王 梅 季愛東 曲同磊 徐長朋 王 鵬 佟瑞清

(中國濟南250014山東省地震局)

泰安地震臺重力擾動現(xiàn)象研究*

(中國濟南250014山東省地震局)

利用濾波分析法對山東泰安地震臺重力固體潮觀測的分析表明,重力觀測中存在大量高頻擾動信號. 通過與氣象觀測實況資料的對比發(fā)現(xiàn),這些異常擾動信號除了受臺風等熱帶氣旋影響外,還明顯與“冷空氣”過境等區(qū)域強對流天氣有關(guān). 對泰安臺JCZ-1甚寬頻帶地震儀觀測資料的頻譜分析和濾波處理進一步表明,區(qū)域強對流天氣及臺風對重力儀的影響頻段均在1—8 s范圍內(nèi),其中2—6 s區(qū)間影響最為顯著； 強對流天氣過程觸發(fā)的擾動信號范圍可以在1—16 s,但8 s后擾動信號對重力儀觀測基本不造成影響,即重力儀對高頻擾動信號的響應(yīng)存在8 s的截止周期. JCZ-1甚寬頻帶地震儀的波譜分析還反映出擾動信號的動態(tài)特征,即強對流天氣產(chǎn)生的擾動信號在發(fā)展、 傳播過程中,首先出現(xiàn)的信號頻率較高,隨著時間推移信號逐漸向低頻演化,揭示了干擾信號傳播的多普勒效應(yīng)以及擾動信號激發(fā)源的移動特性.

重力 地震儀 擾動 強對流 臺風

引言

重力固體潮連續(xù)觀測可以記錄與潮汐變化有關(guān)的地殼運動,還可以精確觀測到地球系統(tǒng)各圈層物質(zhì)遷移引起的重力變化效應(yīng). 同時,重力固體潮也與地球表層因素,如斷層活動、 地下水、 沉積物的遷移及大型工程建設(shè)等有關(guān)． 對以地震預(yù)報為目標的重力觀測,研究人員更感興趣的是疊加在固體潮曲線中的非潮汐變化過程,以提取更多與地震有關(guān)的地球物理信息．

隨著觀測技術(shù)的不斷提高,重力固體潮觀測儀器帶通不斷加寬,靈敏度已達到10-9m/s2,采樣率達到1 Hz,不僅可以觀測到低頻固體潮及其趨勢變化,還可以記錄到地震和地球自由振蕩等高頻信息． 近幾年,研究人員特別注意到了重力儀記錄的“擾動”現(xiàn)象(郝曉光,1997； 郝曉光等,2008； 王梅等,2009； 張雁濱等,2010； 蔣駿等, 2012),即在重力固體潮觀測曲線上出現(xiàn)的高頻波動信號,并對引起這一現(xiàn)象的原因進行了深入分析． 有的觀點認為這是一種典型的“震前擾動”,如Kizawa (1972)報道的GS-12重力儀記錄到1964年3月28日美國阿拉斯加M8.4和1964年6月16日日本新瀉M7.5地震前的“重力擾動”； 楊又陵等(2003)報道的新疆地震臺網(wǎng)在2001年 11月14日我國昆侖山口西MS8.1地震前GS-15重力儀觀測到“緩慢地震事件”； 郝曉光(1997)和郝曉光等(2008)觀察到的1997年5月25日新西蘭克馬德克島南部M7.1和2008年5月12日我國汶川MS8.0地震前,LaCostePET-21型及LaCostePET-20型重力儀分別記錄到的震前“重力擾動”現(xiàn)象． 近幾年研究表明,重力儀的“擾動”現(xiàn)象與熱帶氣旋有關(guān)(王梅等,2009； 蔣駿等, 2012)． 進一步研究認為,2008年5月12日汶川MS8.0地震前重力異常顫動不是地震前兆,而是2008年5月8—14日西太平洋發(fā)生的臺風“威馬遜”激發(fā)的脈動異常(傅容珊等, 2009)； 夏英杰等(2011)對地脈動信號來源方向的研究也進一步證實了汶川地震前的地脈動信號增強是由臺風引起的． 那么在重力儀觀測中頻繁出現(xiàn)的擾動信號是否還有可能是地震前兆呢？ 如果不是,那又是什么原因引起的呢？

本文通過對泰安地震臺LaCoste-PET型重力儀觀測數(shù)據(jù)的研究表明,重力儀記錄到的異常擾動信號除了受臺風等熱帶氣旋因素影響外,還明顯與“冷空氣、 高空槽”過境等區(qū)域強對流天氣有關(guān)．

