麗江臺超導重力儀檢測的漾濞MS6.4與瑪多MS7.4地震同震重力變化

房婷婷 王振宇 陳曉東 楊躍文 劉 泰 佘雅文 蘇小寧 付廣裕

1 中國地震局地震預測研究所,北京市復興路63號,100036 2 中國科學院精密測量科學與技術創新研究院,武漢市徐東大街340號,430077 3 云南省地震局麗江地震監測中心站,云南省麗江市教育路462號,674100 4 蘭州交通大學測繪與地理信息學院,蘭州市安寧西路88號,730070 5 中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院,北京市學院路29號,100083

超導重力儀是目前性能最好的相對重力觀測儀器,具有精度高、穩定性好、漂移率低等特點。從其觀測數據中提取有效的震前重力變化異常和同震重力變化信息有助于地震預測和震源機制的研究。Imanishi等[1]從超導重力觀測數據的重力殘差中成功檢測到2003年日本十勝近海地震小于10 nm/s2的同震重力變化,該觀測值與地震位錯理論的模擬結果相吻合。在超導重力數據的解釋過程中,地震位錯理論[2-5]發揮著重要的支撐作用,但并非所有地震引起的重力變化觀測結果都可以用該理論進行較好地解釋。如Xing等[6]對2015年尼泊爾MW7.9地震進行研究,發現麗江臺和武漢臺的同震重力變化觀測值超過相應的理論值1個量級。上述研究中,同震重力變化觀測結果的可靠性鮮有提及或者進行深入研究。

UTC 2021-05-21 13:48:34云南漾濞發生MS6.4地震,同日UTC 18:04:11青海瑪多發生MS7.4地震,2次地震間隔很短,均位于青藏地塊東部。麗江臺距漾濞地震震中140.53 km,距瑪多地震震中872.02 km(圖1)。臺站現有1臺GWR型超導重力儀(OSG-066),從2013-07開始正常工作,記錄了近場漾濞地震和遠場瑪多地震發生期間的重力變化時間序列,為地震重力變化觀測值與理論值的擬合度及其解釋工作提供了研究資料。在提取同震重力變化的研究過程中,迄今為止的研究對象多為單次地震,而漾濞地震與瑪多地震是短時間內連續發生的2次大地震,可利用2次地震之間的記錄數據充分討論儀器的記錄能力,研究超導重力同震觀測數據的可靠性。鑒于此,本文基于麗江臺的超導重力儀記錄的連續重力觀測數據,結合地下水和GPS高頻數據,利用球體地球地震位錯理論和三維不均勻地球潮汐理論開展研究,以解釋漾濞地震與瑪多地震在麗江臺引起的同震重力變化。

圖1 漾濞MS6.4、瑪多MS7.4地震和麗江臺位置Fig.1 Location of Yangbi MS6.4, Maduo MS7.4 earthquakes and Lijiang station

1 超導重力儀數據處理

從觀測數據中盡可能地扣除潮汐、大氣、極移和周日長、地球橫向不均勻性、地下水位變化等的影響,得到重力殘差時間序列,然后擬合地震時刻殘差值的變化量,通過對比得到同震重力變化[7]。選取麗江臺超導重力儀2021-05-21 00:00:00～2021-05-22 12:00:00的秒采樣觀測數據作為提取此次同震重力變化的基礎數據,包括重力和臺站氣壓數據,重力數據的格值為-96.331 9 μGal/V,氣壓數據的格值為1 000 hPa/V。在計算重力殘差、提取同震重力變化之前,首先對觀測數據作傾斜改正,相關X、Y方向水平因子見圖2。

圖2 超導重力儀附加傾斜數據Fig.2 Additional leveling data of superconducting gravimeter

利用Tsoft軟件對原始觀測數據進行預處理[8-9],得到預處理之后的數據gob,見圖3(a),圖中紅、藍線分別為漾濞和瑪多地震發生時間,其中,漾濞MS6.4地震發生前觀測數據的較大波動是前震所致。潮汐改正過程中,由于地球固體潮與相應的海潮成分的頻率幾乎一致,通常采用計算合成潮的方法將固體潮與海潮的影響同時剔除作為潮汐改正。本文利用Eterna軟件[10-11],結合臺站2020-01-01～2021-06-30的觀測數據,利用調和分析方法構建當地重力合成潮,并用于潮汐改正,結果見圖3(c)。

