地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (10): 2590-2596   PDF    
汶川地震前地脉动信号的单台法研究
夏英杰1 , 倪四道2 , 曾祥方1     
1. 蒙城地球物理国家野外科学观测研究站, 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 合肥 230026;
2. 中国科学院测量与地球物理研究所, 动力大地测量学重点实验室, 武汉 430077
摘要: 汶川地震前, 我国及周边地区地震台站记录的地脉动信号显著增强, 对这段时期内的地脉动信号进行频谱分析发现, 它们的能量主要集中在0.20Hz附近.通过单台法对该频段信号进行定向, 发现多个大陆和海岛台站记录的地脉动信号来源方向均指向我国东部海域, 且方向变化与同期的威马逊台风路径保持很好的一致性.结合已有的地脉动信号强度随与台风中心距离增加而衰减的研究, 我们认为汶川地震前的地脉动信号增强是由台风引起, 而不是汶川地震的前兆.
关键词: 汶川地震      地脉动信号      单台法      台风     
Polarization research on seismic noise before Wenchuan Earthquake
XIA Ying-Jie1, NI Si-Dao2, ZENG Xiang-Fang1     
1. Mengcheng National Geophysical Observatory, School of Earth and Space Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;
2. Key Laboratory of Dynamical Geodesy, Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China
Abstract: Enhancement of microseisms was observed at many stations in China and adjacent areas just before the Wenchuan Earthquake of 2008. Spectrum analysis shows that the dominant frequency of this signal is around 0.20 Hz. The polarization method was employed to locate the source of such signals at continent and island stations. We found that the signals of all stations are directed to the East China Sea and their variations correspond to the path of the Ramasun typhoon well. Considering previous research about the relationship between microseisms amplitude and distances from stations to the center of the Ramasun typhoon, we suggest that the enhancement of microseisms before the Wenchuan earthquake was caused by the Ramasun typhoon, rather than the precursor of the Wenchuan earthquake proper..
Key words: Wenchuan earthquake      Microseism      Polarization method      Typhoon     
1 引言

2008年5月12日在汶川发生MS8.0 级地震,给当地人民生命财产带来极大损失,震后许多地球物理工作者对汶川大地震前兆进行了研究.胡小刚等[1,2]发现地震前我国地震台网的多个地震台站记录的地脉动信号显著增强,并认为这些地脉动信号 10期夏英杰等:汶川地震前地脉动信号的单台法研究是汶川地震的前兆信号.傅容珊等[3]通过振幅与台站到台风中心距离关系确定其源自我国东部海域,并认为该信号是由威马逊(Ramasun)台风引起.为了更好地确定地脉动增强的原因,我们有必要利用其他地震学方法进行定量研究.

自20世纪50年代以来,大量地球物理工作者投身于地脉动信号的研究[4-9].目前人们已发现多种方法用于确定地脉动信号源,比如聚束技术(Beamforming method)[10],振幅法[1],单台法(Polarizationmethod)[11,12]等.单台法对稀疏台网具有很好的适用性,Kedar等[11]运用单台法对北大西洋的深海地脉动信号进行了很好的定位,Tanimoto等[12]通过单台法研究成功地发现加州台网接收的地脉动信号存在季节性差异.本文运用此方法分析了我国大陆台站以及周边海岛台站记录的汶川地震前后的地脉动信号,通过对比地脉动信号来源方向的变化和同期威马逊台风的演化过程,我们认为汶川地震前后的地脉动信号可能是由台风引起.

2 单台法 2.1 单台法简介

现阶段地震台阵技术可以很好地确定地震波信号的来源方向及波慢度,但需在密集的台站分布情况下完成.对于台站分布稀疏的情况,Tanimoto等[12]提出利用单台记录确定信号来源方向的方法,通过综合多个台站的单台法定向研究,得到了很好的定位结果.

单台法的原理是通过对单个台站两水平分量进行旋转,寻找最大振幅的方向,进而得到信号源来源的方向.大量研究发现地脉动信号主要由Rayleigh波组成[13,14],信号来源方向上的水平分量能量最强,这保证了单台法的实用性.对于单个频率:

(1)

式中ueunuz分别是台站东西向、南北向和垂向的位移记录,E(w)、N(w) 和Z(w) 是它们对应于频率w的位移谱.我们选取T1-T0 为2h.

