基于台风地震信号特征的小尺度地球圈层耦合机制研究

Ocean storms on seismic records reveal small-scale coupling mechanisms among Earth's spheres. Strong atmospheric disturbances interact with ocean and form ocean storms. Ocean waves caused by ocean storms propagate towards coasts and interact with the seafloor, generating seismic motions in the solid Earth which are then recorded by seismometers as so-called "seismic noises". Such noises provide us very important clues to study the coupling mechanisms of Earth's different spheres. We will combine the technologies and theories from Seismology and Physical Oceanography to study the coupling mechanism of storm-ocean-continent. We will also combine observations and modelling together to study the above coupling process and our study areas are focused in Souch China Sea and East China Sea. Firstly, we will analyze temporal, spectral, and spatial signatures of storms and other ocean events on seismic records. Secondly, we will compare the results from seismolgy with the data from Physical Oceanography, taking into account the topography, steepness and geometry of coastlines, to identify the key elements in controlling the coupling of ocean and continent. Finally, based on the above observations and interpretations, we are aiming to build a theoretical model for the small scale coupling process of storm-ocean-continent.

大气层、海洋和固体地球并非是孤立的圈层，而是通过一些机制耦合在一起的一个地球系统。台风源于大气层强烈的空气扰动，这种扰动通过与海水作用形成海浪，海浪与海岸作用，引发在固体地球中传播的弹性波，最终会被地震记录仪记录下来，成为我们在研究天然地震时传统意义上的背景噪音。然而这种噪音却为我们研究圈层耦合提供了非常重要的线索。本项目将结合天然地震学和物理海洋学的技术和理论来分析和研究台风-海洋-陆地的耦合机制，采取实际观测与物理模拟相结合的方法在中国东海和南海就这一耦合过程进行研究。我们将首先从地震信号中准确地提取台风、海洋信号，找到它们在地震记录上的时间域、频率域和空间域特征；然后与物理海洋的观测资料进行对比，结合台风登陆附近的海底地形和海岸线，分析影响海-陆耦合的因素；最终在实际观测和解释的基础上，进行理论计算，建立小尺度台风-海洋-陆地耦合与能量传递方面的理论模型。

通过研究台风在地震记录上的响应，可以更好的了解地球的圈层耦合模式，了解微地震产生的物理机制。全球研究者们就微地震噪音进行了广泛而深入的研究，然而还有一些没有定论的问题。我们以中国的边缘海为抓手，研究南海的微地震噪音，并嵌入全球的微地震研究，我们的主要研究内容和目标有：1）台风在地震记录上的时域、频域和空间域特征是什么？台风对微地震的强度和源区有什么影响？2）南海微地震是否受控于全球微地震的公共源区？3）什么造成了双频微地震的分裂？我们在南海能否观测到这些分裂？分裂的机制是什么？ 4）南海微地震都包含哪些波？比例如何？以及扩展的与微地震相关的5）微地震随纬度和季节的变化。我们利用OBS数据、宽频带陆上台站数据和全球卫星数据，针对南海微地震取得了以下重要认识：1）台风对地球的“hum”没有影响，主要增强了微地震的强度，且对各类微地震的激发源区均有影响，但对短周期双频微地震的源区位置影响最小；2）南海微地震的源区主要受控于南海、菲律宾海等近海，全球的公共源区并不主导南海的微地震；3）南海双频微地震频带观测到了分裂，陆上台站尤为明显，其中短周期双频微地震主要受控台站附近局地海域，而长周期双频微地震的源区则位于距海岸线100-200公里稍深的海域；4）南海微地震里观测到了纵波、瑞雷波和面波；5）赤道附近的微地震随季节变化不大，随着纬度升高，冬季微地震的能量要高于夏季微地震的能量；南极则相反，冬季微地震的能量要小于夏季微地震，主要是由于结冰区域面积扩大的原因。我们的研究结果不仅在全球微地震观测数据库上增加了南海这一非常重要的观测区，而且提高了对微地震和小尺度圈层耦合的认识。