DZW型重力仪观测的2011日本大地震激发的地球自由振荡

钱建秀 任佳

摘要：本文利用5个台站（姑咱台、黄梅台、马陵山台、西昌小庙台和宜昌台）的DZW型重力仪的观测资料首次对2011年3月11日的日本大地震激发的基频球型自由振荡进行了全频段提取，明确检测到了0S3～0S76的基型球型振荡频率，同时把检测到的振荡频率与PREM模型理论值进行对比，结果表明实测频率与理论振荡频率基本保持一致。

关键词：重力资料;2011年日本大地震;地球自由振荡;品质因子

近年来，在我国越来越多的人关注地球自由振荡研究，目前对于基频球型振荡，利用数字化前兆观测资料最多仅能检测到0S48。对于采样率是分钟值的数据，它能检测到的基频球型自由振荡频段应是0S2～0S76。对于2011年3月11日的日本大地震，本文利用DZW型微伽重力仪的观测资料，尝试对其地球基频球型自由震荡信号进行了全频段提取，并利用重力资料进一步计算自由振荡的品质因子Q值。

一、数据处理

DZW重力仪的监测数据来源于中国地震台网中心，计算精度为分钟值。通过对原始数据进行预处理，主要包括：剔除观测值中的一些错误数据（如尖蜂、突跳、掉格等），对于有些数据可能由于监测中途突然出现断电、地震等外在因素导致的数据出现不连续等情况，对于此情况，主要对缺失数据进行了插值计算，以保证能够获得更高精度的重力场。

二、结果分析

（一）地球自由振荡谱分析

本文主要采用功率谱密度估计法来分析地球的自由振荡信号。通过监测5个台站（姑咱台、黄梅台、马陵山台、西昌小庙台和宜昌台）的DZW型重力仪的观测数据来检测球型振荡的振型，经发现，在0.2～1.3mHz频段内，可检测到的振型为0S3～0S7;在1.3～4.5频段范围内，可检测到的振型为0S8～0S37;在4.5～8.02mHz频段范围内，可清晰的检测到0S38～0S76的振型。通过5个台站（姑咱台、黄梅台、马陵山台、西昌小庙台和宜昌台）DZW型重力仪的功率谱，我们计算得到了球型振荡0S3～0S67等振型的观测周期平均值。

通过对比振型为0S3～0S67的观测均值和PREM模型理论值，计算得到0S3～0S67的偏差值和相对误差值，发现除0S4、0S5、0S55振型的观测周期和PREM模型理论值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基本都在0.1%附近波动，由于数据太长，本文只选取了其中部分（0S3～0S14、0S55～0S66）典型的振型列出（见表1），由此说明，观测值和PREM模型的理論值是比较吻合的。

（二）球型振荡的品质因子分析

地球是一个非弹性介质的球体，发生地震时，由于地震波的作用，使地球产生的自由振荡产生的振幅会随着地震波的传播时间的增大会逐渐减小，这种介质的非弹性属性我们可以用品质因子Q来描述。可根据公式Q=-2πf/k

即可求得该振型的品质因子Q值。表2给出了5个台站0S9～0S20的Q值。从表2中可知，0S10的PREM模型值空缺，因此无法计算0S10的偏差和相对误差值。从计算结果来看，除0S16和0S20振型的偏差较大以外，分别为17.2和15.8，其余振型的平均Q值与PREM模型的理论Q值都比较接近，偏差值均小于10.5%。同理，除0S16和0S20振型的相对误差较大以外，分别为6.19%和6.84%，其余振型的平均Q值与PREM模型的理论Q值都比较接近，相对误差误差的数值均小于3.5%。总之，5个台站0S9～0S20振型的观测平均Q值和PREM模型理论Q值的数值均在230～370之间，而相对误差在0～6.2%之间，误差非常小。因此，使用该方法计算得到的Q值是比较可靠的。

三、结论

1.本文主要采取5个台站（姑咱台、黄梅台、马陵山台、西昌小庙台和宜昌台）的DZW型重力仪的监测资料首次对2011年3月11日日本大地震激发的基频球型自由振荡信号进行了全频段提取，并把提取结果与PREM模型理论值进行对比，发现振荡频率基本一致，表明本文采取的方法是切实可行的。

2.通过计算观测平均Q值与PREM模型的理论Q值对比发现：除0S16和0S20振型的偏差较大以外，分别为17.2和15.8，其余振型的平均Q值与PREM模型的理论Q值都比较接近，偏差值均小于10.5%。同理，除0S16和0S20振型的相对误差较大以外，分别为6.19%和6.84%，其余振型的平均Q值与PREM模型的理论Q值都比较接近，相对误差误差的数值均小于3.5%。总之，5个台站0S9～0S20振型的观测平均Q值和PREM模型理论Q值的数值均在230～370之间，而相对误差在0～6.2%之间，误差非常小。因此，使用该方法计算得到的Q值是比较可靠的。

3.虽然平均Q值与PREM模型的Q值比较接近，但5个台站观测到的每个振型的Q值各不相近，有的差别较大，具体原因仍有待进一步研究。

致谢：感谢中国地震台网中心给提供的重力数据和万永革老师提供的PREM模型数据，在Q值计算方面，唐磊老师给予了大力支持，在此一并感谢。

参考文献：

[1]杨跃文，秦嘉政，任佳，等.利用云南水管仪观测资料检测地球自由振荡[J].地震研究，2020，33（2）：189-194.