云南测震记录数据对台风登陆过程的响应

张 演， 杨周胜， 伙 俊

(云南省地震局，昆明 650224)



云南测震记录数据对台风登陆过程的响应

张 演， 杨周胜， 伙 俊

(云南省地震局，昆明 650224)

针对云南省香格里拉县发生的2次地震的“震前扰动”现象，以及同时期在关岛西南部海面上发生的超强台风Utor活动情况,对云南省部分数字地震台站观测到的异常扰动信号的频谱特征及持续时间进行分析研究，探讨震前低频扰动现象是否与台风引起的巨浪产生的地脉动效应有关。结果显示，“震前扰动”现象确与台风路径以及台风的强度密切相关，异常扰动信号开始时间基本与台风进入大陆架时间一致，台风引起的异常扰动信号的优势频率为0.15～0.3 Hz。

2013地震；震前扰动；异常地脉动；台风

0 引言

据中国地震台网测定，2013年8月28日04时44分，云南省迪庆藏族自治州香格里拉县、德钦县、四川省甘孜藏族自治州得荣县交界地区(28.2°，99.3°)发生5.1级地震，2天后即8月31日再次发生5.9级地震，2次地震的叠加共造成香格里拉县、德钦县19个乡镇12.270 5万人受灾，多处山体发生滑坡坍塌，造成电力、水利等基础设施损毁严重，直接经济损失14.68亿元[1]。笔者发现，2次地震前云南省部分数字地震台站均记录到了异常扰动现象，而2013年8月10—16日在西北太平洋海面上产生了1次17级超强台风Utor(尤特)，Utor移动路径距离中国海岸较近，并于14日以强台风的强度登陆广东沿海，引发了暴雨到特大暴雨。由于香格里拉甘孜交界地震的“震前扰动”现象与超强台风Utor活动的时间比较吻合，我们怀疑此次“震前扰动”现象与台风Utor活动有关。

香格里拉甘孜交界地震的“震前扰动”现象出现在低频地脉动频段，属于微震。“微震”一词常用于指周期为3～10 s的地面持续振动，能被所有的高灵敏度地震计记录到。自19世纪下半叶以来，许多调查证实微震和气候条件分布(特别是海洋中心的气候)有密切关系。20世纪30年代，Gutenberg[2]指出越来越多的微震活动常常同时出现在欧洲和北美的大片区域，最大的扰动出现在毗邻发育完善气旋的沿海地区。20世纪40年代，Ramirez[3]通过布设三角分布的地震计，证实了密苏里州圣路易斯市的微震信号来自大西洋沿岸的气旋。Languet-Higgins在1950年提出了著名的海浪波动非线性干涉理论，用海浪驻波解释海洋引起的地脉动现象[4]。

随着地震观测技术的发展以及地震仪器频带的加宽，人们积累了越来越丰富的低频地脉动信号资料，这些地脉动信号资料逐渐成为研究的热点。一些研究结果表明：低频地脉动信号与该地区上板块活动、地应力作用下引起的慢地震活动事件相关[5]；有的低频地脉动信号源则来自于强烈的大气运动激发引起。胡小刚等[6-7]通过分析全国200多个宽带地震仪观测数据的时频特征，发现汶川大地震的“震前扰动”现象中，优势频率在0.2～0.25 Hz的扰动与台风有关，并指出在强台风靠近或进入沿海区域时，地震仪记录到异常地脉动信号振幅会明显增大；张雁滨等[8]通过研究昆仑山地震前宽频地震仪所记录到的震颤波信号与大规模大气运动的关系，指出该信号分别是由同时间段内发生在西太平洋的强台风Ling Ling和欧洲北部及欧亚大陆的强温带气旋引发。

