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2022年汤加火山喷发对中国大陆地应变观测的影响分析

吕品姬 李正媛 孙伶俐 林俊 唐磊 倪乙鹏

吕品姬, 李正媛, 孙伶俐, 林俊, 唐磊, 倪乙鹏. 2022年汤加火山喷发对中国大陆地应变观测的影响分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 927-933. doi: 10.13203/j.whugis20220174
引用本文: 吕品姬, 李正媛, 孙伶俐, 林俊, 唐磊, 倪乙鹏. 2022年汤加火山喷发对中国大陆地应变观测的影响分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 927-933. doi: 10.13203/j.whugis20220174
LÜ Pinji, LI Zhengyuan, SUN Lingli, LIN Jun, TANG Lei, NI Yipeng. Analysis of Impact of the Tonga Volcanic Eruption in 2022 on the Strain Observation of Chinese Mainland[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 927-933. doi: 10.13203/j.whugis20220174
Citation: LÜ Pinji, LI Zhengyuan, SUN Lingli, LIN Jun, TANG Lei, NI Yipeng. Analysis of Impact of the Tonga Volcanic Eruption in 2022 on the Strain Observation of Chinese Mainland[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 927-933. doi: 10.13203/j.whugis20220174

2022年汤加火山喷发对中国大陆地应变观测的影响分析

doi: 10.13203/j.whugis20220174
基金项目: 

国家自然科学基金 42174177

国家自然科学基金 41974018

国家自然科学基金 41974096

国家自然科学基金 41931074

中国地震局震情跟踪面上项目 2020020204

详细信息
    作者简介:

    吕品姬,硕士,高级工程师,主要从事地壳形变与地震预测研究。510847097@qq.com

    通讯作者: 李正媛,博士,研究员。zhyli05@163.com
  • 中图分类号: P237

Analysis of Impact of the Tonga Volcanic Eruption in 2022 on the Strain Observation of Chinese Mainland

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 42174177

The National Natural Science Foundation of China 41974018

The National Natural Science Foundation of China 41974096

The National Natural Science Foundation of China 41931074

the Earthquake Situation Tracking Project of China Earthquake Administration 2020020204

More Information
    Author Bio:

    LÜ Pinji, master, senior engineer, specializes in crustal deformation and earthquake prediction. E-mail: 510847097@qq.com

    Corresponding author: LI Zhengyuan, PhD, professor. E-mail: zhyli05@163.com
  • 摘要: 2022年1月15日汤加火山剧烈喷发产生了波及全球的大气重力波,距离火山8 736~12 758 km的中国大陆所有地应变观测站清晰记录到由此产生的短时地表应变变化。应用小波分析方法系统分析了中国近200个地应变观测站记录数据的时空响应与频率特征,主要表现为:由大气重力波激发的短时地表应变变化的持续时间约为1.5 h,其中能量最强的变化集中在前40 min,面应变平均变幅约为186×10-10,呈现出单脉冲起伏状变化,形态具有很强的一致性,具备兰姆波传播属性;短时地表应变变化的平均传播速度约为310 m/s,与大气重力波传播速度基本一致。部分观测站还记录到绕地球一圈后再次到达的大气重力波对地表的作用。这是首次通过大范围布设的高精度地应变观测仪记录到大气重力波作用于地表的痕迹,有助于认识地壳运动和大气圈层相互影响的机制。
  • 图  1  信号提取和功率谱分析

    Figure  1.  Signal Extraction and Power Spectrum Analysis

    图  2  洞体应变峰值到时分布图

    Figure  2.  Peak Time Distribution of Cave Strain

    图  3  洞体应变仪记录到短时应变变化的传播速度和变化幅度

    Figure  3.  Velocity and Amplitude of the Short-Time Strain Changes Recorded by Cave Strain Observations

    图  4  地应变观测记录到的地表短时变化

    Figure  4.  Short-Time Surface Changes Recorded by Ground Strain Observations

    图  5  地应变观测站记录到的两次大气重力波

    Figure  5.  Twice-Reached Atmospheric Gravity Waves Recorded by Ground Strain Observation Stations

