0 引言

随着国家宽频数字地震台网的建立，前震识别技术与方法不再拘泥于单纯的统计学，而是从频率域挖掘地震数据包含的各类信息，特别是数学、计算机领域研究成果的广泛应用，为前震识别提供了新的方法，即在频率域通过观察地震的频谱特征来鉴别前震，具体判定指标为：非前震事件的频谱特征较宽，而具有前震或广义前震性质的中等地震事件，其频谱特征较窄——向低频偏移（杨立明等，2015），该特征在2010年青海玉树7.1级地震、2014年新疆于田7.3级地震的前震识别中比较突出，利用频谱特征鉴别前震的方法在甘肃地区得到较好验证，并用于地震预报实验，但还未在其他区域得到普遍的验证与运用。若该方法在识别前震或广义前震上具有区域普遍性，无疑为地震的短临预报又向前推动了一步。多年前冯德益等(1983, 1994)研究认为，大震前短周期面波频谱震前可能会显示一定前兆异常特征，但当时地震数据记录效果并不乐观，研究结果也不理想。随着数字化地震台网的建立，高精度、高稳定性地震计仪器的产出，为该方法的应用提供有力的数据基础。前震或广义前震的频谱偏移现象得到地震研究专家的广泛关注，陈运泰等（1979）认为其物理本质是断层的预滑或慢破裂，之后提出的破裂成核理论（Dieterich，1992）中具有前兆意义的推论也说明，在震前会出现低频波，表现出来的频谱特征就是频带变窄并向低频偏移。

本文针对2015年阿拉善左旗5.8级地震，追踪小时数据频谱特征，挖掘主震发生前有价值的信息，此次5.8级地震发生在阿拉善块体与鄂尔多斯块体西北缘交界处，青藏块体向四周扩张抬升，造成阿拉善块体NNE向挤压（王萍等，1997），阿拉善块体西缘祁连山断裂带的地震活动对宁蒙交界有较大影响（如2016年1月21日门源6.4级地震之后，宁蒙交界中小地震出现起伏增强态势），而宁蒙交界位处鄂尔多斯块体西北缘并在北缘M_L 4.0以上地震长期平静背景下，地震活动性受到鄂尔多斯块体东北缘地震活动的影响。故内蒙古西部地区多震、强震的特点备受关注。本文旨在探寻阿拉善左旗5.8级地震前是否出现低频异常信号以及低频异常信号出现的特征，为该地区震情判定提供震例资料。

1 计算方法

利用2015年阿拉善左旗5.8级地震周边的乌海地震台、东升庙地震台、石嘴山地震台记录的连续数字波形资料，以一个小时的数据波形为单元，通过快速傅里叶变换得到频谱图。跟踪每一个小时的频谱图，意在发现小时数据频谱图是否出现低频偏移现象，并关注该现象出现后的持续时间是否有迹可循，具体计算公式如下。

$ {x_i} = \frac{{{a_0}}}{2} + \sum\limits_{k = 1}^m {\left({{a_k}\cos \frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}ki}}{N} + {b_k}\sin \frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}ki}}{N}} \right)} $

(1)

式中，${a_0} = \sum\limits_{i = 0}^{N - 1} {{x_i}} $，${a_k} = \frac{2}{N}\sum\limits_{i = 0}^{N - 1} {{x_i}} \cos \frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}ki}}{N}$，${b_k} = \frac{2}{N}\sum\limits_{i = 0}^{N - 1} {{x_i}} \sin \frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}ki}}{N}$，$k = 1, 2, 3, \cdots, m$。

式（1）进一步化简为

$ {x_i} = \frac{{{a_0}}}{2} + \sum\limits_{k = 1}^{\frac{N}{2}} {\left({{c_k}\cos \left({\frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}ki}}{N} + {\varphi _k}} \right)} \right)} $

(2)

式中，${c_k} = \sqrt {a_k^2 + b_k^2} $，${\varphi _k} = \arctan \left({ - \frac{{{b_k}}}{{{a_k}}}} \right)$。将c_k、φ_k按频率画出，即可得到傅里叶振幅谱和相位谱。

2 频谱分析

对2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗5.8级地震及同年4月5日—4月15日记录数据良好的台站进行筛查，保证拟研究时间段内数据的完整性、清晰性；确定采用乌海地震台（WUH）、东升庙地震台（DSM）、石嘴山地震台（SZS）波形数据为研究资料，并将seed格式数据按小时转为ASC Ⅱ格式，不做速度或加速度转换，直接采用counts值，事实上用于该项研究的初始数据最好为地震波速度数据；地震波形有3个分量（BHZ、BHN、BHE），根据对比，本研究仅采用垂直分量（BHZ）数据进行频谱分析。

2.1 乌海地震台记录

乌海市及周边是地震多发区，2015年阿拉善左旗5.8级地震发生在该区域。距震中42 km的乌海地震台海拔约1 128 m，位于卓资山断裂西侧，鄂尔多斯台地西北边缘，NNE向构造与EW构造交汇区。