圖3 超導重力觀測數據的調和分析結果Fig.3 Harmonic analysis results of superconducting gravity observation data

氣壓數據見圖3(d)。去除重力觀測中氣壓變化引起的重力效應的基本思路是利用與重力觀測同址、同期的氣壓觀測數據,通過大氣導納得到氣壓重力響應值。大氣壓力引起的重力變化為:

gair=ap·admap

(1)

式中,gair為氣壓引起的重力變化,ap為氣壓值(單位為hPa),admap為氣壓的導納系數。將氣壓觀測數據代入到Eterna的潮汐分析中,求出大氣導納值為-3.204 9 nm/(s2·hPa),再通過式(1)得到氣壓重力響應值。漾濞和瑪多地震發生前后1 d時間內,麗江臺附近大氣壓力變化達到3 hPa左右,相應的重力變化接近10 nm/s2。

極移產生的重力效應gPT與周日長變化的影響gLOD可通過國際地球自轉和參考系統服務提供的地球定向參數計算得到,其重力效應分別見圖3(e)和3(f)。

用EMC-GyPSuM模型(http:∥ds.iris.edu/ds/products/emc-gypsum/)計算地球橫向不均勻性所導致的潮汐改正偏差對重力的影響,見圖3(g)。

麗江地區地表的水文變化非常劇烈,地下水位變化對重力影響顯著。麗江臺地下水位變化數據見圖3(h)。超導重力儀周圍的水循環導致的重力變化與地表形變和氣壓重力效應相似,二者的相關性可以通過計算地下水位重力導納系數確定。用布格平板模型計算地下水的重力效應:

ggwl=2πGρwhgwlPs=Cgwlhgwl

(2)

式中,G為引力常數,ρw為水的密度,Ps為土壤孔隙度,取0.02[12],hgwl為地下水位高度值,Cgwl為地下水位數據和重力的相關系數。由布格平板模型計算得到Cgwl=8.381 2 nm/(s2·m)。

2 同震觀測與模擬結果

2.1 超導重力儀同震重力變化觀測值

根據上節方法,利用式(3)對麗江臺超導重力儀的觀測數據進行處理,并進一步計算漾濞和瑪多地震產生的同震重力變化,評估超導重力儀在地震發生前后的穩定性。得到的重力殘差序列Δg見圖4:

Δg=gob-ti-li-gair-gPT-

gLOD-gLI-ggwl

(3)

地震發生時,斷層破裂產生地震波,并引起瞬時質量重分布與密度變化[13]。由圖4可知,麗江臺超導重力儀記錄到漾濞和瑪多地震產生的劇烈振蕩的地震波信號[14],使得主震發生后一定時間內重力殘差數據變化幅度較大。為了更準確地擬合出重力殘差的變化趨勢,扣除震后短時間內振蕩劇烈的殘差數據;同時,為了減小結果的偏差,盡可能縮短被剔除數據的時間跨度。

在提取同震重力變化時,將2次地震前后的數據分別利用二次函數進行擬合。根據地震發生的時間,將地震前后的重力殘差時間序列(圖4)分為3個部分:2021-05-21 00:00:00～13:48:00、2021-05-21 14:40:00～18:04:00、2021-05-21 22:00:00～2021-05-22 10:00:00。利用式(4)分別擬合3個部分數據[2]。

g(t)=a+bt+ct2

(4)

然后分別計算3段數據擬合得出的二次函數在漾濞地震發生時刻(t0)與瑪多地震發生時刻(t1)的數值并作差,計算同震重力變化。

漾濞地震的同震重力變化觀測結果為:

Δg(YB)=g2(t0)-g1(t0)

(5)

瑪多地震的同震重力變化觀測結果為:

Δg(MD)=g3(t1)-g2(t1)

(6)

計算得出g1(t0)、g2(t0)、g2(t1)、g3(t1)的值,見表1,同震重力變化觀測結果見圖5。

表1 漾濞和瑪多地震前后麗江臺超導重力數據擬合值

圖5 超導重力儀檢測到的同震重力變化信號Fig.5 The coseismic gravity changes detected by the superconducting gravimeter

由表1和圖5可以看出,漾濞地震同震階躍為-4.37 nm/s2,瑪多地震同震階躍為28.57 nm/s2。此外,在漾濞地震之后、瑪多地震之前,超導重力儀觀測到顯著的重力變化,該變化是漾濞地震的余滑信號、瑪多地震的前兆信號,還是儀器失穩所致,需進一步研究。