    图  6  大气重力波两次到达观测站的运动轨迹示意图

    Figure  6.  Schematic Diagram of Motion Trajectory of the Twice-Reached Atmospheric Gravity Waves

    图  7  三类应变仪在大气重力波作用下的响应曲线

    Figure  7.  Response Curves of Three Different Strain Meters Effected by the Atmospheric Gravity Waves

    图  8  洞体应变仪响应机理分析

    Figure  8.  Response Principle of Cave Strain Meter

    图  9  四分量应变仪响应机理分析

    Figure  9.  Response Principle of Four-gages Borehole Strain Meter

    图  10  体应变仪响应机理分析

    Figure  10.  Response Principle of Borehole Strain Meter

  • [1] 胡羽丰, 李振洪, 王乐, 等. 2022年汤加火山喷发的综合遥感快速解译分析[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2022, 47(2): 242-251 doi:  10.13203/j.whugis20220050

    Hu Yufeng, Li Zhenhong, Wang Le, et al. Rapid Interpretation and Analysis of the 2022 Eruption of Hunga Tonga-Hunga Ha'apai Volcano with Integrated Remote Sensing Techniques[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47 (2): 242-251 doi:  10.13203/j.whugis20220050
    [2] Amores A, Monserrat S, Marcos M, et al. Numerical Simulation of Atmospheric Lamb Waves Generated by the 2022 Hunga-Tonga Volcanic Eruption[J]. Geophysical Research Letters, 2022, DOI:  10.1029/2022GL098240
    [3] Adam D. Tonga Volcano Eruption Created Puzzling Ripples in Earth's Atmosphere[J]. Nature, 2022, 601(7894): 497 doi:  10.1038/d41586-022-00127-1
    [4] Yuen D A, Scruggs M A, Spera F J, et al. Under the Surface: Pressure-Induced Planetary-Scale Waves, Volcanic Lightning, and Gaseous Clouds Caused by the Submarine Eruption of Hunga TongaHunga Ha'apai Volcano[J]. Earthquake Research Advances, 2022: 100134
    [5] 中国地震局. 地震地壳形变观测方法: 洞体应变观测(DB/T46-2012)[S]. 北京: 地震出版社, 2012

    China Earthquake Agency. The Method of Earthquake-Related Crustal Deformation Monitoring-Crustal Strain Observation in Horizontal Tunnel (DB/T46-2012)[S]. Beijing: Seismological Press, 2012
    [6] 中国地震局. 地震地壳形变观测方法: 钻孔应变观测(DB/T54-2013)[S]. 北京: 地震出版社, 2013

    China Earthquake Agency. The Method of Earthquake-Related Crustal Deformation Monitoring-Strain Monitoring in Borehole(DB/T54-2013)[S]. Beijing: Seismological Press, 2013
    [7] 宁津生, 汪海洪, 罗志才. 小波分析在大地测量中的应用及其进展[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2004, 29(8): 659-663 http://ch.whu.edu.cn/article/id/4440

    Ning Jinsheng, Wang Haihong, Luo Zhicai. Applications of Wavelet Analysis in Geodesy and Its Progress [J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2004, 29(8): 659-663 http://ch.whu.edu.cn/article/id/4440
    [8] Hines C O. Gravity Waves in the Atmosphere[J]. Nature, 1972, 239(5367): 73-78 doi:  10.1038/239073a0
    [9] 程巍, 滕鹏晓, 吕君, 等. 汤加火山喷发所产生的次声波[J]. 声学学报, 2022, 47(2): 289-291 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XIBA202202014.htm

