《Journal of Geodynamics》：Characterization of co-seismic gravity variations of Hualian Ms7.3 earthquake based on continuous gravity station network
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共震重力变化分析：基于STFT方法研究福建地区六个重力站2024年花莲7.3级地震的共震重力信号提取，对比传统指数拟合和阶跃函数法，STFT在噪声抑制和精度上提升超20%，验证gPhone重力仪低频高精度特性，为地震预警优化提供新方法。
王乐行|刘青超|张晓桐|刘子伟|江颖|翟德琳|肖琪
中国地震局地震研究所，洪山路40号，武汉430071，中国
摘要
通过连续重力观测监测共震重力变化对于理解与地震过程相关的地表和地下质量重新分布具有重要的科学意义。在本研究中，我们分析了福建省中国连续重力观测网六个站点的连续重力数据，以研究与花莲7.3级地震相关的共震重力变化特征。为了提高信号提取的准确性，我们对重力记录应用了短时傅里叶变换（STFT），并将其性能与指数函数和阶跃函数拟合方法进行了比较。结果表明，STFT方法能够获得更为精确的共震变化信号。与粘弹性分层半空间模型和球形位错理论相比，STFT方法的准确度提高了20%以上。进一步分析表明，区域地质条件（通过背景噪声水平体现）显著影响了共震信号的提取；然而，STFT方法的有效应用抑制了这些区域地质影响，从而能够更可靠地提取地震引起的重力变化。总体而言，我们的发现表明gPhone重力仪在低频范围内具有高精度和稳定性，而STFT技术为精确提取共震重力信号提供了强大的工具，从而为优化地震预警系统和推进地震源机制研究奠定了基础。
引言
连续的地面重力测量反映了在各种环境扰动和地质动力学活动影响下的质量传输与交换过程，以及地表和地球内部的变形（Sun等人，2021年）。在地震期间，突然的断层滑动会导致共震变形和质量重新分布。连续重力观测可以有效地检测到震前异常和与这些事件相关的共震重力变化（例如，Imanishi等人，2004年；Tanaka等人，2010年；Sun，2012年；Fu，2023年；Tang和Sun，2023年；Zhu等人，2024年）。这些高分辨率观测为断层滑动分布的反演提供了关键约束，并为地震源机制研究和地震预警系统提供了宝贵的见解（Dong等人，2022年）。
然而，观测到的共震重力变化与理论预测之间存在差异。例如，Prasad等人（2017年）发现2011年Koyna 4.8级地震期间的重力变化与基于地震位错理论的预测之间存在显著偏差。Xing等人（2021年）观察到2015年尼泊尔7.9级地震期间丽江和武汉站点的共震重力变化超出了理论值一个数量级，这突显了需要更真实的地球结构和断层模型的必要性。对于2011年日本9.0级地震，Dong等人（2022年）将类似差异归因于模型简化、反演不确定性以及地形、余震活动和其他复杂因素的综合影响。此外，Fang等人（2023年）报告称，丽江超导重力仪在杨比6.4级和马斗7.4级地震期间记录的重力变化比球形位错模型预测的值大1-2个数量级。他们认为这种异常响应可能是由于两次强烈地震脉冲连续发生导致仪器机械不稳定所致。
当前观测结果与理论模型之间的差异不仅反映了地球结构和断层参数的简化，还揭示了信号提取方法本身的固有局限性。常用的技术——如时间分割方法、指数函数和阶跃函数——在特定情况下具有某些优势，但本质上受到方法论缺陷的制约。例如，时间分割方法严重依赖主观经验或固定的时间窗口来划分震前和震后阶段。这种手动划分在震后松弛等过渡期间可能会引入较大误差。指数拟合方法假设单模指数衰减，无法准确反映实际地震信号中常见的快速和慢速衰减成分的复杂组合。阶跃函数拟合方法将共震变化视为瞬时跳跃，这与许多观测信号的渐进或过渡性质相矛盾。
为了解决上述问题，本研究利用了福建省中国连续重力观测网六个站点的连续重力观测数据，并提出了一种基于短时傅里叶变换（STFT）的信号提取方法。通过实现局部化的时频分析，STFT技术克服了传统方法的局限性，能够更准确地捕捉非线性和非平稳信号的瞬时变化。在本研究中，我们系统地分析了2024年花莲7.3级地震相关的共震重力变化特征。本研究的主要目标是：（1）评估STFT技术在提取共震重力变化方面的性能；（2）研究站点背景噪声水平对观测结果的影响。这些发现不仅为优化共震重力信号提取提供了新的视角，也为推进地震源机制研究和改进地震预警技术奠定了基础。
章节片段
地震位错理论
自从弹性回弹理论提出以来，地震与断层运动之间的密切联系已得到广泛认可。Steketee（1958年）首次将位错理论应用于地震学，为其在分析共震和震后应力、应变和倾斜中的应用奠定了基础（例如，Steketee，1958年；Chinnery，1961年，Chinnery，1963年，Chinnery，1965年；Press，1965年；Yamazaki，1978年）。Okada（1985年）的一项重要进展推导出了一整套分析方法
花莲7.3级地震概述
台湾位于地震活跃的环太平洋带，经常发生高强度地震。花莲地区位于欧亚板块和菲律宾海板块的汇聚边界，后者以每年约8厘米的速度向西北方向俯冲（Cheloni等人，2024年）。这种斜向汇聚形成了复杂的构造环境：西侧以左旋纵向谷断层为主，而东侧则具有
地震期间站点背景噪声水平分析
分析地震期间的背景噪声变化有助于理解地球物理信号传播和地震动力学。前一节的结果表明，每个站点观测到的共震重力变化与理论模型之间的差异呈现出明显的站点依赖性。为了进一步阐明潜在的物理机制，我们假设这些差异的空间分布可能受到
结论与讨论
基于福建省中国连续重力观测网六个站点的连续重力观测数据，本研究系统地研究了2024年花莲7.3级地震引起的共震重力变化信号。我们提出了一种使用短时傅里叶变换（STFT）技术提取共震变化信号的有效方法，并分析了地震期间不同站点的背景噪声水平。研究结果表明：
1. 提高了
CRediT作者贡献声明
张晓桐：监督、数据管理。刘子伟：资源、方法论、数据管理、概念化。王乐行：撰写——初稿、正式分析、数据管理、概念化。刘青超：撰写——审稿与编辑、资金获取。肖琪：资金获取。江颖：验证、数据管理。翟德琳：调查、资金获取。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号42404007）、武汉国家重力与地球潮汐野外科学观测研究站开放研究基金（项目编号WHYWZ202217）以及中国地震局地震研究所基础科学研究基金（项目编号IS202446363）的资助。
