利用宜昌臺重力觀測資料檢測地球自由振蕩＊

袁 曲 任 佳 樊春燕 成 娜 張 歡

(1)湖北省地震局宜昌地震臺,宜昌 443000 2)河北省地震局張家口中心臺,張家口 075000 3)中國地震臺網中心,北京 100045 4)河南省地震局洛陽地震臺,洛陽 471000 5)上海市地震局佘山地震臺,上海 201602)

利用宜昌臺重力觀測資料檢測地球自由振蕩＊

袁 曲1)任 佳2)樊春燕3)成 娜4)張 歡5)

(1)湖北省地震局宜昌地震臺,宜昌 443000 2)河北省地震局張家口中心臺,張家口 075000 3)中國地震臺網中心,北京 100045 4)河南省地震局洛陽地震臺,洛陽 471000 5)上海市地震局佘山地震臺,上海 201602)

用宜昌臺DZ W微伽重力儀的數字化觀測資料,利用功率譜密度估計方法,在沒有對資料進行去重力潮汐和氣壓改正的情況下,準確獲得了 2004年 12月 26日發生的蘇門答臘大地震激發的0S3～0S37基頻球型自由振蕩,并與 PREM模型的理論自由振蕩周期進行了對比,發現實測振蕩周期與 PRE M預測的振蕩周期相吻合,除0S3、0S4、0S5、0S6、0S10振型的觀測周期和 PRE M模型理論周期的相對誤差大于 0.2%外,其他振型的觀測周期和PREM模型理論周期的相對誤差大都集中在 0.1%左右。

重力;蘇門答臘地震;地球自由振蕩;球型振蕩;PREM模型

1 引言

地震振動產生的地震波,其中體波直接通過地球傳播,而其他波則沿地球表面傳播。面波從震源向各方向射出,由于地球是球體,這些不同方向的波最終產生相互干涉,這種干涉方式叫“自由振蕩”。將觀測到的振蕩周期與各種地球模型給出的地球自由振蕩周期比較,獲得了另外一種獨立于地震體波的研究地球物理參數隨深度變化的方法[1]。地球自由振蕩存在兩種基本振型：環型振蕩和球型振蕩。狀態良好的重力儀適合觀測球型的自由振蕩[2]。

最早對地球自由振蕩的準確觀測是對 1960年智利 Ms8.3(Mw9.5)地震,分別用 Isabella應變儀[3]和 LaCoste-Romberg重力儀[4]實現的。兩套觀測結果非常吻合并與理論值相當一致,確認了長周期自由振蕩的存在。至今,用于觀測地球自由振蕩的儀器主要包括：寬頻帶地震儀、基線應變儀、重力儀、水管傾斜儀、垂直擺傾斜儀和水位儀[3,5-11]。2004年 12月 26日發生的蘇門答臘大地震,再次為研究地球自由振蕩提供了機會。文獻[12～19]分別對這次地震激發的地球自由振蕩進行了研究。本文將利用宜昌地震臺DZ W微伽重力儀的數字化重力觀測資料研究蘇門答臘地震激發的球型自由振蕩。

2 宜昌地震臺的重力觀測

宜昌地震臺DZ W微伽重力儀由中國地震局地震研究所研制,其臺址位于湖北宜昌夷陵區森林公園內,基巖為白堊紀下統石門組礫巖,礫巖膠結完整。儀器洞深約 200 m,覆蓋層厚 35m,洞室溫度恒定,全年溫度為 18.02℃,山洞月溫度的變化量 ＜3.2×10-4。

DZ W微伽重力儀于 2001年 9月開始試驗觀測,2003年試記,2004年正式觀測。從觀測資料看, DZ W微伽重力儀具有較寬的動態線性測量范圍、較低的噪聲水平和漂移率,是目前觀測重力場微小變化非常可靠的儀器。

3 資料處理

2004年 12月 26日印尼蘇門答臘島西部附近海域印度洋發生M9.0地震,宜昌地震臺DZ W微伽重力儀觀測到明顯的地球自由振蕩。圖 1是宜昌地震臺重力儀記錄的蘇門答臘 9.0級大地震分鐘值曲線,此曲線沒有經過任何消除干擾的處理,從圖 1中可清晰地看到重力潮汐和地震波。從圖 1中可見,雖然調試儀器造成了一些缺數,但由于處在地震前,故對本文的數據處理無影響。而電瓶故障造成的缺數,由于缺數較少,對頻譜分析影響也不大。我們的處理方法是忽略缺數部分,缺數兩端直接對接。分析中共提取了有明顯地震影響的 5天的資料,共7 200分鐘的數據參與計算。

