的震前异常信息进行研究。

1 资料分析方法

按照震中距800 km的选取原则，在其范围内有218个地震台站，其中可提供波形数据的台站数为187个，排除存在仪器异常的台站后可用台站数为169个。除成都台(SC.CD2)只获得了震前10 d的数据外，其余台站均获得了震前40 d的数据^[3]。区域台大部分为宽频带地震计，带宽为60 s~50 Hz，国家台大部分为甚宽频地震计，带宽为120 s~50 Hz，同时也有超宽频地震计，带宽为360 s~20 Hz。数据包含北南、东西和垂直3个分量的信息，最高采样率为10 Hz。为了尽可能不遗漏信息，本文主要关注对最原始数据的直接分析。具体操作为：用SAC(seismic analysis code)软件对数据进行处理，对每个台站的三分量波形数据以1 d为单位进行成图输出，共6 000多张波形结果。在此基础上对可能的异常信号进行目视识别，识别出明显区别于背景噪声、人工干预和地震事件等常见信号的其他异常信号。对异常信号进行振幅、出现时间、持续时间等信息拾取，另外采用最大熵谱估计方法(MEM)进行时频特征分析。

2 震前异常信号

本文发现震前两类比较明显、波及范围较大的异常信号，按照信号形态称之为纺锤状异常和突跳异常。

2.1 纺锤状异常

169个台站记录的连续波形资料中，发现众多台站都出现了一种明显的震前异常信号。出现异常信号台站数高达106个，占63%左右，其分布如图 1(a)所示，异常形态特征如图 2所示。可以看出，各台站所记录的异常形态颇为相似，波形特征都为明显的逐渐加粗，到达峰值后又逐渐衰减，从包络线来看呈纺锤状形态。各台站异常出现的时间具有较好的一致性，都在2008-04-18 09:00左右开始，在2008-04-20 08:00左右结束，持续时间为2 d左右，大概对应汶川地震前20多天的时间。

对纺锤状异常信号的振幅和持续时间进行统计，如图 3所示。由图 3(a)可以看出，各台站所记录的该类异常的振幅主要集中在700 ~1 700 count范围内；由累积概率曲线可以看出，80%的异常波形振幅在1 700 count以内。由图 3(b)可以看出，此类纺锤状异常的持续时间大多集中在130 000~180 000 s，大概对应1.5~2 d；持续时间的平均值约为42 h。

时频分析设置滑动数据窗的长度为100 s，滑动间隔为10 s，结果显示(图 4)，各台站三分量都出现的纺锤状异常具有相同的优势频率，各台站不同分量异常信号的频率都在0.2~0.3 Hz范围内，在0.23 Hz左右能量最强。

图 5给出了异常起始时间与汶川地震震中距的关系，可以看出起始时间随震中距分布比较分散，并没有表现出明显的规律。

2.2 突跳异常

第二类较明显的异常波形为尖脉冲突跳形态，向上与向下突跳均可见，多数基本对称，从形态上称此类异常为突跳异常(图 6)。该异常信号多在北南和东西分量出现，在垂直分量较微弱或不出现。对异常台站进行统计分析发现，出现该类突跳异常的台站数占总台站数的15%左右(图 1(b))。

图 7给出了突跳异常信号振幅和持续时间的统计结果，可见突跳异常幅度大多在±2 000 count左右，在振幅2 000 count左右的累积概率高达90%(图 7(a))；其持续时间在1 000~3 000 s的范围内，大概对应15~50 min的范围，90%左右的异常持续时间都在3 000 s以内(图 7(b))。

时频分析设置滑动数据窗的长度为2 s，滑动间隔为1 s，可见该类异常向下突跳和向上突跳信号的频率保持一致，优势频率在0.4 Hz以下，在0.1 ~0.2 Hz左右能量最强(图 8)，且不同台站的突跳异常频谱特征具有一致性。

图 9给出了突跳异常振幅绝对值与地震震中距的关系，可以看出，突跳振幅随震中距离的增加有明显的减小趋势。对数据进行拟合显示，这种衰减趋势符合负指数衰减规律。

3 异常分析 3.1 纺锤状异常分析

杨又陵等^[4]在2001-11-14昆仑山口西M8.1地震前观测到了宽频带数字地震仪记录的缓慢运动事件，其波形特征为：波动逐渐增强-达到高峰-缓慢衰减，与纺锤状相似。在2009-03-19汤加M_W7.6大地震前16 d，全国数十个台站宽带地震仪资料也不同程度地记录到了“震前扰动”现象，其波形形态也与纺锤状相似^[5]。关于上述扰动的成因机制多被称为具有地震前兆意义的前驱波信号，可能是由临震预滑或者临界、亚临界破裂所导致。傅容珊等^[6]认为汶川大地震前宽带地震仪记录到的低频异常颤动最有可能是在此期间的西太平洋02号“威马逊”强台风激发的脉动异常。

