泰安地震台重力扰动现象研究*

王 梅 季爱东 曲同磊 徐长朋 王 鹏 佟瑞清

(中国济南250014山东省地震局)

泰安地震台重力扰动现象研究*

(中国济南250014山东省地震局)

利用滤波分析法对山东泰安地震台重力固体潮观测的分析表明,重力观测中存在大量高频扰动信号. 通过与气象观测实况资料的对比发现,这些异常扰动信号除了受台风等热带气旋影响外,还明显与“冷空气”过境等区域强对流天气有关. 对泰安台JCZ-1甚宽频带地震仪观测资料的频谱分析和滤波处理进一步表明,区域强对流天气及台风对重力仪的影响频段均在1—8 s范围内,其中2—6 s区间影响最为显著； 强对流天气过程触发的扰动信号范围可以在1—16 s,但8 s后扰动信号对重力仪观测基本不造成影响,即重力仪对高频扰动信号的响应存在8 s的截止周期. JCZ-1甚宽频带地震仪的波谱分析还反映出扰动信号的动态特征,即强对流天气产生的扰动信号在发展、 传播过程中,首先出现的信号频率较高,随着时间推移信号逐渐向低频演化,揭示了干扰信号传播的多普勒效应以及扰动信号激发源的移动特性.

重力 地震仪 扰动 强对流 台风

引言

重力固体潮连续观测可以记录与潮汐变化有关的地壳运动,还可以精确观测到地球系统各圈层物质迁移引起的重力变化效应. 同时,重力固体潮也与地球表层因素,如断层活动、 地下水、 沉积物的迁移及大型工程建设等有关． 对以地震预报为目标的重力观测,研究人员更感兴趣的是叠加在固体潮曲线中的非潮汐变化过程,以提取更多与地震有关的地球物理信息．

随着观测技术的不断提高,重力固体潮观测仪器带通不断加宽,灵敏度已达到10-9m/s2,采样率达到1 Hz,不仅可以观测到低频固体潮及其趋势变化,还可以记录到地震和地球自由振荡等高频信息． 近几年,研究人员特别注意到了重力仪记录的“扰动”现象(郝晓光,1997； 郝晓光等,2008； 王梅等,2009； 张雁滨等,2010； 蒋骏等, 2012),即在重力固体潮观测曲线上出现的高频波动信号,并对引起这一现象的原因进行了深入分析． 有的观点认为这是一种典型的“震前扰动”,如Kizawa (1972)报道的GS-12重力仪记录到1964年3月28日美国阿拉斯加M8.4和1964年6月16日日本新瀉M7.5地震前的“重力扰动”； 杨又陵等(2003)报道的新疆地震台网在2001年 11月14日我国昆仑山口西MS8.1地震前GS-15重力仪观测到“缓慢地震事件”； 郝晓光(1997)和郝晓光等(2008)观察到的1997年5月25日新西兰克马德克岛南部M7.1和2008年5月12日我国汶川MS8.0地震前,LaCostePET-21型及LaCostePET-20型重力仪分别记录到的震前“重力扰动”现象． 近几年研究表明,重力仪的“扰动”现象与热带气旋有关(王梅等,2009； 蒋骏等, 2012)． 进一步研究认为,2008年5月12日汶川MS8.0地震前重力异常颤动不是地震前兆,而是2008年5月8—14日西太平洋发生的台风“威马逊”激发的脉动异常(傅容珊等, 2009)； 夏英杰等(2011)对地脉动信号来源方向的研究也进一步证实了汶川地震前的地脉动信号增强是由台风引起的． 那么在重力仪观测中频繁出现的扰动信号是否还有可能是地震前兆呢？ 如果不是,那又是什么原因引起的呢？

本文通过对泰安地震台LaCoste-PET型重力仪观测数据的研究表明,重力仪记录到的异常扰动信号除了受台风等热带气旋因素影响外,还明显与“冷空气、 高空槽”过境等区域强对流天气有关．

1 台站及仪器概况

泰安台位于泰山南麓,台基为太古代花岗片麻岩,结晶基底,岩体完整致密均匀,测量信噪比高,可靠性良好,为全国Ⅰ类形变基准台． 仪器洞室安装有LaCoste-PET型重力仪等形变仪器及JCZ-1甚宽频带数字地震仪． 其中LaCoste-PET型重力仪可以精确地测量出地球重力固体潮的相对微小变化, 分辨率为10-10m/s2,精度为10-8m/s2,数据采样率可达1 Hz． JCZ-1甚宽频带数字地震仪是一种超宽频带地震计,其频带为0—20 Hz,在360 s—20 Hz 频带内采用速度平坦型设计,采样率为100 Hz,仪器的动态范围是140 dB,覆盖了从短周期地震波至固体潮汐的宽广频带范围．