1 臺站及儀器概況

泰安臺位于泰山南麓,臺基為太古代花崗片麻巖,結(jié)晶基底,巖體完整致密均勻,測量信噪比高,可靠性良好,為全國Ⅰ類形變基準臺． 儀器洞室安裝有LaCoste-PET型重力儀等形變儀器及JCZ-1甚寬頻帶數(shù)字地震儀． 其中LaCoste-PET型重力儀可以精確地測量出地球重力固體潮的相對微小變化, 分辨率為10-10m/s2,精度為10-8m/s2,數(shù)據(jù)采樣率可達1 Hz． JCZ-1甚寬頻帶數(shù)字地震儀是一種超寬頻帶地震計,其頻帶為0—20 Hz,在360 s—20 Hz 頻帶內(nèi)采用速度平坦型設(shè)計,采樣率為100 Hz,儀器的動態(tài)范圍是140 dB,覆蓋了從短周期地震波至固體潮汐的寬廣頻帶范圍．

2 重力儀觀測到的固體潮擾動現(xiàn)象及天氣實況

重力儀觀測的主要地球物理現(xiàn)象是固體潮,但我們在長期的觀測過程中發(fā)現(xiàn),重力儀觀測曲線在固體潮背景上還經(jīng)常疊加有高頻異常擾動信號． 從圖1b的濾波結(jié)果可以清晰地看到重力儀觀測曲線上頻繁出現(xiàn)的高頻擾動信號． 在消除固體潮背景后,這些高頻擾動過程主要表現(xiàn)為“仿錘形”或“錐形”,持續(xù)時間一般在1天以上,變化幅度可達10-6m/s2, 與重力儀日變幅度相當．

本文收集了2012年1—11月期間山東天氣過程的實況資料(李靜等, 2012a,b; 姜鵬,孟祥新, 2012). 通過與區(qū)域環(huán)流特征和主要天氣發(fā)展過程的對比分析發(fā)現(xiàn),重力儀的高頻擾動變化除與上千千米以外發(fā)生的臺風有關(guān)外,還與臺站附近局部地區(qū)(幾百千米范圍內(nèi))出現(xiàn)的強對流天氣有關(guān),而且呈一一對應(yīng)的關(guān)系． 由此可以看出,在泰安重力儀觀測曲線出現(xiàn)擾動、 振幅變大時,天氣環(huán)流均處于強對流狀況,不同程度地受到“冷渦橫槽、 高空槽、 低切變線、 西南曖濕氣流”等天氣條件控制,而且多伴有海上大風(包括臺風)．

3 頻譜分析

重力儀擾動信號的客觀性已經(jīng)在地震儀的觀測中得到佐證(王梅等,2009； 張雁濱等,2010； 蔣駿等, 2012)． 本文利用泰安臺JCZ-1甚寬頻帶地震儀觀測資料對強對流天氣條件下的信號特征進行頻譜分析及濾波處理．

3.1 擾動信號頻段提取

泰安JCZ-1地震儀信號頻譜分析表明,正常時段地脈動優(yōu)勢頻段為20—2 s(圖2a), 在強對流天氣、 臺風影響時段,JCZ-1地震儀信號加強的范圍也集中在20—2 s范圍內(nèi)(圖2b),但優(yōu)勢頻帶范圍有所加寬． 因此考慮區(qū)域強對流天氣及臺風對地脈動信號的影響主要集中在20—2 s頻段范圍,并對這一頻段內(nèi)信號進行了濾波處理(圖3b)． 據(jù)李靜等(2012 a, b)記載,2012年4月2—3日,受高空槽和江淮氣旋的共同影響,山東省大部分地區(qū)出現(xiàn)降水,同時各海區(qū)先后出現(xiàn) 7—8級偏北風,半島地區(qū)出現(xiàn)6—7級偏北風． 泰安重力儀則在同期的4月2—4日出現(xiàn)了固體潮高頻擾動現(xiàn)象(圖3a)． 4月2—4日泰安JCZ-1地震儀地脈動信號濾波結(jié)果(圖3b)顯示,在1—6 s范圍內(nèi),地脈動信號形態(tài)與重力儀擾動形態(tài)相似,擾動強度逐漸增大; 7—8 s范圍內(nèi)擾動幅度逐漸變?。?而4月3日后在6—16 s范圍另有一系列地脈動信號明顯加強的時段,但重力儀擾動已趨于平穩(wěn)． 因此,總體分析強對流天氣對重力儀觀測影響的優(yōu)勢頻段應(yīng)在2—8 s,8 s以后的信號對重力儀觀測基本無影響．

圖3還反映了擾動信號的一些其它特征： 一方面,強對流激發(fā)的擾動信號范圍較寬,可以發(fā)生在1—16 s范圍內(nèi)； 另一方面,結(jié)合圖4強對流干擾信號的頻率演化過程分析，也反映出強對流天氣干擾信號在孕育、 發(fā)展及傳播過程中,先出現(xiàn)的信號頻率較高,隨著時間的推移逐漸向較低頻演化．

