張 演， 楊周勝， 伙 俊

(云南省地震局，昆明 650224)

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云南測震記錄數(shù)據(jù)對臺風(fēng)登陸過程的響應(yīng)

張 演， 楊周勝， 伙 俊

(云南省地震局，昆明 650224)

針對云南省香格里拉縣發(fā)生的2次地震的“震前擾動”現(xiàn)象，以及同時期在關(guān)島西南部海面上發(fā)生的超強(qiáng)臺風(fēng)Utor活動情況,對云南省部分?jǐn)?shù)字地震臺站觀測到的異常擾動信號的頻譜特征及持續(xù)時間進(jìn)行分析研究，探討震前低頻擾動現(xiàn)象是否與臺風(fēng)引起的巨浪產(chǎn)生的地脈動效應(yīng)有關(guān)。結(jié)果顯示，“震前擾動”現(xiàn)象確與臺風(fēng)路徑以及臺風(fēng)的強(qiáng)度密切相關(guān)，異常擾動信號開始時間基本與臺風(fēng)進(jìn)入大陸架時間一致，臺風(fēng)引起的異常擾動信號的優(yōu)勢頻率為0.15～0.3 Hz。

2013地震；震前擾動；異常地脈動；臺風(fēng)

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2013年8月28日04時44分，云南省迪慶藏族自治州香格里拉縣、德欽縣、四川省甘孜藏族自治州得榮縣交界地區(qū)(28.2°，99.3°)發(fā)生5.1級地震，2天后即8月31日再次發(fā)生5.9級地震，2次地震的疊加共造成香格里拉縣、德欽縣19個鄉(xiāng)鎮(zhèn)12.270 5萬人受災(zāi)，多處山體發(fā)生滑坡坍塌，造成電力、水利等基礎(chǔ)設(shè)施損毀嚴(yán)重，直接經(jīng)濟(jì)損失14.68億元[1]。筆者發(fā)現(xiàn)，2次地震前云南省部分?jǐn)?shù)字地震臺站均記錄到了異常擾動現(xiàn)象，而2013年8月10—16日在西北太平洋海面上產(chǎn)生了1次17級超強(qiáng)臺風(fēng)Utor(尤特)，Utor移動路徑距離中國海岸較近，并于14日以強(qiáng)臺風(fēng)的強(qiáng)度登陸廣東沿海，引發(fā)了暴雨到特大暴雨。由于香格里拉甘孜交界地震的“震前擾動”現(xiàn)象與超強(qiáng)臺風(fēng)Utor活動的時間比較吻合，我們懷疑此次“震前擾動”現(xiàn)象與臺風(fēng)Utor活動有關(guān)。

香格里拉甘孜交界地震的“震前擾動”現(xiàn)象出現(xiàn)在低頻地脈動頻段，屬于微震?！拔⒄稹币辉~常用于指周期為3～10 s的地面持續(xù)振動，能被所有的高靈敏度地震計(jì)記錄到。自19世紀(jì)下半葉以來，許多調(diào)查證實(shí)微震和氣候條件分布(特別是海洋中心的氣候)有密切關(guān)系。20世紀(jì)30年代，Gutenberg[2]指出越來越多的微震活動常常同時出現(xiàn)在歐洲和北美的大片區(qū)域，最大的擾動出現(xiàn)在毗鄰發(fā)育完善氣旋的沿海地區(qū)。20世紀(jì)40年代，Ramirez[3]通過布設(shè)三角分布的地震計(jì)，證實(shí)了密蘇里州圣路易斯市的微震信號來自大西洋沿岸的氣旋。Languet-Higgins在1950年提出了著名的海浪波動非線性干涉理論，用海浪駐波解釋海洋引起的地脈動現(xiàn)象[4]。

