在地震与固体潮台站的日常监测中，常有异常 “脉动"信号叠加在固体潮曲线上^[1].相对于固体潮现象，它是一种高频信号，信号的周期从几秒至小时都有，较地震波的持续时间长，可达若干小时甚至几天.这些“脉动"可能是由慢地震､断层的慢滑动､非火山震颤､间歇性震颤((episodictremor)､低频率地震､热带气旋等多种地球物理现象产生^[2-11]，是近年来国际地学研究的新热点和焦点.又因一些“脉动"信号常与强地震相伴随，使人们对地震预测的突破充满了期待和憧憬.因此，在我国的实际地震前兆监测和预测工作中，亦被称之为“前驱波"､“静地震"､“长周期事件"和“相关脉动"等^[12-14].并将其作为一种“短临异常"或“短临前兆"，开展了大量研究，取得了一些进展.显然，这类“脉动"信号的成因复杂，产生机理尚不十分清楚，而且信号较弱，异常“脉动"信号的形态常为“纺锤状"或“尾巴状"^[1].目前，实际的地震研究中对这类“脉动"信号的定义甚至称谓尚存在差异.相对于固体潮和地震计日常观测，可视其为一种噪声或异常.因此，这里统一称为震颤异常波^[15-16].

所谓地震前兆，顾名思义应该是指出现在地震之前，且与地震的发生有着物理关联的“异常".即异常现象､异常出现的时间及其物理性是判断地震前兆的客观标准，缺一不可.其中又以物理性最为重要，不可或缺，也是最为困难研究的.

地震监测台网中，重力､倾斜和应变等固体潮仪器和地震计最为相近，观测量具有相同的物理本质，观测信号的频段可相互重叠､自然衔接.用这些仪器一起观测，理论上可覆盖从地震波至固体潮频段的所有地震动信息.如果震颤异常波客观存在，则同一台站的上述观测仪器都应记录到，相互佐证，多次重复，相得益彰.为此，从2004年开始，华中科技大学 (Huazhong University of Science and Technology，缩写为HUST)地震与固体潮观测台站(引力与固体潮国家野外科学观测研究站)采用中国研制的 DZW 型重力仪､VS-1 型倾斜仪和JCZ-1 型超宽频带地震计等，对地震波至固体潮频段范围内的地震动信号进行监测､实验和综合研究.

强地震前观测到的震颤异常波，最典型和直观的例证有:Kizawa(1972)报道的日本东京气象研究所的GS-12重力仪记录到的1964年3月28日美国阿拉斯加M_s8.4和1964年6月16日日本新泻M_s7.5 地震前的“前驱波"信号^[17]，以及杨又陵等(2003)报道的新疆地震台网在2001年11月14日中国昆仑山口西M_s8.1地震前观测到的缓慢地震事件^[18]等. 2008年5月12日汶川M_s8.0强烈地震发生后，有学者即刻报道了他们在武汉的LacosteET-20重力仪发现的汶川大地震发生前两天出现的“重力扰动"现象，并推测其为一种短临异常^[19-20]，震颤异常波再度引起热议和关注^[21-23].值得注意的是，该“重力扰动" 还普遍出现在中国的宽频带地震计的观测记录中，但在中国其他固体潮台站却罕有发现.为什么会有这样的差异?HUST 台站的观测又如何? 震颤异常波是“偶发现象"? 还是“频发现象"? 在汶川 M_s8.0地震前有，其他时段是否有?不同原因引起的震颤异常波的特性和特征如何?震颤异常波与地震前兆的区别和关系是什么?如何真正实现固体潮台网和宽频带数字地震台网的互补､交融与联合，获取地震前兆，有效地服务于地震监测和预测?直面并回答这些问题，对揭示地震的复杂性､地震基础研究､地震前兆监测和地震预测等具有重要意义，可能是突破地震预测瓶颈的有效途径.本文详细描述和报道HUST 台站DZW 重力仪和VS-1倾斜仪多年来记录到的震颤异常波，并与宽频带数字地震计的观测进行对比和分析，从观测技术和信号处理等多种角度阐明固体潮台站观测的汶川地震前两天“重力扰动"的差异和原因，旨在正确认识和客观评价震颤异常波，科学地总结和反思汶川地震及其长期的观测资料，探讨地震及其前兆监测的有效方法和途径.其数据采集，是采用美国国家仪器公司(NI)的数据采集卡，在LabVIEW 软件平台上自行开发的具有 16通道模拟输入的数据采集､显示和存储系统^[24]，每通道的采样频率可达5Hz(实际中为了方便与地震监测中的固体潮观测相比较，只对整分值数据进行存储).而地震计的数据采集则采用英国Güralp 公司的CMG-DM24采集系统，并用其SCREAM4.1 软件进行观测数据获取､监测和存储，采样频率分别为200Hz和50Hz，同时存储了这两类数据.

