#2000年7~9月强地震的前兆次声波测量研究
第25巷第l期m年1月
地震研究
JOURNALUFS吲010GIcAI.REsEARCH
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20∞年7—9月强地震的前兆次声波测量研究’
苏啼田维
(石油大学(北京)基础科学系,北京昌平102200)
摘要介绍强地震前兆观测的一种新方法——次声波法。在北京昌平安装次声三点阵,并测量到2000年7.9月强地震的前兆次声波P—t曲线及波速渡向图.经过快速傅立叶变换得到其j维动态频谱。频谱分析结果表明:(j)强震前约J0天内常能测到振幅很强、方向可测的地震前兆次声。其三维动态频潜的特点是:振幅由弱clo一20Pa)到逐渐加强(40一舯Pa)或更大;周期先分散在2
一19分钟或20~65分钟.摄后连成~片(2~65分钟);波形明显不同于流星雨次声、大风次声和雷雨次声;(2)强震前兆次声三维动态频谱的最大振幅不仅受震级太小影响,而且与震源距离及深度都有关;(3)初步解释丫强震前兆次声的产生机理和传播机制;
(4)若两地的{点阵波向相交.可预测震中位置。故地震前兆次声波的测量研究,有可能发展成为临震预报中一种较有效的新方法。
关键词:次声波;旋声三点阵;三维动态频谱;强震前兆
中圈分类号:P315.72文献标识码:A文章编号:1000—0666(2002)01—0011—09
0引言
根据焦明若等-lJ介绍,我国中短期地震预报的成功率仅20%左右。临震预报的成功率更低,约l%:因此除大力强化基础理论研究外,还迫切需要发展、研制新的地震前兆观测仪器。
我们注意到:北京工业大学地震研究室李均之等研究L2j.日本在1993年7月12日~1995年1月17日5次7级以上的地震前,都有最大幅度达770~“50mv的次声波出现,而且虎皮鹦鹉跳动频度异常,地应力异常。其中4次还有大地微动信息。他们还根据以上异常前兆及引潮力共
振迭加,曾成功预报了1997年4月6~16日新疆伽师地震¨J。因此得出结论:“世界范围内7级以匕地震在一般情况下震前能收到次声波异常信号。次声波异常信号结束后9天内发震。震级大小由次声波异常幅度大小确定用它预测发震时间误差在4天以内,预测震级误差小于0.8级”¨J。
首先,7级以下的其它强地震前9天内是否也都能收到次声波信号?其次,次声波的声压大小是否仅仅与震级大小有关?若还受其它因素影响,有何统计规律?如何用它预报震级?均有待做深入长期的实验观测、考察和研究。但美中不足的是北京工业大学的次声信号用x—Y记录仪画出,并非标准的Ⅱ.弦波,不知其中含有哪些次声频率成分?各频率对应多大的次声能量?此外,仅靠一台次声接收器无法测出次声波从何方向传来,故难以更深入开展定量研究。
为了仔细分析研究,我们在北京昌平安装了一个次声测量三点阵,并在1999年1~7月和2000年4~12月连续观测,先后测到80余次强地震的前兆次声波信号。经过快速傅立叶变换,得到其三维动态频谱,对上述问题初步寻其实验规律。1999年1~3月的结果详见文[5]。2000年4、5和lo~12月结果详见文16]、:7]、[8]。本文介绍2000年7—9月份结果,其余将另文发表。希望为临震预报探索·种新方法和未见国内外报道的有关强地震前兆次声的科学数据。
·收稿日期:2001—02—27
基盒项目:石油大学(北京)校科研基金资助项目(批准号99一l一02)
作者筒介:苏畸(1蚍一),男,安t人.石油大学(北京)教授.中国科学院研究员.主要从事高压实验物理研究和强地震的前兆扶声波铡量研究
l测量装置与方法
地震研究二5毪1.1接收器频率响应曲线
使用电容式csH~l型次声接收器作为测量仪器,:9一图1=所测的频率范围为o.00026一l}Iz、
1.2次声三点阵
布置了=台次声波接收器构成次声测星的‘_点阵村次声接收三点阵”o大小相当。
1.3P—t曲线茁由中国科学院声学研究所静J造,特件曲线见文洋见文:9]图2。其尺度与jE京声学所的巾芙
由次声接收器()、A、B把次声的声压转变为信号电压,再通过校园电话线同时输送给奔腾Pc机
内的模/数转换卡(A/D卡)A/D卡完成模/数转换并输出脉冲信号电压。将其乘以探删器灵敏度(本实喻t{,为0.050Pa/mv),就得到P—t曲线——次声压随时间的变化。采样周期选掸1.00s借助于计算机能进行每天24小时实时测量并记录P—t曲线。接收器o、A、B在同一时间测到的P—t曲线的不同波形能同时显示在计算机屏幕l:,分别用绿、白和红线表示,见图1(时间间隔:每格8分钟)。从幽l明屁看出:强地震的前兆次声波P一£曲线具有8一16分钟以F的长周期.该波形特征大大一小J川于流堰雨次声波9或大风P—l曲线01|。后二者都有几秒一几十秒的短周期.
