地球物理学报  2013, Vol. 56 Issue (3): 869-877   PDF    
昆仑山强震前的震颤波并非源自慢地震
张雁滨1 , 蒋骏1 , 李才媛2 , 唐焱1 , 朱健1 , 徐锐1     
1. 华中科技大学物理学院, 武汉 430074;
2. 湖北省气象局, 武汉 430074
摘要: 2001年11月14日的昆仑山Ms8.1级地震前几天, 中国地震台网多个台站都观测到了持续数天的低频震颤波信号.由于这些震颤波发生在强震前, 所以备受关注.多年来研究人员对该震颤波的产生原因进行过多方探讨, 但没有定论.该震颤波信号是否源自强震区的慢地震?是否是地震前兆?或为其它因素?为了回答这些问题,我们从多方面分析和研究了昆仑山强震前中国大陆宽频地震仪所观测的震颤波信号的特征、持续时间、震颤波强度变化与大规模大气运动的关系、信号强度随观测空间的衰减变化特征.结果表明:中国大陆宽频地震仪在昆仑山强震前观测到的震颤波由两个信号组成, 其中11月10日开始出现, 主要频率范围0.15~0.22 Hz (周期约4~7 s)、持续时间在10-13日的震颤波, 主要由同时间段内发生在西太平洋的强台风玲玲(Ling Ling)引发; 而11月11日开始出现, 主要频率范围0.1~0.13 Hz (周期7~10 s)、持续时间在11-12日的震颤波, 不是来自昆仑山强震区的慢地震, 而是由来自欧洲北部及欧亚大陆的强温带气旋引发.
关键词: 地震观测      连续震颤波      昆仑山强震      温带气旋     
The tremor wave before the Kunlun strong earthquake is not slow earthquake event
ZHANG Yan-Bin1, JIANG Jun1, LI Cai-Yuan2, TANG Yan1, ZHU Jian1, XU Rui1     
1. School of Physics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;
2. Weather Bureau of Hubei Province, Wuhan 430074, China
Abstract: A few days before the western Kunlun mountain pass earthquake of Ms8.1 on November 14, 2001, a number of Chinese seismic stations observed low-frequency anomalous tremor wave signals which lasted several days. Because these tremor waves have been observed before the earthquake, so they got full attention. For many years, many researchers discussed the cause of the tremor waves, but the question is still not settled yet. Is the tremor wave from a slow earthquake event in the Kunlun mountain pass earthquake region? Is it the earthquake precursor or due to other factors? To answer these questions, we make use of the continuous data recorded by broadband seismometers in 10 stations in China seismic network before the Kunlun mountain pass earthquake, to analyze and research the tremor wave signal in characteristics, the duration, the tremor wave magnitude changes and large-scale atmospheric motion, the relationship between the signal amplitude with observation of the space change characteristics attenuation in this article. The results show that the tremor wave signal before the Kunlun mountain pass earthquake in November of 2001 consists of two components. One began to appear on November 10, lasted from November 10-13, with the main frequency of 0.15~0.22 Hz (period of 4~7 s), and was caused by the western Pacific typhoon Ling Ling. The other one began to appear November 11, lasted from November 11-12, with main frequency of 0.1~0.13 Hz (period of 7~10 s), was neither a slow earthquake event from the Kunlun mountain pass earthquake area, but caused by strong extratropical cyclone movement in Eurasia..
Key words: Seismological observation      Continuous tremor wave      Kunlun mountain pass strong earthquake      Extratropical cyclone     
1 引言