    Cheng Wei, Teng Pengxiao, Lü Jun, et al. On the Infrasonic Waves Generated from the Volcano Eruption in Tonga[J]. Acta Acustica, 2022, 47(2): 289-291 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XIBA202202014.htm
    [10] 杨小林, 危自根, 杨锦玲, 等. 飑线对定点地形变观测的影响特征与机理: 以陕西关中盆地为例[J]. 中国地震, 2019, 35(3): 465-475 doi:  10.3969/j.issn.1001-4683.2019.03.005

    Yang Xiaolin, Wei Zigen, Yang Jinling, et al. Ground Deformation Induced by a Strong Squall Line: A Case Study in the Weihe Basin, Shaanxi Province[J]. Earthquake Research in China, 2019, 35(3): 465-475 doi:  10.3969/j.issn.1001-4683.2019.03.005
  • [1] 胡羽丰, 李振洪, 王乐, 陈博, 朱武, 张双成, 杜建涛, 张雪松, 杨璟, 周美玲, 刘振江, 王丝丝, 苗晨, 张连翀, 彭建兵.  2022年汤加火山喷发的综合遥感快速解译分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(2): 242-251. doi: 10.13203/j.whugis20220050
    [2] 张艺群, 孟小亮, 金适宽, 马盈盈, 龚威, 雷连发.  武汉地区大气特征的日变化及季节变化分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(4): 479-488. doi: 10.13203/j.whugis20200439
    [3] 黄谟涛, 刘敏, 欧阳永忠, 邓凯亮, 马越原, 翟国君, 吴太旗.  海洋重力场特征统计模型计算与分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(3): 317-327. doi: 10.13203/j.whugis20160529
    [4] 桂大伟, 庞小平, 艾松涛.  基于GPS数据的破冰船锚泊状态识别与特征分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(2): 166-171. doi: 10.13203/j.whugis20170090
    [5] 王伟, 章传银, 杨强, 邹正波, 朱锦杰, 康胜军.  大气负荷对区域地壳形变和重力变化的影响分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(9): 1302-1308. doi: 10.13203/j.whugis20160392
    [6] 马俊, 姜卫平, 周晓慧, 邓连生, 周伯烨.  联合小波和方差分量估计方法分析中国IGS测站时间序列变化特征 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(4): 629-636. doi: 10.13203/j.whugis20150731
    [7] 王立, 洪丽娟, 刘辛宇, 成云飞, 华寅, 吴雄斌.  X波段测波雷达海流信息反演的影响因素分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(12): 1804-1810. doi: 10.13203/j.whugis20150332
    [8] 徐克科, 李伟.  利用GNSS基线分析芦山Ms7.0级地震前后应变演变特征 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(8): 1054-1060. doi: 10.13203/j.whugis20150060
    [9] 徐晓华, 郭金城, 罗佳.  利用COSMIC掩星资料分析大气重力波参数的全球分布特征 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2015, 40(11): 1493-1498. doi: 10.13203/j.whugis20130587
    [10] 孙玉, 常晓涛, 郭金运, 柯宝贵.  SGM100i月球重力场特征分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2013, 38(1): 64-68.
    [11] 王伟, 宁津生, 罗志才, 汪海洪.  利用小波变换分离俯冲带重力异常 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2012, 37(2): 187-190.
    [12] 瞿伟, 张勤, 王庆良, 李振洪.  利用GPS观测资料分析山西地堑系现今地壳构造活动特征 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2012, 37(2): 195-198.
    [13] 宁津生, 王伟, 汪海洪, 罗佳.  应用小波变换确定琉球俯冲带的深部特征 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2010, 35(10): 1135-1137.
    [14] 孙中苗, 翟振和.  航空重力测量数据的小波阈值滤波 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2009, 34(10): 1222-1225.
    [15] 罗敏, 朱晓岷, 李小红, 余纯武.  基于径向小波变换的图像特征提取算法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2008, 33(1): 29-31.
    [16] 余瑞星, 朱冰, 张科, 吕梅柏.  基于小波的ICM不变特征在图像匹配识别中的应用 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2008, 33(12): 1225-1228.
    [17] 伊廷华, 李宏男, 伊晓东, 王国新.  基于自适应噪声抵消与小波滤波的GPS监测误差分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2006, 31(11): 995-998.
    [18] 徐新, 王雁, 陈嘉宇, 孙洪.  基于小波系数统计特征的SAR图像恢复 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2006, 31(10): 855-857.
    [19] 倪玲, 张剑清, 姚巍.  基于小波的SAR影像纹理分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2004, 29(4): 367-370.
    [20] 陶本藻, 杜方.  稳健基准应变分析法用于鲜水河断裂带活动特征研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 1992, 17(3): 9-17.
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-25
  • 刊出日期:  2022-06-05