隨著地震觀測技術(shù)的發(fā)展以及地震儀器頻帶的加寬，人們積累了越來越豐富的低頻地脈動信號資料，這些地脈動信號資料逐漸成為研究的熱點(diǎn)。一些研究結(jié)果表明：低頻地脈動信號與該地區(qū)上板塊活動、地應(yīng)力作用下引起的慢地震活動事件相關(guān)[5]；有的低頻地脈動信號源則來自于強(qiáng)烈的大氣運(yùn)動激發(fā)引起。胡小剛等[6-7]通過分析全國200多個寬帶地震儀觀測數(shù)據(jù)的時頻特征，發(fā)現(xiàn)汶川大地震的“震前擾動”現(xiàn)象中，優(yōu)勢頻率在0.2～0.25 Hz的擾動與臺風(fēng)有關(guān)，并指出在強(qiáng)臺風(fēng)靠近或進(jìn)入沿海區(qū)域時，地震儀記錄到異常地脈動信號振幅會明顯增大；張雁濱等[8]通過研究昆侖山地震前寬頻地震儀所記錄到的震顫波信號與大規(guī)模大氣運(yùn)動的關(guān)系，指出該信號分別是由同時間段內(nèi)發(fā)生在西太平洋的強(qiáng)臺風(fēng)Ling Ling和歐洲北部及歐亞大陸的強(qiáng)溫帶氣旋引發(fā)。

除此之外，仍有很多復(fù)雜、特征多樣的低頻地脈動信號，其產(chǎn)生原因尚在探索之中。本文主要對2013年云南省數(shù)字地震臺站連續(xù)記錄的地表背景噪聲進(jìn)行分析，在臺風(fēng)事件發(fā)生期間，云南省地震臺站記錄到的地脈動信號的變化特征與臺風(fēng)運(yùn)動過程中強(qiáng)度變化、行動路徑的關(guān)系，并通過用傅里葉變換方法分析地脈動信號的頻譜特征，對比分析臺風(fēng)發(fā)生期間和無臺風(fēng)發(fā)生期間地脈動信號的頻譜特征，旨在探討香格里拉甘孜交界地震的“震前擾動”現(xiàn)象是否與Utor臺風(fēng)引起的巨浪產(chǎn)生的地脈動效應(yīng)有關(guān)。

1 云南測震臺網(wǎng)概況

云南測震臺網(wǎng)由48個固定測震臺站(含貴陽臺)構(gòu)成(圖1)，臺站間距約50～200 km。云南區(qū)域臺網(wǎng)臺站的地震計(jì)大部分為60s～50 Hz的寬頻帶地震計(jì)，個別臺站使用的是120 s～50 Hz的甚寬頻帶地震計(jì)。整個臺網(wǎng)采樣率為100 Hz，臺網(wǎng)各子臺在0.05～20 Hz頻帶內(nèi)的實(shí)際觀測動態(tài)范圍為 95 dB左右，可測量的最小地動信號為2.37×10-7m/s。

圖1 云南數(shù)字地震臺站分布圖

2 計(jì)算方法和數(shù)據(jù)處理

本文的研究數(shù)據(jù)主要取自2013年云南數(shù)字地震臺網(wǎng)48個固定臺站的垂直向連續(xù)背景噪聲記錄。由于噪聲的頻譜存在優(yōu)勢頻率，其較強(qiáng)的能量抑制了其它頻段的信號，此外地震信號和臺站附近的干擾源對計(jì)算結(jié)果的影響也較大。為了減少這些不利因素的影響，通常要對原始地震記錄進(jìn)行預(yù)處理和濾波處理。

1)預(yù)處理

本文預(yù)處理數(shù)據(jù)的方法主要參考Bensen等[9]的方法?；痉椒òǎ褐夭蓸樱コ绷鞣至考熬€性趨勢、帶通濾波、時域歸一化和譜白化(時域歸一化采用的是移動均值法，譜白化采用的是在頻譜里將幅值拉平，拓寬地震背景噪聲頻譜，抑制某一單頻信號的干擾)。根據(jù)Bensen提出單臺預(yù)處理基本方法，本文以每天的數(shù)據(jù)為整體進(jìn)行了數(shù)據(jù)重采樣(50 Hz)，去均值，去線性趨勢。

2)低通濾波

對經(jīng)過預(yù)處理后的地震信號進(jìn)行0.5 Hz的低通濾波。Haubrich等[10]，Hasselmann[11]，Tanimoto[12-13]指出臺風(fēng)海浪引起的地脈動信號頻率范圍大約為0.1～0.5 Hz(周期范圍2～10 s)，其能量較大，通常能在陸地上傳播幾千公里。因此0.5 Hz的低通濾波器可以去除小震的主要頻段，同時保留臺風(fēng)引起的地脈動信號。

