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广西靖西MS5.2地震重力仪记录的前驱波信号分析

原永东 向巍 黄惠宁 文翔 黄美丽 罗远鹏 梁飞

原永东,向巍,黄惠宁,等. 广西靖西MS5.2地震重力仪记录的前驱波信号分析[J]. 华北地震科学,2020, 38(S2):74-79. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.012
引用本文: 原永东,向巍,黄惠宁,等. 广西靖西MS5.2地震重力仪记录的前驱波信号分析[J]. 华北地震科学,2020, 38(S2):74-79. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.012
YUAN Yongdong,XIANG Wei,HUANG Huining,et al. Precursor Wave Signals Recorded by Gravimeter before Guangxi Jingxi MS5.2 Earthquake[J]. North China Earthquake Sciences,2020, 38(S2):74-79. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.012
Citation: YUAN Yongdong,XIANG Wei,HUANG Huining,et al. Precursor Wave Signals Recorded by Gravimeter before Guangxi Jingxi MS5.2 Earthquake[J]. North China Earthquake Sciences,2020, 38(S2):74-79. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.012

广西靖西MS5.2地震重力仪记录的前驱波信号分析

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2020.S2.012
基金项目: 中国地震局监测、预报、科研三结合课题(3JH-202001070);广西壮族自治区地震局科研合同制项目(202003)
详细信息
    作者简介:

    原永东(1987—),男,山东威海人,工程师,主要从事地壳形变及地下流体观测数据处理分析工作.E-mail:yuanyongdong2008@126.com

  • 中图分类号: P315.72

Precursor Wave Signals Recorded by Gravimeter before Guangxi Jingxi MS5.2 Earthquake

图(7) / 表 (1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-21
  • 网络出版日期:  2021-12-31
  • 刊出日期:  2020-12-20

广西靖西MS5.2地震重力仪记录的前驱波信号分析

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2020.S2.012
    基金项目:  中国地震局监测、预报、科研三结合课题(3JH-202001070);广西壮族自治区地震局科研合同制项目(202003)
    作者简介:

    原永东(1987—),男,山东威海人,工程师,主要从事地壳形变及地下流体观测数据处理分析工作.E-mail:yuanyongdong2008@126.com

  • 中图分类号: P315.72

摘要: 收集了靖西MS5.2地震震中300 km范围内灵山、凭祥地震台站的gPhone重力仪记录的1 Hz采样率观测数据,经过零漂改正和气压改正后,采用巴特沃斯高通滤波器滤除固体潮信号。采用小波分析方法分析重力非潮汐观测数据在地震前后的小波功率谱,发现震前约200 s开始,重力信号中陆续出现了周期8~512 s的低频信号,该频段内的较低频信号出现得时间早,随后较高频信号依次出现;地震发生后该频段信号开始衰减,较高频信号首先衰减,随后较低频信号依次衰减消失;通过与测震观测数据的小波相干分析,发现重力仪记录到的地震前驱波在地震仪的频带宽度内具有较好的一致性。

English Abstract

原永东,向巍,黄惠宁,等. 广西靖西MS5.2地震重力仪记录的前驱波信号分析[J]. 华北地震科学,2020, 38(S2):74-79. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.012
引用本文: 原永东,向巍,黄惠宁,等. 广西靖西MS5.2地震重力仪记录的前驱波信号分析[J]. 华北地震科学,2020, 38(S2):74-79. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.012
YUAN Yongdong,XIANG Wei,HUANG Huining,et al. Precursor Wave Signals Recorded by Gravimeter before Guangxi Jingxi MS5.2 Earthquake[J]. North China Earthquake Sciences,2020, 38(S2):74-79. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.012
Citation: YUAN Yongdong,XIANG Wei,HUANG Huining,et al. Precursor Wave Signals Recorded by Gravimeter before Guangxi Jingxi MS5.2 Earthquake[J]. North China Earthquake Sciences,2020, 38(S2):74-79. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S2.012
    • 数字化重力仪在地震发生前后能够记录到各类不同频率的信息,其中既包括了地震破裂及传播过程中产生的同震形变波,也包括了一些具有地震短临预报价值的前驱波信息。地震前的低频前驱波现象,最早是由Kizawa[1]在 GS12型重力仪记录上发现的,他发现1964年3月28日美国阿拉斯加大地震和1964年6月16日日本新泻地震前3天,有一系列的特殊脉动叠加在重力固体潮曲线上,并一直持续到大地震发生。

