通过SKS分裂分析非洲中东部 地区地震各向异性

冯力理, 陈运泰, 雷军

冯力理, 陈运泰, 雷军. 2014: 通过SKS分裂分析非洲中东部 地区地震各向异性. 地震学报, 36(6): 981-996. DOI: 10.3969/j.issn.0253-3782.2014.06.001
引用本文: 冯力理, 陈运泰, 雷军. 2014: 通过SKS分裂分析非洲中东部 地区地震各向异性. 地震学报, 36(6): 981-996. DOI: 10.3969/j.issn.0253-3782.2014.06.001
Feng Lili, Chen Yun-tai, Lei Jun. 2014: SKS splitting analysis of seismic anisotropy beneath mid-eastern Africa. Acta Seismologica Sinica, 36(6): 981-996. DOI: 10.3969/j.issn.0253-3782.2014.06.001
Citation: Feng Lili, Chen Yun-tai, Lei Jun. 2014: SKS splitting analysis of seismic anisotropy beneath mid-eastern Africa. Acta Seismologica Sinica, 36(6): 981-996. DOI: 10.3969/j.issn.0253-3782.2014.06.001

通过SKS分裂分析非洲中东部 地区地震各向异性

基金项目: 国家自然科学基金(41090291)资助.
详细信息
    通讯作者:

    冯力理, E-mail:salinasfeng@126.com

  • 中图分类号: P315.3+2

SKS splitting analysis of seismic anisotropy beneath mid-eastern Africa

  • 摘要: 利用非洲台阵(Africa Array)最新的地震记录,通过测量远震SKS震相的分裂参数,详细分析了非洲中东部地区地球介质各向异性可能的成因,包括随应力场变化定向排布的裂隙和岩浆透镜体,以及橄榄石晶格的定向排布等. 结果表明,现今上地幔流动导致的橄榄石晶格定向排布是其各向异性的主要成因,该结果与250 km深度的地幔流动模型一致. 对于少数台站出现的异常结果,则尝试用D″各向异性和双层各向异性模型来解释,并在此基础上讨论了D″各向异性的研究意义.
    Abstract: Mid-eastern Africa is a tectonically complex region due to the presence of Tanzania craton,several paleothrust belts and shear zones. The magmatism is active and researchers believe the existence of a mantle plume. Mechanisms and structures controlling the tectonics and geodynamics in mid-eastern Africa remain unclear and the interpretations for origins of anisotropy have not converged. In this paper,by taking advantage of the most recent seismic data of Africa Array,seismic anisotropy beneath mid-eastern Africa is analyzed with teleseismic SKS splitting measurements; we try to explain the sources of anisotropy in a variety of scenarios,such as cracks,magma-filled lenses and LPO (lattice-preferred orientation) of olivine fabrics. Fast polarization patterns at most stations are consistent with tomography based on mantle flow model at the depth of 250 km,inferring that the dominant source of anisotropy beneath this region is LPO of olivine fabrics produced by dislocation creep in the asthenosphere. We attempt to interpret anomalous rose diagrams with D″ anisotropy and double-layered anisotropy. We also discuss the significance for the research of D″ anisotropy.
  • 通过大气、海水、岩石等圈层之间的耦合作用,台风能够显著增强地壳活动(Bromirski, 2001; Aster et al, 2010; Zhang et al, 2010a),产生地脉动、振颤或者嗡嗡声,甚至触发地震(Zhang et al, 2010b).这些脉动不仅可以被地震仪记录,也可被用于地形变观测的前兆仪器记录到,并普遍表现为呈纺锤状或尾巴似的振颤叠加在背景信号曲线上,持续时间约1—3天,被称为“噪声”或“扰动”(Bromirski,2009).而在一些强地震前,类似的振颤信号也会出现在地震观测记录中.例如2001年昆仑山MS8.1大地震发生前约60小时起,全国的宽带地震仪记录到了明显的毛刺状信号的扰动现象,此时中国南海上空产生了一次强台风“玲玲” (Lingling)(杨又陵等,2003; 胡小刚,郝晓光,2009);2008年汶川MS8.0地震前1—3天,全国的多套宽频带地震仪记录到了显著的异常扰动(胡小刚,郝晓光,2008),然而在此期间西太平洋恰好经历了一次“威尔逊” (Rammasun)强台风过程.这究竟是地震前兆异常还是台风的扰动亦或是两者共同作用的结果,目前还存在争论(傅容珊等,2009胡小刚等,2010).因此,有必要充分了解台风的扰动特性,以便于深入认识类似地震前兆现象.

