地脈動(dòng)記錄中臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)和低頻波前兆信息的頻帶區(qū)別研究*

尹 亮，楊立明，龐 成

0 引言

在一般情況下，任何時(shí)刻在地球表面的任何地點(diǎn)都可以用高靈敏度的儀器觀測到一種振幅很小的微弱振動(dòng)，其位移一般只有幾微米到幾十微米，我們把這種人體難以察覺的微小振動(dòng)稱為地脈動(dòng) (許建聰，2003)。以往人們常將地脈動(dòng)看作是一種干擾，為了有效地記錄地震信號(hào)，總是設(shè)法避免或消除它，或者作為無用信息不被關(guān)注。1971年傅承義先生提出了“紅腫”的設(shè)想 (朱傳鎮(zhèn)等，1977)，他認(rèn)為較大地震孕育過程中，地殼上層幾百公里尺度內(nèi)的介質(zhì)，都處于某種異常狀態(tài)，這種異常會(huì)影響脈動(dòng)的傳播。1964年美國Alaska 8.4級(jí)地震前數(shù)天，日本東京重力儀記錄到了脈動(dòng)變粗現(xiàn)象 (Kizawa，1972)。2001年昆侖山口西8.1級(jí)地震前高臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀也記錄到了類似現(xiàn)象 (尹亮等，2002)。楊又陵等 (2003)研究發(fā)現(xiàn)新疆地震臺(tái)網(wǎng)寬頻帶數(shù)字地震資料在2001年11月14日昆侖山口西8.1級(jí)地震前出現(xiàn)低頻波前兆異常;尹亮 (2010)研究發(fā)現(xiàn)高臺(tái)，成都，安西、格爾木地震臺(tái)寬頻帶地脈動(dòng)資料在2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震前也記錄到了類似的異常現(xiàn)象，且與高臺(tái)重力地脈動(dòng)資料的擾動(dòng)現(xiàn)象相對應(yīng) (尹亮，2011)。楊立明 (2009)通過對距離汶川地震余震區(qū)較近的地震臺(tái)震前連續(xù)記錄資料的傅里葉頻譜特征分析，發(fā)現(xiàn)震前臨震階段0.1～0.3 Hz頻段的幅值出現(xiàn)快速、持續(xù)的增大現(xiàn)象;該現(xiàn)象于2008年7～9月間發(fā)生的多次地震前在多個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)，表現(xiàn)出現(xiàn)象的重現(xiàn)性、時(shí)間進(jìn)程上的持續(xù)性和過程屬性。然而，大地震似乎總與臺(tái)風(fēng)相伴而來，胡小剛和郝曉光 (2009)通過分析地脈動(dòng)信號(hào)的振幅變化與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和行動(dòng)路徑的關(guān)系，認(rèn)為汶川大地震前及昆侖山大地震前的“震前擾動(dòng)”可能與臺(tái)風(fēng)事件有關(guān)。因此，從頻率域進(jìn)一步區(qū)別研究大震前低頻波異常和臺(tái)風(fēng)引起的擾動(dòng)異常將很有必要。

1 寬頻帶數(shù)字資料低頻波短臨前兆信息

1.1 數(shù)據(jù)處理方法

筆者將來自中國地震臺(tái)網(wǎng)中心的連續(xù)波形數(shù)據(jù) (SEED文件)經(jīng)過相關(guān)軟件及自編程序處理后轉(zhuǎn)換成文本文件，用于MATLAB頻譜分析。地脈動(dòng)波形資料是由數(shù)據(jù)采集器采集的離散數(shù)據(jù)，采樣頻率50 Hz，Niquist頻率25 Hz，其快速傅立葉變換 (FFT)的計(jì)算公式 (尹亮，2010)為

其中，Ck表示了k次諧波的振幅大小。本文主要研究振幅譜的變化，頻譜分析算法主要參考《數(shù)字信號(hào)處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)》(萬永革，2007)里的例程而編制。

