楊小林 楊錦玲 危自根)

1)陜西地震臺，西安 710068

2)福建地震臺，福州 350003

3)中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院，武漢 430071

4)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，自然資源部深地動力學(xué)重點(diǎn)實驗室，北京 100037

引言

前驅(qū)波通常是指疊加在背景噪聲或正常潮汐變化上，并以毛刺、突跳或瞬時波動等為主的震前異常信號，該現(xiàn)象一般出現(xiàn)在地震前數(shù)小時至數(shù)天。由于此“震相”具有一定的地震前兆意義[1-3]，因而國內(nèi)外地震學(xué)者對此類現(xiàn)象尤為關(guān)注[4-8]。Kanamori和Cipar[4]在美國加州帕薩迪納臺（Pasadena，距震中約10000 km）的貝尼奧夫應(yīng)變儀記錄上，首次發(fā)現(xiàn)1960年智利MS8.3地震前15 min出現(xiàn)了前驅(qū)波（周期為300—600 s）；之后，又有許多學(xué)者借助地震儀、傾斜儀、GPS和井水位等觀測手段，捕捉到類似的震前形變異常[1-2,8-10]。隨著觀測證據(jù)的不斷積累，人們對前驅(qū)波生成機(jī)理（如，孕震斷層的失穩(wěn)、蠕滑和粘滑等）的認(rèn)識也日益深化。但在全球變暖的大背景下，頻發(fā)的極端天氣如卷軸云（morning glory）[11-12]、塵卷風(fēng)（dust devil）[13]和颮線（squall line）[14]等，所引起的氣壓突變也同樣會造成局部或區(qū)域性（近）地表出現(xiàn)疑似前驅(qū)波的非構(gòu)造形變，這就使得前驅(qū)波的物理溯源面臨巨大挑戰(zhàn)。

2008年5月12日，在龍門山斷裂帶發(fā)生的汶川MS8.0強(qiáng)震，給災(zāi)區(qū)人民造成了巨大的生命和財產(chǎn)損失。汶川地震以后，國內(nèi)諸多學(xué)者也對震前可能存在的前兆信號進(jìn)行了較為系統(tǒng)的診斷[15-17]。其中，文獻(xiàn)[15]指出，在5月11日0—22時，山西地區(qū)的5個前兆測項記錄的短時波動（優(yōu)勢周期為64—128 min）均為汶川地震的前驅(qū)波（圖1）。其判據(jù)主要有以下兩點(diǎn)：①在時間上，這些“前驅(qū)波”與汶川地震高度相關(guān)；②在變化形態(tài)上，也能與前驅(qū)波相匹配。但該研究卻忽略了一個至關(guān)重要的干擾因子，即氣壓效應(yīng)，因而，在沒有充分消除氣壓干擾的前提下，便將這些短時波動變化推定為前驅(qū)波，是值得進(jìn)一步商榷的。

鑒于前驅(qū)波具有重要的前兆研究價值，本文結(jié)合氣壓記錄對文獻(xiàn)[15]所用的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了回溯診斷。在此基礎(chǔ)上，我們又較系統(tǒng)地論證了文獻(xiàn)[15]所檢測出的震前異常并非前驅(qū)波而只是氣壓波。相關(guān)結(jié)果，不僅有助于前驅(qū)波的合理辨識，同時還能為汶川地震前兆異常的去偽存真等提供參考。

1 質(zhì)疑和推測

根據(jù)已有的觀測經(jīng)驗和研究結(jié)果來看，雷暴和颮線等強(qiáng)對流天氣所造成的短時氣壓波動（數(shù)分鐘—數(shù)小時），也會導(dǎo)致洞體應(yīng)變和井水位等出現(xiàn)類似于文獻(xiàn)[15]所指出的“前驅(qū)波”變化[14,18-20]。但由于侯馬臺、靜樂和朔州井當(dāng)時沒有輔助的地面氣象觀測要素，所以我們只能對太原和代縣臺進(jìn)行重點(diǎn)剖析。從圖2可以明顯看出，在“前驅(qū)波”出現(xiàn)的時段（藍(lán)色虛線方框），氣壓也同步波動，且二者形態(tài)頗為相似。綜合以上兩點(diǎn)特征，我們有理由推測“前驅(qū)波”很可能是源自短時氣壓波動。

圖2 洞體應(yīng)變NS分量與短時氣壓波動的對比曲線 （分鐘值）。（a） 太原臺；（b） 代縣臺Fig. 2 Comparisons of the NS component of strain （black lines） with the short-period oscillation of barometric pressure （red lines） data with one-minute sampling rate recorded at Taiyuan （a） and Daixian （b）stations，respectively

然而，文獻(xiàn)[15]卻恰巧忽視了氣壓因子的干擾，經(jīng)驗性地將這些異常波動視為汶川地震的前驅(qū)波，可見，該研究的判據(jù)和結(jié)論并不堅實。在下文中，我們將對其成因進(jìn)行詳細(xì)論證。

2 “前驅(qū)波”與氣壓波的因果關(guān)系論證

為進(jìn)一步證實太原和代縣臺所記錄的“前驅(qū)波”為氣壓波引致，本文采用文獻(xiàn)[15]所使用的小波變換方法，來對氣壓和洞體應(yīng)變NS分量進(jìn)行多尺度分解。該步驟的主要目的，是為了探討二者在時、頻域的相關(guān)性。

