洪旭瑜 秦雙龍

1 福建省地震局，福州市華鴻路7號，350003

重力觀測是地震監(jiān)測預(yù)報的重要研究內(nèi)容，能反映區(qū)域構(gòu)造活動下殼內(nèi)物質(zhì)的遷移和密度變化，定點連續(xù)重力觀測則有可能捕捉到與地震相關(guān)的前兆信息[1]。對震前、同震及震后的重力變化進行研究有利于分析震源機制，同時也有助于地震預(yù)測[2]。研究發(fā)現(xiàn)[3-4]，地震發(fā)生時定點連續(xù)重力觀測儀記錄到的波動現(xiàn)象包含了地震破裂及傳播過程中的大部分信息，因此在地震預(yù)報實踐中，不僅要研究震前的重力變化情況，地震發(fā)生過程中所傳遞的信息同樣值得關(guān)注。

地震產(chǎn)生的體波(P波和S波)或瑞雷波和拉夫面波等高頻信息可被較高頻帶(0.1～10 Hz)地震監(jiān)測儀所記錄，而秒采樣gPhone重力儀與地震計、超導(dǎo)重力儀一樣，能夠記錄到地震的同震波信號[5-6]。本文利用福建重力臺網(wǎng)7套gPhone重力儀記錄到的地震波數(shù)據(jù)，從映震特征、映震能力大小、頻帶響應(yīng)及映震半徑等方面分析福建重力臺網(wǎng)的映震效能，為重力觀測數(shù)據(jù)的擴展應(yīng)用提供科學參考。

1 資料選取

福建重力臺網(wǎng)包括6個地球物理臺網(wǎng)觀測臺(福州臺、莆田臺、泉州臺、漳州臺、龍巖臺和南平臺)及1個陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測臺(廈門臺)，主要部署在長樂-詔安斷裂帶及政和-海豐斷裂帶上，臺站分布見圖1。儀器全部采用秒采樣gPhone重力儀，該儀器具有分辨率高、信噪比好、穩(wěn)定性強等特點[5]，自觀測以來數(shù)據(jù)資料穩(wěn)定、可靠、完整性好。由于臺風會使觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)噪聲加粗的現(xiàn)象，并與同震信號疊加，而海潮負荷對同震信號的影響可忽略不計[7]，因此本文選取的震例都已排除臺風的影響。

圖1 福建重力臺網(wǎng)分布Fig.1 Distribution of gravity stations in Fujian province

2 映震效能分析

重力儀在頻帶范圍內(nèi)對同一震中距不同震級或同一震級不同震中距地震的映震效能存在差異。本文從初至波、最大同震變形幅度、同震持續(xù)時間及地震頻帶響應(yīng)等方面來衡量重力儀的映震效能。

2.1 映震特征

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2020-05-03 19:54日本九州島附近海域發(fā)生6.0級地震，震源深度10 km。地震發(fā)生前，莆田臺(距震中約1 100 km)重力儀分鐘值觀測數(shù)據(jù)曲線光滑，固體潮汐清晰(圖2(a))。圖2(b)為去除固體潮汐后的波形曲線，從圖中可以看出，20:00觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)小幅向上跳動，即P波初至；20:06面波到達，曲線出現(xiàn)最高突跳點，最高幅值為-2 228.87 μGal；20:07突降到最低點，最低幅值為-2 454.26 μGal，波幅變化最大達225.39 μGal；隨后震蕩逐漸衰減，波幅變化較之前有較大回落，21:12震蕩結(jié)束，曲線恢復(fù)光滑，回到震前趨勢線，未出現(xiàn)漂移情況。莆田臺gPhone重力儀較明顯地記錄到日本九州島附近海域6.0級地震的地震波初至時刻、最大變形幅度、面波信息及持續(xù)響應(yīng)時間等同震響應(yīng)特征，該儀器映震特征表現(xiàn)為地震波初至時曲線出現(xiàn)脈沖，面波到達時出現(xiàn)最大脈沖，之后震蕩衰減至正常動態(tài)，其他重力臺儀器也出現(xiàn)相同特征的波形曲線。

圖2 莆田臺gPhone重力儀記錄到日本九州島6.0級地震的同震響應(yīng)曲線Fig.2 Coseismic response curve of Japan Kyushu 6.0 earthquake recorded by gPhone gravimeter of Putian station

2.2 映震能力大小

2019-02-15、2018-12-16及2019-04-18臺灣花蓮海域分別發(fā)生MS4.1、MS5.2及MS6.7地震，地震參數(shù)見表1，圖3為福建重力臺網(wǎng)各套gPhone重力儀記錄的這3次地震的同震響應(yīng)參數(shù)。3次地震的震中最遠相距29 km，震源深度最多相差約8 km，重力臺網(wǎng)的震中距分別為337～506 km、342～509 km和313～484 km，各臺與3次地震震中的距離(最小震中距為313 km)超過3次地震震中之間距離(最遠距離為29 km)的10倍，因此可將這3次地震視為同一震源。利用表2中福建臺網(wǎng)重力儀記錄的3次地震的同震響應(yīng)參數(shù)計算同震響應(yīng)持續(xù)時間(T)與波幅(F)之間的相關(guān)系數(shù)r，具體計算公式為：