HUST 台站位于校园内的山洞中，在同一块 2m×4m 的基岩台上，安装有DZW 重力仪和VS-1 倾斜仪(2004年7月安装和观测)，以及JCZ-1超宽频带地震计(2006 年1 月安装和观测).另外，还有 SSY-II水平石英伸缩仪､GK 水管倾斜仪和FP-1折叠摆倾斜仪等.台站固体潮观测的基本构成如图 1.

图 1

Fig. 1

图 1 HUST台站固体潮观测流程框图 Fig. 1 Flowchart of tidal observation at HUST station

地震监测的相应规范中，重力仪和倾斜仪等一直以固体潮作为主要观测信号和衡量台站观测质量的客观标准.因此，仪器研制者在仪器的输出部分，采用了两个二阶电路滤波器对观测信号做低通滤波.为了获得更丰富的地震信息，在仪器研制者的帮助下，我们对DZW 重力仪和VS-1倾斜仪的输出端口做了一些扩展.同时输出两组信号，一组只经过了第一级低通滤波器(LP1)，滤波常数小，输出信号包含有固体潮和丰富的“高频"信息;另一组则经过了两级低通滤波(LP2)，滤波常数大，输出信号和其他同型号的观测仪器一样，主要是清晰､光滑和稳定的固体潮，罕见有“高频"信息.图 2 给出了2005 年8 月HUST 台站DZW 重力仪和VS-1倾斜仪的固体潮观测曲线.

图 2

Fig. 2

图 2 HUST台站DZW和VS-1的固体潮观测(2005年8月1一31日) (a)重力仪LP1通道“b)倾斜仪(EW)LP1通道“c)倾斜仪(NS)LP1通道“d)重力仪LP2通道;(e)倾斜仪(EW)LP2通道^f)倾斜仪(NS)LP1通道. Fig. 2 Tidal observation curves by DZW gravimeter and VS-1 tiltmeter in HUST station (Aug. 1 一31，2005) (a)DZW(LP1);(b)VS-1 EW(LP1);(c)VS-1 NSCLP1); (d)DZW(LP2); (e) VS-1 EWCLP2); (f) VS-1 NSCLP2).

从图 2不难看出，DZW 重力仪和VS-1倾斜仪的LP2通道输出的信号主要是固体潮(图 2(d-f))，高频信号已被滤除，观测结果和国内同型号仪器的观测结果一致.而它们的LP1 通道则除了固体潮外，还有丰富的震颤异常波(图 2(a-c)).DZW 重力仪和VS-1倾斜仪观测到的震颤异常波等高频信号都来自于仪器的LP1 通道.此外，两个通道对固体潮信号的响应基本一致，对地震波的响应却有明显差异.