      此后,许多地震工作者对前驱波现象进行了研究。前驱波现象广泛的存在于重力仪、倾斜仪、应变仪、水位仪等仪器的观测数据中,陈德福[2]研究了14个震例 36个潮汐形变前驱波图像,得出了前驱波的几种形态,分别有叠加于潮汐曲线的脉动加粗或串珠状形态,潮汐曲线偏离或慢地震状形态,锯齿状、反锯齿状或脉冲状形态,阶跃状形态。其中可见潮汐形变前驱波以脉动加粗状、偏离状波动的形态为主,而以锯齿、脉冲或阶跃状形态为辅。前驱波的波动周期一般在2~20 min,30~60 min,个别达60~120 min。高、中、低频波均有。韦进等[3]分析了17台gPhone重力仪和1套GS 15 重力仪在日本MS9. 0级地震前3天的原始观测(秒钟值和分钟值)数据,发现部分仪器在地震前记录到了纺锤状或柱状的隆起现象叠加在重力曲线上。车用太等[4]在山西省朔州井水位动态观测的原始记录图中,发现很多远强震前井水位的“前驱波”记录,分析了该井水位对“前驱波”的记录特征,发现38%的远大强震前有这种记录,波动周期为数分钟至数十分钟,多在震前2天内出现。

      目前关于低频前驱波传播机理有许多不同的理论,其中最具代表性的有断裂预扩展理论、流体作用、声波透射理论、亚临界扩展、预滑与地震前兆理论等[4-10]

      2019年11月25日9时18分19秒,广西靖西市胡润镇(22.89°N,106.65°E)发生5.2级地震,震源深度10 km。本文收集了震中周边300 km的重力台站记录的观测数据,对重力仪记录的低频部分前驱波信号特征进行了分析。

    • 靖西MS5.2地震震中300 km范围内的共有2个重力台站(图1),灵山地震台和凭祥地震台,2个台站均有1台gPhone重力仪,采样率为1 Hz,在时间上仅选取9时(地震发生前后约1 h长度)的观测数据进行分析,同时收集了这2个台站的测震观测数据和气压观测数据。其中气压观测数据用于对重力观测数据进行气压改正,测震数据用于对比分析重力仪记录到的信号。其中,灵山地震台的测震仪为JZC-1型,频带宽度50 Hz~120 s;凭祥地震台的测震仪为CTS-1E型,频带宽度为50 Hz~360 s,台站信息详见表1

      图  1  震中与台站分布图

      表 1  台站信息表

      序号台站名称震中距/km重力仪型号重力采样率/ Hz测震仪型号测震仪频带
      1凭祥地震台85gPhone重力仪1CTS-1E50 Hz~120 s
      2灵山地震台275gPhone重力仪1JZC-150 Hz~360 s

      重力观测数据中包含了由于仪器零漂造成的趋势性变化,固体潮汐、气压变化造成的重力变化等。为了更好地分辨重力观测数据内包含的各类同震波形信息,首先采用一阶多项式拟合初步去掉漂移;然后利用台站气压变化值ΔP 乘以大气导纳常数A作为观测重力的气压改正,大气导纳常数A取−0.3×10−8 ms−2/hPa;最后,采用10阶巴特沃斯高通滤波器(截止频率0.00 013 Hz)滤除周期在128 min以上的低频信号。通过上述处理,基本去掉了重力观测信号中周期大于128 min的低频成分,图2为凭祥、灵山台经过预处理的重力时间序列,本文以各仪器记录到的地震波到达时刻作为零时刻,震前为负时刻,震后为正时刻。可以看出,2个台站的重力仪均记录到了显著的同震波形。

      图  2  去除零漂和气压影响的重力观测曲线图

    • 本文采用小波功率谱对重力信号进行频谱分析,描述信号在时间(空间)和频率(尺度)域上的分布特征,对信号进行实时局部分析,进而发现其他信号分析方法所不能识别的、隐藏于数据之中的表现结构特性的信息[11-12],目前已被广泛应用在地球物理学研究领域。图3为计算得到的灵山、凭祥地震台gPhone重力仪的连续小波功率谱,从图中可看出,重力仪除在地震发生后记录到的高频地表震动外,记录到的波形主要集中在8~512 s周期范围内,且该周期范围内的信号能量远高于记录到的同震地表震动信号。而对其他无地震发生时段的重力数据进行相同处理时,均未发现连续重力的连续小波功率谱图出现类似的信号(图4)。故而认为重力仪记录到的该频段信号为此次地震发生前后地质活动所激发的信号。

      图  3  灵山、凭祥重力连续小波功率谱

      图  4  非地震时段灵山、凭祥重力连续小波功率谱

      在特征上,该频段的信号主要在震前约200 s开始出现,该频段内的较低频信号出现的时间早,随后较高频信号依次出现;地震发生后该频段信号开始衰减,较高频信号首先衰减,随后较低频信号依次衰减消失。

    • 选取灵山、凭祥地震台测震仪垂直分量的观测数据同重力仪进行对比分析,重力仪的观测数据采样率为100 Hz,首先对测震数据进行降采样处理,将其采样率降至1 Hz,与重力仪采样率一致;然后计算测震数据的连续小波功率谱(图5)。通过小波相干谱可以看出,测震仪记录到的高能量信号主要集中在2~7 s周期范围内,在8~512 s周期范围内无显著信号。

