2001年11月14日17时26分新疆昆仑山西口发生了M_S8.1地震，震中坐标为36°12′N，90°54′E.在此强震的前三天，位于震中西北的新疆地震台网的宽频带地震仪普遍记录到了连续的长周期扰动信号，该扰动信号的振幅相当于M_S3.5级别的地震(杨又陵等，2003).由于新疆地震台网距离大地震的震中很近，昆仑山大地震的震前扰动的成因备受关注(牛安福和江在森，2005；王庆良等，2005；张晁军等，2005；梅世蓉等，2009；胡小刚和郝晓光, 2008, 2009；胡小刚等，2010；高丽娟等, 2013；王武星等，2007；王阎昭和沈正康，2007；王梅德等，2014；尹亮等，2014).杨又陵等最先提出此次震前异常扰动信号极有可能是昆仑断层临震预滑动引起，属于强震前的慢地震，可能是大地震的某种前兆现象.张雁滨等(2010, 2013)分析了中国新疆地震台网记录的2001年11月10—12日的扰动信号并结合同期欧亚大陆的气象资料，认为新疆台网记录到的强烈扰动信号是2001年11月10—13日期间欧亚大陆上的一次强温带气旋导致，该温带气旋从西向东运动的过程中产生了扰动信号，推测昆仑山大地震的震前扰动源于气旋运动过程中与陆地表面的摩擦、气压载荷变化以及板块边界断层对气旋扰动产生的响应.

我们注意到前期的研究仅局限于调查分析新疆地震台网记录到的震前扰动信号的时频特性，却未广泛分析同时期欧亚大陆其他地震台的观测记录，只是推测扰动信号产生的原因，未能阐明扰动信号产生的机理.我们还注意到近岸海上风暴是内陆地震仪记录中出现强地脉动(微地震)信号的主要原因(Longuet-Higgins，1950；Aster et al., 2008).Higgins等在理论上详细解释了海浪微地震形成的机理，表明海浪能够产生两类不同频率范围的微地震波(地脉动)，第一种是海浪行波产生的海底和海岸的压力变化引起的地脉动，该地脉动称为第一次(首次)脉动，频率范围大约为0.05~0.25 Hz.海浪行波相互干涉形成驻波后，可在海底和海岸产生持续稳定的压力变化，由此引发的地脉动称为第二次地脉动，其频率范围为第一次脉动的2倍，大约为0.1~0.5 Hz(Longuet-Higgins, 1950; Tanimoto, 2007).第二次脉动的能量大约为第一次脉动的100倍，海洋风暴激发的第二次地脉动波能够传播上千公里(Haubrich, 1963).新疆多个地震台位于欧亚大陆腹地，是地球上距离海洋最远的内陆台站之一.昆仑山大地震的震前扰动是否与海洋风暴地脉动有关？第二次脉动地震波能否到达新疆台网？

为解决这些疑问，本研究扩大观测异常扰动事件的范围，再次对昆仑山大地震震前扰动信号的成因进行了深入研究.仔细分析了2001年11月期间欧亚大陆187个宽带地震仪的观测记录.在11月10—12日期间，欧亚大陆大部分地震仪均记录到了与新疆地震台网相同的强扰动信号.这些强扰动信号是低频瑞利波，其中最强的扰动信号出现在挪威海岸.在研究北极区域历史气象观测资料和文献后，我们注意到2001年11月10—12日期间靠近北极的挪威海域发生了一次强烈海上风暴(Janika).这次风暴的持续期较短，不被广为所知.但相关研究表明这次北极风暴激发的海浪很强，产生的平均海浪高为十几米，最高达到25.6 m高，是挪威气象部门有记录以来的最高海浪值(Feng et al., 2012).为了研究新疆地震台网记录到的昆仑山大地震的震前扰动信号是否与挪威海域的北极风暴有关，本文以下各章利用傅里叶分析方法及小波分析方法对欧亚大陆地震台站的观测记录进行了时频分析，并用瑞利波传播的偏振特性对扰动信号的激发源进行定位.本文的研究确认昆仑山大地震前新疆台网各地震台记录的强烈的震前扰动信号是北极风暴激发的海浪地脉动，这种强烈地脉动(微地震波)普遍出现在欧亚大陆地震波观测记录中，甚至可到达中国西南沿海地区.

