福建重力臺(tái)網(wǎng)映震效能分析

洪旭瑜 秦雙龍

1 福建省地震局，福州市華鴻路7號(hào)，350003

重力觀測(cè)是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的重要研究?jī)?nèi)容，能反映區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)下殼內(nèi)物質(zhì)的遷移和密度變化，定點(diǎn)連續(xù)重力觀測(cè)則有可能捕捉到與地震相關(guān)的前兆信息[1]。對(duì)震前、同震及震后的重力變化進(jìn)行研究有利于分析震源機(jī)制，同時(shí)也有助于地震預(yù)測(cè)[2]。研究發(fā)現(xiàn)[3-4]，地震發(fā)生時(shí)定點(diǎn)連續(xù)重力觀測(cè)儀記錄到的波動(dòng)現(xiàn)象包含了地震破裂及傳播過(guò)程中的大部分信息，因此在地震預(yù)報(bào)實(shí)踐中，不僅要研究震前的重力變化情況，地震發(fā)生過(guò)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(cè)儀所記錄，而秒采樣gPhone重力儀與地震計(jì)、超導(dǎo)重力儀一樣，能夠記錄到地震的同震波信號(hào)[5-6]。本文利用福建重力臺(tái)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(tái)網(wǎng)的映震效能，為重力觀測(cè)數(shù)據(jù)的擴(kuò)展應(yīng)用提供科學(xué)參考。

1 資料選取

福建重力臺(tái)網(wǎng)包括6個(gè)地球物理臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)臺(tái)(福州臺(tái)、莆田臺(tái)、泉州臺(tái)、漳州臺(tái)、龍巖臺(tái)和南平臺(tái))及1個(gè)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)臺(tái)(廈門臺(tái))，主要部署在長(zhǎng)樂(lè)-詔安斷裂帶及政和-海豐斷裂帶上，臺(tái)站分布見(jiàn)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(qiáng)等特點(diǎn)[5]，自觀測(cè)以來(lái)數(shù)據(jù)資料穩(wěn)定、可靠、完整性好。由于臺(tái)風(fēng)會(huì)使觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)噪聲加粗的現(xiàn)象，并與同震信號(hào)疊加，而海潮負(fù)荷對(duì)同震信號(hào)的影響可忽略不計(jì)[7]，因此本文選取的震例都已排除臺(tái)風(fēng)的影響。

圖1 福建重力臺(tái)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(duì)同一震中距不同震級(jí)或同一震級(jí)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(shí)間及地震頻帶響應(yīng)等方面來(lái)衡量重力儀的映震效能。

2.1 映震特征

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2020-05-03 19:54日本九州島附近海域發(fā)生6.0級(jí)地震，震源深度10 km。地震發(fā)生前，莆田臺(tái)(距震中約1 100 km)重力儀分鐘值觀測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)小幅向上跳動(dòng)，即P波初至；20:06面波到達(dá)，曲線出現(xiàn)最高突跳點(diǎn)，最高幅值為-2 228.87 μGal；20:07突降到最低點(diǎn)，最低幅值為-2 454.26 μGal，波幅變化最大達(dá)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(shì)線，未出現(xiàn)漂移情況。莆田臺(tái)gPhone重力儀較明顯地記錄到日本九州島附近海域6.0級(jí)地震的地震波初至?xí)r刻、最大變形幅度、面波信息及持續(xù)響應(yīng)時(shí)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?xí)r曲線出現(xiàn)脈沖，面波到達(dá)時(shí)出現(xiàn)最大脈沖，之后震蕩衰減至正常動(dòng)態(tài)，其他重力臺(tái)儀器也出現(xiàn)相同特征的波形曲線。

圖2 莆田臺(tái)gPhone重力儀記錄到日本九州島6.0級(jí)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(tái)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(jiàn)表1，圖3為福建重力臺(tái)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(yuǎn)相距29 km，震源深度最多相差約8 km，重力臺(tái)網(wǎng)的震中距分別為337～506 km、342～509 km和313～484 km，各臺(tái)與3次地震震中的距離(最小震中距為313 km)超過(guò)3次地震震中之間距離(最遠(yuǎn)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(tái)網(wǎng)重力儀記錄的3次地震的同震響應(yīng)參數(shù)計(jì)算同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間(T)與波幅(F)之間的相關(guān)系數(shù)r，具體計(jì)算公式為：

