地脈動記錄中臺風擾動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，任何時刻在地球表面的任何地點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，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稱為地脈動 (許建聰，2003)。以往人們常將地脈動看作是一種干擾，為了有效地記錄地震信號，總是設法避免或消除它，或者作為無用信息不被關注。1971年傅承義先生提出了“紅腫”的設想 (朱傳鎮(zhèn)等，1977)，他認為較大地震孕育過程中，地殼上層幾百公里尺度內的介質，都處于某種異常狀態(tài)，這種異常會影響脈動的傳播。1964年美國Alaska 8.4級地震前數天，日本東京重力儀記錄到了脈動變粗現(xiàn)象 (Kizawa，1972)。2001年昆侖山口西8.1級地震前高臺鉆孔應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)新疆地震臺網寬頻帶數字地震資料在2001年11月14日昆侖山口西8.1級地震前出現(xiàn)低頻波前兆異常;尹亮 (2010)研究發(fā)現(xiàn)高臺，成都，安西、格爾木地震臺寬頻帶地脈動資料在2008年5月12日汶川8.0級地震前也記錄到了類似的異?，F(xiàn)象，且與高臺重力地脈動資料的擾動現(xiàn)象相對應 (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臺站出現(xiàn)，表現(xiàn)出現(xiàn)象的重現(xiàn)性、時間進程上的持續(xù)性和過程屬性。然而，大地震似乎總與臺風相伴而來，胡小剛和郝曉光 (2009)通過分析地脈動信號的振幅變化與臺風強度和行動路徑的關系，認為汶川大地震前及昆侖山大地震前的“震前擾動”可能與臺風事件有關。因此，從頻率域進一步區(qū)別研究大震前低頻波異常和臺風引起的擾動異常將很有必要。

1 寬頻帶數字資料低頻波短臨前兆信息

1.1 數據處理方法

筆者將來自中國地震臺網中心的連續(xù)波形數據 (SEED文件)經過相關軟件及自編程序處理后轉換成文本文件，用于MATLAB頻譜分析。地脈動波形資料是由數據采集器采集的離散數據，采樣頻率50 Hz，Niquist頻率25 Hz，其快速傅立葉變換 (FFT)的計算公式 (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《數字信號處理的MATLAB實現(xiàn)》(萬永革，2007)里的例程而編制。

由于高臺和安西地震臺受到爆破等高頻干擾，所以本文涉及的高頻濾波均采用Butterworth低通數字濾波器，設計通帶邊界頻率為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26分 (北京時間)昆侖山大斷裂中段發(fā)生了MS8.1地震，高臺、安西地震臺的寬頻帶數字地震儀在震前3.5 d記錄到顯著的長周期異常波動信號 (圖1a、c)。自11月10日20時 (國際時間)開始，波動逐漸增強，13 h后 (11日9時)達到第一個峰值，12日4時達到第二個峰值，這與固體潮日潮周期不一致，整個異常于12日10時左右結束，持續(xù)約35 h，13日比較平靜，14日發(fā)生8.1級地震。

圖1 昆侖山口西MS8.1地震前地脈動記錄及頻譜分析結果(a)高臺JCZ－1地脈動前驅波記錄;(b)高臺地脈動幅頻圖 (信號長度3 600 s);(c)安西CTS－1地脈動前驅波記錄;(d)安西地脈動幅頻圖 (信號長度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)

對相應的波形數據進行FFT頻譜分析 (圖1b、d)，振幅譜顯示自11月11日開始，高臺和安西地震臺記錄到的低頻異常波動優(yōu)勢頻率在0.1～0.13 Hz之間，即周期在7～10 s之間。兩臺頻幅在一天之內分別增大了34 count和57 count。NS和EW分向的頻譜分析與UD分向有相同的結果。

參考新疆寬頻帶數字地震臺網的前驅波記錄(楊又陵等，2003)，發(fā)現(xiàn)高臺臺、安西臺與新疆臺網幾乎是在同一時段記錄到了相似的地脈動異常波形，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級地震后，2008年汶川8.0級地震的發(fā)生表明青藏高原的擠壓應力集中區(qū)由北部轉向東部，應力沿龍門山北川—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、高臺地震臺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5月4～8日的頻譜形態(tài) (圖2a)為基礎，可以看出5月11日0.1～0.35 Hz的頻幅突然震臺記錄到的低頻異常波動優(yōu)勢頻率在0.1～0.13 Hz之間，即周期在7～10 s之間。兩臺頻幅在一(圖2b)和蘭州臺 (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個臺站在0.1～0.13 Hz的頻幅增大明顯，這與昆侖山口西8.1級地震前異常頻帶一致。