由于高臺(tái)和安西地震臺(tái)受到爆破等高頻干擾，所以本文涉及的高頻濾波均采用Butterworth低通數(shù)字濾波器，設(shè)計(jì)通帶邊界頻率為1.5 Hz，通帶波紋為1 dB;阻帶邊界頻率為2.5 Hz，阻帶衰減為30 dB。

1.2 震例分析

2001年11月14日17時(shí)26分 (北京時(shí)間)昆侖山大斷裂中段發(fā)生了MS8.1地震，高臺(tái)、安西地震臺(tái)的寬頻帶數(shù)字地震儀在震前3.5 d記錄到顯著的長周期異常波動(dòng)信號(hào) (圖1a、c)。自11月10日20時(shí) (國際時(shí)間)開始，波動(dòng)逐漸增強(qiáng)，13 h后 (11日9時(shí))達(dá)到第一個(gè)峰值，12日4時(shí)達(dá)到第二個(gè)峰值，這與固體潮日潮周期不一致，整個(gè)異常于12日10時(shí)左右結(jié)束，持續(xù)約35 h，13日比較平靜，14日發(fā)生8.1級(jí)地震。

圖1 昆侖山口西MS8.1地震前地脈動(dòng)記錄及頻譜分析結(jié)果(a)高臺(tái)JCZ－1地脈動(dòng)前驅(qū)波記錄;(b)高臺(tái)地脈動(dòng)幅頻圖 (信號(hào)長度3 600 s);(c)安西CTS－1地脈動(dòng)前驅(qū)波記錄;(d)安西地脈動(dòng)幅頻圖 (信號(hào)長度3 600 s)Fig.1 Microtremor records and their spectral analysis results before west to Kunlun Mountain Pass MS8.1 earthquake(a)microtremor precursory wave recorded by JCZ－1 seismometer at Gaotai Station;(b)amplitude-frequency curve of microtremor at Gaotai Station(signal length is 3 600 s);(c)microtremor precursory wave recorded by CTS－1 seismometer at Anxi Station;(d)amplitude-frequency curve of microtremor at Anxi Station(signal length is 3 600 s)

對相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT頻譜分析 (圖1b、d)，振幅譜顯示自11月11日開始，高臺(tái)和安西地震臺(tái)記錄到的低頻異常波動(dòng)優(yōu)勢頻率在0.1～0.13 Hz之間，即周期在7～10 s之間。兩臺(tái)頻幅在一天之內(nèi)分別增大了34 count和57 count。NS和EW分向的頻譜分析與UD分向有相同的結(jié)果。

參考新疆寬頻帶數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的前驅(qū)波記錄(楊又陵等，2003)，發(fā)現(xiàn)高臺(tái)臺(tái)、安西臺(tái)與新疆臺(tái)網(wǎng)幾乎是在同一時(shí)段記錄到了相似的地脈動(dòng)異常波形，低頻異常大約在震前85 h開始出現(xiàn)。

2001年昆侖山口西8.1級(jí)地震后，2008年汶川8.0級(jí)地震的發(fā)生表明青藏高原的擠壓應(yīng)力集中區(qū)由北部轉(zhuǎn)向東部，應(yīng)力沿龍門山北川—映秀斷裂帶北東方向約300 km長的地帶釋放。震前1天，成都、蘭州、高臺(tái)地震臺(tái)的寬頻帶地震儀都記錄到了明顯的低頻 (0.1～0.25 Hz)前兆信息。若以成都臺(tái)5月4～8日的頻譜形態(tài) (圖2a)為基礎(chǔ)，可以看出5月11日0.1～0.35 Hz的頻幅突然震臺(tái)記錄到的低頻異常波動(dòng)優(yōu)勢頻率在0.1～0.13 Hz之間，即周期在7～10 s之間。兩臺(tái)頻幅在一(圖2b)和蘭州臺(tái) (圖2c)也于5月11日起記錄到了0.1～0.25 Hz的頻幅變化。其中，上述3個(gè)臺(tái)站在0.1～0.13 Hz的頻幅增大明顯，這與昆侖山口西8.1級(jí)地震前異常頻帶一致。

