陸態(tài)網(wǎng)淮北g—phone型連續(xù)重力儀觀測高頻擾動分析

尹傳兵 丁雨 李驚生 樊冬

摘 要：通過濾波分析方法，將淮北重力固體潮高頻信號與氣象實況資料的對比發(fā)現(xiàn)，高頻異常信號與臺風(fēng)、寒流等強對流天氣存在較好的應(yīng)對關(guān)系，高頻異常信號的優(yōu)勢周期為2min，頻譜幅值、擾動振幅均為正常信號的4.5倍以上；主要受到西太平洋臺風(fēng)進(jìn)入中國大陸或近海的影響，高頻異常信號與臺風(fēng)中心速度正相關(guān)，與臺風(fēng)距離負(fù)相關(guān)；高頻異常信號與中國大陸5級和觀測點400公里內(nèi)中等以上地震具有較好的對應(yīng)，震前1～5天出現(xiàn)高頻異常信號占比47.62%；高頻異常信號與氣壓變化對應(yīng)較弱。

關(guān)鍵詞：陸態(tài)網(wǎng)重力 高頻擾動 臺風(fēng) 中強地震

中圖分類號：P31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（a）-0031-04

Abstract： By filtering analysis method， the huaibei tidal gravity high frequency signal and the actual meteorological data contrast found that abnormal high frequency signal with strong convective weather such as typhoon， cold snap is a better deal with relationship， the advantage of the abnormal high frequency signal cycle for 2 minutes， and the disturbance amplitude spectrum amplitude were 4.5 times more than normal signal； It is mainly affected by the typhoon entering the mainland of China or offshore areas in the western Pacific. High frequency abnormal signal has good correspondence with earthquakes of magnitude 5 in mainland China and above within 400 kilometers of the observation point .The high frequency abnormal signal has weak correspondence with the change of air pressure.

Key Words： CMONOC gravimeter； High frequency perturbation； Typhoon； Moderately strong earthquake

在重力觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)出應(yīng)用及趨勢會商跟蹤分析中，臺 站發(fā)現(xiàn)正常觀測數(shù)據(jù)疊加幅度較大的擾動信息，高頻頻帶擾動現(xiàn)象較為顯著。近年來許多專家對此現(xiàn)象進(jìn)行了關(guān)注并深入分析，在大地震發(fā)生前，震源及其附近將會產(chǎn)生微小的錯動和微小的裂隙。而震前的這種微裂微錯的產(chǎn)生可以發(fā)生頻帶較寬的震洞，并且可以以波的形式向外發(fā)射[1]產(chǎn)生重力高頻擾動；南極中山站重力儀記錄出現(xiàn)高頻擾動后發(fā)生地震，重力高頻擾動可能來自地核的物質(zhì)擾動[2]；汶川8.0級、日本9.0級震前重力資料出現(xiàn)喇叭口壯、紡錘狀 的高頻信號異常現(xiàn)象[3，4]；同時熱帶氣旋運動過程中與海 面、淺海區(qū)大陸架及陸地表面的摩擦和由此產(chǎn)生的海浪對 地殼表面的沖擊引起的震顫波[5]也可能產(chǎn)生重力儀的高頻 擾動，重力高頻異常信號與強對流及臺風(fēng)具有一定的相關(guān)性[6，7]。

針對陸態(tài)網(wǎng)淮北gphone型連續(xù)重力儀固體潮數(shù)據(jù)開展高頻擾動信號分析，研判臺風(fēng)以外的干擾信號是否可能是地震前兆，還是其他干擾因素。

1 基本概況

安徽省淮北地震臺位于蘇、魯、豫、皖交界處，距郯-廬斷裂帶西側(cè)約120km，建于相山背斜南翼，其東側(cè)方向為山脈，西側(cè)為平原，雨季雨水順山體方向向南泄流，周圍寒武系和奧陶系灰?guī)r出露；第四系覆蓋以沖積和坡積的砂礫石、紅色粘土為主。重力觀測山洞位于山體半坡，洞體為奧陶系灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀近于直立，裂隙發(fā)育，洞體進(jìn)深160m，覆蓋大于50m，植被為冠、喬木林及雜草。重力觀測室距離洞口60m，設(shè)置4套密封船艙門，洞內(nèi)溫度15.5℃，日溫差小于0.05℃、年溫差小于0.1℃。

2009年10月，建成淮北連續(xù)重力基準(zhǔn)站，屬于中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)工程項目，儀器安裝在安徽省淮北地震臺形變觀測山洞內(nèi)并投入觀測，觀測儀器為Micro-g LaCoste公司ghpone型彈簧重力儀。觀測系統(tǒng)集成了觀測、采集、存儲、傳輸、實時監(jiān)控等模塊，數(shù)據(jù)采樣間隔1次/s，儀器核心傳感器采用零長彈簧系統(tǒng)。

2 重力儀觀測到的固體潮高頻擾動現(xiàn)象及天氣實況

連續(xù)重力儀觀測的主要地球物理現(xiàn)象為固體潮，但我們在長時期的觀測過程中發(fā)現(xiàn)，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。采用低通濾波器和傅里葉變換頻譜分析方法對連續(xù)重力2016年7～12月的觀測資料進(jìn)行處理。連續(xù)重力觀測在半年時間內(nèi)多次出現(xiàn)了觀測測曲線脈動加粗異常變化，低通濾波濾除日波、半日波和1/3日波等長周期成份，濾波結(jié)果可以清晰地看到觀測數(shù)據(jù)曲線上出現(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“紡錘狀”或“錘形”，持續(xù)事件一般在1天以上，變化幅度可達(dá)10nm/s2，見圖1。

