張 燕 呂品姬 吳 云

1)中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地 武漢430071

1 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者報(bào)道了寬頻帶地震計(jì)觀測(cè)到的震顫、擾動(dòng)信號(hào)等［1－3］;特別是汶川大地震后，關(guān)于汶川地震前的擾動(dòng)信號(hào)是否與地震孕育有關(guān)，更是討論熱烈［1－4］。這些震顫或擾動(dòng)信號(hào)周期大都集中在2 ～10 秒，特征為信號(hào)的包絡(luò)線呈紡錘狀疊加在觀測(cè)背景上，信號(hào)持續(xù)的時(shí)間為1天到幾天不等。寬頻傾斜儀、重力儀也同樣觀測(cè)到了這種震顫信號(hào)［5］。目前關(guān)于震顫波的形成原因除了臺(tái)風(fēng)影響較為明確外，其他原因尚不清楚，究竟與地震的孕育有沒(méi)有關(guān)系，這也是眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。

本文分析和處理了寬頻帶傾斜儀、寬頻帶測(cè)震儀和PET 重力儀秒采樣的觀測(cè)資料，特別對(duì)湖北黃梅臺(tái)和宜昌臺(tái)寬頻帶傾斜儀2008 到2012年5月寬頻帶傾斜儀觀測(cè)資料進(jìn)行了分析和處理，研究發(fā)現(xiàn)高頻震顫波的頻段主要集中在0.13 ～0.33 Hz ，出現(xiàn)時(shí)段遍布全年。以往的研究中，臺(tái)風(fēng)激發(fā)高頻震顫波分析得較多，事實(shí)上，臺(tái)風(fēng)多發(fā)生在夏秋兩季，對(duì)于遍布全年的高頻震顫波，其產(chǎn)生原因絕不可能只有臺(tái)風(fēng)，究竟還有那些因素會(huì)產(chǎn)生同頻段的高頻震顫波呢?下面將使用數(shù)據(jù)處理方法，凸顯震顫波的頻譜特征，并對(duì)形成原因進(jìn)行分析。

2 數(shù)據(jù)處理方法

寬頻帶傾斜儀和重力儀觀測(cè)資料為秒采樣數(shù)據(jù)，無(wú)需進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)50 Hz 和100 Hz 采樣的寬頻帶地震計(jì)觀測(cè)資料先進(jìn)行1 Hz 的重采樣。三種觀測(cè)資料統(tǒng)一為秒采樣，采用db4 小波進(jìn)行小波分解到第5 層，原始信號(hào)與分解后信號(hào)的關(guān)系為:S=D1 +D2 +D3 +D4 +D5 +A5，S 為原始數(shù)據(jù)，D 為細(xì)節(jié)項(xiàng)，A 為趨勢(shì)項(xiàng)。再對(duì)細(xì)節(jié)第1 到5 層的合成信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，得到高頻信號(hào)的頻譜特征和其能量在不同頻率上的分布。

3 震顫波的頻譜特征

通過(guò)對(duì)湖北黃梅臺(tái)的寬頻帶垂直擺傾斜儀、湖北恩施臺(tái)的PET 重力儀、湖北武昌臺(tái)的寬頻帶地震計(jì)三種秒采樣的相同時(shí)段的觀測(cè)資料的分析和處理后發(fā)現(xiàn)，震顫波頻率主要集中在0.13 ～0.33 Hz(圖1)，信號(hào)的形態(tài)呈紡錘狀，持續(xù)時(shí)間不等。三個(gè)臺(tái)之間彼此間距幾百千米，不同觀測(cè)臺(tái)站的不同觀測(cè)儀器對(duì)震顫波的記錄具有一致性，頻段一致、形態(tài)一致、持續(xù)時(shí)間一致。其中寬頻帶傾斜儀記錄的高頻震顫波最為清晰，除了儀器自身的因素外，與臺(tái)址也有很大的關(guān)系。從圖1 還可以看出，從原始觀測(cè)曲線中震顫波的表現(xiàn)并不很明顯，經(jīng)過(guò)小波變換，剔除趨勢(shì)項(xiàng)后，細(xì)節(jié)成分得到凸顯，高頻震顫波的特征得到了顯示，主要體現(xiàn)在形態(tài)和相對(duì)幅度上，經(jīng)過(guò)短時(shí)傅里葉變換后，頻譜成分得到了細(xì)化，并且可以看出頻譜特征隨時(shí)間的變化過(guò)程以及信號(hào)能量在不同頻率上的分布。