2001年11月14日昆仑山强震前，中国大陆多个地区的台站在强震发生前的11月10—12日期间记录到了强烈的低频地脉动信号.为研究这些低频地脉动信号的产生原因，我们分析了昆仑山大地震前后(2001年11月9日至17日)全部欧亚大陆地区及部分北美洲靠近北极地区的199个宽频带地震仪的观测记录.从IRIS(地震学研究机构联合会)数据中心(http://www.iris.edu/hq/)获取这些宽频带地震仪的低频通道(LHZ，LHN，LHE)连续地震波观测数据，数据采样率为1Hz.为比较不同台站扰动信号的大小，首先对观测数据进行了预处理，消除仪器响应.

对所有的199个台站记录的原始地震波数据进行分析后发现，欧亚大陆有187个台站的三个分量地震波数据在2001年11月10—12日均记录到了相似的低频地脉动信号，其中最强的扰动信号出现在位于挪威海岸的KONO台站，而北美洲靠近北极的地区并未出现相同的低频信号.图 1显示了所有199个台站位置的分布图，其中红色标记的187个台站在2001年11月10—12日观测到了连续的低频地脉动信号，蓝色标记的12个台站并未记录到相同的低频信号.图 2给出了由乌鲁木齐至挪威海岸区域路径上的4个台站LHZ(垂向)分量波动观测记录(台站位置见图 1)，可以看出这些台站的扰动信号振幅外包络线呈纺锤状，这些信号都从11月10日开始出现并逐渐增大，最大峰值出现在11日，直至12日消失.各台站记录的扰动信号的外包络线相似，峰值的到时几乎同步，表明这些台站的扰动信号源于相同的扰动源.注意到这四个台站记录到的信号强度从西向东逐渐减弱，挪威台站KONO的扰动信号振幅约是乌鲁木齐台站WMQ记录值的10倍，表明扰动源可能距离挪威海岸较近.

图 1

Fig. 1

图 1 本研究所用观测台站的分布 图中红色三角符号表示的是2001年11月11—12日记录到强扰动信号的台站，蓝色是未记录到信号的台站.数字1处是挪威海Haltenbanken区域，2处是挪威南部城市卑尔根市. Fig. 1 The locations of the stations that used in this study The red triangles represent stations recorded strong anomalous tremor signals during Nov.11—12/2001 and the blue triangles indicate stations did not record the significant emors. Labels 1 and 2 indicate two cites, Haltenbanken and Bergen, in Norway, and white areas in the map represent the shoal waters.

图 2

Fig. 2

图 2 WMQ、ARU、TRTE、KONO台站在2001年11月9—17日期间连续地震波记录 4个台站的位置分布参见图 1.由于昆仑山大地震信号太强，为了清楚显示地脉动信号，图中大地震信号的上下部分被切割，11月14—15日之间的黑色粗竖线是各台记录到的昆仑山大地震信号.在11月10—12日期间，这些台站都记录到了很强的地脉动信号，其中靠近挪威海岸的KONO台站记录到的扰动信号振幅最大，乌鲁木齐WMQ台站记录的扰动信号振幅最小.在11月15—16日发生北极风暴Janika期间，这些台站几乎又同时记录到了显著的地脉动信号. Fig. 2 The waveforms recorded at seismic stations WMQ, ARU, TRTE, KONO in Nov.9—17, 2001 The locations of the four stations are shown in Fig. 1. To clearly show the tremors before the 2001-11-14 MS8.1 Kunlun earthquake, the seismic signals caused by the great earthquake are cut off in the figures, as they are too much larger than the tremor signals. It is noted that significant tremors are recorded at the four stations in Nov. 11—12, and KONO, a station near Bergen in Norway, recorded the largest amplitude of tremors, and WMQ, a station in Xinjiang, China, had the smallest amplitude. The four stations also recorded significant tremors in Nov. 15—16, during a period that a strong Arctic storm, named Janika, occured close to the coast of Norway.

对这4个台站在11月10—12日记录到的扰动信号进行傅里叶分析.图 3显示4个台站扰动信号的频谱特征相同，可以看到扰动信号集中在一个较窄的频段内，其主要频率范围为0.1~0.15 Hz.这一分析结果也表明各台站记录的扰动信号源于相同的扰动源.正交小波滤波器十分适合在时域提取低频窄带信号(胡小刚和郝晓光，2009).为了清晰地分析比较不同台站记录扰动信号的时频特征，本文使用Daubechies正交小波构造带通滤波器处理观测数据，所用小波滤波器的带通范围为0.0625~0.15 Hz.用小波分析方法处理观测数据后，各台站记录的扰动信号更为清晰. 图 4显示了欧亚大陆由东至西10个台站经过小波滤波器处理后的LHZ记录数据的波形图(各台站的位置可参见图 1)，图中蓝色竖线反映了异常信号的波峰位置.由图可见，从10日开始各台站记录的扰动信号逐渐增强，均在11月11日的8时左右到达峰值，扰动信号到时几乎同步.我们注意到最强的信号出现在挪威台站，不同位置的台站接收到峰值信号的最大时间延迟仅数十分钟，扰动信号甚至可到达中国大陆东北地区和西南地区.小波方法分析后的结果进一步表明2001年11月10—12期间欧亚大陆台站及新疆地震台网记录的强扰动信号源于相同的震源区域，且震源距离挪威海岸较近.

