第一作者简介:黄 雅(1993-),硕士,主要从事连续重力资料的处理和分析.E-mail:1812496909@qq.com.
通信作者简介:韦 进(1981-),博士,副研究员,主要从事连续重力资料的处理和分析研究.E-mail:pierce212@163.co
(1.云南省地震局,云南 昆明 650224; 2.中国地震科学实验场大理中心,云南 大理 671000; 3.中国地震局地震研究所,湖北 武汉 430071)
(1.Yunnan Earthquake Agency,Kunming 650224,Yunnan,China)(2.Dali Center of China Earthquake Science Experiment Site,Dali 671000,Yunnan,China)(3.Institute of Seismology,China Earthquake Administration,Wuhan 430071,Hubei,China)
DF frequency; apparent vertical displacement; ASSM model; gPhone gravimeter; typhoon; seismicity
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0069
随着地震观测台网密度增加和观测仪器精度的提高,国内外学者广泛利用地震计、重力仪等精密设备记录大震前的扰动信号,探讨其与气象、海洋及地震的关系(陈易平等,2017; Farra et al,2016)。近年来,许多学者通过连续重力仪和地震计观测到我国发生的多次强震前的扰动信号,如2001年昆仑山口西MS8.1地震发生前3.5天出现约8.8 s的扰动现象(杨又陵等,2003); 2008年汶川MS8.0地震前2天重力仪记录到4~8 s的扰动信号(郝晓光等,2008); 2013年芦山MS7.0地震前7天和2014年于田MS7.3地震前6天分别观察到6~8 s和4~8 s的扰动现象(王新胜等,2013,2014)。震前高频重力扰动信号,不仅含有与孕震相关的观测信息,还时常伴随着各种干扰,这些干扰可能来源于海浪与地壳耦合产生的微震信号(王新胜等,2016; 李静等,2023)。
海浪与地壳耦合产生的微震信号是地球背景噪声的重要组成部分之一。Longuet-Higgins(1950)首次提出了微震信号产生机制的理论,Hasselmann(1963)对这一理论进行了补充。微震信号以表面波和体波形式进行传播,其信号频率为0.05~0.5 Hz(Gal et al,2019)。地震台站观测到的微震信号,根据其能量集中频段和产生机制不同,通常被分为两类(Ardhuin et al,2015):一类是单频微震(Single Frequency Microseisms,SF),该信号由海浪运动产生的压力与大陆架耦合并转换成地震波,其周期与产生它们的海浪相同,一般为10~20 s; 另一类是双频微震(Double Frequency Microseisms,DF),主要由两组周期相同但行进方向相反的波相互作用产生驻波加载于海底而激发形成(Zhang et al,2010),其能量主要集中于0.1~0.5 Hz,周期为2~10 s。而受海洋压力影响,地表重力波在地壳内传播表现为双频机制(Ardhuin et al,2011)。
Ardhuin 等(2011,2012)、Ardhuin和Roland(2012)在考虑海岸反射因素的基础上,将 Kedar 等(2008)建立的数值区域模型进行扩展,提出了全球地震背景噪声能量辐射模型(Ardhuin Seismic Spectra Model,以下简称“ASSM模型”),该模型能够模拟计算全球任意位置由海浪所致的双频微震合成理论功率谱。目前该模型已被应用于微震信号的激发机制、激发模式以及源区定位的研究中(陈栋炉等,2018),主要针对沿海或者近海岸线观测站点的DF频段信号进行研究。有学者利用ASSM模型的模拟结果和重力站观测结果进行对比分析,发现沿海台站和内陆重力站均可以监测到台风激发的DF微震信号(杨锦玲等,2021; 张展伟等,2023; 韦进等,2022; 荆涛等,2023)。昆明地处高原,离中国大陆海岸线较远,昆明地震监测中心站(以下简称“昆明站”)重力仪能否也观测到DF频段信号的异常变化,并探究其变化特征与地震的活动关系,可以为该地区中强震临震阶段的研究提供一种新思路。