圖2 汶川MS8.0地震前地脈動(dòng)頻譜分析及臺(tái)站分布圖(a)成都JCZ－1地脈動(dòng)幅頻圖;(b)高臺(tái)JCZ－1地脈動(dòng)幅頻圖;(c)蘭州CTS－1地脈動(dòng)幅頻圖;(d)臺(tái)站位置及震中分布圖Fig.2 Spectral analysis of microtremor before Wenchuan MS8.0 earthquake and the distribution of stations(a)amplitude-frequency curve of microtremor recorded by JCZ－1 seismometer at Chengdu Station;(b)amplitude-frequency curve of microtremor recorded by JCZ－1 seismometer at Gaotai Station;(c)amplitude-frequency curve of microtremor recorded by CTS－1 siesmometer at Lanzhou Station;(d)distribution of station location and epicenter

2 臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)

臺(tái)風(fēng)是海洋上空圍繞低氣壓中心猛烈旋轉(zhuǎn)的熱帶大氣漩渦，臺(tái)風(fēng)蘊(yùn)含著巨大的能量，其風(fēng)力影響半徑在幾十公里至上百公里。臺(tái)風(fēng)靠近大陸海岸時(shí)，會(huì)引起巨浪沖擊海岸和海底，產(chǎn)生大量的反射波浪。反射波浪與原生海浪的頻率相近，傳播方向相反，二者相互干涉后會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的海洋駐波，在海底產(chǎn)生巨大的壓力變化，在此壓力的作用下，地殼會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的脈動(dòng) (Hasselmann，1963)。由于中國大陸地殼較為完整，臺(tái)風(fēng)引發(fā)的地脈動(dòng)所產(chǎn)生的地震波可在中國大陸傳播很遠(yuǎn)，因而在中國內(nèi)陸的地震儀上可經(jīng)常觀測到由近海臺(tái)風(fēng)引起的異常地脈動(dòng)。這種通過孕震介質(zhì)傳播的地脈動(dòng)的各種特征在孕震過程中可能出現(xiàn)一定的異常變化，而這些異常變化又可以作為地震預(yù)報(bào)的一類指標(biāo) (陳化然等，1998)。

胡小剛和郝曉光 (2009)通過對中國地震臺(tái)網(wǎng)中心大量的地脈動(dòng)記錄進(jìn)行頻譜分析發(fā)現(xiàn)，兩次大震前中國東部臺(tái)站 (如西安、瓊中、昆明、恩施臺(tái)等)記錄到異常地脈動(dòng)的數(shù)量更多，且0.15～0.35 Hz的頻譜幅度優(yōu)于西部臺(tái)站。他們利用中國地震局測震臺(tái)網(wǎng)中的寬帶地震儀的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，用小波分析方法和傅里葉分析方法提取了一些臺(tái)站在Rammasun臺(tái)風(fēng)事件發(fā)生期間所記錄到的地脈動(dòng)信號(hào)。通過分析地脈動(dòng)信號(hào)的振幅變化與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和行動(dòng)路徑的關(guān)系，初步認(rèn)為汶川及昆侖山大地震 (同期生成LingLing臺(tái)風(fēng))的“震前擾動(dòng)”可能與臺(tái)風(fēng)事件有關(guān)。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)通過駐波理論可以影響中國內(nèi)陸深處的地脈動(dòng)變化，由于駐波觸發(fā)了大陸地塊的慢滑移，從而使得斷層積累的應(yīng)力得以釋放而產(chǎn)生低頻波的傳播，這就是內(nèi)陸地震儀記錄到的臺(tái)風(fēng)震顫信號(hào)，這類信號(hào)的優(yōu)勢頻率在0.15～0.30 Hz(胡小剛，郝曉光，2009)。昆侖山8.1級(jí)地震與汶川8.0級(jí)地震分別對應(yīng)了兩次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，臺(tái)風(fēng)信息如表1。