当(2)式I取最大值时,对应的Φ 即为信号来源方向:

(2)

为消除随机误差带来的影响,对(2)式中w附近的n个频率wi进行了求和.本文选取的频带为(w-0.01Hz,w+0.01 Hz).I取极值时应有∂I/∂Φ =0,得到

(3)

2.2 单台法可靠性分析

单台法假定地脉动信号主要是Rayleigh面波,当来自某个方向的地脉动信号比背景信号强很多时,可以观测到Rayleigh 面波独有的竖向和径向90°相位差.因此通过分析地脉动信号的竖向和径向相位差,可以评估单台法定位结果的可靠性.

3 数据

本文选取BJT(北京)、ENH(湖北恩施)、KMI(昆明)、SSE(上海)4 个大陆台和TWGB(台湾)、JNU(日本九州)、CBIJ(日本小笠原)3 个海岛台进行处理.从IRIS(www.iris.edu)下载了这些台站从2008年5月1 日至18 日间的数据,去均值去仪器响应后,进行了0.05-0.5 Hz的带通滤波预处理.图 1显示为SSE 台的竖向记录上观测到的5月9-12日间显著增强的地脉动信号.

图 1 2008年5月8-16日佘山台(SSE)的垂向波形图 Fig. 1 Waveform atvertical component in SSE station from May 8th to 16th

在频域上对该地脉动信号进行了分析.各个地震台站的垂向记录被均匀切割成小段,每个片段保存有8192s的波形记录,同时为保证平滑,相邻片段有2000s的叠加.傅里叶变换后,得到地脉动信号随时间变化的频谱图(图 2).观察容易发现,汶川大地震前地脉动信号的增强主要来自于0.20Hz左右的能量.同时0.13 Hz附近的地脉动信号在5月11日振幅也有所增强,但很快受到5 月12 日的汶川地震影响,不利于研究,我们只用单台法研究了0.20Hz附近的信号.同时注意到海岛台站记录相对于大于大陆台站记录拥有更强的噪声信号.

图 2 大陆台站ENH 台(a)、SSE 台(b)和海岛台站JNU 台(c)、TWGB台(d)随时间变化的地脉动频谱图儒略时中的133天对应5月12日,色标的深浅代表对应各时段地脉动在各频率的能量大小. Fig. 2 Spectrum of microseism s at continent station sENH(a),SSE(b) and island stations JNU(c) and TWGB(d) Julian date133 is May12th,colour represents energy of freqeucy at each segments.
4 单台法定位结果 4.1 定位结果

根据式(2),对5月11日的KMI和SSE 数据在0.20Hz左右的能量进行了处理,得到不同方向对应的振幅强度(图 3).图 3中每个小图代表 2h长记录的计算结果,振幅大小随方位角变化明显,大致呈椭圆状,KMI台除部分时段外(数据缺失,缺少一个子图)最大振幅方向都集中在120°附近,指向我国东部海域.SSE 台也大部分集中在140°附近,指向我国东部海域.

图 3 KMI台(a)和SSE 台(b)5月11日在不同水平来源方向对应的0.2 Hz地脉动能量半径表示能量大小,射线方向对应最大能量方向. Fig. 3 Horizental amplitude of 0.20 Hz microseisms in different back azimuths at KMI(a)and SSE(b)on May11th Radius denotes energy and lines represent direction of maximum energy.

根据式(3),我们计算了5 月1 至5 月16 日各个台站在0.20Hz附近信号的来源方向(图 45).在图 4图 5中,用射线的方向指示信号来源方向.通过观察可以发现,5 月9 日以后各个台站的信号来源方向集中指向我国东部沿海.

图 4 大陆台站在汶川地震前后对应的0.20 Hz地脉动信号来源的方向 (a)5月4-6日间的方位角,各个台站的指向不一致;(b)7日和8日的方位角,各个台站的方向性都很离散,表明这段时间是一个过渡阶段.(c)、(d)分别是9-11日和13-15日的方位角,各个台站均比较聚集,且集指向我国东部海域. Fig. 4 The azimuth of 0. 20Hz microseisms sources at continent stations during Wenchuan earthquake (a) Distribution of azimuth from May 4 to May 6. directions had no crossing; (b) Distribution of azimuth from May 7 and May 8,directions were scatterings representing a transition; (c) Distribution of azimuth from May 11 to May 13 and (d) from May 13 to May 15. Azimuths oncentrateed on a dominant direction, also all dominant directions pointed to the East China Sea.