2.2 基于地震位錯理論的重力變化理論值

地震位錯理論被廣泛地應用于地震斷層破裂反演、地震變形數據和大地測量數據解釋工作中,為研究同震和震后重力變化等提供了有力的理論工具。利用Sun等[4-5]基于球體分層結構的球形地球位錯理論,計算漾濞和瑪多地震在麗江臺產生的同震重力變化[15],其中瑪多地震的斷層滑動模型參考Hong等[16]和張克亮等[17]的斷層幾何模型。理論值與觀測值的對比結果見表2,可以看出,觀測值總體上比理論值大1～2個數量級。這一差異很難用計算方法、反演精度、地形效應、余震效應等導致的計算誤差進行解釋。

表2 漾濞和瑪多地震在麗江臺引起的同震重力變化觀測值與理論值

3 重力變化觀測信號的機理分析

本節擬從超導重力儀觀測值與理論值的異同、環境因素的重力變化效應改正、同址GPS觀測數據反映的垂直位移與儀器的短期失穩現象3個方面討論麗江臺超導重力儀觀測數據與地震位錯理論模擬值相差較大的原因,以揭示本次重力變化觀測信號的形成機理。

3.1 超導重力儀觀測值與理論值的異同

觀測精度較高的超導重力儀檢測的同震重力變化信號不但可以為檢驗和完善位錯模型提供參考資料,而且可以用來討論重力觀測儀器在地震發生時的穩定性。

Xing等[6]研究2015年尼泊爾MW7.8地震的同震重力變化,認為地震發生時瞬時重力變化不僅與地震本身相關,還與重力臺站背景構造應力特征和當時觀測環境瞬時變化情況相關。韋進等[18]研究瑪多MS7.4地震800 km范圍內5個遠場gPhone連續重力觀測臺站的觀測數據,結合中甸臺觀測數據,討論了漾濞MS6.4地震對瑪多MS7.4地震同震重力變化估算結果的影響,發現經過漾濞MS6.4地震影響改正后,瑪多MS7.4地震的觀測值更接近于理論值。說明存在受到先發生地震的影響導致儀器不穩定,使后發生地震的觀測值過大的情況。

由此可見,對于連續發生的2次地震,儀器的穩定性會受先發生地震的影響,導致后一個地震的觀測值與理論值差異更顯著。鑒于此,本文在考慮區域性地下水位變化的重力改正效果的基礎上,進一步討論地震發生時儀器的不穩定現象。

3.2 環境因素的重力變化效應計算與改正

由于超導重力儀較高的敏感度,觀測數據會不可避免地受到多種因素的影響,在提取同震重力變化信號時,合理剔除環境因素的影響尤為重要。潮汐、氣壓、極移和周日長產生的重力效應已經可以采用成熟的平臺或模型精確地計算出來,而局部區域地下水效應則需根據實測地下水數據進行計算。

局部地下水引起的重力變化可達10 μGal以上。圖6(a)為未經地下水改正的重力殘差,圖6(b)為水井的水位觀測記錄,0起始面選在麗江一泄洪口高程2 405 m的位置,采樣間隔為1 min。從圖6可以看出,地震發生時,地下水位記錄數據出現明顯的波動。漾濞地震地下水位的同震階躍為-0.005 m,瑪多地震的同震階躍為0.007 m。將地下水數據與未經地下水改正的重力殘差對比,發現二者在地震發生時變化趨勢一致,表明重力殘差中的一部分信號來源于局部區域地下水變化產生的重力效應。

圖6 漾濞和瑪多地震前后麗江臺的重力殘差與地下水位變化Fig.6 Gravity residuals and groundwater level changes before and after Yangbi and Maduo earthquakes at Lijiang station

布格平板模型的計算結果表明,麗江臺周邊區域地下水變化在漾濞和瑪多地震發生時分別引起-0.04 nm/s2和0.06 nm/s2的重力變化,和同震重力變化理論值(-0.19 nm/s2、0.24 nm/s2)相近,詳細結果見表3。因此,計算同震重力變化時,須考慮到觀測站附近地下水的影響。