本文基于2015—2020年昆明站重力仪和地震计观测数据,采用时频分析方法计算了DF频段视垂直位移(以下简称“视垂直位移”),利用ASSM模型模拟了DF频段信号,结合台风风向数据、地震震源以及断层走向等参数,探讨了昆明站周边300 km范围内MS≥5.0地震活动与DF频段信号之间的关系。
昆明站位于昆明市北郊黑龙潭(图1),海拔1 952 m,是地震监测Ⅰ类观测台站。各类监测仪器均安置于台站洞室内,洞内温度约15 ℃,日变化小于0.1 ℃,年温差小于0.5 ℃,良好的观测环境保证了观测数据的可靠。昆明站使用的重力仪由中国大陆构造环境监测网络实施架设,为gPhone弹簧重力仪,其长期观测精度优于
1×10-8 m/s2,分辨率可达到0.1×10-8 m/s2,已积累了近7年的1 Hz采样观测资料。同址观测的甚宽频带地震计CTS-1观测频带为50 Hz~120 s,截至目前有超10年100 Hz采样观测资料。本文同时收集2015—2020年ASSM模型数据,为便于对比分析,只对2015—2020年的观测数据进行分析。
图1 2015—2020年昆明站周边300 km内MS≥5.0地震分布
Fig.1 Seismicity of MS≥5.0 earthquakes aroundKunming gravity station within 300 kmfrom 2015 to 2020
首先对100 Hz的CTS-1地震计垂向分量数据进行预处理,去均值,去倾斜,并采用带通滤波(带通范围为0.008~1 Hz)去仪器响应,转换为加速度值后降采样至1 Hz。
加速度和垂直位移功率谱密度关系为:
式中:PSDA(fi)为加速度功率谱密度; PSDD(fi)为垂直位移功率谱密度; ti为不同频段的周期; fi为不同频段的频率,两者互为倒数。
使用式(1)对收集的昆明站原始gPhone重力数据和预处理后的1 Hz地震计数据进行计算,以日为单位,1 024 s为窗长,512 s为步长,2个相邻窗功率谱密度均值作为这2个窗中心时刻,计算功率谱密度随时间的变化。为防止功率谱密度能量泄漏,傅立叶变换时加了汉宁窗(韦进等,2022)。视垂直位移S(ti)计算公式为:
式中:fD表示台站位置指定时间的视垂直位移功率谱密度; α为台站经度; δ为台站纬度; Fi为站点ti时刻视垂直位移功率谱密度的频率; dfi为频率的变化; f1、f2分别为起止频率,DF频段起止频率为0.1~0.5 Hz。
为了评估gPhone重力仪与CTS-1地震计在观测视垂直位移的一致性,本文对2015—2020年这2种仪器计算的视垂直位移进行Pearson相关性分析。分析结果如图2所示,相关系数高达0.98,且双尾检验的p值小于0.05,表明这2种仪器在同一观测点得到的视垂直位移具有很高的相关性。该结果不仅证实了重力观测数据的可靠性,也验证了所采用的视垂直位移提取方法的可行性。考虑到连续重力站相对于地震计架设时间更短,本文利用地震计的长期观测数据对重力观测数据进行补充,弥补了重力观测在时间长度上的不足。鉴于gPhone重力仪高精度、低漂移、对高频信号的响应能力以及广泛的应用领域等特点,本文选择gPhone重力仪观测数据进行后续DF频段异常变化特征分析。在长时间观测中,gPhone重力仪能够保持高度稳定,减少因仪器自身变化引入的误差,有助于更清晰地捕捉DF频段异常变化的细微特征。
本文为精确判定昆明站gPhone重力仪视垂直位移的影响因素,从法国海洋开发研究院下载了DF微震信号的功率谱数据(P2L)wwwz.ifremer.fr.。P2L为第三代海浪模式(WAVEWATCH Ⅲ)通过输入风场等数据模拟所得,空间分辨率为0.5°,时间分辨率3 h。将P2L数据输入ASSM模型,得到2015—2020年昆明站的全球海浪激发的DF微震信号的理论值,进一步和昆明站gPhone重力仪的观测值进行对比分析。ASSM模型包含了海岸反射效应的模型(以下简称“REF”)和不包含海岸反射效应的模型(以下简称“NOREF”),2个模型频率范围均分布在0.041 0~0.303 6 Hz,包含22个频点(韦进等,2020; 荆涛等,2023)。为最大限度提高模型和观测值的相关性,依据Ardhuin等(2012b)的研究,本文设品质因子Q为200,地震波群速度U为1.8 km/s。
