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大地震造成的空间涟漪

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2015年,LIGO成功探测到引力波,引起了物理学界的狂欢。


source: https://www.tnpscthervupettagam.com/articles-detail/

两个黑洞合并,会造成空间中质量分布发生变化,从而激发出以光速传播的引力波。与此类似,大地震作为地球上破坏力最强的自然灾害,在其破裂及激发出的地震波传播过程中也会引起质量分布变化。即地震波经过区域,有的地方受挤压,有的地方受拉张。


地震波传播过程

那么,地震造成的质量分布调整是否也会激发出以光速传播的“引力波”呢?

答案是肯定的,更准确来讲,其激发的是以光速传播的重力信号(瞬时弹性重力波)。


地震破裂及激发地震波造成重力变化示意图,改自(Bützler, 2020)

换言之,一旦地震发生,理论上,在地球任何位置都能立马接收到这一重力信号。

这不令人激动吗?因为目前的地震预警技术都是基于P波与S波的到时差,而P波信号传播速度约为3-5 km/s。要是能利用这一以光速传播的重力信号,将可能大大缩短地震预警响应时间,引发地震预警技术革命。



然而,理论计算表明,目前只有8级以上的巨震才能产生比目前仪器的噪声水平高的重力扰动信号。

也就是说,只有对8级以上的地震,我们才有可能从实际地震波形记录中提取出这一信号。

为什么会这样呢?因为该信号实在是太微弱了,对于8级以上地震,其造成的“空间涟漪”-重力波的量级大概为nm/s^2,约为地表重力加速度的十亿分之一。


改自(张申健, 2021)

理论上计算的大地震造成的重力变化。可以清楚地看出,其信号在P波到达之前出现;P波到达之后,淹没到地震波形记录中,改自(张申健, 2021)。

那么,目前有无从实际观测中,提取并确认这一信号呢?

有的,最典型的例子就是2011年日本9.1级东北大地震造成的"空间涟漪"。


左图为观测,右图为观测(红线)与数值计算(黑线)的对比

从全球来讲,目前共有6个地震观测到了此重力扰动信号,其最小震级都为7.9级地震,见下图。



最后,讲一讲基本原理。

实际上,我们在地表台站(如重力仪,地震仪)记录到重力扰动信号,是地震激发的重力扰动本身与地表惯性加速度共同作用的结果;更准确而言,是两者之差。




理论计算的重力扰动与地表惯性加速度部分,据(张申健, 2021)

特别地,在理论上可以证明,若地球是均匀全空间,那重力扰动与地表惯性加速度会完全相消。换言之,此时地表台站无法记录到此信号。


蓝线减红色为地表台站观测到的重力扰动(黑线)

蓝线减红色为地表台站观测到的重力扰动(黑线),据(Zhang et al., 2020)
该问题的控制方程,说实话,不算太复杂,如下图所示:



如何求解该问题,可以参考GFZ汪荣江老师的QSSP-PEGS程序。

近年来,有利用AI中卷积神经网络方法,识别瞬时弹性重力扰动信号,并进行地震震级估计的研究。如下图所示,看上去效果还不错。


据 (Licciardi et al., 2022)

对于一个8级地震,不到100 s就能准确测定其震级,这对地震预警,海啸预警而言是至关重要的。

若利用地震学方法,准确测定巨震震级目前还是需要一些时间的,比如2011年日本大地震发生时,用地震学方法最初估计的震级只有8.1级,远低于实际震级9.2级。

然而,机器学习的方法对于8级(说多一点,7.5级)以下的地震也是无能无力的。本质上还是目前观测水平不够,8级以下地震产生的重力扰动信号都淹没到噪声中了。那么,怎么办?测量重力扰动梯度可能是一个办法,拭目以待吧。

参考资料
张申健 (2021), 地震前驱重力信号的计算理论与应用前景研究,北京大学博士学位论文

Bützler, C. (2020).Gravity gradients of prompt elasto-gravity signals: Aspects of their simulation and the possibility to measure them: A case study for the Tohoku-Oki earthquake(Master's thesis).

Vallée, M., Ampuero, J. P., Juhel, K., Bernard, P., Montagner, J. P., & Barsuglia, M. (2017). Observations and modeling of the elastogravity signals preceding direct seismic waves.Science,358(6367), 1164-1168.

Zhang, S., Wang, R., Dahm, T., Zhou, S., & Heimann, S. (2020). Prompt elasto-gravity signals (PEGS) and their potential use in modern seismology.Earth and Planetary Science Letters,536, 116150.

Licciardi, A., Bletery, Q., Rouet-Leduc, B., Ampuero, J. P., & Juhel, K. (2022). Instantaneous tracking of earthquake growth with elastogravity signals.Nature,606(7913), 319-324.

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