2022年汤加火山喷发对中国大陆地应变观测的影响分析

doi: 10.13203/j.whugis20220174
    基金项目:

    国家自然科学基金 42174177

    国家自然科学基金 41974018

    国家自然科学基金 41974096

    国家自然科学基金 41931074

    中国地震局震情跟踪面上项目 2020020204

    作者简介:

    吕品姬,硕士,高级工程师,主要从事地壳形变与地震预测研究。510847097@qq.com

    通讯作者: 李正媛,博士,研究员。zhyli05@163.com
  • 中图分类号: P237

摘要: 2022年1月15日汤加火山剧烈喷发产生了波及全球的大气重力波,距离火山8 736~12 758 km的中国大陆所有地应变观测站清晰记录到由此产生的短时地表应变变化。应用小波分析方法系统分析了中国近200个地应变观测站记录数据的时空响应与频率特征,主要表现为:由大气重力波激发的短时地表应变变化的持续时间约为1.5 h,其中能量最强的变化集中在前40 min,面应变平均变幅约为186×10-10,呈现出单脉冲起伏状变化,形态具有很强的一致性,具备兰姆波传播属性;短时地表应变变化的平均传播速度约为310 m/s,与大气重力波传播速度基本一致。部分观测站还记录到绕地球一圈后再次到达的大气重力波对地表的作用。这是首次通过大范围布设的高精度地应变观测仪记录到大气重力波作用于地表的痕迹,有助于认识地壳运动和大气圈层相互影响的机制。

English Abstract

吕品姬, 李正媛, 孙伶俐, 林俊, 唐磊, 倪乙鹏. 2022年汤加火山喷发对中国大陆地应变观测的影响分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 927-933. doi: 10.13203/j.whugis20220174
引用本文: 吕品姬, 李正媛, 孙伶俐, 林俊, 唐磊, 倪乙鹏. 2022年汤加火山喷发对中国大陆地应变观测的影响分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 927-933. doi: 10.13203/j.whugis20220174
LÜ Pinji, LI Zhengyuan, SUN Lingli, LIN Jun, TANG Lei, NI Yipeng. Analysis of Impact of the Tonga Volcanic Eruption in 2022 on the Strain Observation of Chinese Mainland[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 927-933. doi: 10.13203/j.whugis20220174
Citation: LÜ Pinji, LI Zhengyuan, SUN Lingli, LIN Jun, TANG Lei, NI Yipeng. Analysis of Impact of the Tonga Volcanic Eruption in 2022 on the Strain Observation of Chinese Mainland[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 927-933. doi: 10.13203/j.whugis20220174
  • 北京时间2022-01-15T12:26:30(当地时间16:26:30),南太平洋汤加Hunga-Tonga Hunga-Ha'apai(HTHH)海底火山发生剧烈喷发,产生的蘑菇云团直径达到400~500 km,喷发柱高达58 km,火山喷发过程中当地磁场和电离层出现明显的异常变化,全球导航卫星系统(global na-vigation satellite system,GNSS)监测站记录到50.2 cm的地表抬升[1-4]