本文收集了2016年7～12月期間淮北地區(qū)天氣日變資料[8]和西太平洋面臺風(fēng)資料[9]，通過與區(qū)域天氣發(fā)展和臺風(fēng)遷移過程的對比分析發(fā)現(xiàn)，重力儀的高頻擾動變化除西太平洋臺風(fēng)有關(guān)外，還與觀測站所在地區(qū)出現(xiàn)的強對流天氣有關(guān)。

3 高頻異常擾動信號分析

3.1 頻譜分析

2016年7～12月觀測數(shù)據(jù)高頻信號，通過高頻水平高低，選取正常時間（2016年7月28日）和異常時間（2016年9月28 日）信號進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)淮北連續(xù)重力正常時段的信號周期主要為2min以內(nèi)擾動，異常時段的信號周期與其相似，但異常信號與正常信號的2min周期幅值相差近5倍，異常信號與正常信號的高頻擾動幅度相差4.5倍，見圖2、圖3。

3.2 臺風(fēng)影響分析

臺風(fēng)可導(dǎo)致地殼脈動增強，使得連續(xù)重力能力觀測到高頻異常信號，并且臺風(fēng)的影響與臺風(fēng)中心位置、臺風(fēng)移動速度有關(guān)。我們選取2016年7～12月份西太平洋臺風(fēng)對中國大陸華東地區(qū)影響較大的臺風(fēng)，統(tǒng)計有尼珀特、妮妲、莫蘭蒂、鲇魚和海馬5次臺風(fēng)遷移路徑進(jìn)入或影響安徽及周邊省份。圖4（a）～（e）給出了5次淮北連續(xù)重力高頻信號與同期出現(xiàn)的臺風(fēng)中心速度和臺風(fēng)距離淮北觀測點的距離，最近距離為莫蘭蒂臺風(fēng)距測點358km，臺風(fēng)中心最大速度也是莫蘭蒂臺風(fēng)達(dá)到70m/s，尼珀特臺風(fēng)對淮北潮汐高頻擾動影響相對最小。從5次臺風(fēng)對比顯示，連續(xù)重力高頻信號與臺風(fēng)中心速度正相關(guān)，與臺風(fēng)中心距離測點距離負(fù)相關(guān)，且隨著臺風(fēng)的結(jié)束高頻信號隨之減弱消失。

3.3 氣壓影響分析

我們對比分析了高頻異常信號與氣壓的關(guān)系（見圖1），發(fā)現(xiàn)部分高頻信號出現(xiàn)時同時伴有氣壓的顯著變化，但同時存在臺風(fēng)、強對流或地震等因素。如2016年09月13～21日、9月25日～10月1日淮北臺連續(xù)出現(xiàn)高頻異常信號時正值臺風(fēng)“莫蘭蒂”“鲇魚”登陸中國大陸架，安徽及周邊地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)增大和陣風(fēng)強對流天氣，氣壓未出現(xiàn)顯著變化，氣壓大幅變化與高頻異常信號不同步見圖5。由表1可見，淮北重力觀測出現(xiàn)的12次高頻異常信號與氣壓劇烈變 化沒有較好的對應(yīng)關(guān)系。

3.4 高頻異常信號與地震的關(guān)系

對2016年7～12月世界7級、中國大陸5級和觀測點400 公里內(nèi)中等以上地震對比分析發(fā)現(xiàn)，在不考慮氣壓的影響下，部分高頻異常信號的出現(xiàn)后1～5天內(nèi)有中強以上地震發(fā)生。由表1可見，統(tǒng)計時間段內(nèi)淮北連續(xù)重力觀測出現(xiàn)12次高頻異常信號，之后有6個異常時間段1～5天內(nèi)發(fā)生10次地震，5次無相應(yīng)地震發(fā)生。統(tǒng)計時間段內(nèi)世界7級、中國大陸5級和觀測點400km內(nèi)中等以上地震共計21次，可見，震前1～5天出現(xiàn)高頻異常信號的地震占比47.62%，有一定關(guān)系。其中僅有16.67%屬于在西太平洋登陸臺風(fēng)時間段發(fā)震，對應(yīng)性較弱。

4 結(jié)語

陸態(tài)網(wǎng)淮北連續(xù)重力潮汐變化高頻信號主要受到西太 平洋洋面生成的進(jìn)入中國大陸的臺風(fēng)或地區(qū)強對流天氣 引起，高頻異常信號的優(yōu)勢周期主要為2min以內(nèi)擾動，正 常信號周期與其相似，但異常信號與正常信號的幅值相差 近5倍。受臺風(fēng)影響信號隨著臺風(fēng)中心速度的增加和距測 點距離的縮短而出現(xiàn)變化的，顯示出與風(fēng)速正相關(guān)，與距 離負(fù)相關(guān)。高頻異常信號與地震也存在一定關(guān)系，高頻異 常信號出現(xiàn)后1～5天內(nèi)有地震發(fā)生，值得進(jìn)一步關(guān)注。

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