地球表层时刻存在的非地震引起的微弱振动，在一般情况下，任何时刻在地球表面的任何地点均可以用高灵敏度仪器观测到这种振幅很小的微弱振动，我们将这种人体难以察觉的微小振动称为地脉动(许建聪，2003)。地脉动具有丰富的地球物理信息，是多年来地震学家们的研究对象，涉及地震监测预报有：①把地脉动信号认为是记录地震信号时的一种干扰，研究其频谱等特征，设法避免或消除，以更有效地识别、提取地震信号；②将地脉动作为一种接近白噪声的信号，对地震仪器的性能、状态等进行监视；③认为地脉动记录低频成分中包含地球物理信息、大气物理信息及一定孕震信息(朱传镇等，1977；陈化然等，1988；杨又陵等，2004；杨立明，2009；胡小刚, 2009, 2010；尹亮，2014)。无论基于何种目的的研究，数字地震观测包含的非地震事件记录中所蕴含的干扰信号，如热带气旋、海浪、天文潮、降水等，不仅加大了提取地震信号的难度，更是与低频孕震信息叠加，给识别地震前兆异常带来很大困难。

海南岛属于亚热带海洋性气候，素来有“台风走廊”之称，由于其特殊的岛屿与气候环境，热带气旋、海浪、降水等自然因素，势必影响海岛数字化地震监测台网的观测数据。因此，从频率域角度认识和了解地脉动日常信号中源于自然因素的干扰信号特征很有必要，为有效提取地震信号及进一步识别地震前兆异常奠定基础。

海南省数字地震台网“九五”期间建立8个地震台，通过“十五”扩建和改造升级，该台网台站增加到24个(图 1)。海南岛屿面积小，地震台网四面环海，大多台站距离海岸线不超过50 km，距海岸线最远的琼中地震台(台站代码QZH，以下简称琼中台)离海岸线最近处60 km。以近海的七星岭地震台(台站代码QXL，以下简称七星岭台)和相对位于内陆的琼中台为例，对比分析热带气旋等自然因素对地脉动的干扰影响。

图 1(Fig. 1)

图 1 海南岛地震台网分布 Fig.1 Distribution of seismic stations in Hainan island

目前，海南省地震台网采用的宽频带地震计采样率为100 Hz，选取不同自然环境下观测的连续地脉动信号，包括：正常时段信号(Normal)、台风时段信号(2011年Naset、Muifa)、短时强降雨信号(Heavy rain)、连续降雨信号(Continuous rain)、天文大潮信号(Spring tide)、天文小潮信号(Neap tide)，其中台风为2011年登陆海南岛的“纳沙”(Naset)以及远离海南岛的“梅花”(Muifa)，将观测数据的采样率降低为1 Hz，进行快速傅里叶变换(FFT)，得到不同地脉动信号频谱特征。

以近海的七星岭台为例，分析宽频带地震计记录的原始地脉动信号，可知，在无特殊自然因素存在的正常时段，地脉动信号振幅在1—2 μm/s；在出现自然因素干扰时段，如台风、短时强降雨、连续降雨、天文潮等，地脉动信号原始曲线则有不同程度地变粗，形态也发生畸变，振幅高于正常时段。尤其是台风Naset经过时的地脉动信号，呈现纺锤形，振幅高达56.8 μm；特别的，对于远离海南岛的台风Muifa，地脉动原始曲线未呈现变粗、畸变、纺锤形等震颤异常信号，见图 2(a)。

图 2(Fig. 2)

图 2 七星岭台不同自然环境下观测的原始及频谱特征曲线 (a)原始曲线；(b)频谱特征曲线 Fig.2 Continuous observation curves and spectral characteristics in different natural environments of Qixingling Seismic Station

通过对不同自然环境下的观测资料进行FFT分析及处理发现，在特殊自然环境下，干扰信号的高频特征凸显，主要体现在某一频率的分界线清晰且振幅谱值增大，见图 2(b)和表 1，如：2种不同路径的台风，震颤信号在0.13—0.35 Hz出现，强降雨与连续降雨时段，扰动信号频率大于0.2 Hz，天文潮时段则是扰动信号频率大于0.15 Hz；特殊自然环境下，信号高频成分的振幅谱值均大于正常时段。

表 1(Tab. 1

表 1 不同自然环境下地脉动干扰特征Tab. 1 Disturbance characteristics of microseisms signals in different natural environments 自然环境 七星岭台 琼中台 原始曲线形态变化 振幅/μm ·s-1 振幅谱/μm ·s-1 原始曲线形态变化 振幅/μm ·s-1 振幅谱/μm ·s-1 Normal - 1.56 ≤0.006 - 0.442 ≤0.002 Naset 纺锤形 56.8 ≤0.08 纺锤形 10.8 ≤0.03 Muifa 无 1.38 ≤0.008 无 0.736 ≤0.003 Heavy rain 粗 5.3 ≤0.02 粗 5.94 ≤0.02 Continuous rain 粗、畸变 4.34 ≤0.012 粗、畸变 5.22 ≤0.012 Spring tide 粗、畸变 9.2 ≤0.02 粗、畸变 4.06 ≤0.014 Neap tide 粗、畸变 9.46 ≤0.015 粗、畸变 4.5 ≤0.015

表 1 不同自然环境下地脉动干扰特征 Tab.1 Disturbance characteristics of microseisms signals in different natural environments

相对于七星岭台，琼中台位于内陆，且观测仪器型号不同，但在不同特殊自然环境下，地脉动干扰信号的原始形态及频谱特征具有一致性(表 1)。特别是，相对正常时段，不同观测台站对不同路径2次台风的数据记录，原始形态变化不一致，远离海南岛的台风Muifa原始形态、振幅、振幅谱与正常时段相差无几，但经过傅里叶变换(FFT)后，0.13—0.35 Hz频段内信号显著，见图 2(b)。