事实上，自台站观测以来，在DZW 重力仪和 VS-1倾斜仪的LP1通道输出信号中就不难发现有形态一致､呈“纺锤状"的震颤异常波，它是一种普遍存在和频繁发生的客观事实，与宽频带地震计的观测在持续时间和形态上完全吻合，相互印证^[1].往往无需任何数学处理，震颤异常波就直观呈现在固体潮观测曲线上.这些信号的强度大多较弱，持续时间约为1~3天，远远长于地震波的持续时间.研究表明:一部分震颤异常波由热带气旋引起^[11]，而其余的震颤异常波之后则往往有强地震发生.图 3 给出了2004/12/26 印度尼西亚苏门答腊西北近海 M_s8.9､2006/12/26 中国南海M_s7.2､2010/1/13 海地M_s7.3和2010/2/27智利M_s8.8等地震前，HUST 台站DZW 重力仪和VS-1倾斜仪的LP1通道在地震当月观测资料的高通滤波，其数据处理中采用的数字高通滤波器^[25]参数都相同.即同取Hamming- 1型窗口，截止周期为30min，窗口长度121min.结果反映了固体潮仪器对震颤异常波和地震波等“高频"信号的响应.显然，除热带气旋引起的震颤异常波外，强地震前也会出现震颤异常波.若以强震前的 10天作为统计的时间窗，HUST 台站的DZW 重力仪､VS-1 倾斜仪的LP1 通道和宽频带地震计的观测都一致表明，约80%以上的M_s7.0地震前都会发现有震颤异常波(亦即“前驱波").这种在DZW 重力仪和VS-1倾斜仪LP1 通道中的寻常现象，在其 LP2通道和其他台站的固体潮仪器中却罕有发现.

图 3

Fig. 3

图 3 强震前HUST台站DZW和VS-1观测的震颤异常波 (a，b，c，d)重力仪;(e，f，g，h)倾斜仪(EW) ;i，j，k，1)倾斜仪(NS);(a，e，i)2004-12-01—2004-12-31; (b，f，1)2006-12-01—2006-12-31; (c，g，k) 2010-01-01—2010-01-31;(d，h，1)2010-02-01—2010-02-28. Fig. 3 Abnormal tremor wave recorded by DZW gravimeter and VS-1 tiltmeter before strong earthquake (a)，e) and (i) are the records of DZW，VS-1 EW and VS-1 NS (Dec. 1-31，2004). (b)，f) and (j) are the records of DZW，VS-1 EW and VS-1 NS (Dec. 1-31，2006). (c)，g) and (k) are the records of DZW，VS-1 EW and VS-1 NS (Jan. 1-31，2010). (d)，h) and (1) are the records of DZW，VS-1 EW and VS-1 NS (Feb. 1-28，2010).

2008年5月12日14∶28 时，四川省汶川县发生了M_s8.0级强烈地震，造成极其巨大的灾难和损失.图 4 给出了HUST 台站DZW 重力仪和VS-1 倾斜仪的LP1 通道2008/1/1—2008/5/31 固体潮观测的高通滤波(数据处理所采用的滤波器参数同 图 3).

从从图 4不难看出，2008年1~3月，HUST 台站 DZW 重力仪和VS-1 倾斜仪观测到的持续时间在 1~3天的震颤异常波就有10多例，此间全球共发生 M_s7.0及以上的强地震5 次，分别为:2008/2/8 中大西洋海岭M_s7.3;2008/2/20､2008/2/25和2008/ 2/26印度尼西亚的苏门答腊地区M_s7.7､M_s7.6和 M_s7.0;以及2008/3/21新疆的于田县M_s7.3.而西太平洋和北印度洋并无台风发生，仅西太平洋有过一次热带风暴(01W，2008/1/13—1/16)(注:文中有关台风的信息和资料均来自http://weather.unisys.com/usgs/和http://www.typhoon.gov.cn/).

图 4

Fig. 4

图 4 2008年1月至5月HUST台站观测的震颤异常波(2008-01—2008-05) (a)重力仪LP1通道(b)倾斜仪(EW)LP1通道(c)倾斜仪(NS)LP1通道. Fig. 4 Abnormal tremor wave recorded in HUST station (Jan. 1～May. 31，2008) (a) DZWCLP1); (b)VS-1EW(LP1); (c)VS-1NS(LP1).

