寬頻儀器觀測的特定頻段震顫波產生的原因分析*

張 燕 呂品姬 吳 云

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼應力研究所武漢科技創新基地 武漢430071

1 引言

近年來，國內有不少學者報道了寬頻帶地震計觀測到的震顫、擾動信號等［1－3］;特別是汶川大地震后，關于汶川地震前的擾動信號是否與地震孕育有關，更是討論熱烈［1－4］。這些震顫或擾動信號周期大都集中在2 ～10 秒，特征為信號的包絡線呈紡錘狀疊加在觀測背景上，信號持續的時間為1天到幾天不等。寬頻傾斜儀、重力儀也同樣觀測到了這種震顫信號［5］。目前關于震顫波的形成原因除了臺風影響較為明確外，其他原因尚不清楚，究竟與地震的孕育有沒有關系，這也是眾多學者關注的熱點。

本文分析和處理了寬頻帶傾斜儀、寬頻帶測震儀和PET 重力儀秒采樣的觀測資料，特別對湖北黃梅臺和宜昌臺寬頻帶傾斜儀2008 到2012年5月寬頻帶傾斜儀觀測資料進行了分析和處理，研究發現高頻震顫波的頻段主要集中在0.13 ～0.33 Hz ，出現時段遍布全年。以往的研究中，臺風激發高頻震顫波分析得較多，事實上，臺風多發生在夏秋兩季，對于遍布全年的高頻震顫波，其產生原因絕不可能只有臺風，究竟還有那些因素會產生同頻段的高頻震顫波呢?下面將使用數據處理方法，凸顯震顫波的頻譜特征，并對形成原因進行分析。

2 數據處理方法

寬頻帶傾斜儀和重力儀觀測資料為秒采樣數據，無需進行預處理。對50 Hz 和100 Hz 采樣的寬頻帶地震計觀測資料先進行1 Hz 的重采樣。三種觀測資料統一為秒采樣，采用db4 小波進行小波分解到第5 層，原始信號與分解后信號的關系為:S=D1 +D2 +D3 +D4 +D5 +A5，S 為原始數據，D 為細節項，A 為趨勢項。再對細節第1 到5 層的合成信號進行短時傅里葉變換，得到高頻信號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

通過對湖北黃梅臺的寬頻帶垂直擺傾斜儀、湖北恩施臺的PET 重力儀、湖北武昌臺的寬頻帶地震計三種秒采樣的相同時段的觀測資料的分析和處理后發現，震顫波頻率主要集中在0.13 ～0.33 Hz(圖1)，信號的形態呈紡錘狀，持續時間不等。三個臺之間彼此間距幾百千米，不同觀測臺站的不同觀測儀器對震顫波的記錄具有一致性，頻段一致、形態一致、持續時間一致。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，與臺址也有很大的關系。從圖1 還可以看出，從原始觀測曲線中震顫波的表現并不很明顯，經過小波變換，剔除趨勢項后，細節成分得到凸顯，高頻震顫波的特征得到了顯示，主要體現在形態和相對幅度上，經過短時傅里葉變換后，頻譜成分得到了細化，并且可以看出頻譜特征隨時間的變化過程以及信號能量在不同頻率上的分布。

不同觀測臺站都同時記錄到了震顫波，說明震顫波產生的原因應該不是局部小范圍的影響，而應該是影響大范圍的因素產生的。跟蹤分析和處理了黃梅、宜昌、臨汾、張家口、云龍等5 個寬頻帶傾斜儀臺2008—2011年的觀測資料，發現高頻震顫波遍布全年，出現得較為頻繁，并且同時段的震顫波不同的臺站都有記錄，只是因為臺址的原因等，有的很清晰，有的相對模糊。儀器觀測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 震顫波產生的原因

4.1 西太平洋臺風影響

結合2008—2010年西太平洋和北印度洋產生的臺風，對處理結果進行分析。以2008年為例，來自臺風路徑實時發布系統的資料表明，2008年全年西太平洋共產生22 次臺風，其中有寬頻帶傾斜儀記錄到了17 次臺風引發的震顫波信息，只有5 次臺風(巴蓬、黃蜂、巴威、海神、紅霞)距離中國海域較遠，風力小、風速低，寬頻帶傾斜儀沒有觀測到其引發的震顫波信號。進一步分析得到:觀測儀器記錄的臺風引發的震顫波特征與臺風路徑沒有明顯的對應關系;不同路徑的臺風引發的震顫波的頻譜特征基本一致;震顫波持續時間與臺風的生命周期有關。2008年9月10日到10月3日，來自西太平洋的臺風有4 次(森拉克、黑格比、薔薇、米克拉)，它們的行進路線不一樣，其中黑格比和米克拉在中國登陸，其他兩次沒有。圖2 所示是黃梅臺寬頻傾斜儀觀測資料的處理結果，可以看出，臺風路徑對觀測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。

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

關于臺風如何激發震顫波并能被中國內陸的儀器記錄到，Higgins［6］的海洋駐波理論可以很好地解釋。一般來說，臺風多發生在夏秋兩季，從每年的5月開始持續到11月，這期間只要是有出現在中國近海的臺風，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%都可以與臺風對應上。從觀測資料的處理結果看，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，高頻震顫波出現的非常頻繁，說明引起高頻震顫波的不僅僅是臺風，還有其他原因。

