廣西北流-廣東化州5.2級(jí)地震前華南地區(qū)連續(xù)重力擾動(dòng)信號(hào)分析

秦雙龍,關(guān)玉梅,洪旭瑜,楊錦玲

（福建省地震局,福州 350003）

0 引言

近年來,隨著地震儀器采樣率的不斷提升,強(qiáng)震前的短臨異常現(xiàn)象不斷被觀測到并逐漸成為熱點(diǎn)研究問題。據(jù)研究,高頻采樣率的地震儀器如寬頻帶地震儀、秒采樣的超導(dǎo)重力儀以及彈簧重力儀都可以監(jiān)測到震前的擾動(dòng)信號(hào)。這種擾動(dòng)信號(hào)也稱為震顫異常波,常與低頻地震及慢地震相關(guān)。在關(guān)于超導(dǎo)重力與彈簧重力儀的震前異常研究方面,國內(nèi)外學(xué)者做了較多深入系統(tǒng)的研究。胡小剛等[1]利用國家測震臺(tái)網(wǎng)40臺(tái)寬頻帶地震儀對(duì)2018年汶川8.0地震震前后共計(jì)7 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)震前有明顯的異常顫動(dòng)信號(hào)；赫曉光等[2]對(duì)國家野外觀測站Lacoste ET-21重力儀的觀測資料進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在汶川大地震前出現(xiàn)重力擾動(dòng)異常現(xiàn)象,信號(hào)周期4～8 s；Zhang和Ma[3]基于全球的超導(dǎo)重力儀,結(jié)合地震活動(dòng)及地震波的到時(shí),確定了2011年日本9級(jí)大震前重力非潮汐分量的低頻波動(dòng)是該強(qiáng)震前的5.7地震引起,不是地震前兆異常；Lan等[4]基于日本和新竹的超導(dǎo)重力儀,檢測到近了十年與27個(gè)地震有關(guān)的35組震前擾動(dòng)異?，F(xiàn)象；Shen等[5]應(yīng)用超導(dǎo)重力儀和寬頻帶地震儀數(shù)據(jù)分析了汶川8.0級(jí)地震前的異常信號(hào)。震前擾動(dòng)信號(hào)一般出現(xiàn)在震前3～10 d ,擾動(dòng)的變化過程有快有慢,有的擾動(dòng)持續(xù)至地震發(fā)生,擾動(dòng)信號(hào)疊加在固體潮曲線和寬頻帶地震儀曲線上,且經(jīng)常表現(xiàn)為紡錘狀的曲線形態(tài)。但是目前有關(guān)震前擾動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生的產(chǎn)生機(jī)理沒有確切的定論,特別是由于強(qiáng)震的發(fā)生常常伴隨著臺(tái)風(fēng)、降雨、氣壓、氣流等氣象因素的干擾,使得研究問題更加復(fù)雜。

本文對(duì)華南地區(qū)的重力臺(tái)網(wǎng)的多個(gè)連續(xù)重力臺(tái)站原始秒采樣數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn),在2019年10月12日廣西北流—廣東化州MS5.2級(jí)地震前2 d存在重力擾動(dòng)信息,且隨著地震的結(jié)束,重力信號(hào)逐漸消失。對(duì)于此次中等強(qiáng)震的重力信號(hào)異常現(xiàn)象是否屬于前兆異常還是擾動(dòng)異常,對(duì)此通過收集多個(gè)重力臺(tái)站的數(shù)據(jù)記錄和該時(shí)段氣象因素進(jìn)行分析。

1 資料選取

收集華南地區(qū)10個(gè)g-Phone相對(duì)重力儀資料,采樣頻率為1 Hz ,分辨率為0.1 ,且在2019年10月12日廣西MS5.2級(jí)地震前重力儀工作正常,沒有出現(xiàn)儀器故障等情況,重力數(shù)據(jù)反映真實(shí)可靠。廣西北流—廣東化州MS5.2級(jí)地震距離最近的靈山重力臺(tái)130 km ,最遠(yuǎn)的福州重力臺(tái)990 km.

圖1 廣西北流—廣東化州5.2地震及華南地區(qū)重力臺(tái)站分布圖Fig.1 The distribution map of Beiliu-Huazhou MS5.2 earthquake in the junction of Guangxi and Guangdong and gravity stations in south China

2 重力數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

選取2019年10月12日廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震前6 d和震后一天華南地區(qū)10個(gè)重力臺(tái)站記錄的原始重力潮汐變化秒采樣數(shù)據(jù),基于Tsoft（Van Camp M ,2005）預(yù)處理軟件對(duì)原始重力重力數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,在預(yù)處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論固體潮和氣壓改正,同時(shí)應(yīng)用小波分解去除固體潮中的低頻成分提取高頻信號(hào)。因研究時(shí)間較短,暫不考慮海潮效應(yīng)和極移。

圖2 華南地區(qū)10個(gè)臺(tái)站重力原始數(shù)據(jù)時(shí)序圖Fig.2 Time series of gravity data of 10 stations in south China

2.1 原始秒采樣數(shù)據(jù)

