宽频仪器观测的特定频段震颤波产生的原因分析*

张 燕 吕品姬 吴 云

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地 武汉430071

1 引言

近年来，国内有不少学者报道了宽频带地震计观测到的震颤、扰动信号等［1－3］;特别是汶川大地震后，关于汶川地震前的扰动信号是否与地震孕育有关，更是讨论热烈［1－4］。这些震颤或扰动信号周期大都集中在2 ～10 秒，特征为信号的包络线呈纺锤状叠加在观测背景上，信号持续的时间为1天到几天不等。宽频倾斜仪、重力仪也同样观测到了这种震颤信号［5］。目前关于震颤波的形成原因除了台风影响较为明确外，其他原因尚不清楚，究竟与地震的孕育有没有关系，这也是众多学者关注的热点。

本文分析和处理了宽频带倾斜仪、宽频带测震仪和PET 重力仪秒采样的观测资料，特别对湖北黄梅台和宜昌台宽频带倾斜仪2008 到2012年5月宽频带倾斜仪观测资料进行了分析和处理，研究发现高频震颤波的频段主要集中在0.13 ～0.33 Hz ，出现时段遍布全年。以往的研究中，台风激发高频震颤波分析得较多，事实上，台风多发生在夏秋两季，对于遍布全年的高频震颤波，其产生原因绝不可能只有台风，究竟还有那些因素会产生同频段的高频震颤波呢?下面将使用数据处理方法，凸显震颤波的频谱特征，并对形成原因进行分析。

2 数据处理方法

宽频带倾斜仪和重力仪观测资料为秒采样数据，无需进行预处理。对50 Hz 和100 Hz 采样的宽频带地震计观测资料先进行1 Hz 的重采样。三种观测资料统一为秒采样，采用db4 小波进行小波分解到第5 层，原始信号与分解后信号的关系为:S=D1 +D2 +D3 +D4 +D5 +A5，S 为原始数据，D 为细节项，A 为趋势项。再对细节第1 到5 层的合成信号进行短时傅里叶变换，得到高频信号的频谱特征和其能量在不同频率上的分布。

3 震颤波的频谱特征

通过对湖北黄梅台的宽频带垂直摆倾斜仪、湖北恩施台的PET 重力仪、湖北武昌台的宽频带地震计三种秒采样的相同时段的观测资料的分析和处理后发现，震颤波频率主要集中在0.13 ～0.33 Hz(图1)，信号的形态呈纺锤状，持续时间不等。三个台之间彼此间距几百千米，不同观测台站的不同观测仪器对震颤波的记录具有一致性，频段一致、形态一致、持续时间一致。其中宽频带倾斜仪记录的高频震颤波最为清晰，除了仪器自身的因素外，与台址也有很大的关系。从图1 还可以看出，从原始观测曲线中震颤波的表现并不很明显，经过小波变换，剔除趋势项后，细节成分得到凸显，高频震颤波的特征得到了显示，主要体现在形态和相对幅度上，经过短时傅里叶变换后，频谱成分得到了细化，并且可以看出频谱特征随时间的变化过程以及信号能量在不同频率上的分布。

不同观测台站都同时记录到了震颤波，说明震颤波产生的原因应该不是局部小范围的影响，而应该是影响大范围的因素产生的。跟踪分析和处理了黄梅、宜昌、临汾、张家口、云龙等5 个宽频带倾斜仪台2008—2011年的观测资料，发现高频震颤波遍布全年，出现得较为频繁，并且同时段的震颤波不同的台站都有记录，只是因为台址的原因等，有的很清晰，有的相对模糊。仪器观测到的如此多的震颤波，影响的范围也很大，究竟是什么原因产生的?

图1 三种仪器记录的震颤波Fig.1 Tremors recorded by broadband tilter ，gravimeter and broadband seismometer

4 震颤波产生的原因

4.1 西太平洋台风影响

结合2008—2010年西太平洋和北印度洋产生的台风，对处理结果进行分析。以2008年为例，来自台风路径实时发布系统的资料表明，2008年全年西太平洋共产生22 次台风，其中有宽频带倾斜仪记录到了17 次台风引发的震颤波信息，只有5 次台风(巴蓬、黄蜂、巴威、海神、红霞)距离中国海域较远，风力小、风速低，宽频带倾斜仪没有观测到其引发的震颤波信号。进一步分析得到:观测仪器记录的台风引发的震颤波特征与台风路径没有明显的对应关系;不同路径的台风引发的震颤波的频谱特征基本一致;震颤波持续时间与台风的生命周期有关。2008年9月10日到10月3日，来自西太平洋的台风有4 次(森拉克、黑格比、蔷薇、米克拉)，它们的行进路线不一样，其中黑格比和米克拉在中国登陆，其他两次没有。图2 所示是黄梅台宽频倾斜仪观测资料的处理结果，可以看出，台风路径对观测仪器记录的震颤波的频谱特征影响并不明显，震颤波的主频集中在0.13 ～0.33 Hz 范围内。

图2 宽频带倾斜仪记录的不同路径的台风引起的震颤波Fig.2 The tremors recorded by broadband tilter

关于台风如何激发震颤波并能被中国内陆的仪器记录到，Higgins［6］的海洋驻波理论可以很好地解释。一般来说，台风多发生在夏秋两季，从每年的5月开始持续到11月，这期间只要是有出现在中国近海的台风，宽频带倾斜仪必记录到震颤波，2008年到2012年5月期间每年5月到11月所有记录的高频震颤波90%都可以与台风对应上。从观测资料的处理结果看，高频震颤波不仅仅集中在夏秋两季，在冬春两季更为明显，特别是在每年的12月到次年的3月，高频震颤波出现的非常频繁，说明引起高频震颤波的不仅仅是台风，还有其他原因。