2 重力仪观测到的固体潮扰动现象及天气实况

重力仪观测的主要地球物理现象是固体潮,但我们在长期的观测过程中发现,重力仪观测曲线在固体潮背景上还经常叠加有高频异常扰动信号． 从图1b的滤波结果可以清晰地看到重力仪观测曲线上频繁出现的高频扰动信号． 在消除固体潮背景后,这些高频扰动过程主要表现为“仿锤形”或“锥形”,持续时间一般在1天以上,变化幅度可达10-6m/s2, 与重力仪日变幅度相当．

本文收集了2012年1—11月期间山东天气过程的实况资料(李静等, 2012a,b; 姜鹏,孟祥新, 2012). 通过与区域环流特征和主要天气发展过程的对比分析发现,重力仪的高频扰动变化除与上千千米以外发生的台风有关外,还与台站附近局部地区(几百千米范围内)出现的强对流天气有关,而且呈一一对应的关系． 由此可以看出,在泰安重力仪观测曲线出现扰动、 振幅变大时,天气环流均处于强对流状况,不同程度地受到“冷涡横槽、 高空槽、 低切变线、 西南暧湿气流”等天气条件控制,而且多伴有海上大风(包括台风)．

3 频谱分析

重力仪扰动信号的客观性已经在地震仪的观测中得到佐证(王梅等,2009； 张雁滨等,2010； 蒋骏等, 2012)． 本文利用泰安台JCZ-1甚宽频带地震仪观测资料对强对流天气条件下的信号特征进行频谱分析及滤波处理．

3.1 扰动信号频段提取

泰安JCZ-1地震仪信号频谱分析表明,正常时段地脉动优势频段为20—2 s(图2a), 在强对流天气、 台风影响时段,JCZ-1地震仪信号加强的范围也集中在20—2 s范围内(图2b),但优势频带范围有所加宽． 因此考虑区域强对流天气及台风对地脉动信号的影响主要集中在20—2 s频段范围,并对这一频段内信号进行了滤波处理(图3b)． 据李静等(2012 a, b)记载,2012年4月2—3日,受高空槽和江淮气旋的共同影响,山东省大部分地区出现降水,同时各海区先后出现 7—8级偏北风,半岛地区出现6—7级偏北风． 泰安重力仪则在同期的4月2—4日出现了固体潮高频扰动现象(图3a)． 4月2—4日泰安JCZ-1地震仪地脉动信号滤波结果(图3b)显示,在1—6 s范围内,地脉动信号形态与重力仪扰动形态相似,扰动强度逐渐增大; 7—8 s范围内扰动幅度逐渐变小． 而4月3日后在6—16 s范围另有一系列地脉动信号明显加强的时段,但重力仪扰动已趋于平稳． 因此,总体分析强对流天气对重力仪观测影响的优势频段应在2—8 s,8 s以后的信号对重力仪观测基本无影响．

图3还反映了扰动信号的一些其它特征： 一方面,强对流激发的扰动信号范围较宽,可以发生在1—16 s范围内； 另一方面,结合图4强对流干扰信号的频率演化过程分析，也反映出强对流天气干扰信号在孕育、 发展及传播过程中,先出现的信号频率较高,随着时间的推移逐渐向较低频演化．

图4 2012年4月2—4日强对流干扰信号的频率演化过程Fig.4 Frequency change of microtremor disturbed by strong convection in April 2—4, 2012

3.2 不同强度信号的频段分析

上述分析表明,区域强对流天气及台风对重力观测的干扰是一种明显的自然现象． 在本文统计时段(2012年1—11月)重力仪所有的明显扰动过程(约42次)均由天气条件所控制,因强对流而起． 为进一步分析比较重力仪对不同强度天气扰动信号的响应情况,本文对重力仪不同振幅扰动时段的地脉动信号进行了滤波处理． 图3和图5分别给出了重力仪扰动振幅最大为5×10-6m/s2(4月2—4日)及1.2×10-6m/s2(1月10—11日)时,地脉动信号分别在0.5—18 s和0.5—6 s范围内的滤波曲线． 可以看到,不同强度对流天气对重力仪观测会造成不同程度的干扰. 随着扰动振幅的增强,干扰信号的周期范围也在增大,但干扰信号周期增大到一定程度后,对重力仪观测的影响反而减弱． 重力仪扰动振幅较小(如图5a, 1月10—11日,1.2×10-6m/s2)时,干扰信号周期范围较窄(1—5 s)； 随着振幅的增大(如2月6—9日,3×10-6m/s2,图略),干扰信号的周期也进一步增大(1—6 s)； 当扰动达5×10-6m/s2时(图3, 4月2—4日),干扰信号的周期范围更宽(1—16 s),但对重力仪的影响也变得更为复杂． 如前所述,在1—8 s,滤波后的地脉动信号形态与重力仪扰动形态相似,在2—6 s最为显著． 而在8—16 s地脉动信号加强的区段内,重力扰动已趋于平稳,即重力仪对高频扰动信号存在8 s的截止周期． 截止周期的存在可能是由重力仪电路滤波系统和信号处理系统所确定的仪器频率响应范围所决定的．