圖3 福建重力臺網(wǎng)記錄到臺灣花蓮海域3次地震的同震響應(yīng)曲線Fig.3 Coseismic response curves of three earthquakes in Taiwan Hualien sea area recorded by Fujian gravity network

表1 臺灣花蓮海域3次地震參數(shù)

式中，cov(T,F)為T和F的協(xié)方差，V(T)和V(F)分別為T和F的方差。通過計算得到相關(guān)系數(shù)r=0.991 8，說明同震響應(yīng)持續(xù)時間與波幅正相關(guān)程度高，震級與兩者成正比關(guān)系，即震級越大，同震持續(xù)響應(yīng)時間越長，波幅越大，該特征對于分析地震的短臨前兆特點及依據(jù)短臨前兆進行地震預(yù)測研究具有一定意義[8]。但針對同一震級不同震中距地震，臺站重力儀記錄的同震持續(xù)時間和波幅存在差異。從表2分析可知，當重力儀具有映震能力，從同震持續(xù)時間長度和波幅大小來看，同一震中距地震的震級越大映震能力越強，映震效能越好；對于同一震級不同震中距，震中距與重力儀的映震能力無必然聯(lián)系，震中距越遠映震能力不一定差，說明不同臺站重力儀的映震能力存在差異。這是因為重力同震信號是永久變形引起的重力效應(yīng)和地震波的疊加，一方面臺站所處的觀測環(huán)境和地質(zhì)條件不同；另一方面由于地下介質(zhì)密度不均勻，地震引起的地下介質(zhì)密度變化較明顯[4]，同一震級不同傳播方向的地震波引起地表振動的強度可能不一致。因此，從花蓮海域3次地震可以初步推斷，在映震能力方面，泉州臺重力儀優(yōu)于莆田臺，廈門臺重力儀優(yōu)于福州臺，漳州臺和龍巖臺重力儀優(yōu)于南平臺。

表2 福建重力臺網(wǎng)記錄到臺灣花蓮海域3次地震的同震響應(yīng)參數(shù)

2.3 地震頻帶響應(yīng)

為了分析gPhone重力儀的地震頻帶響應(yīng)，將其與CMG-3ESP 120S地震計記錄到的波形進行對比分析，選取廈門臺gPhone重力儀和廈門思明臺CMG-3ESP 120S地震計(取垂直向)的秒值數(shù)據(jù)，以2020-03-25 10:49千島群島(48.93°N、157.74°E)7.5級地震為例進行分析。廈門臺和廈門思明臺相距約2 km，震中距約為4 389 km，該地震屬于震級較大的遠震，可將廈門臺和廈門思明臺看作同一地點的臺站。

圖4和5分別為gPhone重力儀和CMG-3ESP 120S地震計的同震波形、振幅譜和速度值曲線對比，從圖中可以看出，gPhone重力儀和CMG-3ESP 120S地震計幾乎同時記錄到地幔折射波(P波)、S波和面波R，波形一致性好，兩者的P波初動到時和初動方向一致，面波頻散現(xiàn)象清晰，加速度積分信號高度重合，說明gPhone重力儀的映震響應(yīng)靈敏度較高，且響應(yīng)正確，與CMG-3ESP 120S地震計記錄的地震波形一致性高，能較好地反映地震震源破裂過程中能量的釋放。從振幅變化上看，gPhone重力儀的最大變化量為8.913×10-8mm·s-1，是CMG-3ESP 120S地震計變化幅度(23.173×10-8mm·s-1)的0.39倍。振幅譜顯示兩者頻譜形態(tài)一致，但0～0.15 Hz頻段振幅差異較大，gPhone重力儀振幅較小，0.15～0.5 Hz頻段振幅差異較小。分析認為，gPhone重力儀也具有較寬的頻帶，但低于CMG-3ESP 120S地震計。

圖4 千島群島7.5級地震gPhone重力儀與CMG-3ESP 120S地震計波形和振幅譜對比Fig.4 Comparison of waveform and amplitude spectrum between gPhone gravimeter and CMG-3ESP 120S seismometer of Kuril islands MS7.5 earthquake

圖5 千島群島7.5級地震gPhone重力儀與CMG-3ESP 120S地震計加速度信號積分曲線對比Fig.5 Comparison of acceleration signal integral curves between gPhone gravimeter and CMG-3ESP 120S seismometer of Kuril islands MS7.5 earthquake