圖4 2012年4月2—4日強對流干擾信號的頻率演化過程Fig.4 Frequency change of microtremor disturbed by strong convection in April 2—4, 2012

3.2 不同強度信號的頻段分析

上述分析表明,區(qū)域強對流天氣及臺風對重力觀測的干擾是一種明顯的自然現(xiàn)象． 在本文統(tǒng)計時段(2012年1—11月)重力儀所有的明顯擾動過程(約42次)均由天氣條件所控制,因強對流而起． 為進一步分析比較重力儀對不同強度天氣擾動信號的響應(yīng)情況,本文對重力儀不同振幅擾動時段的地脈動信號進行了濾波處理． 圖3和圖5分別給出了重力儀擾動振幅最大為5×10-6m/s2(4月2—4日)及1.2×10-6m/s2(1月10—11日)時,地脈動信號分別在0.5—18 s和0.5—6 s范圍內(nèi)的濾波曲線． 可以看到,不同強度對流天氣對重力儀觀測會造成不同程度的干擾. 隨著擾動振幅的增強,干擾信號的周期范圍也在增大,但干擾信號周期增大到一定程度后,對重力儀觀測的影響反而減弱． 重力儀擾動振幅較小(如圖5a, 1月10—11日,1.2×10-6m/s2)時,干擾信號周期范圍較窄(1—5 s)； 隨著振幅的增大(如2月6—9日,3×10-6m/s2,圖略),干擾信號的周期也進一步增大(1—6 s)； 當擾動達5×10-6m/s2時(圖3, 4月2—4日),干擾信號的周期范圍更寬(1—16 s),但對重力儀的影響也變得更為復(fù)雜． 如前所述,在1—8 s,濾波后的地脈動信號形態(tài)與重力儀擾動形態(tài)相似,在2—6 s最為顯著． 而在8—16 s地脈動信號加強的區(qū)段內(nèi),重力擾動已趨于平穩(wěn),即重力儀對高頻擾動信號存在8 s的截止周期． 截止周期的存在可能是由重力儀電路濾波系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)所確定的儀器頻率響應(yīng)范圍所決定的．

圖5 泰安臺2012年1月10—11日重力濾波曲線(a)和地脈動濾波曲線(b)

3.3 區(qū)域強對流天氣與遠海臺風(熱帶氣旋)對重力觀測影響的對比

根據(jù)圖3所顯示的重力儀濾波曲線及我們以往的研究成果(王梅等,2009),在區(qū)域強對流天氣和西太平洋臺風(熱帶氣旋)發(fā)生過程中,重力儀的干擾形態(tài)無明顯差異,一般均為“仿錘形”或“錐形”； 重力儀受影響的持續(xù)時間取決于區(qū)域強對流天氣和臺風發(fā)展持續(xù)進程,一般多于一天,也可持續(xù)十多天； 綜合考慮影響的量值及形態(tài),在較近區(qū)域內(nèi)發(fā)生冷空氣、 高空槽過境等強對流天氣時重力儀擾動信號在2—8 s范圍內(nèi),而在較遠區(qū)域——西太平洋發(fā)生臺風時其影響周期也基本在2—8 s范圍內(nèi)(3—7 s范圍最為顯著),因此兩者對重力儀影響的頻帶范圍基本一致； 區(qū)域強對流天氣和臺風對重力儀的影響幅度最大可達5×10-6m/s2,大于重力儀日變幅度．

4 討論與結(jié)論

以往研究表明(Bromirski,2001； Bromirskietal,2005; Kedaretal,2008; Stehlyetal, 2006; 王偉濤等,2011),3—20 s范圍內(nèi)的地脈動噪聲產(chǎn)生機制與海洋有很大的關(guān)系,在10—20 s頻段的噪聲(第一類地脈動)可能起源于大洋深水區(qū)的海浪波動,3—10 s頻段內(nèi)(第二類地脈動)的噪聲由近海岸兩列方向相反、 頻率相同的第一類地脈動碰撞產(chǎn)生． 而本文收集到的天氣實況資料記錄中,引起重力儀及地震儀擾動的強對流天氣過程往往伴隨著“海上大風”,這也從觀測角度說明海浪是引起重力儀及地震儀擾動的一個直接動力源． 當海面發(fā)生風暴時,強大氣流產(chǎn)生的氣旋一方面會引起海面的強烈波濤,另一方面也會引起空氣的強烈振蕩,產(chǎn)生次聲波,其頻率小于20 Hz,不容易衰減,不易被水和空氣吸收,可以傳播很遠的距離． 秦飛等(2007)采用瞬態(tài)有限元模擬方法,計算分析了地表變形與次聲波頻率的關(guān)系． 模擬結(jié)果表明,當載荷周期為10 s時,由于共振效應(yīng),地表的位移最大． 而強對流天氣噪聲水平非常接近這個量級,當這個頻段的次聲波通過大氣層傳播到觀測點時可以最大量級激發(fā)測點介質(zhì)的擾動. 這可能也是重力儀、 地震儀擾動的另一類激發(fā)源,值得深入研究．

