连续重力观测潮汐与非潮汐信号提取与处理平台设计与实现

介绍了连续重力观测潮汐与非潮汐信号提取与处理平台的平台架构、数据库、主要功能模块、技术特点与功能特性等。该平台面向中国地震重力站网的大网运维业务需求和海量数据处理需求,以连续重力数据处理中的潮汐信号处理、非潮汐信号处理、时频变换等科学计算为核心,基于大数据技术实现了中国地震重力站网海量数据的自动清理、数据质量自动评估、数据产品自动产出,产出重力潮汐因子、时频图等24种数据产品,提升了连续重力观测数据的应用效能和地震重力站网的运行、管理和服务水平。     

琼中台连续重力观测记录地震特征分析

利用以琼中台为圆心,半径为3 500km范围内2009—2014年MS≥2.0地震目录资料,统计分析琼中台连续重力观测数据曲线与地震的对应情况,并对有关震例在连续重力原始秒数据曲线中产生的地震波进行特征分析,总结规律,得出琼中台连续重力观测对震中距3 500km以内地震的记录能力。同时分析了地震事件对重力观测数据、潮汐和非潮汐参数的影响,认为地震不仅在重力观测数据曲线上产生脉冲或阶跃,在非潮汐重力残差曲线上也会产生脉冲,而对重力M2波潮汐因子产生的影响较小。     

太原基准地震台连续重力数据非潮汐量的获取及背景噪声分析

以太原基准地震台连续重力观测资料为基础,对原始连续重力数据进行预处理,去除环境和仪器因素造成的突跳、台阶和数据漂移,滤除数据中占主要成分的潮汐分量,并考虑大气负荷效应的影响,得到连续重力非潮汐量。在此基础上,引入HHT时频分析方法,分析台站连续重力数据背景噪声频谱特征,得出背景噪声的能量主要集中在高频段(0.11~0.35 Hz),优势频率为0.25Hz。     

琼中地震台连续重力变化特征

收集了2009年以来琼中地震台（以下简称琼中台）连续重力观测数据,经对原始数据进行突跳、台阶和删除错误数据等处理,计算分析了琼中台重力潮汐变化数据特征、M₂波潮汐因子变化特征和典型事件的观测数据频谱特征。结果表明,琼中台连续重力观测数据除包含了固体潮、零漂等长周期信号外,也记录到了地震和台风等高频信号。对于记录到的7.0级以上强震,地震信号的频率主要分布于0.3 Hz以内;台风引起的扰动信号则主要分布于0.1—0.4 Hz频带内。同时,2009年以来,琼中台连续重力原始数据及其M₂波潮汐因子无明显前兆异常。      

2016年门源6.4级地震前连续重力频率特征分析

利用兰州地震台及高台地震台连续重力资料,分析研究了2016年1月21日门源地震前连续重力变化特征。对震前5 d及震后2 d秒采样数据使用快速傅里叶变换（FFT）变换方法进行功率谱分析,发现其频率幅度持续增大,临震前一天减小到正常值后发生地震,同时对震前6 d秒采样数据进行滤波处理,发现在临震前48 h观测到重力扰动信号,周期为4~8 s。门源地震前观测到的频率特征及重力扰动信号分析,可能反映了门源地震前孕震的一个整体过程,这为揭示门源地震产生机理提供了参考。     

双重约束条件下的连续重力观测非线性漂移改正方法分析

连续重力观测去除固体潮后所得重力残差结果,除了受仪器故障、自然因素、人为因素以及供电系统干扰外,弹簧重力仪的长期漂移也成为重力变化的重要影响因素,故漂移改正不可忽略。本文以高台地震台近5年的连续重力观测资料为数据基础,采用多阶多项式拟合法,并以驰豫分析结果和流动重力场结果为约束,研究弹簧重力仪的非线性漂移特征及其漂移改正的合理性。研究结果表明：高台重力仪的线性和非线性漂移特征明显,严重影响了其他微弱重力信号的提取,而驰豫分析处理结果和流动重力场成为有效地辅助约束手段,在其双重制约下进行非线性漂移改正,使所得重力非潮汐结果更为准确可靠,为地震预测预报提供较为准确的参考依据。     

重力时变的数学逼近

研究了根据时域内离散的重复重力测量数据获取连续重力变化的方法。分析比较了多种不同的插值、拟事和滤波方法的优缺点，认为Akima样条插值法，正交多项式拟合法和卡尔曼滤波法对重力数据处理效果较好，以华北63号相对重力点和香山绝对点为例给出了处理结果，并对三种方法的意义和适用范围进行了讨论。     

