地脉动记录中台风扰动和低频波前兆信息的频带区别研究*

尹 亮，杨立明，庞 成

0 引言

在一般情况下，任何时刻在地球表面的任何地点都可以用高灵敏度的仪器观测到一种振幅很小的微弱振动，其位移一般只有几微米到几十微米，我们把这种人体难以察觉的微小振动称为地脉动 (许建聪，2003)。以往人们常将地脉动看作是一种干扰，为了有效地记录地震信号，总是设法避免或消除它，或者作为无用信息不被关注。1971年傅承义先生提出了“红肿”的设想 (朱传镇等，1977)，他认为较大地震孕育过程中，地壳上层几百公里尺度内的介质，都处于某种异常状态，这种异常会影响脉动的传播。1964年美国Alaska 8.4级地震前数天，日本东京重力仪记录到了脉动变粗现象 (Kizawa，1972)。2001年昆仑山口西8.1级地震前高台钻孔应变仪也记录到了类似现象 (尹亮等，2002)。杨又陵等 (2003)研究发现新疆地震台网宽频带数字地震资料在2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震前出现低频波前兆异常;尹亮 (2010)研究发现高台，成都，安西、格尔木地震台宽频带地脉动资料在2008年5月12日汶川8.0级地震前也记录到了类似的异常现象，且与高台重力地脉动资料的扰动现象相对应 (尹亮，2011)。杨立明 (2009)通过对距离汶川地震余震区较近的地震台震前连续记录资料的傅里叶频谱特征分析，发现震前临震阶段0.1～0.3 Hz频段的幅值出现快速、持续的增大现象;该现象于2008年7～9月间发生的多次地震前在多个台站出现，表现出现象的重现性、时间进程上的持续性和过程属性。然而，大地震似乎总与台风相伴而来，胡小刚和郝晓光 (2009)通过分析地脉动信号的振幅变化与台风强度和行动路径的关系，认为汶川大地震前及昆仑山大地震前的“震前扰动”可能与台风事件有关。因此，从频率域进一步区别研究大震前低频波异常和台风引起的扰动异常将很有必要。

1 宽频带数字资料低频波短临前兆信息

1.1 数据处理方法

笔者将来自中国地震台网中心的连续波形数据 (SEED文件)经过相关软件及自编程序处理后转换成文本文件，用于MATLAB频谱分析。地脉动波形资料是由数据采集器采集的离散数据，采样频率50 Hz，Niquist频率25 Hz，其快速傅立叶变换 (FFT)的计算公式 (尹亮，2010)为

其中，Ck表示了k次谐波的振幅大小。本文主要研究振幅谱的变化，频谱分析算法主要参考《数字信号处理的MATLAB实现》(万永革，2007)里的例程而编制。

由于高台和安西地震台受到爆破等高频干扰，所以本文涉及的高频滤波均采用Butterworth低通数字滤波器，设计通带边界频率为1.5 Hz，通带波纹为1 dB;阻带边界频率为2.5 Hz，阻带衰减为30 dB。

1.2 震例分析

2001年11月14日17时26分 (北京时间)昆仑山大断裂中段发生了MS8.1地震，高台、安西地震台的宽频带数字地震仪在震前3.5 d记录到显著的长周期异常波动信号 (图1a、c)。自11月10日20时 (国际时间)开始，波动逐渐增强，13 h后 (11日9时)达到第一个峰值，12日4时达到第二个峰值，这与固体潮日潮周期不一致，整个异常于12日10时左右结束，持续约35 h，13日比较平静，14日发生8.1级地震。

图1 昆仑山口西MS8.1地震前地脉动记录及频谱分析结果(a)高台JCZ－1地脉动前驱波记录;(b)高台地脉动幅频图 (信号长度3 600 s);(c)安西CTS－1地脉动前驱波记录;(d)安西地脉动幅频图 (信号长度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)

对相应的波形数据进行FFT频谱分析 (图1b、d)，振幅谱显示自11月11日开始，高台和安西地震台记录到的低频异常波动优势频率在0.1～0.13 Hz之间，即周期在7～10 s之间。两台频幅在一天之内分别增大了34 count和57 count。NS和EW分向的频谱分析与UD分向有相同的结果。