2008年4月1日至5 月12日汶川地震前，明显的震颤异常波就有3 例，对应的时间段大致为2008/4/ 7—4/13､2008/4/17—4/24 和2008/5/9—5/12，且 2008年4月观测到的震颤异常波的幅度均大于汶川地震前三天的“异常波动".这期间，除2008/5/12 的汶川M_s8.0地震外，全球M_s7.0及以上的强地震还有4 例:分别是2008/4/9 洛亚尔提群岛M_s7.3，2008/4/12麦夸里群岛地区M_s7.1，2008/5/2安德烈亚诺夫群岛M_s7.1 和2008/5/8 日本本州M_s7.0 等.此期间，西太平洋发生台风2 次(Neoguri(浣熊)，2008/4/14—4/19 和Rammasun(威马逊)，2008/5/7—5/12)，是西太平洋2008 年发生的1 号和2号台风.北印度洋发生台风1 次(NARGIS(纳吉斯)，2008/4.27—5/3)，是北印度洋2008年发生的1号台风.

如前所述，震颤异常波在HUST 台站的固体潮观测的LP1通道中是一种普遍出现和频繁发生的客观事实，但在LP2 通道中却极为罕见.图 5 给出了HUST 台站2008年4月DZW 重力仪､VS-1 倾斜仪的原始观测曲线.显然，HUST 台站的固体潮 LP1通道出现震颤异常波的时段分别为2008/4/ 7—4/13，称为震颤1;2008/4/17—4/24，称为震颤 2.其中，震颤1 出现期间，全球发生有两次7 级强震;震颤2出现期间，全球虽无7 级强震，但伴随有台风“浣熊".这些震颤异常波与JCZ-1 超宽频带地震计的观测在时间上非常吻合一致，相互印证，应为同一物理原因所致，具有同一来源.

图 5

Fig. 5

图 5 HUST台站DZW和VS-1的固体潮观测(2008年4月1～30日) (a)重力仪LP1通道(b)倾斜仪(EW)LP1通道(c)倾斜仪(NS)LP1通道; (d)重力仪LP2通道(e)倾斜仪(EW)LP2通道(f)倾斜仪(NS)LP2通道. Fig. 5 Tidal observation curves by DZW gravimeter and VS-1 tiltmeter in HUST station(Apr. 1 ～30，2008) (a) DZWCLP1) ; (b) VS-1EWCLP1) ; (c) VS-1NSCLP1) ; (d) DZWCLP2) ; (e) VS-1EWCLP2) ; (f) VS-1NSCLP2).

为了进一步比较和分析固体潮仪器对固体潮､ 震颤异常波和地震波等不同信号的响应特征，我们对DZW 重力仪和VS-1倾斜仪的LP1和LP2通道的观测数据做了频谱分析.图 6为对其2008年4月原始分钟观测值的FFT 对数均方谱.

图 6

Fig. 6

图 6 HUS丁台站固体潮观测的频谱(2008年4月1～30日) (a)重力仪LP1通道(b)倾斜仪(EW)LPl通道(c)倾斜仪(NS)LPl通道; (d)重力仪LP2通道(e)倾斜仪(EW)LP2通道(f)倾斜仪(NS)LP2通道. Fig. 6 丁he frequency spectrum of tidal observations in HUS丁 station (Apr.l～30，2008) (a) DZW(LPl) ; (b) VS-1 EW(LPl) ; (c) VS-1 NS(LPl) ; (d) DZW(LP2) ; (e) VS-1 EW(LP2) ; (f) VS-1 NS(LP2 ).