3)中值濾波

利用中值濾波方法可以去除持續(xù)時間較短的小震和噪音的影響。中值濾波方法：對一個信號序列xj(-∞

Y(i)=Med[x(i-N),…,x(i),…,x(i+N)]

(1)

窗口長度L的取值決定要去除信號的持續(xù)時間。本文參考梁建宏等[14]利用中值濾波去除連續(xù)波形中區(qū)域小震或當(dāng)?shù)囟虝r噪聲的方法，窗口長度取20 min，這樣的窗長可以濾掉持續(xù)時間小于10 min的區(qū)域小震和當(dāng)?shù)卦肼暋?/p>

為了展示本文數(shù)據(jù)資料處理后的效果，下面給出EYA臺2013年3月3日18—19時一個小時的觀測數(shù)據(jù)處理效果圖，分別是原始波形、低通濾波后波形、中值濾波后波形(圖2)。根據(jù)區(qū)域地震目錄，在原始波形圖中也可看出18時35分左右有一個小震信號(圖2a)，在中值濾波后消失了(圖2c)，18時35分之后出現(xiàn)的小震信號也在處理過程中被濾掉了。

注：a 原始波形；b 低通濾波后波形；c 中值濾波后波形圖2 EYA臺2013年3月3日18—19時1個小時的地震波形資料處理結(jié)果

3 臺風(fēng)Utor對香格里拉甘孜交界地震“震前擾動”的影響

2013年8月10—16日，西北太平洋海面產(chǎn)生了超強(qiáng)臺風(fēng)Utor(圖3)。根據(jù)中央氣象臺的報道：Utor于8月10日在菲律賓以東海域以熱帶風(fēng)暴形成，11日升級為超強(qiáng)臺風(fēng)，中心風(fēng)力達(dá)到17級(60 m/s)，此時離中國大陸海岸線為955 km。之后風(fēng)力逐漸減弱，于14日在廣東省陽西沿海附近登陸，風(fēng)力達(dá)到14級(42 m/s)，七級風(fēng)圈半徑320 km，并在廣東沿海一帶引發(fā)暴雨到特大暴雨，并伴隨有強(qiáng)風(fēng)狂浪的過程。臺風(fēng)Utor激發(fā)了強(qiáng)烈的異常地?cái)_動，其產(chǎn)生的震動波能深入到中國大陸內(nèi)地，云南省大部分臺站在臺風(fēng)期間記錄到了明顯的異常地脈動。

圖3 2013年第11號臺風(fēng)Utor(20130810—20130816)路徑圖

8月10日，Utor在深水海域形成時距離中國海岸有2 247 km，距離較遠(yuǎn)未能在中國內(nèi)陸引起明顯的異常地脈動變化，直到8月13日上午，臺風(fēng)距離廣東附近海域498 km時，3個臺站開始記錄到了較明顯的異常地脈動信號(圖4)，信號開始時間、持續(xù)時間基本與臺風(fēng)靠近陽西沿海的活動過程相符，信號幅度的強(qiáng)弱變化也與臺風(fēng)強(qiáng)度、臺風(fēng)與陽西沿海的距離變化相關(guān)。在14日17時后臺風(fēng)風(fēng)速由42 m/s下降到35 m/s，隨著風(fēng)速逐漸降低，臺站記錄到的地脈動信號也逐漸變微弱。以MLP、MLA、JIG臺為例，圖4b～d為8月9—17日3個臺站中值濾波后的波形圖，異常地脈動信號的強(qiáng)度隨地域的不同而有較大區(qū)別。

注：a 臺風(fēng)Utor風(fēng)速及路徑隨時間的變化(圖中紅線表示風(fēng)速，黑線表示臺風(fēng)中心離陽西沿海的距離變化)；b MLP記錄到異常擾動；c MLA記錄到異常擾動；d JIG記錄到異常擾動圖4 臺風(fēng)Utor發(fā)生期間MLP，MLA，JIG臺記錄到異常擾動