由于臺(tái)風(fēng)LingLing的行動(dòng)路徑距離中國大陸海岸較近，從地理位置上來說昆明臺(tái)和恩施臺(tái)記錄到的昆侖山大地震的“臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)”應(yīng)該比新疆地震臺(tái)記錄到的異常擾動(dòng)大，但需要注意的是:與昆明臺(tái)和恩施臺(tái)記錄到的異常地脈動(dòng)相比，新疆境內(nèi)地震臺(tái)記錄到的異常地脈動(dòng)有明顯的區(qū)別。圖3a表明:在8～16 s(0.06～0.125 Hz)的周期范圍，烏魯木齊地震臺(tái)的異常擾動(dòng)明顯強(qiáng)于昆明臺(tái)和恩施臺(tái)的異常地脈動(dòng)。進(jìn)一步進(jìn)行傅立葉頻譜分析 (圖3b)，結(jié)果表明:昆明臺(tái)和恩施臺(tái)，異常地脈動(dòng)的優(yōu)勢頻率范圍為0.15～0.25 Hz(周期4～6.25 s);而烏魯木齊臺(tái)異常擾動(dòng)的優(yōu)勢頻率范圍為0.1～0.15 Hz(周期6.7～10 s)，且新疆的5個(gè)地震臺(tái) (烏什、庫爾勒、喀什、和田，烏魯木齊臺(tái))異常擾動(dòng)的優(yōu)勢頻率范圍一致 (胡小剛，郝曉光，2009)。

表1 昆侖山口西8.1級(jí)地震及汶川8.0級(jí)地震對應(yīng)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)信息Fig.1 The information of severe typhoon corresponding to west to Kunlun Mountain Pass MS8.1 and Wenchuan MS8.0 earthquakes

汶川大地震期間地脈動(dòng)異常擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長，擾動(dòng)一直與大地震的余震相伴。圖4顯示了昆明臺(tái)在2008年5月1～27日記錄到的地脈動(dòng)信號(hào)。由圖可見:5月13日后，汶川大地震和臺(tái)風(fēng)過程都已經(jīng)完全結(jié)束，該臺(tái)記錄到的地脈動(dòng)信號(hào)仍然保持較大的振幅。擾動(dòng)從5月10日一直持續(xù)到22日，這種情況比較罕見，很難完全用臺(tái)風(fēng)影響進(jìn)行解釋。另外，恩施、西安臺(tái)也有類似的觀測結(jié)果 (胡小剛，郝曉光，2009)。從成都、蘭州、高臺(tái)3個(gè)臺(tái)站相應(yīng)時(shí)段的地脈動(dòng)頻譜分析結(jié)果看(尹亮，2010)，在0.15～0.25 Hz頻帶內(nèi)，各臺(tái)都記錄到異常變化，且3個(gè)臺(tái)最大頻譜幅度的大小關(guān)系是:成都﹥蘭州﹥高臺(tái);而各臺(tái)距海岸的距離的關(guān)系是:高臺(tái)﹥蘭州﹥成都，正好相反。所以初步認(rèn)為，雖然Rammasun臺(tái)風(fēng)的行動(dòng)路徑遠(yuǎn)離中國海岸，但也引起了內(nèi)陸臺(tái)站的地脈動(dòng)異常，不過影響頻率在0.15～0.25 Hz頻帶內(nèi)。汶川地震前地脈動(dòng)異常源于地震孕震區(qū)的可能頻帶是0.1～0.14 Hz。

圖3 LingLing臺(tái)風(fēng)期間恩施、昆明、烏魯木齊臺(tái)地脈動(dòng)異常記錄 (8～16 s)(a)及頻譜分析結(jié)果 (2～16 s)(b)Fig.3 The microtremor anomalous recordings(8～16 s)(a)and their spectral analysis results(2 ～16 s)(b)observed at Enshi，Kunming，Urumqi Stations during the LingLing typhoon