圖2 汶川MS8.0地震前地脈動頻譜分析及臺站分布圖(a)成都JCZ－1地脈動幅頻圖;(b)高臺JCZ－1地脈動幅頻圖;(c)蘭州CTS－1地脈動幅頻圖;(d)臺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 臺風擾動

臺風是海洋上空圍繞低氣壓中心猛烈旋轉的熱帶大氣漩渦，臺風蘊含著巨大的能量，其風力影響半徑在幾十公里至上百公里。臺風靠近大陸海岸時，會引起巨浪沖擊海岸和海底，產生大量的反射波浪。反射波浪與原生海浪的頻率相近，傳播方向相反，二者相互干涉后會產生很強的海洋駐波，在海底產生巨大的壓力變化，在此壓力的作用下，地殼會產生很強的脈動 (Hasselmann，1963)。由于中國大陸地殼較為完整，臺風引發(fā)的地脈動所產生的地震波可在中國大陸傳播很遠，因而在中國內陸的地震儀上可經常觀測到由近海臺風引起的異常地脈動。這種通過孕震介質傳播的地脈動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報的一類指標 (陳化然等，1998)。

胡小剛和郝曉光 (2009)通過對中國地震臺網中心大量的地脈動記錄進行頻譜分析發(fā)現(xiàn)，兩次大震前中國東部臺站 (如西安、瓊中、昆明、恩施臺等)記錄到異常地脈動的數量更多，且0.15～0.35 Hz的頻譜幅度優(yōu)于西部臺站。他們利用中國地震局測震臺網中的寬帶地震儀的連續(xù)觀測數據，用小波分析方法和傅里葉分析方法提取了一些臺站在Rammasun臺風事件發(fā)生期間所記錄到的地脈動信號。通過分析地脈動信號的振幅變化與臺風強度和行動路徑的關系，初步認為汶川及昆侖山大地震 (同期生成LingLing臺風)的“震前擾動”可能與臺風事件有關。強臺風通過駐波理論可以影響中國內陸深處的地脈動變化，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力得以釋放而產生低頻波的傳播，這就是內陸地震儀記錄到的臺風震顫信號，這類信號的優(yōu)勢頻率在0.15～0.30 Hz(胡小剛，郝曉光，2009)。昆侖山8.1級地震與汶川8.0級地震分別對應了兩次強臺風，臺風信息如表1。

由于臺風LingLing的行動路徑距離中國大陸海岸較近，從地理位置上來說昆明臺和恩施臺記錄到的昆侖山大地震的“臺風擾動”應該比新疆地震臺記錄到的異常擾動大，但需要注意的是:與昆明臺和恩施臺記錄到的異常地脈動相比，新疆境內地震臺記錄到的異常地脈動有明顯的區(qū)別。圖3a表明:在8～16 s(0.06～0.125 Hz)的周期范圍，烏魯木齊地震臺的異常擾動明顯強于昆明臺和恩施臺的異常地脈動。進一步進行傅立葉頻譜分析 (圖3b)，結果表明:昆明臺和恩施臺，異常地脈動的優(yōu)勢頻率范圍為0.15～0.25 Hz(周期4～6.25 s);而烏魯木齊臺異常擾動的優(yōu)勢頻率范圍為0.1～0.15 Hz(周期6.7～10 s)，且新疆的5個地震臺 (烏什、庫爾勒、喀什、和田，烏魯木齊臺)異常擾動的優(yōu)勢頻率范圍一致 (胡小剛，郝曉光，2009)。

表1 昆侖山口西8.1級地震及汶川8.0級地震對應強臺風信息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異常擾動持續(xù)時間較長，擾動一直與大地震的余震相伴。圖4顯示了昆明臺在2008年5月1～27日記錄到的地脈動信號。由圖可見:5月13日后，汶川大地震和臺風過程都已經完全結束，該臺記錄到的地脈動信號仍然保持較大的振幅。擾動從5月10日一直持續(xù)到22日，這種情況比較罕見，很難完全用臺風影響進行解釋。另外，恩施、西安臺也有類似的觀測結果 (胡小剛，郝曉光，2009)。從成都、蘭州、高臺3個臺站相應時段的地脈動頻譜分析結果看(尹亮，2010)，在0.15～0.25 Hz頻帶內，各臺都記錄到異常變化，且3個臺最大頻譜幅度的大小關系是:成都﹥蘭州﹥高臺;而各臺距海岸的距離的關系是:高臺﹥蘭州﹥成都，正好相反。所以初步認為，雖然Rammasun臺風的行動路徑遠離中國海岸，但也引起了內陸臺站的地脈動異常，不過影響頻率在0.15～0.25 Hz頻帶內。汶川地震前地脈動異常源于地震孕震區(qū)的可能頻帶是0.1～0.14 Hz。