通过对不同自然环境下地脉动原始信号的分析处理，发现特殊自然环境下的地脉动扰动信号具有高频成分。采用db4小波对原始地脉动信号进行小波分析，再对2—16 s的重构数据进行快速傅里叶变换(FFT)，以得到高频信号的优势频率。将特殊自然环境下周期范围为2—16 s的扰动信号的振幅与正常时段信号的振幅的比值定为扰动强度，以此分析特殊自然环境对地脉动信号及观测台站的影响程度。

图 3给出不同自然环境下2—16 s周期范围内琼中台地脉动扰动信号振幅谱，结合其频谱特征和扰动强度(表 2)分析，得到以下结果。

图 3(Fig. 3)

图 3 琼中台不同自然环境下2—16 s地脉动扰动信号振幅谱 Fig.3 The amplitude spectrum of disturbance signal under 2—16 s in the different natural environment at Qiongzhong Seismic Station

表 2(Tab. 2

表 2 不同自然环境下2—16 s范围内地脉动信号干扰特征Tab. 2 Disturbance characteristics of microseisms signals under 2—16 s range in different natural environments 自然环境 七星岭台 琼中台 频带/Hz 优势频率/Hz 扰动强度 频带/Hz 优势频率/Hz 扰动强度 Normal 0.3—0.5 * - 0.3—0.5 * - Naset 0.13—0.35 0.2 43.31 0.13—0.38 0.2 40.23 Muifa 0.11—0.3 0.2 0.97 0.11—0.28 0.2 1.31 Heavy rain 0.2—0.5 0.4(*) 2.87 0.2—0.5 0.25(*) 7.07 Continuous rain 0.25—0.5 0.3(*) 3.00 0.2—0.5 0.3(*) 5.53 Spring tide 0.15—0.5 0.2(*) 5.19 0.15—0.5 0.2(*) 8.12 Neap tide 0.2—0.5 0.3(*) 5.43 0.18—0.5 0.3(*) 7.67     注：*表示不清晰

表 2 不同自然环境下2—16 s范围内地脉动信号干扰特征 Tab.2 Disturbance characteristics of microseisms signals under 2—16 s range in different natural environments

(1) 同是台风引起的震颤信号，频带一致、优势频率相当，但扰动强度不一致：①登陆海南岛的台风Naset引起地脉动信号在0.13—0.38 Hz范围内能量增强，优势频率为0.21 Hz，远离海南岛的台风Muifa引起地脉动信号在0.11—0.28 Hz范围内能量增强，优势频率0.2 Hz，但能量增强程度远低于台风Naset，依然能从频谱图中看到正常信号的高频信息；②远离岛陆台风引起的震颤信号扰动强度远低于登陆台风所致强度，与正常时段相当，甚至低于其他环境影响强度，可能与台风的路径、距离、强度有关。

(2) 正常时段的地脉动信号主要分布在0.3—0.5 Hz，不同特殊自然环境下，地脉动信号的频带不一致，扰动强度不一致，即：①台风引起的震颤信号，频带较窄，优势频率清晰，其他自然环境(特殊降雨环境及天文潮期)引起的扰动信号，频率范围为0.2—0.5 Hz，频带较宽，优势频率不清晰，约0.3 Hz；②台风Naset的扰动强度大，高于其他环境影响6—8倍，其次是天文潮，影响最小的是降雨时段。根据Higgins的海浪驻波理论以及特殊的岛屿环境，海岛台的高频信号主要由于浅海域拍岸浪波引起的次生脉动而引发，特殊自然环境下的地脉动扰动信号，可能因环境条件对海浪的作用影响不同，造成地脉动信号的扰动强度不同。

(3) 对于海岛台站，特殊自然环境对台站有一定影响，频率特征具有一致性，但扰动强度略有不同，近海岸的七星岭台扰动强度略低于内陆的琼中台(表 2)，意味着特殊自然环境对不同观测台站的影响程度略有不同，可能与台站正常时段的背景噪声强弱不同有关。

针对海南岛地震台网四面环海的特殊地理环境，对特殊自然环境期间记录的连续观测数据进行干扰分析，可以得出以下结论。

(1) 实际连续观测表明，不同自然环境下原始观测数据特征不同，主要体现在原始数据的形态和振幅，特殊自然环境下的数据形态大多变粗或畸变，台风登陆时段呈纺锤形，振幅及振幅谱远高于其他自然环境，但远离海岛的台风，使观测数据在频率域有明显不同，却未引起形态、振幅等方面的变化。

(2) 利用小波方法可以从地震仪低频观测记录中提取高频窄带地脉动信号，结合快速傅里叶变换(FFT)，可清晰分析特殊环境下的干扰信号：台风引起的震颤信号，频带较窄，优势频率清晰，能量增强明显，其他环境因素引起的扰动信号则频带较宽，优势频率不清晰；不同特殊自然环境相比较，登陆岛陆的台风扰动强度大，对观测数据干扰影响显著。

(3) 特殊自然环境对不同观测台站的扰动影响略有不同，主要与台站自身日常背景噪声有关。

对于海岛地震台网，Higgins海浪驻波理论可以较好地解释不同自然环境下地脉动高频扰动信号的影响机理。但由于无法获取海南岛验潮站实时海潮观测数据，未能进一步分析海潮对地震仪记录的日常连续观测数据的实际影响，无法发现或确定这种特殊的岛屿台站是否能记录到海浪直接产生的原生脉动。