图 3

Fig. 3

图 3 台站WMQ、ARU、TRTE、KONO在2001年11月11—12日观测数据的频谱图 4个台站扰动信号的频谱特征相同，扰动信号集中在一个较窄的频段内，其主频范围为0.1~0.15 Hz. Fig. 3 The amplitude spectra for the data recorded by WMQ, ARU, TRTE, KONO in Nov.11—12, 2001 The spectral amplitudes are in the narrow frequency range of 01~0.15 Hz.

图 4

Fig. 4

图 4 小波分析KONO、WMQ等10个台站在2001年11月9—16日的观测记录后得到的波形(波形数据的频带范围是0.06~0.24 Hz) 10个台站在欧亚大陆从西向东分布，位置参见图 1.图中蓝色竖线是11月11—12日地脉动波峰的位置.由于昆仑山大地震信号太强，为了清楚显示地脉动信号，在图中大地震信号的上下部分被切割.11月14—15日的黑色粗竖线是各台记录到的昆仑山大地震信号. Fig. 4 Waveforms observed at ten stations in Nov.9—16, 2001, which are fileted in frequency band of 0.06~0.24 Hz by an orthogonal wavelet filter The ten stations are distributed from the north-west to the south-east of the European and Asian continent (their locations shown in Fig. 1). A blue vertical line indicates the peak of tremor signals at each station. The seismic waves caused by the 2001-11-14 MS8.1 Kunlun earthquake are cut off in the figures.

在冬季，强烈的海洋风暴经常会出现格陵兰岛、冰岛和挪威附近海域.因风暴出现在北极圈海域内，又称为北极风暴.北极风暴也是一种低气压气旋，伴随着巨浪，在浅海区域激发强烈的地脉动.在所有欧亚大陆地震台的观测记录中，挪威台站记录到的扰动信号最强.由此推测这些扰动可能源于挪威海域的北极风暴.为此调查分析了2001年11月北极海域的天气报道，发现2001年11月10—12日挪威海域确实出现了一次超级风暴事件.据挪威气象局的观测数据，2001年11月10日北极海域出现了强风暴，北极风暴进入挪威海域后风力逐渐增强，向挪威Haltenbanken(参见图 1)区域移动形成超级风暴.图 5中红色虚线是北极风暴在挪威海域内的轨迹.这一北极风暴在其途径的海域掀起了巨浪，产生的平均海浪高度超过10 m(Reistad et al., 2011).11月11日，当该风暴到达挪威南部城市卑尔根附近的海域时，挪威南部的气象观测站记录到的最大浪高为25.6 m，这也是挪威气象部门记录到的最高海浪值(Feng et al., 2012).

图 5

Fig. 5

图 5 扰动源的定位结果 红色圆圈标识的位置是激发最大扰动信号的区域.位于挪威南部卑尔根市附近海域.图中红色三角符号是选作定位的6个台站，黑色的线是由最强能量法确定出的扰动源到各台站的大圆路径.图中红色的虚线由挪威气象部门给出的11月10—12日期间超强风暴的轨迹，红色实线为芬兰气象局给出的11月15—16日期间超级风暴Janika的轨迹. Fig. 5 The source region (indicated by a red cycle) for generating the peak of tremors in Nov.11—12, 2001 is located by 6 stations Blue lines are the great-circle propagation paths of microseismic waves for the stations. The track of the windstorm in Nov.10—12 is marked by a red dash line, and the track of windstorm Janika in Nov. 15—16 is marked by a red line.

2001年11月10—12日挪威附近海域出现超强风暴时，分布于欧亚大陆各地区的宽频带地震仪都记录到了强烈的地脉动信号，二者的出现在时间上高度吻合.这一结果表明2001年11月10—12日期间新疆地震台网记录的震前扰动极有可能是挪威海域的北极风暴激发的微地震波.对扰动信号的源进行了粗略的定位，定位结果显示本次强烈扰动的震源区域位于挪威西南海岸的海域.