2001年11月14日17 : 26 : 13. 0(北京时)中国西部地区发生了昆仑山Ms8.1级强烈地震, 在此地震前几天, 我国新疆地震台网多个台站同时观测到了连续的长周期异常波信号[1], 这一观测现象引起了很多研究人员的关注.此后通过连续多年在华中科技大学HUST地震试验台, 以宽带地震计、倾斜和重力仪对宽频地震信号的观测试验, 以及对中国地震台网的多个台站、日本台网部分台站, 长时间序列连续波形数据的追踪分析[2-5], 得到的认识是:在中国大陆不同地区以及日本, 不同的宽带地震计以及重力和倾斜仪(只要观测仪器的带宽合适)都能非常普遍地观测到这种类似地球脉动、强度与固体潮相当、持续时间几小时至几天、信号复杂、特征多样的震颤波动信号(其中不少震颤波信号中有较强低频成分).相同的震颤波可在较大的观测分布范围内, 被多个不同台站、不同仪器同时记录到, 这些震颤波与国际上在一些特殊地区所观测到Tremor、ETS, LFT等信号[6-14]既有类似之处, 又有所不同.若仅以时间关联来看, 较多的强震前观测中都出现有类似的震颤波, 但研究表明, 这一类震颤波的产生原因可能是多样而复杂的[15-23], 目前已认识到其中一部分的震颤波是由来自西太平洋的热带气旋所激发[2, 16-17], 但除此外, 还有很多震颤波没有答案, 产生原因尚在探索中, 还需要从多方面开展深入细致的分析研究工作.2001年11月14日的昆仑山8. 1级强地震几天前, 不仅是新疆, 中国大陆较大范围的宽频地震计都观测到了相似的震颤信号(图 1), 这是否是来自昆仑山强震区的慢地震?或是来自西太平洋的台风引发?这些问题一直无定论[3, 19-20], 为回答这些疑问, 本文以中国地震台网中的喀什(KSH)、乌什(WUS)、和田(HTA)、高台(GTA)、格尔木(GOM)、成都(CHD)、武汉(WHN)、呼和浩特(HHC)、泰安(TIA)、广州(GZH)等10个宽频地震仪的连续波数据(分布见图 2), 通过对此强震前各台站在同时段观测到的震颤波信号特征、持续时间、震颤波的强度变化与大规模气象因素的关系、信号强度随观测空间的变化特征等方面的分析研究, 对信号的来源开展了讨论和判别.

图 1 地震计观测的连续波形图(001年11月9-14日) Fig. 1 The continuous waveform from seismometer (November 9-14, 2001)
图 2 台站分布及台风玲玲运动路径示意图 ▲台站位置; ★昆仑山强震震中 Fig. 2 The position of seismic station and traces of the typhoon Ling Ling ▲ Station; ★Kunlun mountain pass strong earthquake epicenter
2 震颤波的特征

图 1中可见, 在2001年11月14日的昆仑山8. 1级强震前, 分布在中国各区的地震仪都记录到了震颤波信号, 但值得注意的是, 西北地区的乌什(WUS)、喀什(KSH)、和田(HTA)、高台(GTA)、格尔木(GOM)等观测到的震颤波是11月11日开始的(文中所用时间均为北京时), 而东南地区泰安(TIA)、成都(CHD)、武汉(WHN)、广州(GZH)等观测到的震颤波在11月10日已出现.

东南地区台站中, 广州观测到的震颤波信号最强, 该信号持续时间大约是11月10日上午-13日晚上, 10日晚达到较强, 这里简称震颤波1.对震颤波1的频谱分析得其主频范围0. 15~0. 22 Hz周期约4~7 s(图 3, 以广州和成都的信号为例).对各台站观测中4~7 s周期信号的分析结果表明(图 4 b-4h)东南地区台站观测到的震颤波1信号较强, 而西北地区台站观测到的较弱, 特别是新疆地区的几个台站, 在11月10日没有观测到震颤波1.各台站观测到的震颤波1的强度在空间呈现从东向西、从南向北衰减的特点.

图 3 震颤波1的信号频谱图例 (a)广州台; (b)成都台. Fig. 3 The spectrum of tremor 1 (a) GZH; (b) CHD.
图 4 台风玲玲的风速与部分台站观测的震颤波1信号(4~7 s) (a)台风玲玲风速变化; (b)武汉; (c)广州; (d)成都; (e)泰安; (f)高台; (g)喀什; (h)乌什. Fig. 4 Thewind speedofLingLing and tremor 1(4~7 s) (a) The wind speed of Ling Ling; (b) WHN; (c) GZH; (d) CHD; (e) TIA; (f) GTA; (g) KSH; (h) WUS.