作者通過高臺(tái)地震臺(tái)和蘭州地震臺(tái)數(shù)字地震觀測資料跟蹤多次強(qiáng)臺(tái)風(fēng) (如2009年“莫拉克”和“芭瑪”)，結(jié)果一致，即強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對地脈動(dòng)擾動(dòng)信息的優(yōu)勢頻率在0.15～0.25 Hz范圍內(nèi)。

圖4 Rammasun臺(tái)風(fēng)過程 (a)與昆明臺(tái)地脈動(dòng)信號(hào) (b)對比Fig.4 Comparison of process of Rammasun typhoon and microtremor signal at Kunming Station

3 無臺(tái)風(fēng)相伴的地脈動(dòng)異常變化

在沒有臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)時(shí)，地震儀也可記錄到異常擾動(dòng)的情況。例如2003年6月7～11日恩施地震臺(tái)記錄到了一次明顯的異常地脈動(dòng)，但在這期間并未有任何臺(tái)風(fēng)事件發(fā)生，而在6月9日臺(tái)灣宜蘭發(fā)生了 MS6.3地震 (胡小剛，郝曉光，2009)。2003年10月25日20時(shí)，甘肅民樂、山丹發(fā)生MS6.1地震，從圖5可看出，震前1天起，高臺(tái)(GTA)和安西臺(tái) (AXX)都記錄到了0.1～0.14 Hz的頻幅增大變化，這與昆侖山口西8.1級(jí)及汶川8.0級(jí)地震前異常頻帶一致。

圖5 民樂、山丹MS6.1地震前地脈動(dòng)頻譜分析圖(a)高臺(tái)JCZ－1地脈動(dòng)幅頻圖;(b)安西CTS－1地脈動(dòng)幅頻圖Fig.5 Spectral analysis of microtremor before Minle-Shandan MS6.1 earthquake(a)amplitude-frequency curve of microtremor recorded by JCZ－1 seismometer at Gaotai Station;(b)amplitudefrequency curve of microtremor recorded by CTS－1 seismometer at Anxi Station

4 結(jié)論與討論

(1)實(shí)際資料研究表明，6級(jí)以上地震前，有些測震臺(tái)站在震前幾天可以記錄到地脈動(dòng)臨震異常信息，該異常在數(shù)字地震觀測曲線上的表現(xiàn)形式是震前幾天脈動(dòng)曲線變粗呈紡錘型增大變化。

(2)距離中國大陸海岸較近的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)也能引起內(nèi)陸臺(tái)站脈動(dòng)曲線的紡錘型增大變化，尤其是臺(tái)風(fēng)期間發(fā)生地震時(shí)，給識(shí)別地震前兆異常帶來困難。

(3)通過傅里葉頻譜分析，初步認(rèn)為在沒有臺(tái)風(fēng)的情況下，大震前地脈動(dòng)異常信息對應(yīng)的頻帶是0.10～0.15 Hz，稱相應(yīng)的異常信息為低頻波前兆異常。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對應(yīng)的異常信息優(yōu)勢頻率在0.15～0.30 Hz范圍內(nèi)，稱為臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)。雖然兩個(gè)頻帶緊鄰，但精細(xì)分析也可區(qū)分。

(4)通過跟蹤多次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了地脈動(dòng)記錄中臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)信息的優(yōu)勢頻率為0.15～0.30 Hz，所以進(jìn)一步認(rèn)為，大震前地脈動(dòng)臨震異常信息對應(yīng)的頻帶可能是0.10～0.15 Hz。

(5)臺(tái)站觀測人員通過監(jiān)控地脈動(dòng)曲線的變粗和紡錘型增大變化可以為臨震預(yù)報(bào)提供有用信息。另外，區(qū)別臺(tái)風(fēng)引起的脈動(dòng)異常也可為進(jìn)一步確認(rèn)地震前兆信息提供參考。

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