2016年1月21日门源MS 6.4地震前重力非潮汐变化特征分析

选取2015—2018年兰州和高台连续重力观测站整点值数据,分析2016年1月21日门源M_S 6.4地震前2个台站连续重力数据非潮汐变化特征,发现2个台站在此次地震发生前1年,分别观测到重力数据出现持续约6个月的重力非潮汐上升变化,月均变化速度分别为9.36μGal、6.17μGal,累计变化振幅分别达到56.15μGal、37.05μGal。通过对观测站点周边观测环境的详细核实和理论计算,排除台站周边环境干扰因素,认为震前6个月的重力非潮汐持续性下降变化应与此次M_S 6.4地震孕震过程有关。本研究结果可为揭示此次门源地震的孕震机理提供一定参考,为后续地震预测中重力观测指标的建立提供一定参考。     

江苏溧阳台连续重力在2023年2月6日土耳其三次强震中的同震响应

2023年2月6日，土耳其先后发生了M_S7.8、M_S6.7和M_S7.8强震，通过对江苏溧阳陆态网络连续重力观测仪记录的地震波进行分析，获得几点认识：(1)在溧阳台连续重力观测数据曲线上能记录到3次强震的地震波，记录到的2次M_S7.8重力地震波到时分别延迟10.72 min和10.63 min;(2)溧阳台连续重力观测同震响应对重力观测的潮汐和非潮汐参数均有影响，但未改变溧阳台连续重力观测正常的变化趋势；(3)同一地区相同震级的不同远震，重力响应的最大振荡幅度不完全一致，地震波持续时间也不完全相同，这与连续重力仪的采样率高低有关；(4)在时频图上表现为地震波能量信号比较突出，地震震级越大，0.1 Hz以下的高能量信号越强。     

台站连续重力信号的差分方法原理及理论验证

<正>连续重力记录是包含高频微波、地球构造活动、潮汐分量、极移等多尺度多频段复杂信号的数据,通过对重力监测网中邻近台站的连续重力观测结果进行"差分",可削弱日、月引潮力等远场信号影响,提高与台站区域构造运动等相关的近场信号信噪比,得到重力台站间连续重力的"段差"变化,获取区域重力场     

Review of Microgravity Observations at Mt. Etna: A Powerful Tool to Monitor and Study Active Volcanoes

Microgravity observations at Mt. Etna have been routinely performed as both discrete (since 1986) and continuous (since 1998) measurements. In addition to describing the methodology for acquiring and reducing gravity data from Mt. Etna, this paper provides a collection of case studies aimed at demonstrating the potential of microgravity to investigate the plumbing system of an active volcano and detect forerunners to paroxysmal volcanic events. For discrete gravity measurements, results from 1994–1996 and 2001 are reported. During the first period, the observed gravity changes are interpreted within the framework of the Strombolian activity which occurred from the summit craters. Gravity changes observed during the first nine months of 2001 are directly related to subsurface mass redistributions which preceded, accompanied and followed the July-August 2001 flank eruption of Mt. Etna. Two continuous gravity records are discussed: a 16-month (October 1998 to February 2000) sequence and a 48-hour (26–28 October, 2002) sequence, both from a station within a few kilometers of the volcano's summit. The 16-month record may be the longest continuous gravity sequence ever acquired at a station very close to the summit zone of an active volcano. By cross analyzing it with contemporaneous discrete observations along a summit profile of stations, both the geometry of a buried source and its time evolution can be investigated. The shorter continuous sequence encompasses the onset of an eruption from a location only 1.5 km from the gravity station. This gravity record is useful for establishing constraints on the characteristics of the intrusive mechanism leading to the eruption. In particular, the observed gravity anomaly indicates that the magma intrusion occurred “passively” within a fracture system opened by external forces.     

琼中地震台连续重力显著异常分析

2014年以来,琼中基准地震台连续重力观测数据出现较为显著的零漂转折加速和数据放大异常。经仪器观测系统检查、台站观测环境调查、数据分析等核实操作,分析认为:(1)零漂转折加速异常系观测环境影响所致;(2)数据放大异常系网络数据采集器故障所致。因此,2次异常均非地震地球物理异常。此类异常干扰判别可为其他重力台站观测数据分析提供参考。     

Efficient Modeling of Gravity Fields Caused by Sources with Arbitrary Geometry and Arbitrary Density Distribution

We present a brief review of gravity forward algorithms in Cartesian coordinate system, including both space-domain and Fourier-domain approaches, after which we introduce a truly general and efficient algorithm, namely the convolution-type Gauss fast Fourier transform (Conv-Gauss-FFT) algorithm, for 2D and 3D modeling of gravity potential and its derivatives due to sources with arbitrary geometry and arbitrary density distribution which are defined either by discrete or by continuous functions. The Conv-Gauss-FFT algorithm is based on the combined use of a hybrid rectangle-Gaussian grid and the fast Fourier transform (FFT) algorithm. Since the gravity forward problem in Cartesian coordinate system can be expressed as continuous convolution-type integrals, we first approximate the continuous convolution by a weighted sum of a series of shifted discrete convolutions, and then each shifted discrete convolution, which is essentially a Toeplitz system, is calculated efficiently and accurately by combining circulant embedding with the FFT algorithm. Synthetic and real model tests show that the Conv-Gauss-FFT algorithm can obtain high-precision forward results very efficiently for almost any practical model, and it works especially well for complex 3D models when gravity fields on large 3D regular grids are needed.     