显然，DZW 重力仪和VS-1倾斜仪的LP1通道和LP2通道对固体潮等低频信号的响应是一致的，具有较高的信噪比;而对于震颤异常波和地震波等高频信号，两通道的响应则明显不同.其中，LP1 通道对高频信号的响应基本平坦､一致;而LP2通道对高频信号的响应则是随信号频率升高而衰减.这种差异是由仪器的电路滤波器和信号处理方法所致.图 7给出了HUST 台站观测的背景噪声信号､ 震颤1和震颤2的频谱特征.不难看出，震颤1和震颤2的频谱成分与背景噪声的频谱成分明显不同，震颤1主要包含有3~7s､10~20s和40~60s三种主要的频谱成分，而震颤2中却几乎只有3~7s 一种主要的频谱成分.这种不同的频谱特征可能反映了强震前的震颤异常波和热带气旋引起的震颤异常波有不同的特征，或有助于震颤异常波的“源"的探索和地震研究.

图 7

Fig. 7

图 7 背景噪声信号和震颤异常波的频谱特征 (a)背景噪声信号;(b)震颤1;(c)震颤2. Fig. 7 The frequency spectrum of noise signai and abnormal tremor wave (a) The spectrum of noise signal. (b) The spectrum of tremor 1. (c) The spectrum of tremor 2.

大量观测表明，诸多固体潮台站和仪器中，只有HUST 台站DZW 重力仪和VS-1倾斜仪的LP1通道才能经常观测到震颤异常波.为了揭示这种差异的根本原因，我们研究了DZW 重力仪和VS-1倾斜仪的传递函数和特性曲线^[26].事实上，固体潮仪器的传递函数总可表示为其机械部分和电路部分传递函数的乘积.DZW 重力仪和VS-1倾斜仪的机械部分均为一个弹性摆系，理论上可以将其简化成为一个二阶系统.两者共振周期相同，阻尼相同，则机械部分的传递函数相同.又这两种仪器采用了相同的电路设计，故电路部分的传递函数也完全相同.设 DZW 重力仪和VS-1 倾斜仪的机械部分､LP1 和 LP2输出的传递函数分别为T_LP0 (ω)､T_LP1 (ω)和 T_LP2(ω)，则其数学表达式可统一表示为

(1)

(2)

(3)

式中，K₁₁ =120;K₁₂ =100;K₁ =1000;K₂₁ =1.2; K₂₂ =0.16，K₂ =0.16.K₀ =10⁴ V·m^-1·s² 为摆系的静态灵敏度，其精确值可通过对仪器系统的标定和测试获得.K₀₁ = 4πξ/T₀ = 3.4976;K₀₂ = 4π2/T₀²=109.6623.其中ξ和T₀ 分别为摆系的阻尼系数和摆系在无阻尼情况下的共振周期.图 8 给出了DZW 重力仪和VS-1 倾斜仪的归一化幅频特性和相频特性曲线.

图 8

Fig. 8

图 8 DZW重力仪和VS-1倾斜仪的幅频特性(a)和相频特性(b) Fig. 8 Amplitude (a) and phase (b) features of DZW gravimeter and VS-1 tiltmeter

由式(1)不难得出，DZW 重力仪和VS-1 倾斜仪机械部分的阻尼系数和无阻尼的共振周期分别为 0.167和0.6s，阻尼很弱.在共振周期附近，其机械部分的幅频响应要远高于仪器的静态响应，输出与输入信号的位相差会发生突变.因此，固体潮观测仪器是可以同时观测到固体潮和震颤异常波等高频信息的.又由式(2)和(3)知，DZW 重力仪和VS-1 倾斜仪的LP1通道和LP2通道是两个低通滤波器，截止周期分别为7.5s和42.0s，两个通道具有不同的输出特性.这样，震颤异常波等高频信号就在LP2 通道的输出中被滤掉了，只出现在LP1通道的输出中.这正是DZW 重力仪和VS-1倾斜仪的LP1通道中同时有固体潮和震颤异常波等高频信号，而其 LP2通道和其他固体潮仪器只有固体潮的原因所在.