西北地区台站所观测的强震颤波在11月11日出现, 持续时间大致是11月11日上午-12日凌晨(时间上与震颤波1有部分重叠), 这里简称震颤波2.以乌什和喀什两个台站的信号频谱分析为例(图 5), 震颤波2的主频范围:.1~0. 14 Hz(周期7~10 s), 此外, 还含有相对较弱、更为低频的信号(频率范围0. 05~0. 06 Hz周期约16~20 s), 这显然与震颤波1的特征完全不同.以泰安台的观测为例, 11月10日下午的信号是震颤波1(主要周期约4~7 s, 图 6a), 而11日下午的信号中除震颤波1外, 同时低频部分还清楚地出现了震颤波2的信号(图 6b).从各台站的观测结果来看, 几乎所有台站均观测到了震颤波2(周期7~10 s)的信号(图 7), 其中西北地区台站观测到的信号较强, 而东南地区台站观测到的较弱, 各台观测的信号强度在空间的变化是从西向东、从北向南衰减.

图 5 震颤波2的频谱图例 (a)喀什; (b)乌什. Fig. 5 The spectrum of tremor 2 (a) KSH; b) WUS.
图 6 泰安台观测信号的频谱对比图 (a)11月10日; (b)11月11日. Fig. 6 The spectrum contrast with the continuous waveform by TIA (a) November 10; (b) November 11.
图 7 2001年11月11-12日, 各台站观测的震颤波2信号(7~10 s) Fig. 7 The signal of tremor 2 (7~10s) onNovember 11-12, 2001

从上面的分析得到结论:震颤波1与震颤波2的出现时间、持续时间不同(但在时间上有重叠时段); 言号主频特征不同; 言号强度在空间的衰减走向相反, 所以震颤波1和震颤波2不应是同源信号.

3 震颤波的产生原因

这一时间内, 西太平洋上有2001年的23号台风玲玲(LingLing)在活动, 该台风11月6日在菲律宾以东生成, 向西移动, 9日进入我国南海, 10日增强为台风, 最大风速50m/s, 低气压940 hPa, 最后登陆越南1 (路径见图 2).从对西太平洋热带气旋引发震颤波的研究认知来判断, 这个台风引发的震颤波能在中国大陆较大范围内被观测到, 而4~7 s也正是来自西太的热带气旋所引发的震颤波信号的主要周期范围[17].以广州、武汉、泰安、成都等台站观测的震颤波1信号(4~7 s周期)与台风玲玲的强度(风速)变化做比较(图 4), 可清楚看出震颤波1随台风玲玲的强度而变化, 并且, 其中离台风最近的广州台观测的信号最强, 各台站观测的震颤波1强度, 随其距台风中心的距离, 在空间呈现从近到远, 即从东向西、从南向北的衰减.这完全符合来自西太平洋的热带气旋所引发的震颤波信号的特征和规律, 所以持续时间在11月10日上午-13日晚, 信号周期为4~7 s的震颤波1主要由来自西太平洋的强台风玲玲引发.

震颤波2的信号频谱特征(主要周期约7~10 s)显然与震颤波1的特征、以及其它来自西太的热带气旋所引发的震颤波特征不同.此外, 各台站观测的震颤波2的强度在空间的变化是从西向东、从北向南衰减的, 与台风玲玲引发的震颤波1相比, 它出现的时间晚; 信号的主频相对要低; 信号强度在空间的衰减走向相反; 所以, 震颤波2与台风玲玲无关, 波源也并不来自东南方向的海上.但它是否与昆仑山的强震有关, 是来自震源区的慢地震?这是备受关注的问题.根据波传播的基本原理, 在传播过程中, 波振幅(能量)应符合随传播的距离由近到远而由大到小(由强到弱)衰减的原则.观测台中, 格尔木离震源的距离最近(约350 km), 其次是高台(见图 2), 但从观测结果来看, 喀什、和田、乌什观测到的震颤波2信号非常明显地强于格尔木和高台, 所以其波源不会来自昆仑山强震的震源区.

曾有研究人员在做其它观测分析时, 了解到2001年11月在西亚地区有一个气旋, 所以认为新疆地震台网多个台站所观测到的"慢地震"可能与这个气旋有关(据中国地震局第二形变监测中心, 王庆良研究员).