张家口地震台连续重力异常分析

张家口地震台gPhone连续重力观测仪潮汐因子自2016年6月出现持续下降的趋势变化,累计变化量达到7×10-3.分析重力残差曲线,异常出现时同期残差数据未出现同步变化;将去零漂前后潮汐因子的变化情况进行对比分析,发现潮汐因子变化趋势一致,排除仪器调零影响;针对新建楼房可能引起的重力变化,建立了重力正演模型,计算结果显...     

武汉九峰地震台超导重力仪观测分析研究

连续重力观测和GPS的技术结合能够监测到物质迁移和地壳垂直形变之间的量化关系.和相对重力测量以及绝对重力测量技术相比,其避免了时间分辨率和观测精度低,无法精细描述观测周期内的物质迁移过程问题.本文利用武汉九峰地震台超导重力仪SGC053超过13000 h连续重力观测数据;同址观测的绝对重力仪观测结果;气压数据;周边GPS观测结果;GRACE卫星的时变重力场;全球水储量模型等资料,采用同址观测技术、调和分析法、相关分析方法在扣除九峰地震台潮汐、气压、极移和仪器漂移的基础上,利用重力残差时间序列和GPS垂直位移研究物质迁移和地壳垂直形变之间的量化关系.结果表明:在改正连续重力观测数据的潮汐、气压、极移的影响后,不仅准确观测到2009年的夏秋两季由于水负荷引起的约(6~8)×10^-8m·s^-2短期的重力变化.而且在扣除2.18×10^-8(m·s^-2)/a仪器漂移和水负荷的影响后,验证了本地区长短趋势垂直形变和重力变化之间具有一致的负相关性规律.同时长趋势表明该地区地壳处于下沉,重力处于增大过程,增加速率约为1.79×10^-8(m·s^-2)/a.武汉地区重力梯度关系约为-354×10^-8(m·s^-2)/m.     

琼中台重力非潮汐变化气压与海潮负荷改正

本文对琼中台连续重力观测数据进行收集整理并处理,基于处理后的数据,进行了潮汐分析和非潮汐分析。潮汐分析采用VAV调和分析方法;非潮汐分析则分别进行了零漂改正、固体潮改正、气压改正和海潮改正。其中,零漂改正采用一般多项式拟合零漂的方法;气压改正采用VAV软件;海潮改正运用SPOTL程序,以NAO.99b潮汐模型计算了琼中台海潮负荷值。最终获得了改正后的琼中台重力非潮汐变化,结果表明琼中台的重力气压导纳值为-0.34×10^-8m/s²/mbar,气压改正幅度约为10×10^-8m/s²,海潮改正幅度约为5×10^-8m/s²。改正后,琼中台重力非潮汐变化数据,比仅进行零漂固体潮改正后的重力非潮汐变化数据中的潮汐信号更加微弱,说明进行海潮改正后的效果是明显的,该方法可进一步去除其中的潮汐信号。     

1992-2014年河北省流动重力资料整理

系统整理河北省1992-2014年流动重力资料,利用LGADJ数据处理软件,对每期重力数据进行单期平差、多期整体平差计算,改正历史遗留问题,利用差分结果绘制145幅流动重力等值线差分图,通过具体异常点位及重力变化分析,得出：①地震前重力场变化强度与震级大小存在相关性;②流动重力观测资料地震前具有较为明显的前兆异常反应;③地震均发生在重力变化的“0”等值线附近地区。     

Combined discrete and continuous gravity observations at Mount Etna

Systematic investigation of discrete gravity measurements has continued at Mount Etna since 1986. The network now covers an area of 400 km² with about 70 stations 0.5–3 km apart. Mass redistributions occurring at depths ranging between about 8 km below sea level and a few hundred metres below the surface (magma level changes within the shallower parts of the feeding conduits) have been identified from these data. Conventional (discrete) microgravity monitoring on a network of stations furnishes only instantaneous states of the mass distribution at continuously active systems. In order to obtain information on the rate at which the volcanic processes (and thus mass transfers) occur, three stations for continuously recording gravity where installed on Mount Etna in 1998. A 16-month long sequence from one of the continuously running stations (PDN, located 2 km from the active northeast crater at the summit of Etna volcano) is presented. After removing the effects of Earth Tide and tilt, the correlation of the residual gravity sequence with simultaneous recordings of meteorological parameters acquired at the same station was analysed. Once the meteorological effects have also been removed, continuous gravity changes are within 10 μGal of gravity changes measured using conventional microgravity observations at sites very close to the continuous station. This example shows how discrete and continuous gravity observations can be used together at active volcanoes to get a fuller and more accurate picture of the spatial and temporal characteristics of volcanic processes.