除此之外，仍有很多复杂、特征多样的低频地脉动信号，其产生原因尚在探索之中。本文主要对2013年云南省数字地震台站连续记录的地表背景噪声进行分析，在台风事件发生期间，云南省地震台站记录到的地脉动信号的变化特征与台风运动过程中强度变化、行动路径的关系，并通过用傅里叶变换方法分析地脉动信号的频谱特征，对比分析台风发生期间和无台风发生期间地脉动信号的频谱特征，旨在探讨香格里拉甘孜交界地震的“震前扰动”现象是否与Utor台风引起的巨浪产生的地脉动效应有关。

1 云南测震台网概况

云南测震台网由48个固定测震台站(含贵阳台)构成(图1)，台站间距约50～200 km。云南区域台网台站的地震计大部分为60s～50 Hz的宽频带地震计，个别台站使用的是120 s～50 Hz的甚宽频带地震计。整个台网采样率为100 Hz，台网各子台在0.05～20 Hz频带内的实际观测动态范围为 95 dB左右，可测量的最小地动信号为2.37×10-7m/s。

图1 云南数字地震台站分布图

2 计算方法和数据处理

本文的研究数据主要取自2013年云南数字地震台网48个固定台站的垂直向连续背景噪声记录。由于噪声的频谱存在优势频率，其较强的能量抑制了其它频段的信号，此外地震信号和台站附近的干扰源对计算结果的影响也较大。为了减少这些不利因素的影响，通常要对原始地震记录进行预处理和滤波处理。

1)预处理

本文预处理数据的方法主要参考Bensen等[9]的方法。基本方法包括：重采样，去除直流分量及线性趋势、带通滤波、时域归一化和谱白化(时域归一化采用的是移动均值法，谱白化采用的是在频谱里将幅值拉平，拓宽地震背景噪声频谱，抑制某一单频信号的干扰)。根据Bensen提出单台预处理基本方法，本文以每天的数据为整体进行了数据重采样(50 Hz)，去均值，去线性趋势。

2)低通滤波

对经过预处理后的地震信号进行0.5 Hz的低通滤波。Haubrich等[10]，Hasselmann[11]，Tanimoto[12-13]指出台风海浪引起的地脉动信号频率范围大约为0.1～0.5 Hz(周期范围2～10 s)，其能量较大，通常能在陆地上传播几千公里。因此0.5 Hz的低通滤波器可以去除小震的主要频段，同时保留台风引起的地脉动信号。

3)中值滤波

利用中值滤波方法可以去除持续时间较短的小震和噪音的影响。中值滤波方法：对一个信号序列xj(-∞

Y(i)=Med[x(i-N),…,x(i),…,x(i+N)]

(1)

窗口长度L的取值决定要去除信号的持续时间。本文参考梁建宏等[14]利用中值滤波去除连续波形中区域小震或当地短时噪声的方法，窗口长度取20 min，这样的窗长可以滤掉持续时间小于10 min的区域小震和当地噪声。

为了展示本文数据资料处理后的效果，下面给出EYA台2013年3月3日18—19时一个小时的观测数据处理效果图，分别是原始波形、低通滤波后波形、中值滤波后波形(图2)。根据区域地震目录，在原始波形图中也可看出18时35分左右有一个小震信号(图2a)，在中值滤波后消失了(图2c)，18时35分之后出现的小震信号也在处理过程中被滤掉了。

注：a 原始波形；b 低通滤波后波形；c 中值滤波后波形图2 EYA台2013年3月3日18—19时1个小时的地震波形资料处理结果

3 台风Utor对香格里拉甘孜交界地震“震前扰动”的影响

2013年8月10—16日，西北太平洋海面产生了超强台风Utor(图3)。根据中央气象台的报道：Utor于8月10日在菲律宾以东海域以热带风暴形成，11日升级为超强台风，中心风力达到17级(60 m/s)，此时离中国大陆海岸线为955 km。之后风力逐渐减弱，于14日在广东省阳西沿海附近登陆，风力达到14级(42 m/s)，七级风圈半径320 km，并在广东沿海一带引发暴雨到特大暴雨，并伴随有强风狂浪的过程。台风Utor激发了强烈的异常地扰动，其产生的震动波能深入到中国大陆内地，云南省大部分台站在台风期间记录到了明显的异常地脉动。