不同觀測(cè)臺(tái)站都同時(shí)記錄到了震顫波，說(shuō)明震顫波產(chǎn)生的原因應(yīng)該不是局部小范圍的影響，而應(yīng)該是影響大范圍的因素產(chǎn)生的。跟蹤分析和處理了黃梅、宜昌、臨汾、張家口、云龍等5 個(gè)寬頻帶傾斜儀臺(tái)2008—2011年的觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)高頻震顫波遍布全年，出現(xiàn)得較為頻繁，并且同時(shí)段的震顫波不同的臺(tái)站都有記錄，只是因?yàn)榕_(tái)址的原因等，有的很清晰，有的相對(duì)模糊。儀器觀測(cè)到的如此多的震顫波，影響的范圍也很大，究竟是什么原因產(chǎn)生的?

圖1 三種儀器記錄的震顫波Fig.1 Tremors recorded by broadband tilter ，gravimeter and broadband seismometer

4 震顫波產(chǎn)生的原因

4.1 西太平洋臺(tái)風(fēng)影響

結(jié)合2008—2010年西太平洋和北印度洋產(chǎn)生的臺(tái)風(fēng)，對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行分析。以2008年為例，來(lái)自臺(tái)風(fēng)路徑實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)的資料表明，2008年全年西太平洋共產(chǎn)生22 次臺(tái)風(fēng)，其中有寬頻帶傾斜儀記錄到了17 次臺(tái)風(fēng)引發(fā)的震顫波信息，只有5 次臺(tái)風(fēng)(巴蓬、黃蜂、巴威、海神、紅霞)距離中國(guó)海域較遠(yuǎn)，風(fēng)力小、風(fēng)速低，寬頻帶傾斜儀沒(méi)有觀測(cè)到其引發(fā)的震顫波信號(hào)。進(jìn)一步分析得到:觀測(cè)儀器記錄的臺(tái)風(fēng)引發(fā)的震顫波特征與臺(tái)風(fēng)路徑?jīng)]有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系;不同路徑的臺(tái)風(fēng)引發(fā)的震顫波的頻譜特征基本一致;震顫波持續(xù)時(shí)間與臺(tái)風(fēng)的生命周期有關(guān)。2008年9月10日到10月3日，來(lái)自西太平洋的臺(tái)風(fēng)有4 次(森拉克、黑格比、薔薇、米克拉)，它們的行進(jìn)路線不一樣，其中黑格比和米克拉在中國(guó)登陸，其他兩次沒(méi)有。圖2 所示是黃梅臺(tái)寬頻傾斜儀觀測(cè)資料的處理結(jié)果，可以看出，臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)觀測(cè)儀器記錄的震顫波的頻譜特征影響并不明顯，震顫波的主頻集中在0.13 ～0.33 Hz 范圍內(nèi)。

圖2 寬頻帶傾斜儀記錄的不同路徑的臺(tái)風(fēng)引起的震顫波Fig.2 The tremors recorded by broadband tilter

關(guān)于臺(tái)風(fēng)如何激發(fā)震顫波并能被中國(guó)內(nèi)陸的儀器記錄到，Higgins［6］的海洋駐波理論可以很好地解釋。一般來(lái)說(shuō)，臺(tái)風(fēng)多發(fā)生在夏秋兩季，從每年的5月開(kāi)始持續(xù)到11月，這期間只要是有出現(xiàn)在中國(guó)近海的臺(tái)風(fēng)，寬頻帶傾斜儀必記錄到震顫波，2008年到2012年5月期間每年5月到11月所有記錄的高頻震顫波90%都可以與臺(tái)風(fēng)對(duì)應(yīng)上。從觀測(cè)資料的處理結(jié)果看，高頻震顫波不僅僅集中在夏秋兩季，在冬春兩季更為明顯，特別是在每年的12月到次年的3月，高頻震顫波出現(xiàn)的非常頻繁，說(shuō)明引起高頻震顫波的不僅僅是臺(tái)風(fēng)，還有其他原因。