本文计算了2015—2020年昆明站重力视垂直位移,并利用ASSM模型对该站点进行视垂直位移的正演,结合中国气象局热带气旋资料中心台风数据
http://tcdata.typhoon.org.cn.对gPhone重力仪实际观测结果和ASSM模型正演模拟结果进行对比分析。长时间尺度视垂直位移变化特征(图3a)显示,昆明站每年
7—11月视垂直位移振幅约为(0.1~0.25)×10-6 m,
[HJ2.3mm][KG0.25mm。]信号增强,呈季节性变化特征,与台风频发时间较吻合,同时与ASSM模型中的REF模型模拟的视垂直位移所呈现的突变增强也较为一致。每年12月到次年5月,视垂直位移约为(0.03~0.08)×10-6 m,变化幅度较小,同时期台风发生频率也较低,即夏秋背景噪声高,冬春背景噪声
[KG0.25mm。]较低。图3b显示,gPhone重力仪实际观测值与REF模型模拟的视垂直位移变化相似,但在幅值上有所差异,而NOREF模型模拟的视垂直位移整体变化相对较小。图3表明昆明站视垂直位移存在季节性变化特征,每年的极值并不相同,这可能与站点位置的背景噪声年度强弱存在差异有关。
2020年5月18日巧家MS5.0地震是昆明站周边300 km范围内距今最近的一次MS≥5.0地震,故本文以巧家地震为例进行视垂直位移短临变化特征分析。
利用昆明站gPhone重力仪观测数据计算巧家MS5.0地震发生当月功率谱密度随时间的变化和视垂直位移,采用ASSM模型模拟昆明站视垂直位移(图4)。结合中国气象局热带气旋资料中心西太平洋台风数据https://tcdata.typhoon.org.cn.分析发现,巧家MS5.0地震前昆明站gPhone重力仪记录的视垂直位移和ASSM模型模拟结果均未受到西太平洋VONGFENG台风的影响。在台风结束后巧家地震前一天视垂直位移开始持续上升,并于20日达到峰值。巧家地震发生在视垂直位移从0.028×10-6 m上升到0.113×10-6 m的过程中,整体上升约0.085×10-6 m,在此过程中视垂直位移的功率谱密度也从-160 dB升至-130 dB左右。昆明站功率谱密度随时间变化特征显示,地震和背景噪声引起的视垂直位移的表现不同,同震的视垂直位移的变化较大,持续时间较短且不连续,但在0.1~0.5 Hz频段能量是连续的; 而背景噪声引起的视垂直位移的变化会持续数天,且变化较缓,能量主要集中在0.1~0.25 Hz,呈连续状态。
为探究巧家MS5.0地震前后在0.1~0.25 Hz频段功率谱密度增强以及视垂直位移观测值先上升后下降的原因,使用ASSM模型对昆明站所在位置DF频段信号进行数值模拟(图5)。不同模型对比发现,ASSM模型的NOREF模型合成的功率谱(图5a)所显示的能量块体更小,量级较低; ASSM模型的REF模型合成的功率谱(图5b)与实际观测数据的功率谱比较相近,与图4中能量块体大小及形状更接近。综合图3结果,发现实际观测值与REF模型的视垂直位移的相关性更高,可做对比分析。
图4 2020年5月昆明站重力仪时频分析与视垂直位移变化
Fig.4 Time-frequency analysis of the apparent vertical displacement and the apparentvertical displacement variation at Kunming gravity station in May 2020
比较2020年5月邻近昆明站的云龙站和腾冲站gPhone重力仪以及同址观测CTS-1地震计的观测资料的时频分析结果(图6)发现,腾冲站和云龙站gPhone重力仪观测数据在17—21日出现能量异常增强的现象,主要集中在0.12~0.25 Hz; 昆明站gPhone重力仪与CTS-1地震计观测数据在17—25日同步显示更大能量异常块体,能量集中在0.12~0.32 Hz。[FL)][KH-1]