图5 泰安台2012年1月10—11日重力滤波曲线(a)和地脉动滤波曲线(b)

3.3 区域强对流天气与远海台风(热带气旋)对重力观测影响的对比

根据图3所显示的重力仪滤波曲线及我们以往的研究成果(王梅等,2009),在区域强对流天气和西太平洋台风(热带气旋)发生过程中,重力仪的干扰形态无明显差异,一般均为“仿锤形”或“锥形”； 重力仪受影响的持续时间取决于区域强对流天气和台风发展持续进程,一般多于一天,也可持续十多天； 综合考虑影响的量值及形态,在较近区域内发生冷空气、 高空槽过境等强对流天气时重力仪扰动信号在2—8 s范围内,而在较远区域——西太平洋发生台风时其影响周期也基本在2—8 s范围内(3—7 s范围最为显著),因此两者对重力仪影响的频带范围基本一致； 区域强对流天气和台风对重力仪的影响幅度最大可达5×10-6m/s2,大于重力仪日变幅度．

4 讨论与结论

以往研究表明(Bromirski,2001； Bromirskietal,2005; Kedaretal,2008; Stehlyetal, 2006; 王伟涛等,2011),3—20 s范围内的地脉动噪声产生机制与海洋有很大的关系,在10—20 s频段的噪声(第一类地脉动)可能起源于大洋深水区的海浪波动,3—10 s频段内(第二类地脉动)的噪声由近海岸两列方向相反、 频率相同的第一类地脉动碰撞产生． 而本文收集到的天气实况资料记录中,引起重力仪及地震仪扰动的强对流天气过程往往伴随着“海上大风”,这也从观测角度说明海浪是引起重力仪及地震仪扰动的一个直接动力源． 当海面发生风暴时,强大气流产生的气旋一方面会引起海面的强烈波涛,另一方面也会引起空气的强烈振荡,产生次声波,其频率小于20 Hz,不容易衰减,不易被水和空气吸收,可以传播很远的距离． 秦飞等(2007)采用瞬态有限元模拟方法,计算分析了地表变形与次声波频率的关系． 模拟结果表明,当载荷周期为10 s时,由于共振效应,地表的位移最大． 而强对流天气噪声水平非常接近这个量级,当这个频段的次声波通过大气层传播到观测点时可以最大量级激发测点介质的扰动. 这可能也是重力仪、 地震仪扰动的另一类激发源,值得深入研究．

本文结合JCZ甚宽频带地震仪对泰安LaCoste-PET型重力仪高频扰动信号进行的分析表明,在每次山东地区发生强对流天气过程(冷空气、 高空槽过境等)和远海(西太平洋海域)发生较强台风时,两套仪器均可记录到高频扰动变化．

干扰信号频段发生在1—16 s范围内,但8 s后扰动信号对重力仪观测基本不造成影响． 不同强度对流天气对重力仪观测的扰动振幅可达5×10-6m/s2(秒值分析结果)以上．

重力仪受气象条件影响发生扰动的另一个特点是持续时间较长,一般在1天以上,明显受天气变化时间控制． 例如在1月1—7日冷空气过境期间,海上出现7—10级大风,泰安重力仪的明显扰动变化持续了7天； 在台风“天秤”、 “布拉万”共同活动期间(8月20—31日)重力仪扰动则持续了约12天(图1b)．

波谱分析还反映出扰动信号的动态特征,即强对流天气产生的扰动信号在发展、 传播过程中,首先出现的信号频率较高,随着时间推移逐渐向低频演化,表现出干扰信号传播的多普勒效应． 多普勒效应是移动波源传播的典型特征,而天然点源的破裂(振动)很难维持频繁的、 以及时间长达几天至十几天的高频振动,这些都反映了重力仪观测中频繁出现的高频扰动信号激发源的移动特性．

本文的研究还有助于进一步认识“慢地震”现象,如以往提出的在一些大地震前地震仪及重力仪记录到的高频扰动很有可能是由强对流天气或台风激发的干扰,而不是“慢地震”或地震前兆,使我们在今后的地震异常识别及判定中更加客观谨慎．

本文研究过程中得到了刘希强研究员的指导和帮助,在此谨表谢意！

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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.

国家科技支撑计划项目(2012BAK19B04-01)和山东省地震局重点科研基金(JJ1201)共同资助.

2013-03-21收到初稿,2013-07-09决定采用修改稿.

e-mail: wm@eqsd.gov.cn

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.010

P312.4

A

王梅, 季爱东, 曲同磊, 徐长朋, 王鹏, 佟瑞清. 2014. 泰安地震台重力扰动现象研究. 地震学报, 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.