利用宜昌台重力观测资料检测地球自由振荡＊

袁 曲 任 佳 樊春燕 成 娜 张 欢

(1)湖北省地震局宜昌地震台,宜昌 443000 2)河北省地震局张家口中心台,张家口 075000 3)中国地震台网中心,北京 100045 4)河南省地震局洛阳地震台,洛阳 471000 5)上海市地震局佘山地震台,上海 201602)

利用宜昌台重力观测资料检测地球自由振荡＊

袁 曲1)任 佳2)樊春燕3)成 娜4)张 欢5)

(1)湖北省地震局宜昌地震台,宜昌 443000 2)河北省地震局张家口中心台,张家口 075000 3)中国地震台网中心,北京 100045 4)河南省地震局洛阳地震台,洛阳 471000 5)上海市地震局佘山地震台,上海 201602)

用宜昌台DZ W微伽重力仪的数字化观测资料,利用功率谱密度估计方法,在没有对资料进行去重力潮汐和气压改正的情况下,准确获得了 2004年 12月 26日发生的苏门答腊大地震激发的0S3～0S37基频球型自由振荡,并与 PREM模型的理论自由振荡周期进行了对比,发现实测振荡周期与 PRE M预测的振荡周期相吻合,除0S3、0S4、0S5、0S6、0S10振型的观测周期和 PRE M模型理论周期的相对误差大于 0.2%外,其他振型的观测周期和PREM模型理论周期的相对误差大都集中在 0.1%左右。

重力;苏门答腊地震;地球自由振荡;球型振荡;PREM模型

1 引言

地震振动产生的地震波,其中体波直接通过地球传播,而其他波则沿地球表面传播。面波从震源向各方向射出,由于地球是球体,这些不同方向的波最终产生相互干涉,这种干涉方式叫“自由振荡”。将观测到的振荡周期与各种地球模型给出的地球自由振荡周期比较,获得了另外一种独立于地震体波的研究地球物理参数随深度变化的方法[1]。地球自由振荡存在两种基本振型：环型振荡和球型振荡。状态良好的重力仪适合观测球型的自由振荡[2]。

最早对地球自由振荡的准确观测是对 1960年智利 Ms8.3(Mw9.5)地震,分别用 Isabella应变仪[3]和 LaCoste-Romberg重力仪[4]实现的。两套观测结果非常吻合并与理论值相当一致,确认了长周期自由振荡的存在。至今,用于观测地球自由振荡的仪器主要包括：宽频带地震仪、基线应变仪、重力仪、水管倾斜仪、垂直摆倾斜仪和水位仪[3,5-11]。2004年 12月 26日发生的苏门答腊大地震,再次为研究地球自由振荡提供了机会。文献[12～19]分别对这次地震激发的地球自由振荡进行了研究。本文将利用宜昌地震台DZ W微伽重力仪的数字化重力观测资料研究苏门答腊地震激发的球型自由振荡。

2 宜昌地震台的重力观测

宜昌地震台DZ W微伽重力仪由中国地震局地震研究所研制,其台址位于湖北宜昌夷陵区森林公园内,基岩为白垩纪下统石门组砾岩,砾岩胶结完整。仪器洞深约 200 m,覆盖层厚 35m,洞室温度恒定,全年温度为 18.02℃,山洞月温度的变化量 ＜3.2×10-4。

DZ W微伽重力仪于 2001年 9月开始试验观测,2003年试记,2004年正式观测。从观测资料看, DZ W微伽重力仪具有较宽的动态线性测量范围、较低的噪声水平和漂移率,是目前观测重力场微小变化非常可靠的仪器。

3 资料处理

2004年 12月 26日印尼苏门答腊岛西部附近海域印度洋发生M9.0地震,宜昌地震台DZ W微伽重力仪观测到明显的地球自由振荡。图 1是宜昌地震台重力仪记录的苏门答腊 9.0级大地震分钟值曲线,此曲线没有经过任何消除干扰的处理,从图 1中可清晰地看到重力潮汐和地震波。从图 1中可见,虽然调试仪器造成了一些缺数,但由于处在地震前,故对本文的数据处理无影响。而电瓶故障造成的缺数,由于缺数较少,对频谱分析影响也不大。我们的处理方法是忽略缺数部分,缺数两端直接对接。分析中共提取了有明显地震影响的 5天的资料,共7 200分钟的数据参与计算。

图 1 DZ W微伽重力仪记录的苏门答腊地震的分钟值曲线Fig.1 Minute value curve of the Sumatra earthquake recorded by the gravimeter at Yichang station

分析方法采用通常的功率谱密度估计的方法提取地球球型自由振荡,即

式中,自相关函数 Rn为:

式中,N =7 200为所用数据的数目,x为宜昌地震台记录的重力数据,Sk离散值为功率谱密度值。本文利用宜昌地震台DZ W微伽数字化重力观测资料采用直接计算功率谱密度的方式来提取球型振荡振型。为了消除数据不能无限长而必须加窗对功率谱密度估计造成的影响,本文采用 Hanning窗来抑制旁瓣,突出主瓣。

4 球型自由振荡的识别

按照前面的计算方法,我们得到了宜昌地震台重力数据的功率谱密度估计 (图 2～5,垂直虚线表示 PREM模型给出在其顶点标出振型的自由振荡频率值)。在 0.28～1.8 mHz频段内可以清楚地检测到球型振荡的基型振荡0S3～0S10。“足球”式振荡0S2振型虽然附近功率谱密度有一个峰值,但相对于周围的噪声水平并没有明显分开。作为初步研究结果,在后面的分析中,我们只将 PREM模型给出的基型球型振荡的频率值与宜昌台重力观测数据功率谱密度进行对比。

图 3、图 4为 1.8～3.86频段范围内的功率谱密度(相对值)与 PREM模型给出的球型振荡频率值的对应情况。在这一频段可以看到,宜昌台DZ W微伽重力仪的观测数据可以清楚地检测到球型振荡的基型振荡0S11～0S30。

图 2 0.28～1.8 mHz频段重力数据功率谱密度估计曲线Fig.2 Curve of power spectrum density estimation of the gravity data in the frequence section of 0.28-1.8 mHz

图 3 1.8～2.8 mHz频段重力数据功率谱密度估计曲线Fig.3 Curve of power spectrum density estimation of the gravity data in the frequence section of 1.8-2.8 mHz

图 4 2.8～3.86 mHz频段重力数据功率谱密度估计曲线Fig.4 Curve of power spectrum density estimation of the gravity data in the frequence section of 2.8-3.8 mHz

图 5 3.86～4.6 mHz频段重力数据功率谱密度估计曲线Fig.5 Curve of power spectrum density esti mation of the gravity data in the frequence section of 3.86-4.6 mHz

表 1 DZW微伽重力仪观测到的地球球型振荡平均观测值、PREM模型理论值及观测值与 PREM模型理论值之差Tab.1 M ean observations of the spherical earth’s oscillation and the theoretical values and the differences between them

图 5为 3.86～4.6 mHz频段范围内的功率谱密度(相对值)与 PREM模型给出的球型振荡频率值的对应情况。可以看到,虽然在这个频段噪声比较大,但宜昌地震台DZ W微伽重力仪的观测数据仍然可以较清楚地检测到球型基频振荡0S31～0S38。

通过绘制的宜昌地震台重力仪观测到的苏门答腊地震功率谱,我们得到了球型振荡0S3～0S37等振型的周期平均值(表 1)。用观测值和 PREM模型理论值相比较,除0S3、0S4、0S5、0S6、0S10振型的观测周期和PREM模型理论周期的相对误差大于0.2%外,其他振型的观测周期和 PREM模型理论周期的相对误差大都集中在 0.1%左右,这说明观测值和PREM模型的理论值是比较吻合的。

4 结论

1)用宜昌地震台DZ W微伽重力仪的数字化观测资料成功地对印尼苏门答腊 9.0级地震激发的球型自由振荡进行了提取,准确检测到了0S3～0S37的基型球型振荡,并与地球初步参考模型 (PREM)的理论自由振荡频率进行了对比,发现实测振荡频率与 PREM预测的振荡频率基本符合。这既反映了该台重力仪器运行状态良好,也表明本文的研究是成功的。

2)本研究没有对观测数据进行去重力潮汐和气压改正的处理,而是直接提取地球自由振荡的信息,结果表明这样的处理方法在一定条件下是成功的。

3)对地球自由振荡问题的探讨正在逐渐深入,除为地球结构问题的研究提供约束条件外,还可以利用自由振荡观测资料研究震源过程[20]、鉴别慢地震[21]。至于如何为建立更精确的地球模型等提供新信息,是需要深入研究的问题。另外,如何用这种观测资料来检验重力仪观测的频响特性,也是进一步研究的问题。

致谢 衷心感谢万永革老师提供 PREM模型数据!

1 傅承义,陈运泰,祁贵仲.地球物理学基础[M].北京：科学出版社,1985.

2 Garland G D.Introduction to Geophysics(Mantle,Core and Crust).2nd ed[M].Toronto：W B Saunders Company, 2003.

3 Benioff H,Press F and Smith S.Excitation of the free oscillations of the earth by earthquakes[J].Geophys.Res,1961, 66(2)：605-619.