4.2 臺(tái)灣海峽刮風(fēng)的影響

中國(guó)內(nèi)陸的寬頻儀器除了能記錄到西太平洋臺(tái)風(fēng)激發(fā)的震顫波外，在無(wú)臺(tái)風(fēng)的時(shí)候也常常記錄到高頻震顫波，各臺(tái)站觀測(cè)也具有同步性，影響的范圍很大。圖3(a)是黃梅臺(tái)寬頻帶傾斜儀2011年2月份資料的處理結(jié)果，可以看出:2月9日至21日，震顫波出現(xiàn)得非常頻繁，通過(guò)與近海海面天氣的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn):當(dāng)臺(tái)灣海峽海面刮風(fēng)達(dá)到6級(jí)以上時(shí)，儀器就會(huì)記錄到0.13 ～0.3 Hz 的震顫波;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到7級(jí)以上，浪高達(dá)到3 米以上時(shí)，儀器除了能記錄到0.13 ～0.3 Hz 的震顫波外，還會(huì)記錄到0.1 Hz 左右的震顫波。圖3(b)是臺(tái)灣海峽2011年2月份的風(fēng)力圖，2月2日至8日，海上無(wú)6級(jí)以上大風(fēng)，無(wú)震顫波記錄;2月9日至21日，海上連續(xù)刮6級(jí)以上大風(fēng)，震顫波明顯;特別是在2月11日至15日，風(fēng)力達(dá)到7級(jí)以上，出現(xiàn)了頻率為0.1 Hz 左右的震顫波。需要說(shuō)明的是，目前沒(méi)有更清晰的海上天氣資料，只準(zhǔn)確到天，時(shí)間上可能存在幾小時(shí)到1天的誤差。從兩幅圖對(duì)比看，海上刮大風(fēng)與震顫波的出現(xiàn)是一一對(duì)應(yīng)的。筆者將2011年1月到2012年5月黃梅臺(tái)儀器記錄的結(jié)果與近海海面的天氣做了對(duì)比分析，除了臺(tái)風(fēng)外，每年的11月到次年的3月，臺(tái)灣海峽刮大風(fēng)相當(dāng)頻繁，震顫波與之對(duì)應(yīng)程度高達(dá)90%以上。

寬頻儀器能記錄到海上刮風(fēng)引發(fā)的震顫波，但是每年的4 ～5月份當(dāng)臺(tái)灣海峽海面刮風(fēng)并不是很明顯時(shí)，儀器也同樣記錄到同頻段的震顫波，這是什么原因?

圖3 震顫波與海上風(fēng)速對(duì)比Fig.3 The wind power in Taiwan Strait and tremor records

4.3 其他海域刮風(fēng)的影響

研究發(fā)現(xiàn):南接臺(tái)灣海峽的東海海面刮大風(fēng)時(shí)黃梅臺(tái)也會(huì)記錄到震顫波，特別是在每年的4 ～5月，臺(tái)灣海峽較為平靜，而相鄰的東海海面會(huì)出現(xiàn)間歇性的大風(fēng)。圖4(a)是黃梅臺(tái)寬頻帶垂直擺傾斜儀記錄數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，分別在19—22日，25—26日有高頻震顫波出現(xiàn)，與之同時(shí)段對(duì)應(yīng)的海上刮風(fēng)的情況如圖4(b)，其中灰色表示的是東海海面刮風(fēng)的風(fēng)力圖，黑色的是臺(tái)灣海峽刮風(fēng)的風(fēng)力圖?？梢钥闯?當(dāng)東海海面的風(fēng)力在6級(jí)以上，而臺(tái)灣海峽的風(fēng)力在6級(jí)以下時(shí)，也會(huì)引發(fā)高頻震顫波。

圖4 震顫波與不同海域風(fēng)速對(duì)比Fig.4 Comparison of tremor with the wind speed in different sea areas

我們分析所使用的數(shù)據(jù)主要來(lái)自中國(guó)內(nèi)陸中部地區(qū)的觀測(cè)臺(tái)站，來(lái)自西太平洋的臺(tái)風(fēng)和臺(tái)灣海峽以及東海的刮風(fēng)會(huì)對(duì)其造成影響而引發(fā)震顫波，對(duì)于其他地區(qū)的觀測(cè)臺(tái)站，有可能會(huì)受其他海域的影響。臺(tái)風(fēng)引發(fā)大的海浪進(jìn)而產(chǎn)生地脈動(dòng)形成高頻震顫波，當(dāng)沒(méi)有臺(tái)風(fēng)的時(shí)候，只要有大的海浪出現(xiàn)，應(yīng)該也會(huì)產(chǎn)生地脈動(dòng)形成高頻震顫波，臺(tái)風(fēng)和海上刮風(fēng)引發(fā)震顫波的機(jī)理幾乎一樣。

