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汶川地震十周年纪念——捕捉地震中的次声波
2018/05/11 | 作者:王荣泉 钟平 | 【 【打印】【关闭】

  20085121428分,里氏8.0级的汶川地震爆发,山崩地裂,满目疮痍,69227人的生命因此被迫画下休止符。经国务院批准,自2009年起,每年512日为全国“防灾减灾日”。

  

  川之上,国有殇。逝者长眠,生者常思。悲剧提醒我们,科学认识地震、科学防震减灾,对国家、社会和个人都至关重要。

  多次自然灾害事件的记录以及研究表明,次声波与许多自然灾害存在着密切的关联性。“次声波存在于地震孕育早期、爆发、余震的全过程,是与地震直接关联的物理波,可建立次声波和地震的某种相关关系,怎么建立这种关系就值得我们研究了。”基于多年的次声波探测分析,中科院噪声与振动重点实验室杨亦春研究员认为,次声波有望为人们科学认识地震提供一份晴雨表。

  

  中国科学院声学研究所(以下简称“中科院声学所”)对于自然事件关联次声波的研究有着50多年的历史。中科院噪声与振动重点实验室的次声学研究课题组成功研制了ISA2016型低频宽带次声传感器,并基于该传感器在新疆、辽宁、云南、北京、吉林五地共设置23个监测点,建立了广域次声监测网,可有效、不间断地监测地震等自然事件关联次声波。

  一、什么是次声波?

  频率低于20 Hz、不可被人耳听到的声波叫做次声波。

  

  人和一些动物发声和听觉的频率范围(图/人教网)

  次声波主要来源于大自然,许多地球物理现象以及天文现象都是次声波源,如地震、火山爆发、海啸、流星雨、陨石坠落、极光、日食、核爆炸及偶发的大型化学爆炸等,都曾记录到相伴随的次声波。次声波的频率低、波长长,容易与建筑物、人体等产生共振,还能轻易绕过障碍物,可谓是“无孔不入”。

  

  二、次声波与地震有什么特殊关系?

  “地震是一个爆发巨大能量的力学过程,地震的活动全过程必然会产生声波,且主要为次声波。”杨亦春研究员指出,通过观测地震活动伴生的次声波的发生过程,研究次声波的信号特征,有利于科研人员掌握地震活动的状态,研究地震的发生发展规律及产生次声波的机理。

  

  次声在大气中的传播路径(图/中科院声学所)

  地震声波主要是由岩石破裂和地表起伏所激发,既有次声也有可听声。因此震中的人们在地震爆发时刻能够听到地底下隆隆的轰鸣声,震耳欲聋,像千军万马在怒吼,而夹杂其中的强次声波会使人头晕、恶心、心慌,失去逃跑能力。

  

  不同类型的地质活动会产生不同频率范围的次声波。地下岩石相互挤压、破裂,产生的次声波频率偏高,大于0.1Hz。地表起伏释放出的次声波频率偏低,为0.001—0.1Hz

  

  当地表起伏的幅度较小,或持续时间较长时,非爆裂的断层滑动事件会逐渐释放掉地壳活动的能量,就不会出现地表撕裂现象。因此,有时测量到次声波并不一定会发生大地震。

  三、怎么检测地震产生的次声波?

  由于地震波传播衰减小,因此次声波传感器能够在数千公里以外探测到来自震中的地震次声波信号。

  从震中到远方的监测点,次声波有三种传播途径。最先到达的是通过地壳传播到监测点后激发出的同振次声波(图中黑线),其次到达的是地震动引起途中山体晃动产生的次声波(图中红线),最后到达的是从震中位置通过大气传过来的次声波(图中黄线)。

  

  地震关联次声波的3种传播途径(图/中科院声学所)

  四、大地震前的异常次声波

  与地震爆发后产生的次声波相比,大地震前数天出现的一种次声波幅值更大, 频率更低,持续时间更长。

  在汶川地震前的200852日,中科院声学所曾检测到声压(传播介质受到声波扰动后产生的压强变化量)峰值达100Pa的异常次声波,持续时间20000秒。

  

  汶川地震前后的次声波能量流曲线(图/中科院声学所)

  2010414日玉树7.1级地震、2011311日日本9级地震、2013420日芦山7级地震、2013925日巴基斯坦7.7级地震等四次地震前两周内,均出现了异常次声波,频率范围在0.001Hz0.01Hz之间,幅值范围为50Pa200Pa,持续时间约半小时至4小时,传播速度为10m/s30m/s。震级越高,震前异常次声波的幅值越大。

  多年连续观测数据表明,在无地震时段,很难出现大幅值长周期次声波。

  大地震前出现的这种异常次声波,是说来就来的吗?并不是,只有同时具备两个条件才会产生。

  首先,必须有一个巨大的能量来源,才能产生覆盖数千平方公里范围的100Pa声波;其次,必须有超大面积的辐射面,才能在空气中产生周期10—10000秒的声波。

  

  多次大地震发生前会出现异常次声波,是科研人员长期观察发现的一种客观存在现象。随着科学技术的快速发展,相信在不久的将来,关于次声波的研究将对地震预测预警做出贡献。

  未来研究中,科研人员将扩大广域次声监测网的布设范围,争取在每一个中国地震台网所属地震台站的周围均布设次声监测台站,增加监测范围,加强监测力度;同时继续深入研究这类次声波的产生机理与传播机理,探索异常次声信号与地震的关联性,配合中国地震局等相关单位,为有效获取地震监测和预警信息提供技术支持。

  

  国家地震台站分布图(图/中国地震台网中心)

  参考文献:

  [1]马大猷,杨训仁.声学漫谈[M].长沙:湖南教育出版社,1994.

  [2]关定华. 神秘的声音世界[M].济南:山东教育出版社,2001.

  [3]杨亦春,郭泉,吕君,滕鹏晓.大地震前出现的异常次声波观测研究[J].物理学报,2014,63(13):224-237.

  [4]杨亦春,郭泉.中科院声学所在次声学研究方面取得重大进展[J].声学学报,2011,36(03):307.

  [5]郭泉,杨亦春,吕君,滕鹏晓.基于广域次声传感器网络的地震本地次声波监测[J].地球科学(中国地质大学学报),2014,39(12):1807-1817.  

中科院噪声与振动重点实验室吕君副研究员对本文亦有贡献

  文中图片除注明外,均来自网络

 
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