    以往对台风扰动信号的研究,多是利用宽频带地震仪和秒采样重力仪数据研究微地震(0.05—0.5 Hz)和P波(0.6—2.0 Hz)频段的扰动特征以及激发机制(张雁滨等,2010Sun et al, 2013),并根据噪声特征将微地震细化成3个成因不同的扰动频段,即单频微地震(约0.05—0.08 Hz)、长周期倍频微地震(约0.1—0.15 Hz)及短周期倍频微地震(约0.18—0.4 Hz)(Bromirski et al,2005Zhang et al,2010a).但很少利用分钟采样的地震前兆观测仪分析近地球自由振荡频段( < 54 min)台风的影响特性.与微地震和P波频段相比,这种信号的频率更低.在宽频带地震仪数据中,该频段信号的能量在台风经过期的变化并不显著(Sun et al, 2013),但是在地形变前兆观测记录中,这种低频扰动却非常突出.本文拟以分钟采样的四分量钻孔应变仪在台风经过期间的观测记录为基础,提取出低频扰动信号,并分析信号的频谱特征随台风进程的变化模式,利用仪器在水平面布置的4个不同方位的径向位移传感器,以期获得较地震仪更为准确的台风扰动优势振动方向,对观测仪器在台风经过期间的空间振动特征进行刻画,并进一步结合风速等辅助数据,对这种低频扰动信号的激发机制予以探讨.

    本研究选取的台风事件为2014年8号台风“浣熊”(Neoguri)和2012年11号台风“海葵”(Haikui)(Japan Meteorological Agency,2014),台风路径和台风经过期间佘山台四分量钻孔应变第一分量(150°方向)记录的原始数据,如图 1所示.强台风“浣熊”最早于6月30日晚上在楚克以东约120 km处生成,随后四度加强由热带风暴变为超强台风,7月7日凌晨“浣熊”已经达到最大风力250 km/h,7月8—9日持续北上,随后转向东北并在日本鹿儿岛县沿海登陆,7月11日早晨转化为温带气旋,并于7月13日在鄂霍次克海完全消散.此次台风并未对我国造成显著影响,中心路径离佘山台最近约480 km. 2012年第11号强台风“海葵”于8月3日8时在日本冲绳县东南约1360 km的西北太平洋洋面上生成,8月5日加强为强热带风暴,8月6日加强为台风,8月7日升格为强台风,8月8日3时20分在浙江省象山县鹤浦镇登陆,登陆时中心气压为965 hPa,近中心最大风力为151 km/h,8月9日12时在安徽省境内减弱.

    图  1  台风路径及佘山台位置示意图(a)和佘山台四分量钻孔应变仪第一分量(150°方向)在台风“浣熊”及“海葵”经过期间的原始记录数据(b)
    Figure  1.  The paths of typhoons and location of Sheshan station (a) and the original records from the first component of FCBS at Sheshan station during the typhoons "Neoguri" and "Haikui" (b)

    佘山台位于上海市西南的松江区,离杭州湾约43 km.该台站的分量式钻孔应变仪为YRY-4型,属长圆筒径向位移式仪器,4个电容式径向位移传感器互成45°夹角,第一道实际方位为150°,呈米字形布置,安装在长圆筒的中平面上,可以同时测量体积应变和形状应变(池顺良等,2007).传感器的通频带为0—20 Hz,由于数据采集和传输设备的限制,目前记录信息为每分钟一个点的低频段.探头与地层的耦合采用水泥固结在井下40 m处.由于佘山台未安装风速计等观测仪器,本文选用了距离佘山台约18 km的上海虹桥国际气象交换站的风速数据(The Weather Company, 2014),将其与应变数据对比,可以为台风扰动的激发机制探讨提供科学依据.

    为了分析台风前后过程对应变仪记录信号的影响强度.以及对不同频段的影响差异,本文首先利用小波分解,滤除了4个分量原始数据中周期大于2小时的信号,其中包括日波、半日波等固体潮,并将信号分解为2—4 min,4—8 min,8—16 min,16—32 min,32—64 min,64—128 min等6个频段.对每个频段的数据序列,从记录开始到结束,依次取1小时的时间窗口,对每个窗口内的应变信号进行快速傅里叶变换(fast fourier transformation,简写为FFT),得到该窗口的平均FFT幅值,然后在三维空间中将所有窗口的频谱曲线按时间顺序依次绘制,最终得到整段记录的连续频谱特征分布图.由此可直接客观地了解台风过程中分量变仪在时间频率域的响应特征.