兰一。
图12000年7月9日和8月19日强地震前兆次声波的P—l曲线
a)2(x如一07一岬,07时32分一08时52分:rb)2000一(18—19,21时22分一!!时4^分
1.4波向、波速图
因为同一源的次声波到达接收器A、B和
。有早有晚,可以利用接收时间差并计算出次声波的传播方向和下传速度的地面投影值。我们统一规
定:以正北方向为零度,顺时针旋转到昌平~震中的连线方向所需的角度即为指示出的角度?并用箭头表示次声波传播方向。每分钟记录并显示一次波向和波速,如图2所示.从而判断它从何方向传来。
1.5三维动态频谱
让计算机对次声接收器O测到的P—t曲线渡形做快速傅立叶变换,采用余弦窗,作4096点的傅氏变换余弦窗宽度4096s,得到在每个时刻各种频率成分对应的能量值,即相
规潮站名cp
*机时目·№o
i■对问∞0,器00相
渡建:2lTl,s
造向.1”座
相美系数。R·b邛曲1
图22000一07—29‘roo一04三点阵测到的次声波向和下传波速的地面投影值
嚣踌等:2000年7—9月强地震的前兆次声波测量研宄
直的三维动态频谱,如图3~4所示:横坐标代表时间(时间间隔:30分钟);纵坐托、代美洲刘jfi次,{渡周期(单位:分钟);深浅不同的各种颜代表测到的次声波振幅范围(单位lkI、:泼蓝t~10Pa;湖绿,10~15Pa;白.15~20I)a;粉红,20~30Pa;黄,30~40Pa;深栋.“)~^《Pa;豆沙,50~80Pa;紫,80~100Pa;浅咖啡,100~150P{l;草绿.15()~2(x)‰银灰.?n一3()0Pa)’
2观测结果与分析
2.120∞年7月15日日本本州南岸近海.】Ifs6.6地震和16日台湾台东县外海兰屿Ms6.6(MI7.o)地震在7月9日,即震前6天,从7:40开始多次接收到从东南方传来越来越强烈的次声波,其。维面态频谱选画于图3。
由图3可见.7月9甘7:加以前.次声波振幅较
弱(绿、白、粉红为主,lO一30Pa),周期16~65
分钟,7:40~8:43首次出现较强振幅(黄、深棕,
30~{j0Pa),周期13~65分钟的次声波。波向122。。
8:43~9:23振幅变成极强(紫、浅咖啡,80~126
Pa),其周期宽达14~65分钟。而对lO一40Pa(绿、
白。粉红、黄),周期范围更宽(2—65分钟)。
渡向约1500。它具有强震前兆次声波的两个典型特
点:振幅由弱(10一20Pa)到逐渐加强(40~80Pa)
或更大;周期先分散在2~19分钟内或20~65分钟
内t最后连成一片(2~65分钟)。
图32000年7月{5日日恭本州南岸近海、1、6
图3还表明:7月9日9:23~9:43较强和特强振
地震和16日台湾台东县外海兰屿Ⅳ、6.6
璧』竺二?P8i:..罂鼍黧妻二Ioi芝分钟’的(慨7.o)地震的前兆次声波.三维动奄频
…+‘’
次声波第二、三次出现。其波向132。~116。。‘…
谱(2()00一07—09nJ7一05~11】5、根据瑞士地震台的全球地震信息:6天后.北京
时间20()0—07—15彻一30日本本州南岸近海(34.4。N,139.3。E)发生Ⅳ、6.5地震l椿ioh¨)北j,时问2000—07—16T11—2I台湾台东县外海兰屿(22.6。N,126.O。F)亦发牛吖、66地震(深l(、km)同一天,07—16T11—57(北京时间)菲律宾北巴坦岛海底(7.1。s,151.3。E)还发生Ⅳ、64地震考虑到前者与后二者时间、距离均较接近.它们的前兆次声波传至昌平有町能先后迭加.故仙计删剑前兆次声波更可能分别属于这三者。
2.220帅年7月份强震的前兆次声统计
根据瑞士台的全球地震信息,7月份M,5.6以上地震共15次.我们测到的前兆次声波结果摘录于表1。
由表1可见:7月份M。7.O以上地震1次,已被测到:』lfs6.9—6.0地震共9次.只测到7次Ⅳ、5.9~5.6地震共5次。仅测到2次。未被测到有多种原因。其一是7月3、4、8、9、15,20,:】、28,皆有雷阵雨,雷次声极强,可能有地震前兆次声迭加,而被一并去掉.其二是可能因停电而漏测其
是北京时间07—151D9—30与07—16T11—21、ll一57竞先后发生M、6.5、Ms66和M,64:次强地震。强震如此密集.其前兆次声波可能会在昌平迭加【fii形成