    此次火山爆发指数为5~6级,是1991年菲律宾皮纳图博火山喷发以来全球最大的一次火山喷发[1-4],这一罕见事件激发了全球范围的海啸波和大气冲击波、大气重力波、地震波、声波和次声波[3-4]。美国宇航局Aqua卫星的大气红外探测器记录到多个绵延超过16 000 km的同心圆,每个同心圆代表大气中快速移动的气体波,通过分析认为这是由于火山喷发产生的热空气和火山灰迅速上升进入上层大气,大气中的空气分子在空气柱中受到垂直扰动而非水平扰动,引发了大规模的大气重力波[3-4]。当天20—24时,中国大陆地应变观测站从东至西依次记录到与此相关的短时地表应变变化。

    • 中国地震局地球物理台网在全国布设了204个地应变观测站,包括洞体应变观测仪117套、四分量钻孔应变(简称四分量应变)观测仪67套和体积式钻孔应变(简称体应变)观测仪70套。洞体应变观测是通过在山洞洞体(水平坑道或平洞)内布设长度约为30 m的定长铟钢基线并固定一端,连续观测地应变随时间的变化[5];四分量应变和体应变则是在地下数十米至几百米深度的基岩内布设应变探头,体应变通过腔体内液面高度变化记录所受到的应变变化,四分量应变则是通过4个对称布设的元件观测水平应变状态变化[6]

      地应变观测仪器的分辨力均优于1×10-9,不仅可以清晰记录到应变固体潮,还可以记录地震应变波以及地层微破裂等信息[5-6]。在实际分析2022-01-15—2022-01-18观测数据时,摒弃故障仪器,可用数据包括197个地应变观测站的112套洞体应变仪、60套四分量应变仪和69套体应变仪。

    • 本文中使用的地应变观测数据的采样间隔均为1 min,为真实表现大气重力波对地表应变的响应特征,采用紧支撑标准正交小波db4小波基函数,滤除观测数据中的固体潮和漂移等低频信号[7]。首先根据数据变化形态设置小波分解阶数为6,得到第6阶趋势项A6,然后根据小波信号重构原理获得原始数据y的细节项dy,dy=y-A6

      本文对怀来台洞体应变北南分量观测数据进行信号提取和功率谱分析,如图 1所示。对原始观测数据(图 1(a))进行滤波后得到图 1(b),滤波后的数据保留了2 h以下的噪声、异常突变及其他随机波动信号。从图 1(b)中可清晰看到,地应变于2022年1月15日21时后出现幅度约48×10-10的快速陡升,在10 min内达到峰值后迅速下降,下降幅度达到2倍上升幅度,之后逐渐恢复,整个过程持续约1.5 h,期间地应变最大变化幅度约为96×10-10,如图 1(b)中红色虚线所示。对图 1(b)进行功率谱分析得到图 1(c),可以看出滤波后数据的优势频率约为30~50 min。

      图  1  信号提取和功率谱分析

      Figure 1.  Signal Extraction and Power Spectrum Analysis

    • 本文以3类地应变观测仪中数量最多、分布最广的洞体应变仪为例,首先计算观测站至HTHH火山的距离,然后以HTHH火山喷发时刻作为计时起点,计算各观测站记录到地表短时应变变化的峰值到达时间,如图 2所示。地表短时应变变化的峰值到达时间与观测站至HTHH火山的距离直接相关,距离火山最近的中国沿海地区观测站最先记录到短时应变变化,距离最远的中国新疆地区观测站最晚记录,两者相差近4 h。

      图  2  洞体应变峰值到时分布图

      Figure 2.  Peak Time Distribution of Cave Strain

      计算各观测站短时应变变化的传播速度并计算其变化幅度,结果如图 3所示。由图 3可以看出,传播速度主要集中在300~315 m/s,由此得到该地表短时应变变化的平均传播速度约为310 m/s,这与美国西北大学Okal教授在2022年2月26日全球直播的“2022汤加火山喷发与海啸学术研讨会”中提出此次大气重力波传播速度为313 m/s基本一致。由于不同观测站的洞体应变仪所处山洞的观测条件,如基岩条件、进深、覆盖、高程等各不相同,与幅值直接相关的格值系数也不相同。洞体应变观测站记录的地应变变化幅度最小为32×10-10,最大为405×10-10,离散度较大。按照面应变计算公式[5],得到此次大气重力波作用下引起的地表平均面应变变化幅度约为186×10-10