      图  5  灵山、凭祥测震数据的连续小波功率谱

      为进一步分析重力和测震数据在时间-频率空间中局部相关的密切程度,采用小波相干分析计算了二者的小波相干谱,小波相干谱是两个时间序列在某一个频率上波振幅的交叉积与各个震动波的振幅乘积之比,这种定义类似于传统意义上的相关系数,故小波相干可以理解为在时间频率空间内的局部相关系数。小波相干谱相比于其他分析方法的优势在于即使两个时间序列对应小波功率谱能量谱中低能量的区域,在小波相干谱中也可能会表现为显著相关[11-12]

      通过灵山、凭祥台重力与测震数据的小波相干谱(图67)可以发现,在非地震时刻两者显著相关的信号频段为2.5~30.0 s,主要是地脉动及仪器噪声信号。而在临近地震发生时,二者的显著相关区域则向低频区域迁移,其呈现的形状及出现的时间与重力的连续小波功率谱中出现的显著高能量区的形状和出现的时间相似。此外,灵山台重力与测震小波相干谱内,地震前后呈显著相关的低频信号周期为16.5~420.0 s;凭祥台重力与测震小波相干谱内,地震前后呈显著相关的低频信号周期为4.6~55.6 s。该差异可能为2个台站测震仪的频带带宽不同导致,灵山台所用的JZC-1型测震仪相较凭祥台的CTS-1E型测震仪具有更宽的频带,而测震仪对于超出其观测频带信号的记录能力较差。

      图  6  灵山重力-测震的小波相干谱

      图  7  凭祥重力-测震的小波相干谱

    • 现有研究表明,在大地震发生前,震源及其附近介质壳层会产生许多微小错动或裂缝,大量微破裂的串通和微错动的进一步发展,将导致大破裂大错动的产生。在主破裂发生前,断层会有长时间的蠕动和研磨,裂纹失稳不断扩展,最后发生地震。这些破裂与断层的蠕动研磨,可能是前驱波的产生根源。非均匀断层滑动失稳成核过程中会形成2种不同的波,首先是振幅很小、周期较长的弹性波从断层上部向下部传播,并在“弱段”和“强段”交接带叠加了振幅不大的高频成分,然后是振幅较大的短周期弹性波从断层中间向两侧传播,这种长周期的弹性波所揭示的是动态破裂开始时相对较慢的破裂过程[5]

      靖西5.2级地震震区位于右江盆地,大地构造位置上位于华南褶皱系(Ⅰ级)的右江褶皱带(Ⅱ级),新构造位置上位于桂西断块差异掀斜隆起区,以间歇式掀斜式上升运动和断块差异运动为主。岩性主要为古生代碳酸盐岩和中生代碎屑岩,地貌以溶蚀、侵蚀地貌为主。综合地质调查、现场灾害调查、烈度分布和余震展布结果推测,NE向的下雷-灵马断裂为发震断裂,NE走向、NW倾向的节面Ⅱ为可能的发震断层面,走向NW、左旋走滑性质的区域断裂在地震孕育过程中可能起到控震作用。

      灵山、凭祥台重力仪记录到前驱波极有可能因为此次地震的断层在主破裂发生之前存在一定的大量微破裂和微错动,而震区以石灰岩为主的岩性,溶蚀、侵蚀地貌以及充足的地下水分布则为低频前驱波的传播提供了良好的传播通道[6]。该区域水体相当大,而且含有许多溶洞,使得含水层内水体连通性非常好,能给低频波的传播提供最佳通道。

      地震的前驱波对于地震的短临预报具有一定的应用意义,但受数据分析方法的限制,大量地震监测仪器记录到的前驱波信号在日常数据处理分析过程中未能充分处理发掘。本文采用的小波分析方法在信号的时频特征检测方面具有较好的效果,可以作为日常分析方法进行推广。

    • 本文通过对靖西MS5.2地震震中300 km范围内的灵山、凭祥地震台的观测数据的信号分析得到的连续小波功率谱,发现在靖西MS5.2地震发生前约200 s记录到了显著的低频信号,通过与非地震时段同台仪器记录的重力信号对比分析以及同测震信号的相干分析,判定重力仪在地震前后记录到的低频信号为重力前驱波。

      同时对比分析了2个台站测震仪垂直方向的记录数据,发现虽然在连续小波功率谱中未记录到相同的显著信号,但在重力-测震的小波相干谱中发现二者在相同时频域内存在显著相干,这表明测震数据也记录到了相应的前驱波信号,但是由于测震信号中高频成分的能量优势明显,故低频前驱波信号未能显示在连续小波功率谱图像中。

参考文献 (12)

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