    在对台风扰动信号激发机制的探讨中,激发源的位置信息尤为重要.为了得到四分量钻孔应变仪在台风过程中的优势响应方位,本文将应变仪水平面4个方向的分量数据转换得到各个方向(1°—360°,间隔为1°)的应变记录.为了避免主方向和主应变的计算混乱,先利用实地相对定标对佘山台分量应变数据进行校正(邱泽华等, 2005, 2009池顺良等,2007; Qiu et al,2013); 然后按上述小波分解和时频分析法处理,计算出各方向每小时窗口平均FFT幅值; 最后通过对比统计各方向在同一时间窗内平均FFT幅值的大小,得到在该时段内仪器的最大振动响应方向.将小波分解后的各频段数据均依此处理,再按时间顺序依次绘制,即可获得应变仪各个频段的优势振动方向在台风过程中随时间变化的特征,进而确定激发源的方位.

    首先获取佘山台四分量钻孔应变仪2014年7月3—15日台风“浣熊”经过期间的记录数据.去除显著同震响应之后,利用Daubechies小波将各分量记录分解成6阶. 图 2上为分量应变第一道(150°方向)观测记录的小波分解结果,可以看出:随着台风中心不断逼近佘山台,7月8—10日期间佘山台应变记录出现了大量呈纺锤状的毛刺扰动;但不同频段记录的毛刺扰动强度并不等同,2—4 min频段的振动幅度最大,包络线显著加宽,随着周期增大,台风逼近期的振动幅度逐渐减小,至64—128 min频段已几乎看不到台风的影响.取小波分解结果的1小时窗口FFT幅值的平均值,得到各频段能量值在台风过程中的变化曲线(图 2下).结果显示,随着台风的逼近、远去,覆盖2—16 min的3个频段能量出现了显著的上升—峰值—下降的规律,其中2—4 min特征最为显著,这种升降变化与台风中心到台站的距离具有良好的相关性,说明这些频段的扰动信号为台风所激发.而在更低的16—128 min频段,整个时间序列期间的振动能量均较为稳定,表明台风并没有直接影响到该频段的振动. Sun等(2013)利用地震仪记录计算得到台风在微地震频段的扰动明显,但是在1.6—4 min频段并不受台风过程的直接控制.而本文通过更低频带的四分量钻孔应变仪记录数据,清晰地展现了在2—4 min频段,振动强度同样显著地受到了台风的影响,这表明除了微地震频段,在地球自由振荡频段台风也能对陆壳产生脉动作用,观测频带比地震计更低的四分量钻孔应变仪则清晰地记录到了扰动过程.

    图  2  第一分量(150°方向)在2014年7月台风“浣熊”经过期间6个频段记录的小波分解(上)及平均FFT幅值(下)
    Figure  2.  Wavelet decomposition (upper) and mean FFT spectrum amplitude (lower) of 150° strain records over the six frequency bands during the typhoon "Neoguri" (2014-07-03—2014-07-15)
    (a) 2—4 min; (b) 4—8 min; (c) 8—16 min; (d) 16—32 min; (e) 32—64 min; (f) 64—128 min

    上述仅分析了第一道方向分量在时间频率域的变化特征,为了进一步了解台风对水平面不同方向分量的影响是否存在差异,本文计算了佘山台4个分量2—4 min频段的应变记录在台风“浣熊”和“海葵”经过期间平均FFT幅值,滑动窗口为1小时,结果如图 3所示,可以看出在台风经过过程中,这4个方向的平均FFT幅值显示出较为一致上升—峰值—下降的变化规律,但是峰值的幅值相差较大.在这两次台风经过期间,第一分量(150°方向)变化幅值最大,第四分量(60°方向)变化幅值最小,第二、第三分量交替居中,说明台风对沿海陆壳的扰动影响程度在空间上并不一致,而是具有显著的方向特性.此外,在“浣熊”经过期间,频谱能量达到峰值的时间为7月9日18时左右,较台风中心距离最近的时间(7月9日8时左右,最近距离约480 km)延迟了约10个小时,而在“海葵”经过期间,频谱能量达到峰值的时刻与台风登陆时间几乎一致,这两种差异现象将在激发机制部分进行详细探讨.