圖3 LingLing臺風期間恩施、昆明、烏魯木齊臺地脈動異常記錄 (8～16 s)(a)及頻譜分析結果 (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

作者通過高臺地震臺和蘭州地震臺數字地震觀測資料跟蹤多次強臺風 (如2009年“莫拉克”和“芭瑪”)，結果一致，即強臺風對地脈動擾動信息的優(yōu)勢頻率在0.15～0.25 Hz范圍內。

圖4 Rammasun臺風過程 (a)與昆明臺地脈動信號 (b)對比Fig.4 Comparison of process of Rammasun typhoon and microtremor signal at Kunming Station

3 無臺風相伴的地脈動異常變化

在沒有臺風出現(xiàn)時，地震儀也可記錄到異常擾動的情況。例如2003年6月7～11日恩施地震臺記錄到了一次明顯的異常地脈動，但在這期間并未有任何臺風事件發(fā)生，而在6月9日臺灣宜蘭發(fā)生了 MS6.3地震 (胡小剛，郝曉光，2009)。2003年10月25日20時，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(GTA)和安西臺 (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級及汶川8.0級地震前異常頻帶一致。

圖5 民樂、山丹MS6.1地震前地脈動頻譜分析圖(a)高臺JCZ－1地脈動幅頻圖;(b)安西CTS－1地脈動幅頻圖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 結論與討論

(1)實際資料研究表明，6級以上地震前，有些測震臺站在震前幾天可以記錄到地脈動臨震異常信息，該異常在數字地震觀測曲線上的表現(xiàn)形式是震前幾天脈動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臺風也能引起內陸臺站脈動曲線的紡錘型增大變化，尤其是臺風期間發(fā)生地震時，給識別地震前兆異常帶來困難。

(3)通過傅里葉頻譜分析，初步認為在沒有臺風的情況下，大震前地脈動異常信息對應的頻帶是0.10～0.15 Hz，稱相應的異常信息為低頻波前兆異常。強臺風對應的異常信息優(yōu)勢頻率在0.15～0.30 Hz范圍內，稱為臺風擾動。雖然兩個頻帶緊鄰，但精細分析也可區(qū)分。

(4)通過跟蹤多次強臺風，進一步驗證了地脈動記錄中臺風擾動信息的優(yōu)勢頻率為0.15～0.30 Hz，所以進一步認為，大震前地脈動臨震異常信息對應的頻帶可能是0.10～0.15 Hz。

(5)臺站觀測人員通過監(jiān)控地脈動曲線的變粗和紡錘型增大變化可以為臨震預報提供有用信息。另外，區(qū)別臺風引起的脈動異常也可為進一步確認地震前兆信息提供參考。

Hasselmann K.A..1963.A statistical analysis of the generation of microseisms［J］．Rev.Geophys.，1:177 － 209.

Kizawa T.1972.The recorders of the gravitational instrments before and after large earthquake［J］．Overseas Earthquakes，(1):39 － 41.

陳化然，郭瑞芝，馮德益.1998.地脈動及特殊波形的頻譜特性在地震預報中的應用［J］．地震，18(1)，75－82

胡小剛，郝曉光.2009.強臺風對汶川大地震和昆侖山大地震“震前擾動”影響的分析［J］．地球物理學報，52(5):1363－1375.

萬永革.2007.數字信號處理的MATLAB實現(xiàn)［M］．北京:科學出版社.

許建聰.2003.地脈動頻譜結構與場地土動力響應研究［D］．福州:福州大學.

楊立明.2009.汶川地震臨震地脈動記錄特殊頻率波動現(xiàn)象及其重現(xiàn)性初步研究［J］．國際地震動態(tài)，(1):14－19.

楊又陵，趙根模，高國英.2003.昆侖山8.1地震前的緩慢地震事件［J］．國際地震動態(tài)，(9):1－4.

尹亮，李興堅，陳蘭新，等.2002.昆侖山口西Ms8.1地震前高臺鉆孔應變異常［J］．大地測量與地球動力學，22(4):89－91.

尹亮.2010.寬頻帶地脈動頻譜異常震例分析及重力觀測的驗證研究［D］．蘭州:中國地震局蘭州地震研究所.

尹亮.2011.大震前重力地脈動異常分析［J］．地震研究，34(4):442－446.

朱傳鎮(zhèn)，房明山，安鎮(zhèn)文，等.1977.脈動與地震關系的初步探討［J］．地球物理學報，20(1)，20 －32.