表3 麗江臺同震重力變化理論值與地下水重力效應的對比

然而,從重力觀測數據中扣除眾多已知的影響因素之后,發現觀測值和理論值雖然符號相同,但大小仍然存在差異。Imanishi等[1]利用江刺、松本、京都3個臺站超導重力數據提取2003年日本十勝近海MW8.0地震的同震重力變化,觀測值分別為0.58 μGal、0.10 μGal、0.07 μGal,而利用球形地球位錯理論計算的理論重力變化則為0.575±0.007 μGal、0.096±0.005 μGal、0.070±0.009 μGal,與觀測值十分接近,說明球形地震位錯理論的計算結果是基本可信的。本文觀測值與理論值振幅相差較大,難以用理論計算的精度進行解釋,故實測重力變化值除受到上述已扣除的影響之外,應該還受到其他重要因素的影響。

3.3 超導重力儀的短期失穩現象

從圖5中可以看出,相比于漾濞地震在麗江臺引起的同震重力變化觀測值(-4.37 nm/s2),后續發生的瑪多地震引起的重力變化觀測值(28.57 nm/s2)與理論值的差距更大。瑪多地震后由于地震激發的振蕩,被剔除數據的時間跨度也比漾濞地震更長(圖5中時間序列的空白部分)。引起這種現象的可能原因為:超導重力儀在觀測重力變化的過程中,受到漾濞地震前震的影響(脈沖效應),出現儀器短期失穩現象,導致漾濞地震的觀測值與理論值不符(圖5中藍色方框)。之后瑪多地震發生時,儀器還沒有恢復穩定,再次受到地震的脈沖效應,導致儀器在震后出現更長時間跨度的振蕩,同時使得瑪多地震的觀測值比漾濞地震大5倍以上。而瑪多地震后并未出現失穩的現象,可能是因為對于麗江臺來說,漾濞地震為近場地震,瑪多地震為遠場地震,超導重力儀對于遠場和近場地震的響應有所不同。

為確認此現象出現的原因,收集并處理麗江連續觀測站30 s采樣的高頻GPS數據,通過擬合獲取漾濞和瑪多地震前后的位移場時間序列,然后對比GPS位移數據與重力殘差數據的變化趨勢,結果見圖7,圖7(a)～7(d)分別表示重力殘差和3個方向的位移結果。可以看出,2次地震共同引起的重力殘差的階躍值為46.12 nm/s2,在同一時間段GPS站觀測到的垂向位移約為0.26 cm,南北向的位移約為0.24 cm,東西向的位移約為0.10 cm。

圖7 2次地震前后麗江地區超導重力儀與GPS觀測的同震變化結果Fig.7 Coseismic gravity changes detected by superconducting gravimeter and GPS before and after two earthquakes in Lijiang area

同震重力變化一般受觀測站的垂向變動以及地球內部物質的再分布的影響[19],且前者在多數情況下占主導地位。因此,本文將考慮0.26 cm的垂向位移伴隨的重力變化量(地殼水平位移對重力場的貢獻很小,可忽略不計)。重力變化和垂向位移的關系如式(7):

(7)

式中,g為重力值,d為測點與地心的距離[20]。2個地震在麗江地區引起的垂向位移約為0.26 cm, 其對應的重力變化約為8.02 nm/s2,遠小于超導重力儀觀測的46.12 nm/s2。即GPS數據在地震前后沒有明顯的差異。鑒于此,本文認為圖5藍色方框中重力殘差信號的顯著變化是因為地震脈沖使重力儀失穩,導致2次地震的同震重力觀測數據均明顯大于理論值。Xing等[6]的研究也表明,重力儀器受到地震的脈沖信號影響而產生的失穩并非個別現象。因此,利用超導重力儀提取地震同震重力變化時,有必要考慮重力儀對地震信號的脈沖響應。

4 結 語

1)通過對超導重力數據的處理,提取到漾濞MS6.4和瑪多MS7.4地震的同震重力變化值分別為-4.37 nm/s2和28.57 nm/s2,較地震位錯理論的計算值大1～2個量級;

2)麗江臺周邊地區地下水變化產生的重力效應與地震產生的重力變化理論值處于同一量級;

3)結合GPS、地下水等觀測資料,分析同震重力變化理論值與超導重力儀觀測值差異的可能原因,認為麗江臺的超導重力儀在相繼發生的漾濞MS6.4和瑪多MS7.4地震期間受地震脈沖的影響,在短時間內產生明顯的失穩現象(重力變化幅度增大)。