振幅反常增高,同时引起另一次强震前兆次声未被认出。以上均有待改进。
·盎文插}车}均为黑白图,彩图请与作者联系
地震讲究
20帅年7月测到的强地震及其前兆次声波频谱
j曹
发震时间震中位置
深震
日一时分纬摩经度
度级
地区
(M℃)
Ⅳ(“)
v(。)/km饥
09一(12:5715—0930
16—112l
1e一1l:57
18—06:s4369N344、226N7
lS
356N1371F1062
1393E1065
1260ElO
僵尸围城成就66
15l
3F海底64
7l
lE
33
57
}{小木洲l才、
Ij本奉州南岸近}母台湾台东外海兰屿
菲律宾北巴坦岛
巴斯斯蚍
2l—02‘39站7N14l6E10
6.0日本关东地选
2l一09:53
1l6N
84.9w
106
5尼加拉瓜29—042823.6N120.8E
336
o台湾南投一嘉义之阳
3【l一2025
32,3N
】39.9F
10
7.1月本本州南岸近海
前兆玖声波频谱分折
¨器嬲¨,㈣删
I』一HJ:分~H』:分
…、……‘
(mCl
05—06:50~72840~106LⅣ一0843一()913
8(J、l!^
09—09:2j~943
11—03:49~4:巧
13—20:55~2l
29
14—1658—17:4l
16一0950~lO
19
17一16:23~165927—08:26~852
1f122—10:54
17—2J:OO~21.39孙一Il:53一12:拍
1325~15:02
24一184(J~19:2927—2043—2j:19舢)、126
50—76
40~¨帅一llj
80~10U
80—128般)一96
4()~6280。】508U—J】q80~l76
80~150
80一134
¨】一3618~65
1l~舒Ⅻ~6542一∞
22—65
j7~65
28~65
23~65
12~舒11一舒2S~晒3I一晡
2.3
20呻年8月28日印尼serm』lf。6.7地震
由图4可见,08一19T19—44前测到从东南传来的次
声振幅较弱(10~20Pa,绿、白),19:44~2l:45变为中等振幅(20—40Pa,粉红、黄)。2l:45~22:51出现的次声振幅较强(40~80Pa,深棕、豆沙),周期范围非常宽(5~65分钟)(对更小的绿、白、粉红、黄振幅,周期达2—65分钟)
。尤其在2l:51~22:43次声呈现特强振幅(80—150Pa,紫。浅咖啡),其周期范围仍很宽(9—65分钟)特别在21:58~22:25达最大振幅
(150~186
Pa.草绿),对应周期20~52分钟,、再次证实
前兆次声波频谱有两个典型特点:t)振幅由弱变强;ii)最后的周期范围很宽,几乎各种长周期成分都出现_『。
图4
2000年8月28日印尼se。。。"。67地
思想汇报2020积极分子9月
9天后,根据瑞士台的全球地震信息,2000一08一
震的前兆次声波三维动态频谱(2(10(1
28123一05印度尼西亚seI∞(3-9。s,127
5。F)发生Ms
—08—19n9—33~:3—53)
7地震(深度33km)。从正北方向顺时针旋转到昌平一
鬻蒜一
棼畸等:20。0年7~9月强地震的前兆次,÷t泼测量忻允
震中连线约167。,与波向波速罔测量较接近,l爿此估汁:测刮的次声波很可能是馥地震的日d兆∞:p2.420∞年8月份强震的前兆次声统计
根据瑞上台的全球地震信息,2000年8月肘s7.【1“上地震1次已终删到..w。69—6n地疆终j次.只测到3次..Ms59—5.6地震共3次,仅测到2次。详见表2、
表220帅年8月测到的强地震及其前兆次声频谱
两台电脑怎么连接局域网
啦震d—rM口一“1分{BTC、
震中他置
纬l要经度
÷,(‘)^/(。j
49lN1446}
深震
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嚣一2j:。539s1:75E3367印尼叠ml19—2l58~222515fJ、j蜘2¨.,2
发震时㈣雀中位置深麓
H一时:分纬度经度度级地M
:l玎℃)辛/(‘)∥r。)/kmm
0119:5614、965E336O印J己苏门答腊岛西岸远海08一U9.35341S392ElO57南印度洋
10一l^:“265、1240ElO6l台湾东北
12(1828353N993ElO67青海必海一坞多间