图6 腾冲站(a)、云龙站(b)、昆明站(c)gPhone重力仪和昆明站CTS-1地震计(d)观测资料时频分析结果
Fig.6 Time-frequency analysis of the gravity data observed by gPhones at Tengchong station(a),Yunlong station(b),Kunming station(c)and seismic data observed by CTS-1 seismometer at Kunming station(d)
结合巧家地震发生当月不同仪器观测的视垂直位移和印度洋台风数据(图7),巧家MS5.0地震前后10天左右,虽然西太平洋的VONGFENG台风已结束,但是视垂直位移从5月17日开始逐渐增大,3套gPhone重力仪和同址观测的地震计都出现同步现象。此时印度洋AMPHAN台风正向印度的西孟加拉邦沿海移动,并于5月20日18时30分登陆。如果导致视垂直位移逐渐增大的原因是巧家地震,那么昆明站的视垂直位移应该大于其它重力站,但图7显示腾冲站视垂直位移最大。因此造成视垂直位移增大的原因可能不是巧家MS5.0地震,而是受AMPHAN台风的影响,因为腾冲台离印度洋AMPHAN台风距离最近。
图7 巧家MS5.0地震前后不同站点不同仪器短期视垂直位移变化特征
Fig.7 Variation of short-term,apparent vertical displacement observed by instruments at some stations before and after the Qiaojia MS5.0 earthquake
巧家MS5.0地震前2天昆明站重力数据时频分析结果(图6c)显示,地震发生在能量集中的0.13~0.25 Hz频段,同时该时段印度洋AMPHAN台风也正在活动。杨锦玲等(2013)利用地震计和重力仪对DF频段信号中台风扰动进行了深入研究,发现福州台和漳州台受台风影响的扰动信号频率为0.16~0.28 Hz; 泰安台连续重力观测数据受台风影响的扰动信号频率为0.15~0.5 Hz(王梅等,2014); 琼州台连续重力观测数据受台风应影响的扰动信号主要分布在0.1~0.4 Hz(吴佳林等,2020)。根据驻波理论,强台风可以影响中国内陆深处的微震信号变化,由于驻波触发了大陆地块的慢滑移,使得断层积累的应力得以释放而产生低频波的传播,即内陆地震计记录到的台风微震信号,这类信号的频率在0.15~0.3 Hz(胡小刚,郝晓光,2009),与昆明站连续重力观测DF频段信号的频率较接近。
昆明位于云南中部,地处低纬度地区,其西南方向为印度洋,东侧为北太平洋,其独特的地理位置使得该地区的噪声来源同时受到2个大洋的
影响。本文通过对比分析昆明站与邻近重力站的视垂直位移(图7),发现巧家MS5.0地震前2~10 s视垂直位移增大的信号可能不是源于该地震,而是受印度洋AMPHAN台风的影响。王伟涛等(2011)利用云南宽频带地震计观测到,云南地区5~10 s的噪声优势能量方向表现出明显的季节性变化,其噪声源在夏季主要来自于西南方向,这与本文结果一致。DF频段异常信号可能主要是由印度洋的下海浪同海岸的非线性耦合所产生,进一步验证巧家地震前DF频段信号的异常变化,可能与印度洋的台风有关,而不是巧家MS5.0地震的异常信号。
昆明站虽然距离中国大陆海岸线较远,但从图8可以发现,其受海浪激发的DF频段信号影响较大。除了巧家地震,2015—2020年昆明站周边300 km内还发生了3次MS≥5.0地震,本文通过分析这些地震前的视垂直位移变化特征来探究地震活动与视垂直位移之间的关系。
从年时间尺度来看(图3a),台风多发生在每年7—11月,呈现年周期性变化规律; 从昆明站周边300 km内MS≥5.0地震前月尺度台风活动(图8)来看,通海MS5.0、墨江MS5.9、西昌MS5.1地震发生在台风开始形成或行进过程中,包括巧家
图8 昆明站周边300 km内MS≥5.0地震活动和视垂直位移的关系