参考新疆宽频带数字地震台网的前驱波记录(杨又陵等，2003)，发现高台台、安西台与新疆台网几乎是在同一时段记录到了相似的地脉动异常波形，低频异常大约在震前85 h开始出现。

2001年昆仑山口西8.1级地震后，2008年汶川8.0级地震的发生表明青藏高原的挤压应力集中区由北部转向东部，应力沿龙门山北川—映秀断裂带北东方向约300 km长的地带释放。震前1天，成都、兰州、高台地震台的宽频带地震仪都记录到了明显的低频 (0.1～0.25 Hz)前兆信息。若以成都台5月4～8日的频谱形态 (图2a)为基础，可以看出5月11日0.1～0.35 Hz的频幅突然震台记录到的低频异常波动优势频率在0.1～0.13 Hz之间，即周期在7～10 s之间。两台频幅在一(图2b)和兰州台 (图2c)也于5月11日起记录到了0.1～0.25 Hz的频幅变化。其中，上述3个台站在0.1～0.13 Hz的频幅增大明显，这与昆仑山口西8.1级地震前异常频带一致。

图2 汶川MS8.0地震前地脉动频谱分析及台站分布图(a)成都JCZ－1地脉动幅频图;(b)高台JCZ－1地脉动幅频图;(c)兰州CTS－1地脉动幅频图;(d)台站位置及震中分布图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 台风扰动

台风是海洋上空围绕低气压中心猛烈旋转的热带大气漩涡，台风蕴含着巨大的能量，其风力影响半径在几十公里至上百公里。台风靠近大陆海岸时，会引起巨浪冲击海岸和海底，产生大量的反射波浪。反射波浪与原生海浪的频率相近，传播方向相反，二者相互干涉后会产生很强的海洋驻波，在海底产生巨大的压力变化，在此压力的作用下，地壳会产生很强的脉动 (Hasselmann，1963)。由于中国大陆地壳较为完整，台风引发的地脉动所产生的地震波可在中国大陆传播很远，因而在中国内陆的地震仪上可经常观测到由近海台风引起的异常地脉动。这种通过孕震介质传播的地脉动的各种特征在孕震过程中可能出现一定的异常变化，而这些异常变化又可以作为地震预报的一类指标 (陈化然等，1998)。

胡小刚和郝晓光 (2009)通过对中国地震台网中心大量的地脉动记录进行频谱分析发现，两次大震前中国东部台站 (如西安、琼中、昆明、恩施台等)记录到异常地脉动的数量更多，且0.15～0.35 Hz的频谱幅度优于西部台站。他们利用中国地震局测震台网中的宽带地震仪的连续观测数据，用小波分析方法和傅里叶分析方法提取了一些台站在Rammasun台风事件发生期间所记录到的地脉动信号。通过分析地脉动信号的振幅变化与台风强度和行动路径的关系，初步认为汶川及昆仑山大地震 (同期生成LingLing台风)的“震前扰动”可能与台风事件有关。强台风通过驻波理论可以影响中国内陆深处的地脉动变化，由于驻波触发了大陆地块的慢滑移，从而使得断层积累的应力得以释放而产生低频波的传播，这就是内陆地震仪记录到的台风震颤信号，这类信号的优势频率在0.15～0.30 Hz(胡小刚，郝晓光，2009)。昆仑山8.1级地震与汶川8.0级地震分别对应了两次强台风，台风信息如表1。

由于台风LingLing的行动路径距离中国大陆海岸较近，从地理位置上来说昆明台和恩施台记录到的昆仑山大地震的“台风扰动”应该比新疆地震台记录到的异常扰动大，但需要注意的是:与昆明台和恩施台记录到的异常地脉动相比，新疆境内地震台记录到的异常地脉动有明显的区别。图3a表明:在8～16 s(0.06～0.125 Hz)的周期范围，乌鲁木齐地震台的异常扰动明显强于昆明台和恩施台的异常地脉动。进一步进行傅立叶频谱分析 (图3b)，结果表明:昆明台和恩施台，异常地脉动的优势频率范围为0.15～0.25 Hz(周期4～6.25 s);而乌鲁木齐台异常扰动的优势频率范围为0.1～0.15 Hz(周期6.7～10 s)，且新疆的5个地震台 (乌什、库尔勒、喀什、和田，乌鲁木齐台)异常扰动的优势频率范围一致 (胡小刚，郝晓光，2009)。

