大地震造成的空间涟漪

2015年，LIGO成功探测到引力波，引起了物理学界的狂欢。

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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.