圖3 福建重力臺(tái)網(wǎng)記錄到臺(tái)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(tái)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(guò)計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)r=0.991 8，說(shuō)明同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間與波幅正相關(guān)程度高，震級(jí)與兩者成正比關(guān)系，即震級(jí)越大，同震持續(xù)響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，波幅越大，該特征對(duì)于分析地震的短臨前兆特點(diǎn)及依據(jù)短臨前兆進(jìn)行地震預(yù)測(cè)研究具有一定意義[8]。但針對(duì)同一震級(jí)不同震中距地震，臺(tái)站重力儀記錄的同震持續(xù)時(shí)間和波幅存在差異。從表2分析可知，當(dāng)重力儀具有映震能力，從同震持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度和波幅大小來(lái)看，同一震中距地震的震級(jí)越大映震能力越強(qiáng)，映震效能越好；對(duì)于同一震級(jí)不同震中距，震中距與重力儀的映震能力無(wú)必然聯(lián)系，震中距越遠(yuǎn)映震能力不一定差，說(shuō)明不同臺(tái)站重力儀的映震能力存在差異。這是因?yàn)橹亓ν鹦盘?hào)是永久變形引起的重力效應(yīng)和地震波的疊加，一方面臺(tái)站所處的觀測(cè)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(jí)不同傳播方向的地震波引起地表振動(dòng)的強(qiáng)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(tái)重力儀優(yōu)于莆田臺(tái)，廈門臺(tái)重力儀優(yōu)于福州臺(tái)，漳州臺(tái)和龍巖臺(tái)重力儀優(yōu)于南平臺(tái)。

表2 福建重力臺(tái)網(wǎng)記錄到臺(tái)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(jì)記錄到的波形進(jìn)行對(duì)比分析，選取廈門臺(tái)gPhone重力儀和廈門思明臺(tái)CMG-3ESP 120S地震計(jì)(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(jí)地震為例進(jìn)行分析。廈門臺(tái)和廈門思明臺(tái)相距約2 km，震中距約為4 389 km，該地震屬于震級(jí)較大的遠(yuǎn)震，可將廈門臺(tái)和廈門思明臺(tái)看作同一地點(diǎn)的臺(tái)站。

圖4和5分別為gPhone重力儀和CMG-3ESP 120S地震計(jì)的同震波形、振幅譜和速度值曲線對(duì)比，從圖中可以看出，gPhone重力儀和CMG-3ESP 120S地震計(jì)幾乎同時(shí)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(dòng)到時(shí)和初動(dòng)方向一致，面波頻散現(xiàn)象清晰，加速度積分信號(hào)高度重合，說(shuō)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(jì)記錄的地震波形一致性高，能較好地反映地震震源破裂過(guò)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(jì)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(rèn)為，gPhone重力儀也具有較寬的頻帶，但低于CMG-3ESP 120S地震計(jì)。

圖4 千島群島7.5級(jí)地震gPhone重力儀與CMG-3ESP 120S地震計(jì)波形和振幅譜對(duì)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(jí)地震gPhone重力儀與CMG-3ESP 120S地震計(jì)加速度信號(hào)積分曲線對(duì)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(duì)不同震級(jí)地震的映震能力存在差異，主要表現(xiàn)為不同震級(jí)映震的最大震中距不同。本文將一定震級(jí)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(duì)福建地球物理臺(tái)網(wǎng)中其他類型觀測(cè)儀器與重力儀的歷史同震響應(yīng)震例進(jìn)行粗略統(tǒng)計(jì)并總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于顯著地震，如果其他類型觀測(cè)儀器能記錄到地震的同震響應(yīng)信號(hào)，則重力儀也同樣能記錄到該地震的同震響應(yīng)信號(hào)。反之，如果重力儀能記錄到地震的同震響應(yīng)信號(hào)，其他類型觀測(cè)儀器則不一定能記錄到。由此可見(jiàn)，重力儀相比于地球物理臺(tái)網(wǎng)其他類型觀測(cè)儀器在映震半徑方面具有更大優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)分析福建重力臺(tái)網(wǎng)的映震半徑來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證其映震效能。通過(guò)分析可知，福州臺(tái)重力儀的映震能力在福建省重力臺(tái)網(wǎng)中處于中等偏上水平，具有一定代表性，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算2015-01～2020-05福州臺(tái)重力儀記錄到的所有地震的震級(jí)和震中距，其中震級(jí)數(shù)據(jù)來(lái)自福建地震臺(tái)網(wǎng)速報(bào)目錄，統(tǒng)一采用面波震級(jí)MS，近震采用以下公式進(jìn)行換算[9]：