Fig.8 Relation between the seismicity of MS≥5.0 earthquakes and the apparentvertical displacement around Kunming station within 300 km
MS5.0地震在内,4次地震全部发生在台风活动时段,且3次地震都发生在台风多发的周期内。台风发生时段,昆明站视垂直位移逐步上升,并随台风等级降低恢复到低值状态(0.03×10-6 m)。该现象和ASSM模型中的REF以及NOREF模型结果都具有较好相关性。这表明,台风发生时段视垂直位移主要是台风激发的海浪驻波之间直接和相互干涉共同作用的结果。墨江MS5.9地震虽也发生在台风开始产生影响阶段,但结合ASSM模型模拟结果(图8a中绿色和蓝色曲线)分析,REF模型和NOREF模型计算的视垂直位移随时间变化与台风的产生并不同步,表明该地震受台风影响较小。
综合上述分析认为:年变化趋势显示昆明站周边300 km范围内MS≥5.0地震易发生在台风频繁且视垂直位移较高的月份,月变化趋势则显示地震易发生在视垂直位移由低转高的过程中。昆明台周边300 km范围内的地震活动和台风活动具有相关性。
台风的低气压降低了陆地下方的岩石压力,但是海洋底下的岩石所受的压力由于引入较远处高压区的海水而没有降低,因此断层额外负载的压力梯度引发了断层的滑动(Liu et al,2009)。对大震孕育过程而言,其晚期处于非线性状态,此时震源系统已处于不稳定状态,任何一个微小的扰动,如台风所带来的气压微小变动,在震源区都会产生放大多个量级的效果,不同程度地影响到震源破裂过程(雷建设,1998)。本文观测到的DF频段信号主要变化是由海水与陆地耦合作用引起的(郑露露等,2017),在耦合过程中,应力不同方向的作用对陆地断层的应变影响不同。台风在运动过程中,风的方向也会发生变化,因此产生的应力作用也会不同。
为定性分析耦合过程中,应力方向是否构成地震发生的一个因素,本文综合分析了受台风活动影响的2015—2020年昆明站周边300 km范围内4次MS≥5.0地震的震源机制解、距地震最近的断层走向以及台风风向之间的关系。发震时刻台风风向与断层走向的关系(王光明等,2018; 易桂喜等,2019; 宋倩等,2022)如图9所示,图中黑色箭头的方向表示台风中心位置移动方向(即风向),箭头的长短表示该时刻台风的等级。从图9可知,在地震发生后约10小时内,除西昌MS5.1地震外有3次地震的发震断层中有一个节面与台风风向呈90°,而与邻近断层的走向无明显相关性。可见,当台风风向和发震断层走向正交时,发震的可能性更高,这也佐证了巧家MS5.0地震很可能是受到印度洋AMPHAN台风激发海浪和大陆耦合作用的影响。
图9 2015—2020年昆明站周边300 km内MS≥5.0地震发震时刻台风风向与断层走向的关系
Fig.9 Relation between the wind direction of typhoon and fault's strike at the original time of theMS≥5.0 earthquakes around Kunming gravity station within 300 km from 2015 to 2020
本文利用2015—2020年昆明站gPhone连续重力仪和地震计的观测资料,采用时频分析方法提取视垂直位移,参考全球地震背景噪声能量辐射模型(ASSM),并结合台风数据与邻近地区重力站数据,对昆明站DF频段视垂直位移的异常变化特征进行分析,得出以下结论:
(1)昆明站的重力仪和地震计都显示出与台风的扰动有良好的一致性的特征,其观测到的DF频段信号都有明显的季节性变化特征,即夏秋背景噪声高,春冬背景噪声较低。
(2)年变化趋势显示昆明站周边300 km范围内MS≥5.0地震易发生在台风频繁且DF频段视垂直位移较高的月份,月变化趋势则显示地震易发生在视垂直位移由低转高的过程中。经分析得到,巧家地震前的异常信号受印度洋台风影响更大,而不是由巧家地震引起。
(3)当台风风向和发震断层走向正交时,地震发生的可能性更高。
昆明站虽距海岸线较远,属内陆站点,但其重力仪也能记录到台风引起的DF频段信号的异常变化,这个特点可以为该地区中强震临震阶段的研究提供一种新思路,而台风对地震的触发机理,今后可通过更多震例进一步验证。