图3 2013年第11号台风Utor(20130810—20130816)路径图

8月10日，Utor在深水海域形成时距离中国海岸有2 247 km，距离较远未能在中国内陆引起明显的异常地脉动变化，直到8月13日上午，台风距离广东附近海域498 km时，3个台站开始记录到了较明显的异常地脉动信号(图4)，信号开始时间、持续时间基本与台风靠近阳西沿海的活动过程相符，信号幅度的强弱变化也与台风强度、台风与阳西沿海的距离变化相关。在14日17时后台风风速由42 m/s下降到35 m/s，随着风速逐渐降低，台站记录到的地脉动信号也逐渐变微弱。以MLP、MLA、JIG台为例，图4b～d为8月9—17日3个台站中值滤波后的波形图，异常地脉动信号的强度随地域的不同而有较大区别。

注：a 台风Utor风速及路径随时间的变化(图中红线表示风速，黑线表示台风中心离阳西沿海的距离变化)；b MLP记录到异常扰动；c MLA记录到异常扰动；d JIG记录到异常扰动图4 台风Utor发生期间MLP，MLA，JIG台记录到异常扰动

进一步对云南省45个台站(其中，LIC、LUQ、SIM台数据损坏)8月的观测数据进行傅里叶分析发现：不同台站观测到Utor台风引起的异常地脉动信号的频谱特征相似。在13日台风靠近广东省阳西附近海域时，部分台站已开始记录到异常地脉动信号，尤其是在14日台风登陆当天，异常地脉动优势频率十分明显，各台站记录到的主频虽不完全一致，但范围基本集中在0.15～0.3 Hz，部分台站所记录到的优势频率仍然保留背景噪声的低频信号即0～0.07 Hz(表1)。

表1 云南省台站8月14日地脉动异常信号的主频对比

MLP、MLA、JIG台8月14—15日异常地脉动优势频率范围为0.15～0.3 Hz(图5)，8月4日无台风期间的观测数据优势频率范围为0.1～0.4 Hz，比较发现，台风靠近并登陆阳西附近海域时，台站所记录到的异常地脉动优势频率明显偏低，且主频振幅的最大值明显大于无台风期间的主频振幅最大值。我们有理由推测强台风在靠近并登陆中国大陆的过程中，云南区域地震台站记录到0.15～0.3 Hz的异常地脉动优势频率有增强的趋势。

台风是一个蕴含着巨大能量的气旋性漩涡，台风过境常伴随着大风和暴雨或特大暴雨等强对流天气，风力影响半径在几十公里乃至上百公里。当台风引起的巨浪冲击大陆海岸和海底时，会产生很强的海洋驻波压力，从而引起较强地脉动，可在远离海洋数千公里的内陆地震仪上记录得到[4]。而台风引起的地脉动波动信号，其波速度会受到非均匀介质结构和性质的影响，记录地震波的地震仪也会受到台站地质结构和接收条件的影响。所以对同一台风，不同台站上观测到的脉动异常的形态和频谱结构可能会有所不同。

4 结论

本文对云南省48个台站的宽频带地震记录仪记录到的的香格里拉地震震前扰动信号的频谱特征进行了细致分析。结果表明：宽频带地震记录仪记录到的扰动信号与台风接近阳西沿海的时间相吻合，推测扰动信号的优势频率0.15～0.3 Hz与台风活动有关。

低频扰动信号是现在地震记录中的常见信号，其产生的原因复杂多样，对此类信号的深入研究有赖于宽频带地震计、高精度应变仪和重力仪的联合观测，同时要加强观测台站的密度。如何将宽频地震计、应变仪及重力仪结合起来，对低频扰动信号进行识别、定位是我们下一步的研究目标。

注：a MLP，MLA，JIG台8月14日地脉动异常信号的振幅谱；b MLP，MLA，JIG台8月15日地脉动异常信号的振幅谱；c MLP，MLA，JIG台在8月4日无台风期间地脉动正常信号的振幅谱图5 MLP、MLA、JIG台记录地脉动的振幅谱

[1] 杨捷,曾佐勋,李茂华,等.2013年云南香格里拉、德钦-四川得荣交界5.9级地震灾害及发震构造[J].地球科学-中国地质大学学报,2015,40(10): 1701-1709.