MS=1.59mB-3.97

(1)

(2)

震中距采用地心緯度法[10]進(jìn)行計(jì)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(tái)重力儀緯度，lat2為震中緯度，long1為福州臺(tái)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(jì)算得到地震震級(jí)和福州臺(tái)重力儀與地震的震中距，以同震變化震中距的對(duì)數(shù)lgΔ為橫坐標(biāo)，地震震級(jí)MS為縱坐標(biāo)，繪制福州臺(tái)重力儀震級(jí)與震中距對(duì)數(shù)關(guān)系圖，結(jié)果見(jiàn)圖6，統(tǒng)計(jì)不同震級(jí)區(qū)間的最大震中距，結(jié)果見(jiàn)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(jí)最小為MS2.9，最大為MS8.2。計(jì)算震級(jí)與震中距的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將震級(jí)與震中距對(duì)數(shù)分別進(jìn)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(tái)重力儀記錄到不同區(qū)間震級(jí)對(duì)應(yīng)的最大震中距

按照震級(jí)越小能夠映震到的最遠(yuǎn)震中距的情況來(lái)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(jí)，對(duì)福州臺(tái)重力儀在映震半徑上存在的震級(jí)與震中距的關(guān)系曲線進(jìn)行修正，得到震級(jí)與最大震中距的擬合曲線，結(jié)果見(jiàn)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(tái)重力儀震級(jí)與震中距對(duì)數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between magnitude and logarithm of epicentral distance of gravimeter of Fuzhou station

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)福建重力臺(tái)網(wǎng)映震效能進(jìn)行分析，得到以下認(rèn)識(shí)：

1)福建重力臺(tái)網(wǎng)可清晰記錄到日本九州島附近海域6.0級(jí)、臺(tái)灣花蓮6.7級(jí)及千島群島7.5級(jí)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(shuō)明對(duì)6.0級(jí)以上強(qiáng)震，無(wú)論是近震還是遠(yuǎn)震，福建重力臺(tái)網(wǎng)儀器穩(wěn)定性好；同CMG-3ESP 120S地震計(jì)在地震頻帶方面進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，gPhone重力儀也具有較寬的頻帶，其加速度信號(hào)積分曲線與該型號(hào)地震計(jì)保持高度一致，說(shuō)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(shí)間與波幅呈高度正相關(guān)性，且震級(jí)越大，同震持續(xù)響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，波幅越大。對(duì)于同一震中距，震級(jí)越大，重力儀的映震能力越強(qiáng)，映震效能越好；對(duì)于同一震級(jí)不同震中距，震中距與重力儀的映震能力無(wú)必然聯(lián)系，震中距越遠(yuǎn)，映震能力不一定越差。

3)通過(guò)分析福建重力臺(tái)網(wǎng)對(duì)臺(tái)灣花蓮海域3次地震的映震能力可知，泉州臺(tái)重力儀優(yōu)于莆田臺(tái)，廈門臺(tái)重力儀優(yōu)于福州臺(tái)，漳州臺(tái)和龍巖臺(tái)重力儀優(yōu)于南平臺(tái)。

4)重力儀對(duì)不同震級(jí)地震映震的最大震中距不同，對(duì)2015-01～2020-05歷史震例統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，震級(jí)(MS)與最大震中距(Δ)的對(duì)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(tái)網(wǎng)中其他觀測(cè)儀器進(jìn)行比較，其映震效能是否更具有優(yōu)勢(shì)還有待進(jìn)一步研究。