选取乌海地震台小时值地震波形数据绘制频谱曲线，发现2015年4月5日00时出现低频异常信号[图 1(a)]，持续时间不长，4月6日05时低频现象再次出现[图 1(b)]，持续时间约1—2小时，且2次低频现象特征不同；4月7日09时又出现低频现象，特征较前2次明显[图 1(c)]，持续约3小时，后回落至正常水平；4月9日13时低频信号出现[图 1(d)]，并持续至4月10日18时，时长达29小时，后回落至正常水平；4月11日00时再次出现低频信号，持续至当日10时，2小时后再次出现，由13时持续至11月19日，间隔17小时，于4月12日13时出现低频信号，并持续至当日18时，13日03时再次出现后，于14日08时消失，间隔9小时后于当日18时[图 1(f)]出现，持续至发震。需要强调的是，2015年4月11日00时后出现的低频信号异常形态均与图 1(d)相似。乌海台在此次5.8级地震前低频信号异常在时间上表现出以下特征：①低频信号出现时间越早，持续时间越短；②低频信号左移现象明显的同时，幅值在相应增大，且异常持续时间越长，低频信号出现间隔越短；之后频谱略向右偏移[图 1(e)，图 1(f)]，则可能表示成核过程基本完备；③低频信号并非持续、连续出现，而是间断连续出现，可能与地下岩石微破裂致亚稳态扩展、裂隙扩展、孕震成核过程有关，异常持续时间的延长最终导致失稳，实时监控此类异常信号对监测地下介质变化有所帮助。

2.2 东升庙地震台记录

东升庙地震台距阿拉善左旗5.8级地震约158 km，坐落于巴彦淖尔市乌拉特后旗东升庙（巴音镇）西侧2 km处，坐北向南，北靠阴山，台基坐落在阴山基岩之上，南望河套平原，同样记录到此次5.8级地震低频偏移现象，主要特征为：2015年4月6日05时、4月13日03时频谱偏移现象出现，并非连续到发震前，而是间断出现，尤其是4月15日00时、01时的频谱记载（图 2），与乌海台记录呈现不同特征，而据调查2个时间点东升庙台无环境干扰因素存在。

2.3 石嘴山地震台记录

距阿拉善左旗5.8级地震震中约60 km的石嘴山地震台清晰记录到此次地震波形，且数据连续性好，背景噪声小。由图 3可见，2015年4月6日05时、4月13日03时，石嘴山台监测到频谱向左偏移现象，与东升庙台低频特征相同，该异常并非由台站仪器或场地引起。与乌海、东升庙地震台记录相同，虽然在此次5.8级震前不同时间段出现频谱向左偏移现象，但并非持续出现至发震，而是间断出现至发震。

3 低频偏移可靠性分析

为确定地震波低频偏移现象的客观性，依次分析雷雨、爆破、小地震对该现象的影响。

（1）雷雨混合干扰频率一般 < 0.05 Hz，且不具有持续性（杨立明等，2009），若研究时段内存在雷雨天气，定会影响观测数据结果的可靠性。调查发现，2015年4月5日—16日，当地无雷雨记录，故对地震记录数据不会产生影响。

（2）爆破属于高频成分，不在所研究低频范围内，且时间上不具有持续性，故上述频谱结果受爆破干扰的可能性排除。

（3）经内蒙古地震台网测定，在阿拉善左旗5.8级地震前，2015年4月5日—15日只发生过一次小地震，为4月5日20时26分17秒宁夏永宁M_L 2.0地震，而乌海、东升庙、石嘴山地震台记录均未出现频谱异常现象（图 4），由此可知，2015年阿拉善左旗5.8级地震前各地震台记录出现的低频异常信息并非由当地小地震引起。

4 结论

对2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗5.8级地震震源周边的乌海、东升庙、石嘴山地震台记录进行地震波形频谱跟踪分析，探讨此次地震发生前不同时间段波形频谱图的形态特征及异常持续特征，得到以下结论。

（1）2015年4月15日阿拉善左旗5.8级地震前具有明显的地震波频谱偏移现象，且在低频信号出现前，优势频段在0.1—0.3 Hz，低频信号出现后，优势频段为0.01—0.2 Hz，发震前异常优势频段甚至小于0.05 Hz。

（2）在2015年4月5日—2016年4月16日，全球未发生M_S≥7.0地震，且中国在阿拉善左旗5.8级地震前此时段无5.0级以上地震发生，故排除远震对结果的影响；据内蒙古地震台网测定，100 km范围内未记录到爆破，且爆破为高频成分，对所研究的低频数据不产生影响，故该资料结果的信度不受爆破影响。

（3）异常信号的间断且连续出现可能是地震微破裂、亚失稳态的前期表现，也可能是区域介质地下岩石破碎损伤、裂隙扩展成核的过程，低频偏移现象的物理意义尚不明确，需进一步研究。

（4）震前低频异常信号呈异常—异常时间延长、幅度增大—震前优势频段接近1 Hz—优势频段范围变大—频谱变宽—发震的特点。

此次5.8级地震前低频信号并非持续不断出现，与汶川8级地震前低频异常持续出现有所不同（杨立明等，2009），是否可用低频信号持续时间间隔逐步缩短作为地震短临预报的一项依据，值得深入研究。对于大部分地震，0.1—10.0 Hz频带的地震波所携带能量占原地震波能量的80%以上（陈国平等，2013），在工程应用中，发现该频段地震波对建筑破坏性大，是否可以通过检测建筑共振现象来监测地震，值得深入研究。

虽然本次研究时段选为2015年4月5日00时—4月16日00时，但低频信号是否在2015年4月5日前就已出现还未可知，尚需要更多工作验证。