      图  3  洞体应变仪记录到短时应变变化的传播速度和变化幅度

      Figure 3.  Velocity and Amplitude of the Short-Time Strain Changes Recorded by Cave Strain Observations

      将地应变观测站2022年1月15日19时—16日01时共6 h的滤波后数据按照由近及远的顺序进行绘制,如图 4所示。由图 4可以看出,各观测站依次记录到时长约1.5 h、形态高度一致的短时地表变形。其中,最大变化主要集中在前40 min,洞体应变和体应变表现为最初15~20 min的快速上升、随后15 min急速下降的单脉冲形态,最后伴随小幅涟漪状波动继而恢复正常;四分量应变的快速变化阶段则表现为先下降后上升的形态。

      图  4  地应变观测记录到的地表短时变化

      Figure 4.  Short-Time Surface Changes Recorded by Ground Strain Observations

      图 4中3类地应变仪的观测形态可以看出,洞体应变和体应变的变化较为一致,四分量应变的变化形态相反,这与此次事件的激发条件和仪器观测原理不同有关。整个事件的变化没有表现出随距离增加峰值变化幅度明显衰减的情形,这也是大气重力波按照兰姆波形式传播的有力证明[28]。产生大气重力波的主要诱发因素包括台风、热带气旋、飑线、雷暴等强对流现象,而此次大气重力波则是由于火山喷发产生热空气和火山灰迅速上升进入上层大气后引发,并以兰姆波的形式实现在超远距离中以最佳方式传递能量[36]

      最新发表的关于汤加火山喷发后的相关资料[249]提到,此次火山喷发产生的次声波、大气兰姆波能量巨大,不但能够被一万多千米外的台站接收到,甚至在绕地球传播一圈后仍有可能接收到。图 5为火山喷发后几天的地应变观测数据,其中红色虚线代表首次到达的应变波,蓝色虚线代表第二次到达的应变波,两者相隔近36 h,二次到达波幅度约为首次到达波的1/5~1/2。按照波速310 m/s计算,36 h行进距离约为40 176 km,与地球平均周长40 076 km接近,应为大气重力波环绕地球一周后二次到达观测站的信号,图 6为大气重力波行进轨迹示意图。

      图  5  地应变观测站记录到的两次大气重力波

      Figure 5.  Twice-Reached Atmospheric Gravity Waves Recorded by Ground Strain Observation Stations

      图  6  大气重力波两次到达观测站的运动轨迹示意图

      Figure 6.  Schematic Diagram of Motion Trajectory of the Twice-Reached Atmospheric Gravity Waves

    • 从上文论述可知,HTHH火山喷发后引起的大气重力波在全球构建了一个相对单纯、水平作用几乎为零、主要以垂直作用为主的应力应变环境,这与以往常见的由气象因素导致的短时地表应变变化事件的响应机制不同[10],强对流天气变化往往同时叠加大风、降温、降水等多种因素,应力作用更为复杂。

      一般认为,洞体应变和四分量应变均为对水平应变变化的观测[5-6],且观测数据遵从拉张为正、挤压为负的变化规律,对同一事件的响应特征应该一致;体应变观测数据则遵从挤压为正、拉张为负的变化规律,对同一事件的响应特征与洞体应变、四分量应变相反。对于此次事件,3类应变仪的响应形态如图 7所示。由图 7可以看出,洞体应变与体应变的变化形态一致,在事件开始后的15 min内伴随大气重力波垂直向下的作用,同时经历应变变化快速增加的过程,如图 7(a)图 7(c)中红色实线所示;随后15 min伴随大气重力波垂直向上的作用同步出现应变变化快速下降的过程,如图 7(a)图 7(c)中蓝色实线所示。而四分量应变的变化形态则相反,应变变化呈现出先下降后上升的变化过程,如图 7(b)所示。