    图  3  台风“浣熊”和“海葵”经过期间佘山台4个分量2—4 min频段的平均FFT幅值
    Figure  3.  Mean FFT spectrum amplitude over the frequency band 2—4 min of four component records during the typhoons "Neoguri" and "Haikui"

    为了分析应变仪观测记录在台风经过期与平静期的差异,本文挑选了一段无台风发生的平静期(2015年1月1—13日),计算了佘山台4个分量应变2—8 min频段记录在该时段的连续频谱.从图 4a可以看出,在台风“浣熊”经过时期,随着台风中心的逼近,该频段应变信号的平均FFT幅值整体显著上升,持续约3天后,台风中心逐渐远离台站,作为能量传递介质的海水动能逐渐减弱,幅值也随之下降,直到恢复至背景水平.而在无台风的平静期(图 4b),同样频段信号的平均FFT幅值并没有出现类似的变化规律,而是在整个时间序列幅值均处于平稳的状态,而且数值要低于台风经过时期.由此可以认为,平静期代表了四分量钻孔应变仪观测记录的稳定背景场,由于台风的逼近,台风中心下方的海水带来强大的动能,涌浪不断冲击海底及海岸,在分量应变观测背景场上叠加了显著的扰动,并在这一频段增强了振动幅度,而随着台风远去,由于失去了扰动的动力源,应变也逐渐恢复至正常背景.

    图  4  2014年7月佘山台四分量钻孔应变仪2—8 min频段连续频谱记录在台风“浣熊”经过期(a)与无台风发生的平静期(b)的对比
    Figure  4.  Comparison of temporal frequency spectra over the frequency band 2—8 min of FCBS at Sheshan station during the typhoon "Neoguri" (a) and without influences of typhoon (b)

    在台风“浣熊”和“海葵”经过期间,4个不同方向的分量在2—4 min频段上的能量幅值明显不同,也就是说台风对沿海陆壳的扰动影响程度在空间上并不一致,而是具有显著的方向特性.为了更全面地了解台风扰动的空间特征,本文利用优势振动方向法,计算了台风“浣熊”经过过程中3个时段内的2—4 min频段的观测记录,分别为7月7日2—3时,7月10日2—3时,7月13日2—3时,选择凌晨时段主要考虑所受到的其它外界扰动相对较少,可以更好地反映台风特征.通过对比统计水平面1°—360°的振幅大小,得到了这3个时段的优势振动玫瑰图,如图 5所示.可以看出,这3个时段的优势振动特征差异较大.代表台风前后的7月7日和13日,平均FFT频谱幅值约在5×10-8,优势振动方向并不十分显著,而在台风中心逼近时,各方向的频谱均值均有大幅度增强,优势振动方向为160°左右.

    图  5  台风“浣熊”经过时佘山台四分量钻孔应变仪在2—4 min频段各方向1小时平均FFT幅值(10-8)平均振幅(蓝色曲线)及优势振动方向(红色线段)
    (a) 2014年7月7日2—3时,台风来临前; (b) 2014年7月10日2—3时,台风强盛期; (c) 2014年7月13日2—3时,台风逐渐远离后
    Figure  5.  Mean FFT spectrum amplitude (10-8) in all directions (blue curve) and the predominant polarization direction (red line) of FCBS records at Sheshan station during the typhoon "Neoguri"
    (a) From 2:00 to 3:00 on July 7, 2014 when the typhoon "Neoguri" was far away; (b) From 2:00 to 3:00 on July 10, 2014 when the typhoon "Neoguri" was impacting; (c) From 2:00 to 3:00 on July 13, 2014 after the typhoon "Neoguri" leaving away

    通过这几个孤立时段的振动玫瑰图仅能了解大致情况,为了更详细地讨论台风对应变观测信号在空间频率域的影响特征,本文利用优势振动方向法对台风“浣熊”经过期间6个频段的完整时间序列数据进行计算,得到了2014年7月2—14日各频段每隔1小时的最大振动信息如图 6所示.可以看出,在台风来临前,处于强盛期以及逐渐远离台站的这3段时期,不同频段的优势振动方向特征具有显著的差异.