本文纺锤状异常信号的起始时间没有随震中距的增加或减小有明显的规律，因此从该方面似乎不支持纺锤状异常与地震发生之间存在关系。出现纺锤状异常的台站数很多且出现时间具有高度的一致性，而在其出现的时间段内同时也有台风发生，即2008-04-15~04-20浣熊台风。本文纺锤状异常振幅最大值出现时间与台风的两次登陆事件在时间上具有重合性；随着台风的结束，各台站的纺锤状异常能量也逐渐衰减直至消失。

为了进一步分析纺锤状异常的空间特征，对异常起始时间与台站距浣熊台风距离之间的关系进行分析。由于台风轨迹随时间变化，因此选取2008-04-18 00:00台风最大风速的位置(16.7°N，111.6°E)为台风源。如图 10所示，纺锤异常起始时间表现出明显的趋势性变化，即离台风源近的台站先接收到异常信号，离台风源远的台站后接收到异常信号，这反映了纺锤状异常的出现具有由东南向西北传递的特点。可见，纺锤异常的空间出现特征与浣熊台风有关。

3.2 突跳异常分析

杨立明等^[7]对几种常见干扰源的频谱特征进行了研究，得出人工爆破的优势频率为2 ~8 Hz，塌陷的优势频率为2 ~4 Hz，汽车干扰的优势频率为15 ~20 Hz，雷雨的优势频率 < 0.05 Hz。本文发现的突跳异常的优势频率为0.1~0.2 Hz，因此在频率上可以排除上述几种干扰的可能性。从前述来看，突跳振幅随震中距的增加呈明显的衰减，其支持突跳异常的出现可能与地震有关。另外，对震后两个月的突跳异常出现进行分析发现，震后该异常的出现明显减少(图 11)，可见其出现在时间上与地震的发生也具有相关性。该突跳异常不受环境或人为干扰因素的影响，且突跳振幅随震中距增加明显减小，并在震前集中出现，震后出现频次明显减少，本文认为其为具有前兆意义的震前异常信号。

突跳异常可能较符合目前较新的前兆解释——孤立波信号的特征。Hokstad^[8]添加了两个非线性项和频散项，构造了新的声波方程，得到孤立子解(图 12(a))。也可以利用交错网格有限差分的方法获得孤立子速度量纲的数值解，进一步可以获得位移解。一正一反的两个孤立子解组合即可得到孤立波形态(图 12(b))。

Sharon等^[9]对钠钙玻璃进行拉张力学实验发现在张性裂纹扩展受阻时可以产生孤立波; Sagy等^[10]对岩石中碎裂屑锥的野外分析也支持上述观点。这些结果表明，孤立波的存在同样可能适用于地壳介质。

对比本文的突跳异常和孤立波信号发现二者波形特征十分相似(图 6和图 12(b))，且孤立波信号来源于裂纹扩展的过程，因此不排除在孕震的复杂过程中会出现形似孤立波的非线性异常信号。因此，从波形特征和形成机制两方面均支持突跳异常可能具有震前孤立波属性。

4 结语

对2008年汶川8.0级地震震中距800 km范围内169个地震仪台站在震前40 d的连续波形资料进行分析，探讨可能存在的震前异常信号，得到以下几点结论：

1) 地震连续波形资料中包含较丰富的信息，发现两类比较明显、影响范围较大的震前异常信号，按照信号波形形态称之为纺锤状异常和突跳异常。

2) 纺锤状异常在大约63%的台站中出现，持续时间为1.5 ~2 d，振幅的绝对值大多在1 700 count之内，优势频率集中在0.2~0.3 Hz。

3) 突跳异常在大约15%的台站中出现，南北分量出现较多，持续时间大多在2 000~3 000 s，振幅大多在±2000 count，优势频率集中在0.1 ~0.2 Hz。

4) 纺锤状异常可能是由台风引起的地震仪波动。突跳异常为具有前兆意义的震前异常信号，其可能较符合孤立波信号的特征。

致谢 感谢甘肃省地震局张掖中心地震台尹亮高级工程师对本研究提供的帮助，感谢中国地震局地球物理研究所国家数字测震台网数据备份中心为本研究提供的地震波形数据。