本文結(jié)合JCZ甚寬頻帶地震儀對泰安LaCoste-PET型重力儀高頻擾動信號進行的分析表明,在每次山東地區(qū)發(fā)生強對流天氣過程(冷空氣、 高空槽過境等)和遠海(西太平洋海域)發(fā)生較強臺風時,兩套儀器均可記錄到高頻擾動變化．

干擾信號頻段發(fā)生在1—16 s范圍內(nèi),但8 s后擾動信號對重力儀觀測基本不造成影響． 不同強度對流天氣對重力儀觀測的擾動振幅可達5×10-6m/s2(秒值分析結(jié)果)以上．

重力儀受氣象條件影響發(fā)生擾動的另一個特點是持續(xù)時間較長,一般在1天以上,明顯受天氣變化時間控制． 例如在1月1—7日冷空氣過境期間,海上出現(xiàn)7—10級大風,泰安重力儀的明顯擾動變化持續(xù)了7天； 在臺風“天秤”、 “布拉萬”共同活動期間(8月20—31日)重力儀擾動則持續(xù)了約12天(圖1b)．

波譜分析還反映出擾動信號的動態(tài)特征,即強對流天氣產(chǎn)生的擾動信號在發(fā)展、 傳播過程中,首先出現(xiàn)的信號頻率較高,隨著時間推移逐漸向低頻演化,表現(xiàn)出干擾信號傳播的多普勒效應(yīng)． 多普勒效應(yīng)是移動波源傳播的典型特征,而天然點源的破裂(振動)很難維持頻繁的、 以及時間長達幾天至十幾天的高頻振動,這些都反映了重力儀觀測中頻繁出現(xiàn)的高頻擾動信號激發(fā)源的移動特性．

本文的研究還有助于進一步認識“慢地震”現(xiàn)象,如以往提出的在一些大地震前地震儀及重力儀記錄到的高頻擾動很有可能是由強對流天氣或臺風激發(fā)的干擾,而不是“慢地震”或地震前兆,使我們在今后的地震異常識別及判定中更加客觀謹慎．

本文研究過程中得到了劉希強研究員的指導(dǎo)和幫助,在此謹表謝意！

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Gravity disturbances of Tai’an seismic station

(EarthquakeAdministrationofShandongProvince,Ji’nan250014,China)

This paper analyzed the tidal gravity data of Tai’an seismic station by using filtering method. The result showed that high frequency disturbances can be frequently observed on the background of the earth tide by the gravimeter. Compared with the records of meteorological observation, it was indicated that these disturbances were not only affected by the tropical cyclone such as typhoons, but also had relations with the strong regional convection weather such as cold wave transit. The further analyses on the data recorded at JCZ-1 ultra broad-band seismometer, by using frequency spectrum and filtering method, showed that the strong regional convection and typhoon have influence on gravimeter in the range of 1—8 s, and more obvious within 2—6 s. The distur-bance signal triggered by the strong convection weather process can be in the range of 1—16 s, but the gravimeter observation is almost not affected beyond 8 s, namely, there is a stopage period of gravimeter’s responding to the high frequency disturbance. The filtering result from the data recorded by JCZ-1 ultra broad-band seismometer also presented a dynamic characteristic of the disturbances, that is to say, during the developing and transmitting process of disturbances resulted from strong convection weather, high frequency signals firstly appeared, then gradually turned to the low-frequency ones with time, indicating the Doppler effect of the disturbance signal propagation, and the moving characteristics of inspiring source of the disturbance signals.

gravity; seismometer; disturbance; strong convection; typhoon

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.010.

國家科技支撐計劃項目(2012BAK19B04-01)和山東省地震局重點科研基金(JJ1201)共同資助.

2013-03-21收到初稿,2013-07-09決定采用修改稿.

e-mail: wm@eqsd.gov.cn

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.010

P312.4

A

王梅, 季愛東, 曲同磊, 徐長朋, 王鵬, 佟瑞清. 2014. 泰安地震臺重力擾動現(xiàn)象研究. 地震學(xué)報, 36(3): 443--451.

Wang M, Ji A D, Qu T L, Xu C P, Wang P, Tong R Q. 2014. Gravity disturbances of Tai’an seismic station.ActaSeismologicaSinica, 36(3): 443--451. doi:10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.010.