地震引起的超导重力异常数据分析.pdf

第 69 卷增刊 1Vol.69Supp.12023 年6 月Jun.,2023地质论评GEOLOGICALREVIEW367地震引起的超导重力异常数据分析李贺，王辉，刘芷屹，马睿，吴佳轩，李想，刘畅中国矿业大学（北京），北京，100083资助项目：中国矿业大学（北京）大学生创新训练项目（编号：202202060）的成果。收稿日期：2023-04-10；改回日期：2023-04-30。责任编辑：蔡志慧。DOI：10.16509/j.georeview.2023.s1.162作者简介：李贺，男，2003 年生，本科，地球信息科学与技术专业；Email:。关键词：关键词：地震前兆；超导重力异常；固体潮；地震波地震给人类造成重大的伤亡和经济损失，但目前尚未能够找到准确预测地震的有效途径。有学者发现在地震发生前超导重力仪可能会观测到重力异常，如某些地震爆发前，会出现一种类似“喇叭状”的异常，这种异常是不是可信的地震前兆还值得进一步研究。本文选择 2010 年 2 月 27 日 14:37 分在智利康赛普西翁发生的 MW8.8 级地震进行分析。通过去除超导重力数据中的固体潮、气压和仪器漂移的影响，发现并不是所有的台站重力数据，在地震发生前都会出现“喇叭状”的异常，结合重力台站附近的地震数据，推断该异常可能是由同震现象引起，并不是可信的地震前兆信息。1超导重力数据处理1.1数据来源及预处理本次研究中采用 GGP 计划中在全球分布的 6个超导重力台站数据，台站名称和位置如图 1 所示，同时选择距离重力台站最近的地震台站数据进行分 析。重 力 数 据 和 地 震 数 据 分 别 可 以 在https:/www.eas.slu.edu和http:/service.iris.edu获取。超导重力仪的观测精度可达 1.010-11ms-2，是目前探测地球内部重力场的重要工具。使用 Tsoft软件对原始观测的超导数据进行预处理，剔除断点、阶步等异常数据。图 2a 是对 Metsahovi 台站的原始数据进行上述预处理结果，本文图 4 和 5 中截止时间均为主震发生时。超导重力观测数据会受到重力固体潮、气压、仪器漂移等影响，要研究与地震有关的重力异常，需要去除以上因素对重力测量数据的干扰。图 1全球超导重力台站分布（：超导台站：震源中心）1.2消除固体潮、气压及仪器漂移的影响在日、月引潮力的作用下，固体地球会产生周期性的形变，这种现象就称为固体潮。固体潮会影响重力的测量数据。固体潮是可以通过理论计算得到的，图 2b 是 Metsahovi 台站的重力固体潮理论计算值；大气对重力的影响包括大气质量改变对重力的直接影响和大气变化对重力的间接影响，根据气压数据可消除气压对重力测量值的影响，图 2c 是Metsahovi 台站气压对重力的影响值；图 2d 是重力固体潮和气压改正后的重力残差；图 2e 是扣除一阶线性项和漂移项的改正重力值。1.3重力残差数据的频谱分析及滤波经过前面的步骤，获得到了如图 2e 所示的重力残差，对其进行傅里叶变换（如图 3）,可以发现重力残差中仍然存在周期 12 h 及其倍频，还有周期为半个太阴日及其倍频的成分。这是因为理论计算的固体潮值与实际存在差异导致的，因此对重力残差进行高通滤波。滤波后的重力残差如图 4 所示，地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1368可以看到低频波动（残留固体潮）被去除，其他几个超导台站的数据采用同样的预处理方法得到重力残差。图 2Metsahovi 台站的超导重力预处理结果图 3重力残差的频率谱图 4Metsahovi 台站超导重力残差2震前重力异常分析经过固体潮、气压、仪器漂移等改正以及高通滤波处理后，得到了各个台站地震爆发前数天的重力异常变化，发现 Metsahovi 台站重力值从地震 3天前缓慢增大，在地震前一天达到最大，随后逐渐减小，这与前人在 2011 年 3 月 11 日本东北大地震发现的“喇叭状”异常特征一致，但这种异常并不是每一个台站都会出现，如 New Mexico 台站。根据这种现象，可以推断该“喇叭状”异常并不是全球性，而是由某一局部性的原因造成。图 52010 年智利大地震前全球超导重力异常地质论评 2023 年 69 卷 增刊 13693超导重力数据与地震数据的对比分析同样对地震数据进行高通滤波，以消除固体潮对地震数据的影响，同点位或相近测点超导重力异常和地震数据的对比如图 6 所示。从上图中可以看出，超导重力异常数据与附近的地震波数据变化基本一致，如重力异常变化的“尖峰”处对应主震前的小震；出现了“喇叭状”重力异常变化的测点，对应的地震测点也几乎同时出现了“喇叭状”的地震波变化，据此初步推断，“喇叭状”的异常可能是由同震现象引起，并不是可信的重力前兆。4结论通过对 2010 年 2 月 27 日智利大地震前超导重力数据的分析，去除固体潮、气压、仪器漂移等影响因，发现地震发生前数天，在某些台站可以看到“喇叭状”的重力异常，但通过与地震数据的对比发现“喇叭状”的重力异常与地震波动相关，应该不是地震前兆信息，可能是由于选取的观测点附近的局部地表振动引起的。由于地球的不可入性、地震孕律的复杂性和地震发生的小概率性，且重力数据容易受到局部干扰因素的影响，仅仅凭借在全球分布为数不多的超导重力台站数据，很难获得地震发生前的有效的重力异常。建议增加超导重力仪的台站数量和加强对重力影响因素的研究，以提高对地震的监测的能力。参考文献/References董杰,张泽宇,文汉江,孙文科.2022.超导重力数据检测到的 2011 年日本东北大地震(Mw9.0)震前重力异常及同震重力变化.测绘学报,51(1):6370.蒋骏,张雁滨,林钢,陈德璁,李畅,张云鹏,马晓飞,万晓辉.2012.固体潮观测中的震颤异常波.地球物理学报,55(2):462471.骆鸣津,顾梦林,睢建设,李安印.1986.固体潮应变理论值的计算.地球物理学报,(2):157165.苏其辉,段燕飞,胡毅力,黄其明.1994.重力固体潮理论值导数的封闭公式.地球物理学报,(5):647652张宏伟,刘子旭,肖凡.2011.重力计算中的气压改正分析.北京测绘,101(4):1215.LI He，WANG Hui，LIU Zhiyi，MARui，WU Jiaxuan，LI Xiang，LIU Chang：Analysis of superconductinggravity anomalies caused by earthquakesKeywords：earthquake precursors；superconducting gravityanomalies；tide；seismic wave图 6地震前同时期超导重力与地震数据对比