進(jìn)一步對云南省45個臺站(其中，LIC、LUQ、SIM臺數(shù)據(jù)損壞)8月的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析發(fā)現(xiàn)：不同臺站觀測到Utor臺風(fēng)引起的異常地脈動信號的頻譜特征相似。在13日臺風(fēng)靠近廣東省陽西附近海域時，部分臺站已開始記錄到異常地脈動信號，尤其是在14日臺風(fēng)登陸當(dāng)天，異常地脈動優(yōu)勢頻率十分明顯，各臺站記錄到的主頻雖不完全一致，但范圍基本集中在0.15～0.3 Hz，部分臺站所記錄到的優(yōu)勢頻率仍然保留背景噪聲的低頻信號即0～0.07 Hz(表1)。

表1 云南省臺站8月14日地脈動異常信號的主頻對比

MLP、MLA、JIG臺8月14—15日異常地脈動優(yōu)勢頻率范圍為0.15～0.3 Hz(圖5)，8月4日無臺風(fēng)期間的觀測數(shù)據(jù)優(yōu)勢頻率范圍為0.1～0.4 Hz，比較發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)靠近并登陸陽西附近海域時，臺站所記錄到的異常地脈動優(yōu)勢頻率明顯偏低，且主頻振幅的最大值明顯大于無臺風(fēng)期間的主頻振幅最大值。我們有理由推測強(qiáng)臺風(fēng)在靠近并登陸中國大陸的過程中，云南區(qū)域地震臺站記錄到0.15～0.3 Hz的異常地脈動優(yōu)勢頻率有增強(qiáng)的趨勢。

臺風(fēng)是一個蘊(yùn)含著巨大能量的氣旋性漩渦，臺風(fēng)過境常伴隨著大風(fēng)和暴雨或特大暴雨等強(qiáng)對流天氣，風(fēng)力影響半徑在幾十公里乃至上百公里。當(dāng)臺風(fēng)引起的巨浪沖擊大陸海岸和海底時，會產(chǎn)生很強(qiáng)的海洋駐波壓力，從而引起較強(qiáng)地脈動，可在遠(yuǎn)離海洋數(shù)千公里的內(nèi)陸地震儀上記錄得到[4]。而臺風(fēng)引起的地脈動波動信號，其波速度會受到非均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響，記錄地震波的地震儀也會受到臺站地質(zhì)結(jié)構(gòu)和接收條件的影響。所以對同一臺風(fēng)，不同臺站上觀測到的脈動異常的形態(tài)和頻譜結(jié)構(gòu)可能會有所不同。

4 結(jié)論

本文對云南省48個臺站的寬頻帶地震記錄儀記錄到的的香格里拉地震震前擾動信號的頻譜特征進(jìn)行了細(xì)致分析。結(jié)果表明：寬頻帶地震記錄儀記錄到的擾動信號與臺風(fēng)接近陽西沿海的時間相吻合，推測擾動信號的優(yōu)勢頻率0.15～0.3 Hz與臺風(fēng)活動有關(guān)。

低頻擾動信號是現(xiàn)在地震記錄中的常見信號，其產(chǎn)生的原因復(fù)雜多樣，對此類信號的深入研究有賴于寬頻帶地震計(jì)、高精度應(yīng)變儀和重力儀的聯(lián)合觀測，同時要加強(qiáng)觀測臺站的密度。如何將寬頻地震計(jì)、應(yīng)變儀及重力儀結(jié)合起來，對低頻擾動信號進(jìn)行識別、定位是我們下一步的研究目標(biāo)。

注：a MLP，MLA，JIG臺8月14日地脈動異常信號的振幅譜；b MLP，MLA，JIG臺8月15日地脈動異常信號的振幅譜；c MLP，MLA，JIG臺在8月4日無臺風(fēng)期間地脈動正常信號的振幅譜圖5 MLP、MLA、JIG臺記錄地脈動的振幅譜

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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

張演，楊周勝，伙俊．云南測震記錄數(shù)據(jù)對臺風(fēng)登陸過程的響應(yīng)[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(4):34-39.

2016-07-20

云南省地震局傳幫帶項(xiàng)目:云南數(shù)字地震臺網(wǎng)監(jiān)控能力研究資助(C2-2014004)

張演(1988—)，女，助理工程師，主要從事地震監(jiān)測研究.E-mail：yan_zhang8806@sohu.com

P315.3

A

1003-1375(2016)04-0034-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.04.006