我们的研究表明北极风暴激发的地脉动影响中国大陆台站的地震波观测的情况并不少见.就在昆仑山大地震发生后的一天，即2001年11月15—16日期间，挪威海域附近又出现一次北极风暴(其路径见图 5).在此期间，新疆地震台和许多欧亚大陆东部地区的台站也同时记录到了一个地脉动信号(参见图 2).这次北极风暴虽然弱于昆仑山地震前发生的北极风暴，但风暴从Oulu登陆芬兰后造成了巨大的经济损失(Pellikka et al., 2003).北极风暴激发的地脉动可直接影响中国大陆内陆腹地的地震和重力观测，我们在日后分析中国大陆地震台网记录的强扰动信号时，不仅要考虑西太平洋台风的影响，还应考虑北极风暴的影响.

微地震波(地脉动)的主要成分是Rayleigh面波，其为偏振波，在水平面沿着信号传播方向的质点振动能量最强(Tanimoto，2007；Yao et al., 2009).对台站观测记录的两个正交的水平分量LHN和LHE在不同的方位角求矢量和，出现最大值的方向便是震源的方位.北极风暴是海上移动的风暴，其激发的海浪在浅海区域产生强烈的微地震，因此对应的震源是一片区域，且其位置并不固定.根据Rayleigh波的偏振特性，我们可估计产生地脉动峰值时震源区域的位置，其方法如下：

地脉动出现峰值时的信号长度为T₀-T₁.由傅里叶变换，得到LHN和LHE振幅序列，然后分别在f₁~f₂频率范围求和，得到振幅和值:

(1)

假定震源的方位角为ϕ，求N和E的沿该方位角方向的矢量和I:

(2)

选取不同的方位角ϕ，当I取得最大值的时，ϕ所对应的角度即为微地震震源相对于台站的方位角.

根据上述原理，可分别估算出微地震震源区域相对于各台站的方位角.由于Rayleigh面波主要沿着大圆路径传播，所以不同台站确定出的最强扰动能量来源方向沿着大圆路径的交汇处便是震源的位置.称该方法为最大能量交汇法.Rayleigh面波的传播速度约为3 km·s^-1，相距较远的台站间接收到的同一个地脉动信号会有一定的时间延迟.在选取不同区域台站进行观测定位时，需要估算地脉动信号到达的时间延迟.为了提高定位精度，用于定位的台站也应尽量分布在较大的方位角范围内.由于面波折射以及其他震动信号的存在，各个台站确定的地脉动来源方向并不会完全交于一点，但是会交到一个较小的区域范围，该范围可认为震源的位置.

本文选取分布于欧亚大陆的KEV、ULN、ARU、WMQ、GNI、KWP 6个台站(其位置见图 5)，使用最大能量来源交汇法估算2001年11月10—12日欧亚大陆地震台记录到的微地震波的震源区域.6个台站分布在整个欧亚大陆，相距较远.各台站接收到的微地震波的到时会有一定的时间延迟.Rayleigh面波在不同地区的传播速度无法准确确定，所以很难确定相同信号在各个台站的准确到时.为了避开同一个时间段内的信号在各个台站之间的时间延迟问题，本文定位震源的数据选取各台站地脉动峰值期间1 h观测值，即波峰到达前30 min和到达后30 min的观测数据(图 3中标示的蓝色段数据).利用波峰处的数据可以消除信号延迟的影响.傅里叶变换后得到观测数据的振幅谱，其主频范围为0.1~0.125 Hz.

分别对6个台站信号源的方向进行定向，根据信号的来源方位角绘制为地震波通过6个台站的大圆路径.图 5中黑色的轨迹线是6个台站确定的信号来源最强的大圆路径，从中可以看到这些路径汇集在一个较小范围，该范围位于挪威南部沿海城市卑尔根附近的海域，定位结果证实2001年11月10—12日期间欧亚大陆台站及新疆地震台网记录的强扰动信号源于挪威海岸.

本文对2001年11月10—12日欧亚大陆地震台上出现的低频地脉动信号进行时频分析并对其产生源初步定位，研究结果表明这些扰动信号由北极风暴在挪威海南部浅水区激发的第二次地脉动引起.2001-11-14昆仑山大地震前新疆台网记录到的低频异常地脉动信号不是慢地震事件和大地震的前兆，也不是欧亚大陆上的强温带气旋导致的震颤波，而是由北极风暴引起第二次微地震(地脉动).北极风暴产生的微地震波能够在欧亚大陆传播上万公里，可影响中国大陆内地的地震波观测和重力观测.因此，在分析中国大陆地震台网记录的强扰动信号时，不仅要考虑西太平洋台风的影响，还应考虑北极风暴的影响.

感谢IRIS数据中心提供地震波观测数据.