13一¨4:二754s101.8E3361印恺苏门答腊岛西南
14一笠59156s1798E3362婆济岛
二3一u2:25O‘102.OEj359印尼苏¨答腊岛南
砷一胛∞02h8IJ.4砸336l厄瓜多尔近海
前兆次声波频潜分析
测到时问
月一}{一时:分一H寸,r
【明℃、
08—23—22’42~2333
2q—02:2u一02:53
(D—Oj一04:2】~05:00
一U517~(J5.50
06—2300~2330
07一07:5l~0853
12一J3:10一13:32
12一0334—04:l】2
1708:20一(){j43
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16地震研究
2.6前兆次声提前天数的初步统计
对2000年7~9月测到前兆次声的时间离强地震发生时刻的提前天数作一统计,虻嘲5图5中,o、△、◇分别表示7、8和9
爱情喜剧电影推荐月强震前兆次声的提前天数。看来多数集中于
2天左右、6天左右和近lO天。我们将继续测
量,寻其统计规律。
地震次声波的物理机理研究啾b
嵇H<控掣
3.1四种地震次声波
谢金来等㈦的研究再次证实:地震彳i仅2
可产生第一种次声波——“当地次声波”(包
25巷
括地震纵波、横渡、表面波从地壳传到次卢站56586o626666Bc2
所在地时引起该地地球表面运动而向大气辐射
的次声波,周期大致在零点几秒至几十秒,传
图5前兆次声的提前是教随强震震级的舒帑图
播方向基本垂直于地面。),而且还能产牛第二
种次声波——“震中次声波”(由震中地区强烈的地球表面运动向大气辐射声波,并通越^、’L传播刮近处的次声波,传播方向接近水平,传播速度约300rn/s)。例如北京时划1993—0712’r2l一17—11811本北海道(42.8。N,139.4。E)胁7.8地震(深50km)后,先后测到当地次声波的刷期和振幅分别勾12s、O.8Pa(对纵波),12s、O4Pa(对横渡),36s、l33h(对表面渡)和震,}J次口i渡,其周朗为137s,振幅为6.9Pa,持续28分钟。两者都远远小于人耳对次声的阈值1123【对l(¨z勾州ltm,对1.5}Iz为132.3dB),故人耳听不见。
第三种次声波叫“衍射次声波”,.地震波住传播过程中,若遇到复杂地形(如高地或L【j脐等J.这砷特殊地形就成为大的衍射体。它的表面振动就向许多方向(包括水平方向)辐射次声波该次高坡町以通过大气传播到很远的地方,其平均传播时间介f“当地次声波”和“震中次声波”之间第四种是强烈
地震发生前的“前兆次声波”,它不同于前二种,前二三种都是地震发生时才丹始传播的次声波,等接收到已来不及预报。而前兆次声波可在震前约lO大内测量刮,绎分析研究仃可能用f临震预报。如九大地震前一天,反映最普遍、生动、真实和迅速的宏观征象就是动物p为芦常….如牛惊跑,老鼠、黄鼠狼白天搬家,鸟类弃巢飞逝,水母浮出海面…··除了受电磁波千二扰地F水.地下气逸出、地声、地光等生存环境突变影响外,根据次声的生物效应看,很可能牛、鼠、呜娄动物异常是因为感受到了地震的前兆次声波【l…,就象水母和鱼类能感受到台风次声那样02“根掘本测量结果看,它又比前三种强l至2个数量级。地震前地壳内发H{的低频机械渡(含次声),刮100分“!i#有会引起动物烦闷、呼吸不畅,特别是4—9Hz的次声波能使许多动物内脏产生共振而极人小安.敝11多味觉手【|听觉灵敏的动物能预先觉察并逃离.
3.2强地震前兆次声的产生机理
哈佛大学Rice和Ruina。“J,美国地质调查署Diete五ch|l¨”一以及0}ITlaka…等升拓r断层f}々擘擦奉构关系研究,把断层的状态用摩擦过程的状态变量加以描述。其主要内容是:①存在个临啄毫度.在滑动段小于该尺度时,滑动是稳定的,扩展速度很慢,这个阶段要持续很长时I训;:9往滑动段,r展望大_}二临界尺度,且归一化的应力超过稳定状态的摩擦系数后,扩展加速,很快变成失橡滑动该磺型【f.震前预滑速度比地震时粘滑速度慢.而又比断层的一般蠕动速度快,它很可能发射一砷4:1司i地震波的长周期波。
冯德益等i口J应用断裂力学和流变介质中波的传播理论研究震前长周期形变波的波动源以及这类波

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