      图  7  三类应变仪在大气重力波作用下的响应曲线

      Figure 7.  Response Curves of Three Different Strain Meters Effected by the Atmospheric Gravity Waves

      本文根据仪器观测原理和此次事件中的应力作用特征开展分析:

      1)洞体应变仪的响应机理如图 8所示。洞体应变仪一般处于原始平衡状态下,当观测场地受到垂直向下的大气重力波作用力时,地下介质中孔隙受力张开,引起地表应变呈拉张状态,测量端B点受此影响伸长至B′点,基线伸长ΔL1,即观测数据呈正向变化,对应图 7(a)中的红色曲线。随后,大气重力波垂直向上反向变化,地表应力卸载导致地表应变呈收缩状态,传递到观测仪器即测量端由B′点随地表收缩至B″点,基线缩短ΔL2,应变仪记录数据快速减小,对应图 7(a)中蓝色曲线。

      图  8  洞体应变仪响应机理分析

      Figure 8.  Response Principle of Cave Strain Meter

      2)四分量应变仪的响应机理见图 9。安装在地下一定深度、孔径为110~130 mm的四分量应变仪在受到垂直向下作用力时,由于钻孔周围岩层中的裂隙受力扩张,导致钻孔受到挤压,造成四分量应变仪径向因挤压减小,从而使观测数据减小,对应图 7(b)中红色曲线变化。当作用力卸载且呈反向变化时,围岩中扩张变形的裂隙变形恢复,钻孔径向受力减小,钻孔孔径复原,数据正向变化,对应图 7(b)蓝色曲线变化。

      图  9  四分量应变仪响应机理分析

      Figure 9.  Response Principle of Four-gages Borehole Strain Meter

      3)体应变仪的响应机理见图 10。体应变仪的响应机理同四分量应变,相同孔径的体应变仪在受到大气重力波垂直向下作用力时,由于钻孔受到挤压,造成体应变仪器腔体受到挤压后液面上升,观测数据变大,对应图 7(c)红色曲线变化。当作用力呈反向变化时,围岩中受拉张变形的裂隙变形恢复、应力松弛,体应变腔体液面回落,测量数据减小,对应图 7(c)蓝色曲线变化。

      图  10  体应变仪响应机理分析

      Figure 10.  Response Principle of Borehole Strain Meter

    • 2022年1月15日汤加HTHH火山的猛烈喷发是21世纪迄今规模最大的一次,引发了全球气象学、地震学、火山学、高性能和可视化计算等多领域专家的共同关注,初步观测成果证实这次火山喷发历经多个过程,涉及力学、物理、化学多学科之间复杂性质的相互作用,影响了地球的多个圈层,包括从离地100 km外电离层外太空直到地下100 km的上地幔,横跨径向200 km的地球[2-4]。本文通过细致分析中国大陆地应变台站的观测资料发现大气重力波作用于地表的痕迹,得到以下结论:

      1)此次HTHH火山喷发后激发出以兰姆波形式在全球大范围传波的大气重力波,中国大陆近200个地应变观测站均记录到由此引发的短时地表应变扰动变化。

      2)该应变变化的持续时间约为1 h,其中能量较强的变化集中在前40 min,呈现出单脉冲起伏状变化。

      3)不同观测站对于该事件的记录具有高度相似性,且变化幅度未呈现出随距离明显的衰减的现象,这也是对此次大气重力波是以兰姆波形式传播的证据。

      4)事件传播的平均速度为310 m/s,与大气重力波传播速度基本一致,根据洞体应变短时变化峰值计算得到的平均面应变为186×10-10

      5)大部分观测站还记录绕地球一圈后二次到达的大气重力波信号,与首次到达时间间隔约36 h,幅度衰减了3~5倍。

      这是首次通过大范围布设的高精度地应变观测仪记录到大气重力波作用于地表的痕迹,有助于认识地壳运动和大气圈层相互影响的机制。

参考文献 (10)

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