根据气旋形成和活动的主要地理区域, 气旋被分为温带气旋和热带气旋两大类.在秋冬季和春季, 北半球的温带气旋是影响欧亚及北美大陆的主要天气系统, 也称为风暴.一般从开始产生、发展、到消亡的过程为2~5天.北大西洋的冰岛, 格陵兰岛一带, 以及北太平洋阿留申群岛是产生低压强温带气旋的中心.其中来自北大西洋、冰岛和格陵兰岛一带的强温带气旋, 一般由欧洲西部、西北部及北部进入欧亚大陆向东运动, 常称为欧洲风暴, 其强度可与热带气旋相当(同样可由气旋中心的低气压值表示).温带气旋中心范围比热带气旋要大得多, 可达数百至几千公里, 所以影响范围很大.发生在低纬度地区的热带气旋能引发震颤波, 发生在中高纬度地区的温带气旋也应该会在地震观测中引发类似的震颤波, 在北美地区(虽然情况不完全相同)已有风暴引起微地震的观测研究报道[24-25].本文中的震颤波2是否由温带气旋运动引发?需要气象观测数据资料和相关分析的佐证.

由于温带气旋不像热带气旋那样有专门的气象机构来统计、发布, 有详细可查的目录和有关的数据资料, 所以需要从以往的气象资料中搜索、再现、分析.这里, 利用美国国家环境预报中心(NCEP)和国际大气研究中心(NCAP)的再分析资料, 重现了2001年11月的气象图, 发现2011年11月10-13日, 昆仑山强震前, 在欧亚大陆西北部地区有一个强烈的大范围的低压气旋由西向东运动(图 8中所示椭圆型的低气压值区), 其中11-12日正是该气旋最强的时段.对震颤波2与这个气旋的运动时间、强度变化之间的关系分析可知, 震颤波2随该气旋的运动时间、强度变化而响应一致(图 9, 气压值越低, 表示气旋越强), 而各台站观测到的低频震颤波2的强度, 也大致按观测点距气旋的距离, 从近到远(在中国大陆, 即从西北向东南)衰减.以文献[7]中对台风引发的震颤波信号源的定位方法, 对震颤波2信号源也进行了定位尝试, 结果表明, 信号源于图 8所示的气旋区.

图 8 2 0 0 1年1 1月1 1日1 4时(北京时)的海平面气压图2) (单位: P a) Fig. 8 The SLP at 14: 00 (BJT) November 11, 20012) (unit: Pa)

2)美国国家海洋与大气局(NOAA)提供的GrADS(GndAnalyS1s andDisplaySystem)绘制.

图 9 温带气旋强度与震颤波2(2001年11月9-14日) (a)气旋中心气压值的变化;(b)喀什;(c)乌什. Fig. 9 The extratropical cyclone and tremor 2 (November 9一14, 2001)(a) Air pressure of cyclone center; (b) KSH; (c) WUS.

震颤波2的这些特点与热带气旋引发的震颤波的情况相似, 但两者的信号主频显然是有差异的.

温带气旋是欧亚大陆秋冬季及春季常见的天气系统, 如果震颤波2由温带气旋引发, 则其它的温带气旋也应该能引发相同的震颤波.为做验证, 我们对2006年到2008年间的多个类似观测也进行了相同的分析, 结果是肯定的.这里给出与2001年11月的气旋相似的例子, 在2006年11月5-8日, 同样在欧亚大陆西北部地区也出现有向东运动的低压气旋(图 10, 强度比2001年11月的气旋弱), 中国新疆等西北地区的地震台站同样在11月6-7日也观测到与2001年11月相同的震颤波, 并且这个震颤波信号的主要周期与2001年11月11-12日的震颤波2相似, 约为6~9 s(图 11).从震颤波信号与气旋运动时间和强度变化的分析来看, 这一震颤波, 同样是与该气旋的运动和强度演化一致的(图 12), 由于这个气旋比2001年11月的气旋弱, 所以各台站观测到的震颤波强度也相对弱.