    图  6  台风“浣熊”经过期间佘山台四分量钻孔应变仪6个频段每隔1小时的各方向最大振幅(10-8)及振动方向示意图
    线段长度表示最大振幅,线段指向表示最大振动方向,玫红色表示台风来临前(7月3—7日),红色表示台风强盛期间(7月8—10日),蓝色表示台风逐渐远离台站后(7月11—14日)
    Figure  6.  The maximum amplitudes (10-8) and the predominant polarization directions over the six frequency bands with time for all one hour time series based on FCBS records at Sheshan station during the typhoon "Neoguri"
    The lines with larger length represent relatively larger amplitudes. Rose red represents "Neoguri" was far away in July 3—7, red represents "Neoguri" was impacting in July 8—10, and blue represents "Neoguri" had left the station in July 11—14 (a) 2—4 min; (b) 4—8 min; (c) 8—16 min; (d) 16—32 min; (e) 32—64 min; (f) 64—128 min

    在台风来临前的平静期,2—4 min频段应变记录的最大振动方向分布较为分散,没有相对统一的方向;当台风逼近时,最大振动方向突然一致指向160°左右,使得这一角度成为台风逼近至高潮时期四分量钻孔应变仪的优势振动方向;在台风逐渐远离后,最大振动方向的分布又变得相对分散.这表明在台风“浣熊”不断加强并靠近台站的过程中,不仅增加了四分量钻孔应变仪的振动能量,也影响到了该频段的振动空间频谱特征.从图 7所示的6个频段最大振动方向角随时间序列的分布情况看,在8 min至更长周期频段,最大振动方向在整个时间序列里都未形成优势角度,呈零星分散状态,表明台风在这些频段对振动空间频谱特征的影响不大;对2—4 min和4—8 min频段,台风在最强盛的7月8—10日显著地改变了振动方向,并形成160°左右的优势方向角.通过查看台站所在区域的地形分布,可以认为这一优势方向角的形成与所在区域的海岸线形态密切相关,距离台站约43 km的杭州湾北部海岸线呈“北东—南西”走向的光滑凹形.优势振动方向角与海岸线的垂线约呈10°反射夹角,而入射方向刚好面对相对开阔的东海海域,在大风浪期间,大量的涌浪从西太平洋经嵊泗与岱山之间进入杭州湾,因此,台风强盛期间对陆壳地脉动造成的扰动很可能来自于涌浪与海岸的相互作用.

    图  7  台风“浣熊”经过期间佘山台四分量钻孔应变仪在6个频段的优势方向角随时间的变化
    Figure  7.  The variations of predominant polarization directions over time for the six frequency bands based on FCBS records at Sheshan station during the typhoon "Neoguri"
    (a) 2—4 min; (b) 4—8 min; (c) 8—16 min; (d) 16—32 min; (e) 32—64 min; (f) 64—128 min

    台风对地脉动扰动的激发机制,目前较为成熟的是在微地震频段(0.05—0.5 Hz),海浪直接与海岸、海底拍打碰撞以及海浪间相互非线性干涉作用,从而产生强烈的地脉动.其中单频微地震主要源于浅水环境中涌浪的破碎以及对海岸的拍打,长周期倍频微地震和短周期倍频微地震来源于海浪间的非线性干涉作用,并形成海水驻波在海底激发倍频振动(Longuet-Higgins,1950),只不过长周期倍频微地震的非线性作用主要借助于经海岸反射而发育出方向相反的涌浪,短周期倍频微地震则是借助于台风中心附近发育的方向各异的高频波浪(Zhang et al, 2010a),因此两者的激发区域并不一致.而本文通过分频段的信号分析,观测到台风对四分量钻孔应变仪在2—4 min频段依然会产生强烈的影响,并且随着周期的增大而不断减弱,说明台风可能在更低的频段也能对陆壳带来扰动影响.

    在微地震频段,频率相对较低的单频微地震和长周期倍频微地震的激发区域都在浅海,而根据本文计算的台风“浣熊”和“海葵”经过期间优势振动方向的结果,其优势方向角与海岸线走向高度相关,另外,扰动频段处于更低的自由背景振荡区间.因此,这部分扰动源很有可能是来自近岸浅海区域的某种更长周期的海浪波与海岸的相互作用.而在近岸波动中,有一种周期介于20—300 s的长重力波,它产生于涌浪破碎前的波群中,由涌浪在近岸浅水处的非线性相互作用形成(Rhie, Romanowicz, 2004, 2006Webb,2007).这种波是大风浪作用期间近岸波能的重要组成部分.当台风中心位于海洋上空时,强大的空气动能不断转化为海浪,当海浪运动至岸边时,极大地增强了更低频的近岸长重力波能,加强后的长重力波以一种强制长波的形式同入射波群一起向岸传播,在传播过程中随着波群的近岸浅水变形破碎并从中释放;释放后的长重力波以一种自由长波的形式继续向岸传播(Longuet-Higgins, Stewart,1962List,1992Masselink,1995冯砚青, 陈子燊,2005),受到海岸的反射作用而改变传播方向.如图 8所示,杭州湾北部的海岸线较为光滑并为凹形,光滑的海岸线形态使得反射的长重力波具有统一的方向,也就是本文计算所得到的160°左右,同时海岸线的凹形形态也在一定程度上对反射波能量起到了聚集的作用.因此,近岸长重力波有可能是四分量钻孔应变仪在台风经过期间记录到的扰动信号的激发源,但这种假设尚需更详尽的分析讨论.