[2] Gutenberg B.Microseisms in North America[J].Bulletin of the Seismological Society of America,1931,21(1): 1-24.

[3] Ramirez J E.An experimental investigation of the nature and origin of microseisms at St.Louis,Missouri[J].Bulletin of the Seismological Society of America,1940,30(2): 139-178.

[4] Longuet-Higgins M S.A theory of the origin of microseisms[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical,Physical and Engineering Sciences,1950,243(857): 1-35.

[5] 张晁军,石耀霖,马丽.慢地震研究中的一些问题[J].中国科学院研究生院学报,2005,22(3): 258-269.

[6] 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): 1363-1375.

[7] 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): 2875-2886.

[8] 张雁滨,蒋骏,李才媛,等.昆仑山强震前的震颤波并非源自慢地震[J].地球物理学报,2013,56(3): 869-877.

[9] Bensen G D,Ritzwoller M H,Barmin M P,et al.Processing seismic ambient noise data to obtain reliable broad-band surface wave dispersion measurements[J].Geophysical Journal of International,2007,169(3): 1239-1260.

[10] Haubrich R A,Munk W H,Snodgrass F E.Comparative spectra of microseisms and swell[J].Bulletin of the Seismological Society of America,1963,53(1): 27-37.

[11] Hasselmann K.A statistical analysis of the generation of microseisms[J].Reviews of Geophysics,1963,1(2): 177-210.

[12] Tanimoto T.Excitation of normal modes by non-linear interaction of ocean waves[J].Geophysical Journal International,2007,168(2): 571-582.

[13] Tanimoto T.Excitation of microseisms[J].Geophysical Research Letters,2007,34(5): L05308.

[14] 梁建宏,刘杰,杨文,等.一种低频地震事件的检测方法—在汶川地震和芦山地震前的初步应用[J].地震,2015,35(1): 1-10.

[15] 张雁滨,蒋骏,李胜乐,等.热带气旋引起的震颤波[J].地球物理学报,2010,53(2): 335-341.

[16] 王俊,徐戈,孙业君.江苏省区域地表背景噪声特性的分析[J].地震研究,2009,32(2): 155-161.

[17] 郑定昌,庞卫东,闵照旭,等.云南地区背景噪声特征分析[J].地震研究,2011,34(2): 201-206.

Response of Seismometric Data in Yunnan Province to the Landfall of Typhoon Utor

ZHANG Yan,YANG Zhou-sheng,HUO Jun

(Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming 650224,China)

Some digital seismic stations in Yunnan Province recorded low-frequency disturbances before two earthquake events occurred in Shangri-La County region of Yunnan Province.On august 10 th,2013,before the two events,a super typhoon,Utor,formed to the southwest of the Guam in the Pacific Ocean.In this paper,we analyze the duration and spectral characteristics of these disturbances to find out whether the pre-earthquake low-frequency disturbances among the microtremors caused by the surge which was brought about by Utor.The result shows that they are high related to the track and intensity of Utor.These disturbances,whose dominant frequencies range between 0.15 Hz and 0.3 Hz,appeared approximately in accordance with Utor’s landfall on the Chinese Continental Shelf.

Shangri-La-Derong earthquake; pre-earthquake disturbance; abnormal microtremor,Typhoon Utor

张演，杨周胜，伙俊．云南测震记录数据对台风登陆过程的响应[J]．华北地震科学，2016，34(4):34-39.

2016-07-20

云南省地震局传帮带项目:云南数字地震台网监控能力研究资助(C2-2014004)

张演(1988—)，女，助理工程师，主要从事地震监测研究.E-mail：yan_zhang8806@sohu.com

P315.3

A

1003-1375(2016)04-0034-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.04.006