表1 昆仑山口西8.1级地震及汶川8.0级地震对应强台风信息Fig.1 The information of severe typhoon corresponding to west to Kunlun Mountain Pass MS8.1 and Wenchuan MS8.0 earthquakes

汶川大地震期间地脉动异常扰动持续时间较长，扰动一直与大地震的余震相伴。图4显示了昆明台在2008年5月1～27日记录到的地脉动信号。由图可见:5月13日后，汶川大地震和台风过程都已经完全结束，该台记录到的地脉动信号仍然保持较大的振幅。扰动从5月10日一直持续到22日，这种情况比较罕见，很难完全用台风影响进行解释。另外，恩施、西安台也有类似的观测结果 (胡小刚，郝晓光，2009)。从成都、兰州、高台3个台站相应时段的地脉动频谱分析结果看(尹亮，2010)，在0.15～0.25 Hz频带内，各台都记录到异常变化，且3个台最大频谱幅度的大小关系是:成都﹥兰州﹥高台;而各台距海岸的距离的关系是:高台﹥兰州﹥成都，正好相反。所以初步认为，虽然Rammasun台风的行动路径远离中国海岸，但也引起了内陆台站的地脉动异常，不过影响频率在0.15～0.25 Hz频带内。汶川地震前地脉动异常源于地震孕震区的可能频带是0.1～0.14 Hz。

图3 LingLing台风期间恩施、昆明、乌鲁木齐台地脉动异常记录 (8～16 s)(a)及频谱分析结果 (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

作者通过高台地震台和兰州地震台数字地震观测资料跟踪多次强台风 (如2009年“莫拉克”和“芭玛”)，结果一致，即强台风对地脉动扰动信息的优势频率在0.15～0.25 Hz范围内。

图4 Rammasun台风过程 (a)与昆明台地脉动信号 (b)对比Fig.4 Comparison of process of Rammasun typhoon and microtremor signal at Kunming Station

3 无台风相伴的地脉动异常变化

在没有台风出现时，地震仪也可记录到异常扰动的情况。例如2003年6月7～11日恩施地震台记录到了一次明显的异常地脉动，但在这期间并未有任何台风事件发生，而在6月9日台湾宜兰发生了 MS6.3地震 (胡小刚，郝晓光，2009)。2003年10月25日20时，甘肃民乐、山丹发生MS6.1地震，从图5可看出，震前1天起，高台(GTA)和安西台 (AXX)都记录到了0.1～0.14 Hz的频幅增大变化，这与昆仑山口西8.1级及汶川8.0级地震前异常频带一致。

图5 民乐、山丹MS6.1地震前地脉动频谱分析图(a)高台JCZ－1地脉动幅频图;(b)安西CTS－1地脉动幅频图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 结论与讨论

(1)实际资料研究表明，6级以上地震前，有些测震台站在震前几天可以记录到地脉动临震异常信息，该异常在数字地震观测曲线上的表现形式是震前几天脉动曲线变粗呈纺锤型增大变化。

(2)距离中国大陆海岸较近的强台风也能引起内陆台站脉动曲线的纺锤型增大变化，尤其是台风期间发生地震时，给识别地震前兆异常带来困难。

(3)通过傅里叶频谱分析，初步认为在没有台风的情况下，大震前地脉动异常信息对应的频带是0.10～0.15 Hz，称相应的异常信息为低频波前兆异常。强台风对应的异常信息优势频率在0.15～0.30 Hz范围内，称为台风扰动。虽然两个频带紧邻，但精细分析也可区分。

(4)通过跟踪多次强台风，进一步验证了地脉动记录中台风扰动信息的优势频率为0.15～0.30 Hz，所以进一步认为，大震前地脉动临震异常信息对应的频带可能是0.10～0.15 Hz。

(5)台站观测人员通过监控地脉动曲线的变粗和纺锤型增大变化可以为临震预报提供有用信息。另外，区别台风引起的脉动异常也可为进一步确认地震前兆信息提供参考。

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