    图  8  佘山台所处海岸形态示意图
    蓝色箭头代表近岸长重力波的大致入射和反射方向,黄色曲线代表光滑凹形的海岸形态
    Figure  8.  The topographic condition near Sheshan station
    The blue arrows represent incident and reflected directions of infragravity waves near coastline, the yellow arc represents the smooth concave shape of the coast

    前文在分析台风“浣熊”和“海葵”经过期间的频谱特征时,曾发现台风“浣熊”经过期间,频谱能量达到峰值的时间较台风中心距离最近的时间延迟了约10个小时,而在台风“海葵”经过期间,频谱能量达到峰值的时刻与台风登陆时间几乎一致,这种差异现象也验证了本文对激发区域的判断.台风“浣熊”并没有登陆中国大陆,台风中心在7月9日8时达到与佘山台最近约480 km距离后,转向东北方向.虽然台风中心在逐渐远离,但是台风中心的移动与海洋表面波浪的激发程度变化具有时间延迟,当台风中心远离后,原来的台风中心下方海域依然保持强烈的波浪作用,加上此时台风“浣熊”远离速度并不快,而且台风中心始终在海洋上空,确保能源源不断地将能量传递给风暴中心最外围的涌浪能量,这部分涌浪能量正是近岸波能增强的主要动力源.这就解释了佘山台记录的台风“浣熊”经过期间频谱能量峰值时间的延迟现象.

    与台风“浣熊”不同,台风“海葵”在中国大陆沿岸登陆,登陆后最显著的变化就是台风中心下方的海水动力消失,涌浪发育不足,近岸波动能量也随之迅速下降,因此,在台风“海葵”登陆后,佘山台四分量钻孔应变仪记录的扰动信号频谱能量在达到峰值后迅速下降.

    另外,我们还对比了两次台风经过期间,距佘山台站18 km的虹桥机场气象站的风速数据.结果显示风速的变化趋势与台站记录的频谱特征趋势并不一致(图 9).在台风“浣熊”经过期间,台站地面的风速在2014年7月9日10时30分达到最高值(36 km/h),随后由于台风中心的远去而急剧下降;而台站四分量钻孔应变仪记录的扰动幅值能量并未随着地面风速的下降而减弱,在持续增强约8 h后达到峰值,才逐渐降低.在台风“海葵”经过期间,台风中心登陆(8月8日3时左右)之后,台站地面的风速显著上升,并在8月8日13时30分左右达到峰值(61.5 km/h),而台站记录频谱能量的峰值并未随风速的增大而增强,而是在台风登陆之后迅速下降.在这两次台风事件中,地面风速的峰值与应变仪信号的强度峰值均呈相反的变化规律.由于地表风速值代表台站所在区域的实时测值,并不存在类似海浪传播的延时效应.因此,从对比曲线看,风速的大小并不是影响扰动信号强弱的决定因素.

    图  9  台风“浣熊”(a)和“海葵”(b)经过期间2—4 min平均FFT幅值与风速对比
    Figure  9.  Comparison of the mean FFT spectrum amplitude over the frequency band 2—4 min with the nearby wind speed data during the typhoons "Neoguri" and "Haikui"

    可以肯定的是,台风对陆壳的扰动效应是大气、海洋以及陆地等组成的小圈层耦合作用的结果.扰动信号的产生主要源于热带气旋运动过程中与浅海区大陆架和陆地表面的摩擦、气压载荷变化以及由此产生的海浪对地壳的冲击、板块边界断层对气旋的扰动而产生的响应(张雁滨等,2010).但从本文的研究结果看,对陆壳而言,不同介质之间对其作用的效率显然并不一致,风作为大气与陆地之间作用的介质,其影响效率远没有海洋作为介质来得高.与台风“浣熊”相比,台风“海葵”经过期间台站附近的风速更高,台风中心的距离也更近,但是四分量钻孔应变仪所记录到的扰动能量却要低于台风“浣熊”.同时,台风“海葵”登陆后,在风能不断增加,海水动力源减弱的背景下,佘山台四分量钻孔应变仪所记录的扰动能量变化与后者相关性更好.因此风速可能并不是影响扰动能量的主要因素,更具决定性的激发源应该是海浪.