按照震中距離由近及遠(yuǎn)對(duì)2019年10月7日至2019年10月13日華南地區(qū)的10個(gè)連續(xù)重力臺(tái)秒采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較,觀測數(shù)據(jù)曲線圖見圖2,顯示華南地區(qū)10個(gè)重力臺(tái)數(shù)據(jù)變化基本一致,從原始秒采樣曲線顯示震前沒有明顯的擾動(dòng)異?，F(xiàn)象。

圖3 華南地區(qū)連續(xù)重力在2019年10月12日廣西北流—廣東化州5.2地震前濾波分析Fig.3 Filtering analysis of continuous gravity in south China before Beiliu-Huazhou MS5.2 earthquake on October 12th,2019

2.2 重力數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)間域分析

根據(jù)前文所述的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法,采用小波分析對(duì)華南地區(qū)的10個(gè)連續(xù)重力臺(tái)秒采樣數(shù)據(jù)采用0.075～0.25 Hz帶通濾波器進(jìn)行濾波,提取高頻信息（如圖3）,可以發(fā)現(xiàn)華南地區(qū)所有重力臺(tái)都記錄到廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震同震信號(hào),同震信號(hào)隨著震中距的增大而減小,另外福建地區(qū)的7個(gè)重力臺(tái)還記錄到10月8日01時(shí)17分5.6秒的臺(tái)灣宜蘭海域4.3級(jí)地震同震信號(hào),但重力數(shù)據(jù)在時(shí)間域信號(hào)分析沒有明顯的震前擾動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)。

圖4 廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震前華南地區(qū)連續(xù)重力臺(tái)站的擾動(dòng)時(shí)頻Fig.4 Time-frequency diagram of continuous gravity stations in south China before the Beiliu-Huazhou MS 5.2 earthquake

2.3 重力數(shù)據(jù)信號(hào)頻率分析

對(duì)重力臺(tái)的秒采樣數(shù)據(jù)的時(shí)頻分析顯示,各重力臺(tái)的重力擾動(dòng)頻率范圍在0.1～0.4 Hz之間。震前2 d ,2019年10月10日開始各臺(tái)出現(xiàn)一簇明顯的能量高值,頻率在0.1～0.2 Hz之間,整體來看從西向東逐漸增強(qiáng),與震中距沒有明顯的關(guān)系。

圖5 臺(tái)風(fēng)“海貝思”路徑圖Fig.5 Track map of typhoon Hagibis

2.4 氣象影響因素分析

臺(tái)風(fēng)或熱帶氣旋容易在重力高頻信號(hào)中引起響應(yīng)。臺(tái)風(fēng)“海貝思”自2019年10月6日在西北太平洋上生成,之后強(qiáng)度迅速增強(qiáng),自10月7日14日成強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別,10月12日17時(shí)后逐漸減弱為熱帶風(fēng)暴直至消失。

圖6 臺(tái)風(fēng)“海貝思”中心距離重力臺(tái)距離Fig.6 Distance between the center of typhoon Hagibisand and gravity stations

對(duì)比分析了2019年10月6日～10月13日臺(tái)風(fēng)“海貝思”中心距離靈山、瓊中、廈門、福州四個(gè)重力臺(tái)的距離（圖6）,在10月6日～10月11日期間臺(tái)風(fēng)中心距離各重力臺(tái)距離逐漸減小,其中10月11日最近,自10月12日后臺(tái)風(fēng)中心距離各重力臺(tái)距離轉(zhuǎn)折增大,這與重力數(shù)據(jù)顯示的頻率能量信號(hào)變化基本一致,同時(shí)可以判斷臺(tái)風(fēng)中心對(duì)各重力信號(hào)的干擾半徑約在3000 km范圍之內(nèi),距離臺(tái)風(fēng)中心越近,能量越大。

3 結(jié)論與討論

本文基于華南地區(qū)重力觀測的秒采樣高頻數(shù)據(jù),對(duì)2019年10月12日廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震前后的重力擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,得到以下主要幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）2019年10月12日廣西北流5.2級(jí)地震前華南地區(qū)的主要重力觀測臺(tái)原始觀測數(shù)據(jù)在震前6天沒有出現(xiàn)明顯的震前擾動(dòng)信號(hào)；

（2）通過對(duì)重力數(shù)據(jù)的信號(hào)頻率進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在震前2 d ,即10月10出現(xiàn)明顯的一簇明顯的能量高值信號(hào),頻率在0.1～0.2 Hz之間,從西向東逐漸增強(qiáng),與震中距沒有明顯的關(guān)系；

（3）通過對(duì)地震前后的氣象影響因素進(jìn)行分析,認(rèn)為在10月10日～10月12日華南地區(qū)各重力臺(tái)出現(xiàn)的能量高值信號(hào)與2019年19號(hào)臺(tái)風(fēng)“海貝思”活動(dòng)有關(guān),隨著臺(tái)風(fēng)中心與重力臺(tái)站距離越近,顯示能量越大,同時(shí)判斷臺(tái)風(fēng)中心對(duì)各重力信號(hào)的干擾半徑約在3000 km范圍之內(nèi)。

(4) 隨著“海貝思”臺(tái)風(fēng)中心靠近重力臺(tái)網(wǎng),記錄的0.1Hz低頻重力擾動(dòng)信號(hào)明顯加強(qiáng),遠(yuǎn)離時(shí)則逐漸減弱。