3 映震半徑

重力儀對不同震級地震的映震能力存在差異，主要表現(xiàn)為不同震級映震的最大震中距不同。本文將一定震級下能夠記錄到地震同震波形的最大震中距稱為映震半徑，對福建地球物理臺網(wǎng)中其他類型觀測儀器與重力儀的歷史同震響應(yīng)震例進行粗略統(tǒng)計并總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，對于顯著地震，如果其他類型觀測儀器能記錄到地震的同震響應(yīng)信號，則重力儀也同樣能記錄到該地震的同震響應(yīng)信號。反之，如果重力儀能記錄到地震的同震響應(yīng)信號，其他類型觀測儀器則不一定能記錄到。由此可見，重力儀相比于地球物理臺網(wǎng)其他類型觀測儀器在映震半徑方面具有更大優(yōu)勢，可通過分析福建重力臺網(wǎng)的映震半徑來進一步驗證其映震效能。通過分析可知，福州臺重力儀的映震能力在福建省重力臺網(wǎng)中處于中等偏上水平，具有一定代表性，統(tǒng)計并計算2015-01～2020-05福州臺重力儀記錄到的所有地震的震級和震中距，其中震級數(shù)據(jù)來自福建地震臺網(wǎng)速報目錄，統(tǒng)一采用面波震級MS，近震采用以下公式進行換算[9]：

MS=1.59mB-3.97

(1)

(2)

震中距采用地心緯度法[10]進行計算，具體公式為：

cosΔ=sin(lat1)sin(lat2)/

cos(lat1)cos(lat2)cos(long2-long1)

(3)

式中，lat1為福州臺重力儀緯度，lat2為震中緯度，long1為福州臺重力儀經(jīng)度，long2為震中經(jīng)度，Δ為震中距。

根據(jù)式(1)～(3)計算得到地震震級和福州臺重力儀與地震的震中距，以同震變化震中距的對數(shù)lgΔ為橫坐標，地震震級MS為縱坐標，繪制福州臺重力儀震級與震中距對數(shù)關(guān)系圖，結(jié)果見圖6，統(tǒng)計不同震級區(qū)間的最大震中距，結(jié)果見表3。由表3可以看出，記錄到的地震最大震中距范圍為360～19 045 km，震級最小為MS2.9，最大為MS8.2。計算震級與震中距的對應(yīng)關(guān)系，將震級與震中距對數(shù)分別進行線性、二次方曲線及三次方曲線擬合，得出以下公式：

MS=1.5logΔ+0.95

(4)

MS=-0.22(logΔ)2+2.9logΔ-1.4

(5)

MS=-0.23(logΔ)3+2.1(logΔ)2-4.9logΔ+7

(6)

表3 福州臺重力儀記錄到不同區(qū)間震級對應(yīng)的最大震中距

按照震級越小能夠映震到的最遠震中距的情況來看，三次方曲線的擬合效果最佳。根據(jù)三次方曲線的擬合結(jié)果可知，不同震中距應(yīng)該包含絕大部分震級，對福州臺重力儀在映震半徑上存在的震級與震中距的關(guān)系曲線進行修正，得到震級與最大震中距的擬合曲線，結(jié)果見圖6紅色曲線，映震半徑公式為：

MS=-0.218(logΔ)3+2.056(logΔ)2-4.594logΔ+6.459

(7)

圖6 福州臺重力儀震級與震中距對數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between magnitude and logarithm of epicentral distance of gravimeter of Fuzhou station

4 結(jié) 語

通過對福建重力臺網(wǎng)映震效能進行分析，得到以下認識：

1)福建重力臺網(wǎng)可清晰記錄到日本九州島附近海域6.0級、臺灣花蓮6.7級及千島群島7.5級地震的同震波形曲線，震后曲線未發(fā)生階躍，儀器漂移速率不變，說明對6.0級以上強震，無論是近震還是遠震，福建重力臺網(wǎng)儀器穩(wěn)定性好；同CMG-3ESP 120S地震計在地震頻帶方面進行對比后發(fā)現(xiàn)，gPhone重力儀也具有較寬的頻帶，其加速度信號積分曲線與該型號地震計保持高度一致，說明其靈敏度高，映震效能優(yōu)。

2)重力儀同震響應(yīng)持續(xù)時間與波幅呈高度正相關(guān)性，且震級越大，同震持續(xù)響應(yīng)時間越長，波幅越大。對于同一震中距，震級越大，重力儀的映震能力越強，映震效能越好；對于同一震級不同震中距，震中距與重力儀的映震能力無必然聯(lián)系，震中距越遠，映震能力不一定越差。

3)通過分析福建重力臺網(wǎng)對臺灣花蓮海域3次地震的映震能力可知，泉州臺重力儀優(yōu)于莆田臺，廈門臺重力儀優(yōu)于福州臺，漳州臺和龍巖臺重力儀優(yōu)于南平臺。

4)重力儀對不同震級地震映震的最大震中距不同，對2015-01～2020-05歷史震例統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，震級(MS)與最大震中距(Δ)的對應(yīng)關(guān)系為MS=-0.218(logΔ)3+2.056(logΔ)2-4.594logΔ+6.459。

5)本文還存在許多不足之處，目前僅討論重力儀本身的映震效能，與地球物理臺網(wǎng)中其他觀測儀器進行比較，其映震效能是否更具有優(yōu)勢還有待進一步研究。