用高精度超导重力技术检测和研究“Hum”信号

The signal "Hum" is a permanent and tiny oscillation signal near the Earth's surface. Its exciting resources are divergent, and these resources are mainly related to the ocean, the atmosphere, the wind, etc. In the recent dozens of years, the signal "Hum" observed by seismometers is gradually becoming the study hotspot home and abroad. It is regarded as a new observing technique to investigate the Earth's interior structure. The gravimeter is regarded as another kind of long-period vertical seismometer. Therefore, the signal "Hum" can also be detected by high-precision superconducting gravimeters as same as the seismometers. In this project,the gravity backgroud noise is extracted from the observations using measurements from superconducting gravimeters and the Hilbert-Huang transform based on the traditional filtering method. The frequency characteristics of the gravity background noise that the signals "Hum" might exit are obtained by frequency analysis. The staion cross-correlation Green's fuctions are calculated to detect the signal "Hum". The exciting factors of the signal "Hum" are discussed. In addtion, the gravity background noise level for each superconducting gravimeter station and observing accuracy for each superconducting gravimeter can be obtained. This project provids a new observing technique to investigate the "Hum"signal and the Earth's interior structure besides the observations from seismometers.

"Hum"信号是隐藏在地球背景噪声中的近地表永久性微小振动信号。其激发原因众说纷纭，主要与海洋、大气、风等有关。近二十几年来，地震仪观测到的"Hum"信号逐渐成为国内外研究的热点，是用来研究地球内部构造的新技术手段。重力仪可看作是一种垂直向的长周期地震仪，因此高精度超导重力仪同样可以检测到"Hum"信号的存在，并且由于超导重力仪具有极宽的频谱范围，可弥补高频地震仪在长周期"Hum"研究的不足。本项目利用超导重力仪观测资料，引进希尔伯特-黄变换方法并基于传统的滤波方法提取重力背景噪声，采用频谱分析获取"Hum"信号可能出现频段的重力背景噪声频谱特征，计算台站互相关格林函数检测"Hum"信号，探讨"Hum"的激发原因。另外还可以获得各个超导重力仪台站的重力背景噪声水平，估计各台超导重力仪的观测精度。本项目提供了研究"Hum"信号和地球内部构造除地震仪观测之外的新观测技术手段。

“hum”信号是地球背景噪声中高频噪声的部分，近二十年来，利用地震仪观测的地球背景噪声得到了广泛的研究和应用，可用于反演地球浅层的精细地下结构，从而摆脱了依靠天然地震研究地球内部结构的桎梏。既然地震仪观测的背景噪声能得到成功的应用，那么重力仪可认为是一种垂向地震仪，其观测数据同样可以研究“hum”信号，而且由于重力仪的观测资料连续观测的时间一般比地震仪要好很多，通过长时间的叠加，可能获得更长周期的地球背景噪声信号，因而进一步反演更深部的地球内部结构，这是本项目的初衷。. 通过本项目的研究，我们用超导重力仪观测数据、“中国大陆构造环境监测网络”（简称“陆态网”）的30台gPhone重力仪连续重力观测、中国大陆部分地震仪的观测数据，对比研究了“hum”的精细频谱特征，并利用提取的“hum”信号尝试进行了地下结构反演，分析了各台站的重力噪声水平，研究了仪器的传递函数，研究了“hum”信号的噪声源。研究结果表明，利用超导重力仪的观测数据在部分台站清晰地获得了“hum”信号，其频谱特征并不是以前发表的文章中给定的3-15mHz，而是包括了整个高频噪声频段，其频段和理论计算得到的相一致，说明高频“hum”信号也是地球基本的自由振荡。研究获得了各台站的噪声水平，对于观测数据用于高频信号的研究非常有必要，要研究的信号需要在噪声水平之上。给出了“陆态网”各gPhone重力仪台站的噪声水平，并给出了最低噪声水平模型，为gPhone重力仪在中国大陆的观测提供了有用信息。台站噪声也用于重力地震前兆的研究，期望能为短临地震预报给出重力方面的依据。另外，利用重力仪获得的“hum”信号反演地下结构也有了初步的进展，目前已获得了区域的S波速度随地下深度的变化。“hum”信号激发源的研究利用了能量来源定位的方法，结果支持“hum”信号来源于海洋的激发，另外还发现“hum”信号的强度有季节性的变化。