    本文通过对佘山台四分量钻孔应变仪在台风“浣熊”和“海葵”经过期间所记录的信号进行小波分解、连续频谱特征分析以及优势振动方向计算,取得了以下认识:

    1) 四分量钻孔应变仪能检测到台风对近岸地脉动造成的显著低频扰动.频段能量随台风进程呈上升—峰值—下降规律,其优势频段为周期2—4 min.随着周期的增加,这种低频扰动逐渐减弱.

    2) 台风在不断加强并靠近台站的过程中,也影响到了应变仪振动的空间频谱特征,而优势振动方向与海岸线形态有关.

    3) 风对陆地的作用可能并不是引起低频扰动的主要原因,而是因为台风以海浪为介质,通过不断与具有光滑凹形形态的杭州湾北部海岸线的反射作用,进而激发在自由振荡频段的低频扰动信号.

    本文详细探讨在低频段台风信号的时间频率域与空间频率域表现特征,其意义在于为类似形态的地震前兆观测信号异常的判定提供科学依据.目前基于地震仪和秒采样重力仪来研究台风扰动优势频段的研究较多,但很少有基于分钟采样的前兆观测仪器探讨台风扰动特性,而在中国的东海及南海区域,受西太平洋台风季的影响非常显著,台风也成为了近岸甚至内陆地区形变观测的主要自然扰动源之一.地形变前兆观测仪也记录了大量类似的短时毛刺噪声增加的信号,本文提供的时频分析法和优势振动分析方法,也可以用于判别此类信号的性质,并获取激发源的空间位置参考信息.本文目前仅是针对佘山台进行了分析讨论,后续研究尚需引入更多沿岸及内陆台站,分析台风影响过程的衰减特征以及影响程度.此外,海洋长重力波在激发过程中的作用程度究竟如何,尚需要更详尽的分析与探讨.

  • 图  1   非洲中东部地区地形图以及本文使用的非洲台阵部分台站(三角形)分布

    Figure  1.   Topographic map of mid-eastern Africa and distribution of Africa Array stations(triangles)

    图  2   SONG台站得到的“好”(good)的剪切波分裂分析结果 (a)灰色区域为所选取的用于SKS分析的时间窗;(b)事件的反方位角分布;(c)利用旋转相关法得到的归一化快慢波波形对比;(d)利用旋转相关法得到的径向分量(R)与切向分量(T)的波形对比;(e)利用旋转相关法分析前后的水平质点运动图对比;(f)互相关系数关于快轴方向与走时差的分布;(g)利用最小能量法得到的归一化快慢波波形对比;(h)利用最小能量法得到的径向分量(R)与切向分量(T)的波形对比;(i)利用最小能量法分析前后的水平质点运动图对比;(j)切向分量能量关于快轴方向与走时差的分布

    Figure  2.   An example illustrating “good” measurement of SKS waveform recorded by the station SONG (a)Shaded area illustrates selected time window for SKS splitting analysis;(b)Back-azimuthal distribution of the event;(c)Comparison of normalized fast and slow waveforms with rotation correlation(RC)method;(d)Comparison ofR andT components with RC method;(e)Horizontal particle motion before and after utilizing RC method;(f)Distribution of correlation coefficients with respect to delay time and fast axis;(g)Comparison of normalized fast and slow waveforms with minimum energy(SC)method;(h)Comparison ofR andT component with SC method;(i)Horizontal particle motion before and after utilizing SC method;(j)Distribution of transverse energy with respect to delay time and fast axis

    图  3   非洲台阵各台站剪切波分裂分析结果

    Figure  3.   Rose diagrams at stations of Africa Array illustrating the fast directions measured in this study

    图  4   世界应力场分布图(引自Heidbachet al,2009) 不同符号表示利用不同的方法得到的水平主压应力方向.详细说明请参考www. world-stress-map.org

    Figure  4.   2008 world stress map(afterHeidbachet al,2009) Downloaded from GFZ-Potsdam. Different symbols illustrate results from different methods. For more details,please see www. world-stress-map.org

    图  5   非洲中东部地区的地表断层出露(引自Lenoiret al,1994) TC: 坦桑尼亚克拉通; Ub: 本汀山带; Us: 乌萨加拉山带; Bb: 班韦乌卢块体; Kb: 基巴拉山带; Ir: 艾露麦得山带; Mb: 莫桑比克造山带; La: 鲁非尼安弧; LT: 坦噶尼喀湖; LV: 维多利亚湖; LR: 鲁夸湖; LM: 马拉维湖; L: 其它湖.更为详细的说明请参考原文