由式(1)不难得出，DZW 重力仪和VS-1 倾斜仪机械部分的阻尼系数和无阻尼的共振周期分别为 0.167和0.6s，阻尼很弱.在共振周期附近，其机械部分的幅频响应要远高于仪器的静态响应，输出与输入信号的位相差会发生突变.因此，固体潮观测仪器是可以同时观测到固体潮和震颤异常波等高频信息的.又由式(2)和(3)知，DZW 重力仪和VS-1 倾斜仪的LP1通道和LP2通道是两个低通滤波器，截止周期分别为7.5s和42.0s，两个通道具有不同的输出特性.这样，震颤异常波等高频信号就在LP2 通道的输出中被滤掉了，只出现在LP1通道的输出中.这正是DZW 重力仪和VS-1倾斜仪的LP1通道中同时有固体潮和震颤异常波等高频信号，而其 LP2通道和其他固体潮仪器只有固体潮的原因所在.证，但其特征频域与真实地面运动相互矛盾，明显失真，无法反映真实地面运动，说明这些信号只是客观真实现象在固体潮观测中的一种“混叠"或映射.要获得真实地面运动的特征频域，一种最简单方法就是提高LP1通道的数据采样率.然而，即使提高了 LP1通道的采样率，但由于仪器的相频特性在高频范围的非线性和很弱的阻尼系数，其高频信号也还是难以反映真实的地面运动，仪器也不是宽频带的. 若要应用DZW 重力仪和VS-1 倾斜仪等固体潮仪器进行宽频域地震动信号的监测和研究，则当仪器的阻尼系数ξ 的取值在0.6~0.8时才可获得最佳的性能特性，此时仪器的通带可从2.5 倍共振周期至零频.因此，降低固体潮仪器的共振周期和适当的仪器阻尼，才是宽频带固体潮观测仪器的关键所在.

从地震观测的角度，震颤异常波是一种来源复杂的地球脉动信号，其包络线大多呈“纺锤状"或“尾巴状"，持续时间约为1~3天，能被分布广泛的固体潮仪器和宽频带数字地震计频繁观测到.我国大多数固体潮台站罕能观测到震颤异常波，是因为其观测目标和衡量观测质量的标准主要是固体潮，因而对仪器采用了不同的传递函数和输出特性，滤除高频的地脉动信号和噪声，以保证对长周期固体潮信号测量的灵敏和精确，获得光滑稳定的固体潮曲线. 本文研究表明，剔除热带气旋(台风)过程引起的震颤异常波后，诸多“异常"过后往往还伴有强震发生，对应率较高.由西太平洋的热带气旋引起的震颤异常波的信号周期主要在3~7s范围，而强震前的震颤异常波的信号周期往往既有3~7s的成分，还包含10~60s以及更长的周期成分.这些现象和差异或许反映了不同原因的震颤异常波的特征和特性，能够帮助我们进一步认识和了解地震过程及其前兆.因此，依据中国地震台网的宽频带数字地震计和固体潮仪器(重力仪､倾斜仪等)，对震颤异常波进行综合观测和来源的研究是非常必要和迫切的.

固体潮观测与宽频带地震观测的本质相同，信息可以覆盖了从地震波至固体潮的宽广频域，两者在频域上自然衔接和延拓，是地震研究的重要基础. 它们的交叉､渗透､互补和综合，将有助于地震监测和研究的深入，推进地震相关领域的发展与进步.因此，固体潮仪器的传递函数与特性必须清楚，不应或缺.它可以拓宽视野，帮助我们明辨是非､去伪存真，获得新的发现.

地震及其前兆是复杂的，对震颤异常波的观测与研究，可以启示､修正､提升和完善我们对地震过程的科学认识，也可以探索和发现一些过去被“忽视"的，但很可能是深入认识地震和提高地震预测水平的核心关键，对未来地震科技发展和水平提高很有意义.