由于文獻(xiàn)[15]并未闡明所用的小波基及階數(shù)，但考慮到氣壓和洞體應(yīng)變信號短時波動的非平穩(wěn)性，本研究選用了6階Daubechies小波基（db6）以提取更為真實的突變信號[21]。至于分解的層數(shù)，則按照文獻(xiàn)[15]的處理方式進(jìn)行6層分解。圖3展示了小波分解的結(jié)果，再結(jié)合“前驅(qū)波”出現(xiàn)的時段（表1）[15]，可以明顯地看出當(dāng)周期≥16 min時，洞體應(yīng)變NS分量確實在汶川地震前出現(xiàn)了顯著的短時波動變化。但一個有趣的現(xiàn)象是，在相同的頻段（周期≥16 min），太原和代縣臺的氣壓波動幅度和形態(tài)均與洞體應(yīng)變大致吻合；其中，太原臺所記錄的“前驅(qū)波”與同時段氣壓波的相關(guān)系數(shù)最高高達(dá)0.89。但需要指出的是，在第3層二者幾乎不相關(guān)（相關(guān)系數(shù)僅為0.05），這主要是由于高頻段（周期：8—16 min）下的儀器噪聲和背景噪聲等導(dǎo)致信噪比偏低所致。而相比于太原臺的第4—6層，代縣臺的相關(guān)系數(shù)就明顯減?。ń橛?.30—0.49）。究其原因，主要是氣壓波和“前驅(qū)波”之間存在著相位差（圖3b）。其物理機(jī)制可能主要是由于代縣臺位于山區(qū)（圖1a），因此，在地形效應(yīng)或水平氣壓梯度力的復(fù)雜影響下[18]，洞體應(yīng)變難以即時響應(yīng)相對高頻的氣壓波（周期：16—128 min）。

表1 小波分解所提取的“前驅(qū)波”信號特征[15]及其與氣壓波的相關(guān)系數(shù)Table 1 The characteristics of “precursory waves” extracted by wavelet transform[15]，and its correlation coefficients with atmospheric waves

圖1 汶川MS8.0地震前山西地區(qū)觀測到“前驅(qū)波”的臺站分布 （a） 及具體測項 （分鐘值）；（b） 侯馬臺；（c） 太原臺；（d） 代縣臺；（e） 靜樂井；（f） 朔州井Fig. 1（a） Spatial distributions of the five stations （black triangles） in Shanxi Province in which the “precursory waves”（marked with red dashed rectangles） observed; Minute value curves of NS component of strain at Houma （b），Taiyuan（c），Daixian （d） starions; Minute value curves of water level in Jingle （e），and Shuozhou （f）wells. The 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake is marked with dashed red vertical line

圖3 洞體應(yīng)變NS分量和氣壓的小波分析結(jié)果，綠色垂直虛線界定了“前驅(qū)波”出現(xiàn)的時段[15]Fig. 3 Decomposition of the signals of the NS component of strain （black lines） and barometric pressure （red lines） for Taiyuan（a） and Daixian （b） stations into six levels （d1 to d6） using wavelet transform. The starting time and ending time of the precursory waves are marked with dashed green vertical lines[15]

基于以上相關(guān)性和動力機(jī)制初探的結(jié)果，我們大致可以將太原和代縣臺所記錄的“前驅(qū)波”確診為短時氣壓擾動。

3 氣壓波干擾實例舉證

在日常觀測中，太原和代縣臺洞體應(yīng)變NS分量對短時氣壓波動的響應(yīng)也極為明顯。圖4分別給出了這兩個臺所記錄到的一些典型的氣壓干擾（注：原始?xì)鈮喝サ艟€性趨勢后的波動變化）個例。從中不難看出，氣壓波動所引起的洞體應(yīng)變變化形態(tài)與文獻(xiàn)[15]所列舉的“前驅(qū)波”形態(tài)較為類似。因此，這些觀測實證也進(jìn)一步證明汶川地震前山西地區(qū)所記錄到的“前驅(qū)波”并非該地震所致。

圖4 太原 （a，b） 和代縣臺 （c，d） 洞體應(yīng)變NS分量對短時氣壓波動的響應(yīng)實例 （藍(lán)色虛線框所標(biāo)）Fig. 4 Evidence of atmospheric pressure-induced strain changes （marked by the dashed blue rectangle） for Taiyuan （a，b） and Daixian （c，d） stations ，respectively

4 結(jié)論

針對太原和代縣臺所出現(xiàn)的“前驅(qū)波”短臨異常[15]，本文對其進(jìn)行了較為系統(tǒng)的回溯和歸因分析。結(jié)果表明，當(dāng)周期為16—128 min時，短時氣壓波動與“前驅(qū)波”具有較高的相關(guān)性。因此，無論是依據(jù)觀測實踐還是小波分析的結(jié)果，都可以將文獻(xiàn)[15]所認(rèn)為的“前驅(qū)波”推定為氣壓波。其中，需要說明的是，代縣臺的洞體應(yīng)變超前響應(yīng)短周期氣壓波約10 min，這可能是由于代縣臺所在區(qū)域的地形多變，氣壓場較復(fù)雜所致[18,22]。

需要指出的是，本文也只是借助了信號處理的方法，半定量地診斷了山西地區(qū)“前驅(qū)波”與氣壓干擾的相關(guān)性，相關(guān)認(rèn)識尚存不足。今后，還需要借助更多的觀測個例和地—?dú)怦詈系葎恿W(xué)模型，來揭示高頻氣壓波動所產(chǎn)生的局部或區(qū)域地殼形變的時空演化特征。

盡管前驅(qū)波對預(yù)測預(yù)報業(yè)務(wù)具有重要的先兆價值，但目前更為重要的是要客觀診斷地震前短臨異常變化的動力學(xué)機(jī)制，只有如此，方能對前兆信號的合理甄別和科學(xué)提取等有所助益。此外，也希望本文能對相關(guān)的前驅(qū)波研究工作提供些許參考。

致謝

審稿專家提出了諸多寶貴建議，對稿件質(zhì)量的提升幫助很大，作者在此謹(jǐn)表誠摯謝意。