    Figure  5.   Geological outline of mid-eastern Africa showing the surface outcrops(afterLenoiret al,1994) TC: Archaean Tanzanian craton; Ub: Ubendian belt; Us: Usagaran belt; Bb: Bangweulu block; Kb: Kibaran belt; Ir: Irumide belt; Mb: Mozambique belt; La: Lufilian arc; LT: Lake Tanganyika; LV: Lake Victoria; LR: Lake Rukwa; LM: Lake Malawi; L: other lakes. For more details,please see the original paper

    图  6   本文剪切波分裂分析结果与Forte等(2010)250 km深度处地幔流动模型的对比

    Figure  6.   Comparison of the results presented in this study with the mantle flow(blue arrows) model at the depth of 250 km from Forte et al(2010)

    图  7   D″各向异性示意图 图中红色区域为D″各向异性可能存在的区域(Lynner,Long,2012);玫瑰图表示KTWE、WINO和MAFI等3个台站所记录到事件的反方位角分布;红色短棒表示WINO台站下层快轴方向,黄色短棒表示上层快轴,黑色短棒表示MAFI和KTWE台站快轴方向

    Figure  7.   Illustration of D″ anisotropy The red-shaded region denotes the location of possible D″ anisotropy(Lynner,Long,2012). Rose diagrams illustrate back-azimuth coverage of the stations KTWE,WINO and MAFI. Red bars at WINO indicate lower layer fast direction,while yellow bars correspond with upper layer. Black bars at MAFI and KTWE measure fast directions

    图  8   WINO台站的视分裂参数拟合结果

    Figure  8.   Fitness of apparent splitting parameters of the station WINO Blue crosses represent observed data with error bars,while black lines illustrate predicted data

    图  9   非洲中东部地区各向异性的主导因素示意图 玫瑰图表示各台站的快轴方向.蓝色箭头表示地幔流动模型(Forteet al,2010),黑色细线表示地表断层出露(Lenoiret al,1994)

    Figure  9.   The dominant origins of seismic anisotropy in middle-eastern African region Rose diagrams illustrate the fast directions measured in this study. Light blue arrows indicate mantle flow model(Forteet al,2010) and thin black lines are surface outcrops(Lenoiret al,1994)

    表  1   SKS分裂测量结果

    Table  1   The results of SKS splitting measurements

    下载: 导出CSV
  • Kendall J M, Silver P G. 1998. Investigating causes of D″ anisotropy[G]//Gurnis M, Wysession M E, Knittle E, Buffett B A eds. The Core-Mantle Boundary Region. Washington: American Geophysical Union: 97-118.

    Nicolas A, Christensen N I. 1987. Formation of anisotropy in upper mantle peridotites: A review[G]//Fuchs K, Froidevaux C eds. Composition, Structure and Dynamics of the Lithosphere-Asthenosphere System. Washington: AGU, 16: 111-123.

  • 期刊类型引用(5)

    1. 尹晶飞,汪贞杰,江聪杰. 台风“利奇马”对钻孔体应变的扰动分析——以浙江地区为例. 地震地磁观测与研究. 2022(04): 95-105 . 百度学术
    2. 袁媛,韩娜娜. 西太平洋台风对上海地区钻孔应变的低频扰动特征分析. 地震工程学报. 2021(01): 33-42 . 百度学术
    3. 史小平,张磊,姜振海. 临夏台分量钻孔应变观测与岷县—漳县6.6级地震的相关性分析. 地震工程学报. 2020(02): 391-395 . 百度学术
    4. 邱泽华,唐磊,郭燕平,张宝红. 姑咱台的十年钻孔应变观测和汶川地震前兆异常. 地球物理学进展. 2020(04): 1299-1309 . 百度学术
    5. 杨小林,杨锦玲,危自根. 中国东南沿海地区钻孔体应变对超强台风“利奇马”的响应特征与机制. 地震学报. 2020(03): 306-318 . 本站查看

    其他类型引用(0)

图(9)  /  表(1)
计量
  • 文章访问数:  624
  • HTML全文浏览量:  270
  • PDF下载量:  8
  • 被引次数: 5
出版历程
  • 收稿日期:  2014-01-01
  • 修回日期:  2014-04-07
  • 发布日期:  2014-10-31

目录

/

返回文章
返回