图 2看出海岛台站在汶川地震前各个频率对应的振幅比大陆台站大得多,且在0.20 Hz附近的能量相对较大,进一步支持了这段频率对应的能量来自海洋的观点.从单台法对这个频段信号定向的结果来看(图 5),它们共同指向我国东部海域,和大陆台站定向的结果一致,说明汶川地震前0.20 Hz左右地脉动增强的能量主要来自东部沿海.

图 5 汶川地震前后各海岛台站记录的0.20Hz地脉动信号来源的方向 (a)5月9-12日;(b)5月12-14日. Fig. 5 The azimuth of 0. 2 Hz microseisms sources at island stations during Wenchuan Earthquake (a) Distributions of azimuth from May 9 to May 12;(b) Distributions of Azimuth from May 12 to May 14.
4.2 结果可靠性分析

以SSE台为例,计算了竖直向和水平向记录的相位差.基于前面的结果,选取源的方位角Φ 为140°.这时有

(4)

逐段对10 min 长度的记录计算相位差ΦH-ΦZ图 6为5月10-14日的统计结果,可见SSE 在0.20Hz处的信号存在明显的Rayleigh 面波特征,SSE台的相位差集中在270°,说明我们的方位角应倒转180°,即SSE 台站观测到的Rayleigh波来源方向应为-40°左右,刚好指向东部沿海.说明我们关于单台法定向结果是可靠的.

图 6 2008年5月10-14日期间SSE 台径向与垂向位相差在四个频率段0.18 Hz(a)、0.19 Hz(b)、0.20 Hz(c)和0.21 Hz(d)的统计结果 Fig. 6 Statistical results of phase differences between radial and vertical component at SSE stations at four frequency segments 0. 18 Hz(a) ,0. 19 Hz(b) ,0. 20 Hz(c) and 0. 21 Hz(d) from May 10 to May 14.
5 讨论

前面的单台法定向结果表明,大陆4个台站记录的地脉动信号源方位角从5 月7 日、8 日开始变化,自5月9日起一致指向东部沿海,对比5月8日在太平洋发生并逐步增强的威马逊(Ramasun)2号台风(图 7),我们发现它们在时间和位置上都有很大的相关性,推测这部分频率0.20 Hz附近能量的增加是由台风引起的.图 8反映了SSE台在0.20Hz处这段时间里的振幅变化情况,对比图 78 可以看出这些振幅的变化同台风强度及台风中心距大陆的距离在时间上有非常好的对应关系.5 月9 日SSE台振幅开始增加的时候正是威马逊台风形成,不断加强并开始向中国沿海靠近.至5月11日振幅达到最强,该日台风能量已经达到最大且离中国大陆最近;5 月12 日后台风开始远离并逐渐变弱,此时SSE 台的振幅也开始下降.这些时间变化上的一致性说明大陆台站在0.20Hz附近能量的增加可能就是台风引起.

图 7 2008年威马逊2号台风的路径小圆半径表示台风强度 Fig. 7 The path and intensity map of 2008 Ramasun typhoon
图 8 SSE 台垂向记录的0.20 Hz地脉动信号强度在5月6日至15日期间的演变情况 Fig. 8 Change of 0. 2 Hz microseisms at vertical component of SSE stations from May 6 to May 15

关于台风引发的地脉动信号,研究者已对其进行了大量研究,发现沿海和内陆台站都可以观测到由台风引发的地脉动信号[4,5,11].海洋波浪产生的地脉动信号主要集中在10-20s(第一类地脉动)和3-10s(第二类地脉动)两个周期范围.从频率上看,本文观测到的0.20 Hz信号属于第二类地脉动信号,一般认为这种地脉动信号是由两列沿相反方向传播的海浪碰撞产生,台风产生海浪与背景海浪场相互作用,可以产生这类信号[15,16].

6 结论

本文通过对汶川地震前我国及周边地震台站的低频噪声信号进行频谱分析,发现地脉动信号的能量增强的主要频段为0.2Hz; 通过单台法对大陆台站和海岛台站记录的该频段信号进行定向,发现来源方向指向我国东部海域;通过竖直向和水平向信号相位差,确认其具有明显的Rayleigh 面波特性.研究发现这些地脉动的方向和振幅变化特征与同期在西太平洋发生的威马逊台风的移动路径和强度演化在时间和空间上都具有很强的相关性,推测这部分能量是台风引起的海浪与背景海浪场相互作用产生的第二类地脉动信号.

致谢

感谢IRIS 提供相关数据及SAC(SeismicAnalysisCode)软件.感谢PaulWessel教授等提供的GMT(TheGeneric MappingTools)绘图程序.感谢傅容珊老师和包丰同学的热心帮助.

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