4 NessN R,Harrison C T and SliehterL B.Observation of the free oscillation of the earth[J].Geophys Res,1961,66：621 -629.

5 Alsop L E,Sutton G H and Ewing M.Free oscillation of Earth observed on strain and pendulum seismographs[J]. Geophy.Res,1961,66(2)：631-641.

6 Bogert B P.An observation of free oscillations of the Earth [J].Geophys.Res,1961,66(2)：643-646.

7 DziewonskiA M and Gillbert F.Observation of normalmodes from 84 recordings of the Alaskan earthquakes 0f 1964 March 28[J].Geophys.J.R.Astr.Soc,1972,27：393-446.

8 Bolt B A and Currie R G.Maximum entropy estimates of Earth torsional eigenperiods from 1960 trieste data[J].Geophys.J.R.Astr.Soc,1975,40：107-114.

9 Zadro M and Braitenberg C.Measurements and interpretations of tiltstrain gauges in seis mically active areas[J].Earth Science Reviews,1999,47：151-187.

10 吕永清,蔡亚先,周云耀.用 JCZ-1超宽频带数字地震仪观测地球自由振荡[J].地壳形变与地震,1997,(3)：103-105.

11 唐磊,邱泽华,阚宝祥.中国钻孔体应变台网观测到的地球自由振荡[J].大地测量与地球动力学,2007,(6)：37 -44.

12 任佳,等.数字化水位仪观测的苏门答腊大地震激发的地球球型自由振荡[J].地震研究,2009,32(4)：333-338.

13 Stein S and Okal E A.Speed and size of the Sumatra earthquake[J].Nature,2005a,434：581-582.

14 邓娜,等.利用双阳台水管观测资料检测地球自由振荡[J].大地测量与地球动力学,2009,(增刊)：41-44,58.

15 Stein S and Okal E A.The 2004 Sumatra earthquake and India ocean tsunami：What happened and why[J].The Earth’s Scientist,2005b,(2)：6-11.

16 万永革,盛书中,周公威.中国数字地震台网记录的苏门答腊—安达曼地震激发的地球球型自由振荡的检测[J].地震学报,2007,29(4)：369-381.

17 雷湘鄂,等.苏门达腊地震激发的地球自由振荡及其谱线分裂的检测与讨论 [J].中国科学 (D辑),2007,37 (4)：504-511.

18 邱泽华,等.钻孔差应变仪观测的苏门答腊大地震激发的地球环型自由振荡[J].地球物理学报,2007,50(3)：797-805.

19 万永革.数字信号处理的MATLAB实现[M].北京：科学出版社,2007.

20 Park J,et al.Earth’s free oscillations excited by the 26 December 2004 SumatraAndaman earthquake[J].Science, 2005,308：1 139-1 146.

21 Beroza G C and Jordan T H.Searching for slow and silent earthquakes using free oscillations[J].Geophys Res., 1990,95(B3)：2 485-2 510.

DETECTING EARTH’S FREE OSC ILLATIONS BY USE OF GRAVITY OBSERVATIONS AT Y ICHANG STATION

Yuan Qu1),Ren Jia2),Fan Chunyan3),Cheng Na4)and Zhang Huan5)

(1)Yichang Seism ostation of the Eaarthquake Adm inistration of Hubei Province,Yichang 443000 2)Zhangjiakou Central Station of the Eaarthquake Adm inistration of Hebei Province,Zhangjiakou 075000 3)China Seism ic Station Network Center,B eijing 100045 4)Luoyang Seism ostation of the Eaarthquake Adm inistration of Henan Province,Luoyang 471000 5)Sheshan Seism ostation of the Eaarthquake Adm inistration of ShanghaiM inicipality,Shanghai 201602)

By use of the digitiled observations of the DZ W microgal gravimeter at Yichang station without the corections of gravity tide and prossure the spherical free oscillations of the baseband0S3-0S37excited by the 26 Dec.2004 Sumatra earthquake are exactly obtained with the method of power spectrum density estimation.After comparing itwith the periods of the theoretical free oscillation calculated with the PREM model it is found out that the observed period coincideswith the theoretical.Except for the0S3,0S4,0S5,0S6and0S10that their relative error between the observed period and the theoreticalones ismore than 0.2%,for the most of the others the relative error is about 1%.

gravity;Sumatra earthquake;the earth’s free oscillation;spherical oscillation;PREM model

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0074-04

2010-06-29

袁曲,女,1971年生 ,工程师,长期从事地震监测、地震预报工作.E-mail：yq15430895@sina.com

P315.5

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