图 10 2 0 0 6年1 1月7日4时(北京时)的海平面气压图2) (单位: P a) Fig. 10 The SLP at 4: 00 (BJT) November 7, 20062) (unit: Pa)

2)美国国家海洋与大气局(NOAA)提供的GrADS(GndAnalyS1s andDisplaySystem)绘制.

图 11 2006年11月6-7日的震颤波信号频谱 (a) P客什; b)乌什. Fig. 11 The spectrum of the tremor wave on November 6-7, 2006 (a) KSH; b) WUS.
图 12 温带气旋强度变化与台站观测的震颤波信号(006年11月5-9日) (a)温带气旋中心气压值; (b)乌什; (c)和田; (d)喀什. Fig. 12 The extratropical cyclone and tremor 2 (November 5-9, 2006) (a) Air pressure of cyclone center; (b) WU

根据以上的研究分析, 我们认为2001年11月14日的昆仑山8. 1级强震前, 中国大陆地震仪所观测到的(以西北部地区台站的观测为主), 持续时间在11月11-12日(北京时)、信号周期约7~10 s的震颤波, 主要是由来自欧亚大陆西北部, 由西向东运动的强温带气旋引发的.

这里需要特别指出:温带气旋是斜压锋面气旋, 大多由锋面上的波动发展而形成(有时还会形成气旋族), 温带气旋产生的原因和条件与热带气旋不同, 尺度要大得多; 能量不像热带气旋那样集中; 结构与热带气旋也有些差异; 产生和运动的区域不一样, 一些温带气旋是在陆地上形成的; 这些不同, 可能是热带气旋与温带气旋产生的震颤波信号特征有差异的原因.也正是由于这些原因, 温带气旋所引发的震颤波信号与激发源的关系, 以及激发机理等可能会与热带气旋的有些不同, 似乎难以简单地套用海浪作用激发产生第一类和第二类脉动波的理论[26]来解释温带气旋所引发的频率范围在0.1~0.13 Hz的震颤波机理, 其耦合关系可能更复杂.虽然温带气旋的激发机理还需要做深入细致的专题研究, 但这并不影响对震颤波激发源的地理位置的判断.

4 结论与讨论

本文通过对2001年11月14日昆仑山8. 1级强地震前, 中国大陆多个台站观测的震颤波信号的特征、持续时间、信号强度随观测空间的变化特征等几个方面的分析研究, 并以气象资料的佐证对该震颤波与大规模大气运动的关系进行分析判别, 确定了这个震颤波由两个信号组成, 其中2001年11月10日开始(以东南地区台站的观测为主), 持续时间为11月10-13日, 频率范围0. 15~0. 22 Hz (周期约4~7 s)的震颤波, 主要由发生在西太平洋的2001年23号强台风玲玲(LingLing)引发; 而2001年11月11-12日出现的, 频率范围0. 1~0. 13 Hz (周期7~10 s)的强震颤波(以新疆等西北地区的地震台站观测为主), 即本文中的震颤波2, 与强台风玲玲引发的震颤波是两个不同的信号(时间上两个信号有重叠时段), 也不是来自昆仑山强震区的地震前兆信号, 而主要由来自欧亚大陆西北部, 由西向东运动的强温带气旋的运动而引发.

温带气旋是影响欧亚大陆及我国的重要天气系统, 强温带气旋也能引起震颤波, 可以被分布广泛的地震仪、重力仪和倾斜仪普遍观测到.由于温带气旋与热带气旋的产生原因和运动区域不同, 所引发的震颤波信号特征有差异, 其引发机理需要深入细致的专题研究.

连续震颤波是地震观测中常见的信号, 中国大陆的地震仪、重力仪和倾斜仪都能非常普遍地观测到类似信号, 在不同地区的观测中, 还有特征不同的震颤波信号, 其产生原因是多样的、复杂的, 其中还有很多未知的地学信号, 应从多学科开展探索和研究.

致谢

感谢中国地震台网中心提供地震观测数据; 中国气象局、美国国家环境预报中心(NCEP)和国际大气研究中心(NCAP)、美国国家海洋与大气局(NOAA)提供气象资料及数据信息等方面的支持; 程乐、郭城、卫远、杨号、李龙同学在地震数据的解读和处理方面所做的工作.

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