5 討論與結(jié)論

通過(guò)小波變換后，再對(duì)細(xì)節(jié)部分進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換后得到的頻譜圖能清晰地反映信號(hào)的頻譜隨時(shí)間的變化特征以及信號(hào)的能量在不同頻率上的分布特點(diǎn)。

寬頻帶傾斜儀、寬頻帶地震計(jì)和秒采樣的重力儀都能記錄到相同頻段的的震顫波，三種儀器記錄具有一致性:頻段一致、形態(tài)一致、持續(xù)時(shí)段一致。

高頻震顫波的形成原因主要有以下因素:臺(tái)風(fēng)的影響，夏、秋季出現(xiàn)的高頻震顫波主要是由于西太平洋臺(tái)風(fēng)的影響而產(chǎn)生的，其卓越周期為0.13 ～0.33 Hz，出現(xiàn)在中國(guó)近海的臺(tái)風(fēng)必定有高頻震顫波與之對(duì)應(yīng)，夏、秋季的高頻震顫波在時(shí)間上都可以與臺(tái)風(fēng)的生命周期對(duì)應(yīng)，并且臺(tái)風(fēng)激發(fā)高頻震顫波已有相關(guān)的理論可以解釋;冬、春季出現(xiàn)的較為頻繁的高頻震顫波主要是由于臺(tái)灣海峽海面刮大風(fēng)形成大的海浪而引發(fā)，其機(jī)理應(yīng)該與臺(tái)風(fēng)引發(fā)震顫波的理論相符。

通過(guò)對(duì)兩個(gè)臺(tái)寬頻帶垂直擺傾斜儀秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)的跟蹤分析和處理，初步判斷引發(fā)頻段為0.13～0.33 Hz 高頻震顫波的主要原因是西太平洋的臺(tái)風(fēng)和中國(guó)近海海面的大風(fēng)，幾乎一一對(duì)應(yīng)。出現(xiàn)高頻震顫波的頻率非常之頻繁，遍布全年，常常和地震發(fā)生時(shí)刻重合，作者對(duì)2008-02—2012-02月全球7級(jí)以上地震與震顫的關(guān)系做了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系達(dá)80%以上;對(duì)1955年以來(lái)的中國(guó)大陸所有10 次7.5級(jí)以上地震與臺(tái)風(fēng)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，10 次大地震發(fā)生前都有臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)是否與地震的孕育有關(guān)，目前還無(wú)法給出明確地判斷。

1 胡小剛，郝曉光.汶川大地震寬帶地震儀短臨異常及成因初探［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2008，51(6):1 726－1 734.(Hu X G and Hao X G，The short term anomalies detected by broadband seismographs before the May 12 Wenchuan earthquake，Sichuan［J］.Chna J Geophys.，2008，51(6):1 726－1 734)

2 胡小剛，郝曉光，薛秀秀.汶川大地震前非臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)現(xiàn)象的研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2010，53(12):2 875－2 886.(Hu X G，Hao X G and Xue X X.The analysis of the non-typhooninduced microseisms before the 2008 Wenchuan earthquake［J］.Chna J Geophys.，2010，53(12):2 875－2 886)

3 胡小剛，郝曉光.強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)汶川大地震和昆侖山大地震震前擾動(dòng)影響的分析［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2009，52(5):1 363－1 375.(Hu X G and Hao X G.An analysis of the influences of Rammasun typhoon and Lingling typhoon on anomaly tremors before Wenchuan earthquake and Kunlunshan earthquake［J］.Chna J Geophys.，2008，51(6):1 726－1 734)

4 傅容珊，等.地震前兆還是其他因素?—— 與“汶川大地震寬帶地震儀短臨異常及成因初探”作者商榷［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2009，52(2):584－589.(Fu R S，et al.Earthquake auspice or other factor-Discuss with authors of the paper”The short-term anomalies detected by broadband seismographs before the May 12 Wenchuan earthquake，Sichuan，China”［J］.Chna J Geophys.，2009，52(2):584－589)

5 張雁濱，等.熱帶氣旋引起的震顫波［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2010，53(2):335－341.(Zhang Y B，et al.The tremor induced by tropic cyclone［J］.Chna J Geophys.，2010，53(2):335－341)