4.2 臺灣海峽刮風的影響

中國內陸的寬頻儀器除了能記錄到西太平洋臺風激發的震顫波外，在無臺風的時候也常常記錄到高頻震顫波，各臺站觀測也具有同步性，影響的范圍很大。圖3(a)是黃梅臺寬頻帶傾斜儀2011年2月份資料的處理結果，可以看出:2月9日至21日，震顫波出現得非常頻繁，通過與近海海面天氣的對比分析發現:當臺灣海峽海面刮風達到6級以上時，儀器就會記錄到0.13 ～0.3 Hz 的震顫波;當風速達到7級以上，浪高達到3 米以上時，儀器除了能記錄到0.13 ～0.3 Hz 的震顫波外，還會記錄到0.1 Hz 左右的震顫波。圖3(b)是臺灣海峽2011年2月份的風力圖，2月2日至8日，海上無6級以上大風，無震顫波記錄;2月9日至21日，海上連續刮6級以上大風，震顫波明顯;特別是在2月11日至15日，風力達到7級以上，出現了頻率為0.1 Hz 左右的震顫波。需要說明的是，目前沒有更清晰的海上天氣資料，只準確到天，時間上可能存在幾小時到1天的誤差。從兩幅圖對比看，海上刮大風與震顫波的出現是一一對應的。筆者將2011年1月到2012年5月黃梅臺儀器記錄的結果與近海海面的天氣做了對比分析，除了臺風外，每年的11月到次年的3月，臺灣海峽刮大風相當頻繁，震顫波與之對應程度高達90%以上。

寬頻儀器能記錄到海上刮風引發的震顫波，但是每年的4 ～5月份當臺灣海峽海面刮風并不是很明顯時，儀器也同樣記錄到同頻段的震顫波，這是什么原因?

圖3 震顫波與海上風速對比Fig.3 The wind power in Taiwan Strait and tremor records

4.3 其他海域刮風的影響

研究發現:南接臺灣海峽的東海海面刮大風時黃梅臺也會記錄到震顫波，特別是在每年的4 ～5月，臺灣海峽較為平靜，而相鄰的東海海面會出現間歇性的大風。圖4(a)是黃梅臺寬頻帶垂直擺傾斜儀記錄數據的處理結果，分別在19—22日，25—26日有高頻震顫波出現，與之同時段對應的海上刮風的情況如圖4(b)，其中灰色表示的是東海海面刮風的風力圖，黑色的是臺灣海峽刮風的風力圖?？梢钥闯?當東海海面的風力在6級以上，而臺灣海峽的風力在6級以下時，也會引發高頻震顫波。

圖4 震顫波與不同海域風速對比Fig.4 Comparison of tremor with the wind speed in different sea areas

我們分析所使用的數據主要來自中國內陸中部地區的觀測臺站，來自西太平洋的臺風和臺灣海峽以及東海的刮風會對其造成影響而引發震顫波，對于其他地區的觀測臺站，有可能會受其他海域的影響。臺風引發大的海浪進而產生地脈動形成高頻震顫波，當沒有臺風的時候，只要有大的海浪出現，應該也會產生地脈動形成高頻震顫波，臺風和海上刮風引發震顫波的機理幾乎一樣。

5 討論與結論

通過小波變換后，再對細節部分進行短時傅里葉變換后得到的頻譜圖能清晰地反映信號的頻譜隨時間的變化特征以及信號的能量在不同頻率上的分布特點。

寬頻帶傾斜儀、寬頻帶地震計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、形態一致、持續時段一致。

高頻震顫波的形成原因主要有以下因素:臺風的影響，夏、秋季出現的高頻震顫波主要是由于西太平洋臺風的影響而產生的，其卓越周期為0.13 ～0.33 Hz，出現在中國近海的臺風必定有高頻震顫波與之對應，夏、秋季的高頻震顫波在時間上都可以與臺風的生命周期對應，并且臺風激發高頻震顫波已有相關的理論可以解釋;冬、春季出現的較為頻繁的高頻震顫波主要是由于臺灣海峽海面刮大風形成大的海浪而引發，其機理應該與臺風引發震顫波的理論相符。

通過對兩個臺寬頻帶垂直擺傾斜儀秒采樣觀測數據的跟蹤分析和處理，初步判斷引發頻段為0.13～0.33 Hz 高頻震顫波的主要原因是西太平洋的臺風和中國近海海面的大風，幾乎一一對應。出現高頻震顫波的頻率非常之頻繁，遍布全年，常常和地震發生時刻重合，作者對2008-02—2012-02月全球7級以上地震與震顫的關系做了統計，發現對應關系達80%以上;對1955年以來的中國大陸所有10 次7.5級以上地震與臺風關系的統計發現，10 次大地震發生前都有臺風出現，臺風是否與地震的孕育有關，目前還無法給出明確地判斷。

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］.地球物理學報，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.汶川大地震前非臺風擾動現象的研究［J］.地球物理學報，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，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］.地球物理學報，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］.地球物理學報，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)