4.2 台湾海峡刮风的影响

中国内陆的宽频仪器除了能记录到西太平洋台风激发的震颤波外，在无台风的时候也常常记录到高频震颤波，各台站观测也具有同步性，影响的范围很大。图3(a)是黄梅台宽频带倾斜仪2011年2月份资料的处理结果，可以看出:2月9日至21日，震颤波出现得非常频繁，通过与近海海面天气的对比分析发现:当台湾海峡海面刮风达到6级以上时，仪器就会记录到0.13 ～0.3 Hz 的震颤波;当风速达到7级以上，浪高达到3 米以上时，仪器除了能记录到0.13 ～0.3 Hz 的震颤波外，还会记录到0.1 Hz 左右的震颤波。图3(b)是台湾海峡2011年2月份的风力图，2月2日至8日，海上无6级以上大风，无震颤波记录;2月9日至21日，海上连续刮6级以上大风，震颤波明显;特别是在2月11日至15日，风力达到7级以上，出现了频率为0.1 Hz 左右的震颤波。需要说明的是，目前没有更清晰的海上天气资料，只准确到天，时间上可能存在几小时到1天的误差。从两幅图对比看，海上刮大风与震颤波的出现是一一对应的。笔者将2011年1月到2012年5月黄梅台仪器记录的结果与近海海面的天气做了对比分析，除了台风外，每年的11月到次年的3月，台湾海峡刮大风相当频繁，震颤波与之对应程度高达90%以上。

宽频仪器能记录到海上刮风引发的震颤波，但是每年的4 ～5月份当台湾海峡海面刮风并不是很明显时，仪器也同样记录到同频段的震颤波，这是什么原因?

图3 震颤波与海上风速对比Fig.3 The wind power in Taiwan Strait and tremor records

4.3 其他海域刮风的影响

研究发现:南接台湾海峡的东海海面刮大风时黄梅台也会记录到震颤波，特别是在每年的4 ～5月，台湾海峡较为平静，而相邻的东海海面会出现间歇性的大风。图4(a)是黄梅台宽频带垂直摆倾斜仪记录数据的处理结果，分别在19—22日，25—26日有高频震颤波出现，与之同时段对应的海上刮风的情况如图4(b)，其中灰色表示的是东海海面刮风的风力图，黑色的是台湾海峡刮风的风力图。可以看出:当东海海面的风力在6级以上，而台湾海峡的风力在6级以下时，也会引发高频震颤波。

图4 震颤波与不同海域风速对比Fig.4 Comparison of tremor with the wind speed in different sea areas

我们分析所使用的数据主要来自中国内陆中部地区的观测台站，来自西太平洋的台风和台湾海峡以及东海的刮风会对其造成影响而引发震颤波，对于其他地区的观测台站，有可能会受其他海域的影响。台风引发大的海浪进而产生地脉动形成高频震颤波，当没有台风的时候，只要有大的海浪出现，应该也会产生地脉动形成高频震颤波，台风和海上刮风引发震颤波的机理几乎一样。

5 讨论与结论

通过小波变换后，再对细节部分进行短时傅里叶变换后得到的频谱图能清晰地反映信号的频谱随时间的变化特征以及信号的能量在不同频率上的分布特点。

宽频带倾斜仪、宽频带地震计和秒采样的重力仪都能记录到相同频段的的震颤波，三种仪器记录具有一致性:频段一致、形态一致、持续时段一致。

高频震颤波的形成原因主要有以下因素:台风的影响，夏、秋季出现的高频震颤波主要是由于西太平洋台风的影响而产生的，其卓越周期为0.13 ～0.33 Hz，出现在中国近海的台风必定有高频震颤波与之对应，夏、秋季的高频震颤波在时间上都可以与台风的生命周期对应，并且台风激发高频震颤波已有相关的理论可以解释;冬、春季出现的较为频繁的高频震颤波主要是由于台湾海峡海面刮大风形成大的海浪而引发，其机理应该与台风引发震颤波的理论相符。

通过对两个台宽频带垂直摆倾斜仪秒采样观测数据的跟踪分析和处理，初步判断引发频段为0.13～0.33 Hz 高频震颤波的主要原因是西太平洋的台风和中国近海海面的大风，几乎一一对应。出现高频震颤波的频率非常之频繁，遍布全年，常常和地震发生时刻重合，作者对2008-02—2012-02月全球7级以上地震与震颤的关系做了统计，发现对应关系达80%以上;对1955年以来的中国大陆所有10 次7.5级以上地震与台风关系的统计发现，10 次大地震发生前都有台风出现，台风是否与地震的孕育有关，目前还无法给出明确地判断。

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2 胡小刚，郝晓光，薛秀秀.汶川大地震前非台风扰动现象的研究［J］.地球物理学报，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 胡小刚，郝晓光.强台风对汶川大地震和昆仑山大地震震前扰动影响的分析［J］.地球物理学报，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.地震前兆还是其他因素?—— 与“汶川大地震宽带地震仪短临异常及成因初探”作者商榷［J］.地球物理学报，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 张雁滨，等.热带气旋引起的震颤波［J］.地球物理学报，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)