圖 1 DZ W微伽重力儀記錄的蘇門答臘地震的分鐘值曲線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譜密度估計的方法提取地球球型自由振蕩,即

式中,自相關函數 Rn為:

式中,N =7 200為所用數據的數目,x為宜昌地震臺記錄的重力數據,Sk離散值為功率譜密度值。本文利用宜昌地震臺DZ W微伽數字化重力觀測資料采用直接計算功率譜密度的方式來提取球型振蕩振型。為了消除數據不能無限長而必須加窗對功率譜密度估計造成的影響,本文采用 Hanning窗來抑制旁瓣,突出主瓣。

4 球型自由振蕩的識別

按照前面的計算方法,我們得到了宜昌地震臺重力數據的功率譜密度估計 (圖 2～5,垂直虛線表示 PREM模型給出在其頂點標出振型的自由振蕩頻率值)。在 0.28～1.8 mHz頻段內可以清楚地檢測到球型振蕩的基型振蕩0S3～0S10。“足球”式振蕩0S2振型雖然附近功率譜密度有一個峰值,但相對于周圍的噪聲水平并沒有明顯分開。作為初步研究結果,在后面的分析中,我們只將 PREM模型給出的基型球型振蕩的頻率值與宜昌臺重力觀測數據功率譜密度進行對比。

圖 3、圖 4為 1.8～3.86頻段范圍內的功率譜密度(相對值)與 PREM模型給出的球型振蕩頻率值的對應情況。在這一頻段可以看到,宜昌臺DZ W微伽重力儀的觀測數據可以清楚地檢測到球型振蕩的基型振蕩0S11～0S30。

圖 2 0.28～1.8 mHz頻段重力數據功率譜密度估計曲線Fig.2 Curve of power spectrum density estimation of the gravity data in the frequence section of 0.28-1.8 mHz

圖 3 1.8～2.8 mHz頻段重力數據功率譜密度估計曲線Fig.3 Curve of power spectrum density estimation of the gravity data in the frequence section of 1.8-2.8 mHz

圖 4 2.8～3.86 mHz頻段重力數據功率譜密度估計曲線Fig.4 Curve of power spectrum density estimation of the gravity data in the frequence section of 2.8-3.8 mHz

圖 5 3.86～4.6 mHz頻段重力數據功率譜密度估計曲線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微伽重力儀觀測到的地球球型振蕩平均觀測值、PREM模型理論值及觀測值與 PREM模型理論值之差Tab.1 M ean observations of the spherical earth’s oscillation and the theoretical values and the differences between them

圖 5為 3.86～4.6 mHz頻段范圍內的功率譜密度(相對值)與 PREM模型給出的球型振蕩頻率值的對應情況。可以看到,雖然在這個頻段噪聲比較大,但宜昌地震臺DZ W微伽重力儀的觀測數據仍然可以較清楚地檢測到球型基頻振蕩0S31～0S38。

通過繪制的宜昌地震臺重力儀觀測到的蘇門答臘地震功率譜,我們得到了球型振蕩0S3～0S37等振型的周期平均值(表 1)。用觀測值和 PREM模型理論值相比較,除0S3、0S4、0S5、0S6、0S10振型的觀測周期和PREM模型理論周期的相對誤差大于0.2%外,其他振型的觀測周期和 PREM模型理論周期的相對誤差大都集中在 0.1%左右,這說明觀測值和PREM模型的理論值是比較吻合的。

4 結論

1)用宜昌地震臺DZ W微伽重力儀的數字化觀測資料成功地對印尼蘇門答臘 9.0級地震激發的球型自由振蕩進行了提取,準確檢測到了0S3～0S37的基型球型振蕩,并與地球初步參考模型 (PREM)的理論自由振蕩頻率進行了對比,發現實測振蕩頻率與 PREM預測的振蕩頻率基本符合。這既反映了該臺重力儀器運行狀態良好,也表明本文的研究是成功的。

2)本研究沒有對觀測數據進行去重力潮汐和氣壓改正的處理,而是直接提取地球自由振蕩的信息,結果表明這樣的處理方法在一定條件下是成功的。

3)對地球自由振蕩問題的探討正在逐漸深入,除為地球結構問題的研究提供約束條件外,還可以利用自由振蕩觀測資料研究震源過程[20]、鑒別慢地震[21]。至于如何為建立更精確的地球模型等提供新信息,是需要深入研究的問題。另外,如何用這種觀測資料來檢驗重力儀觀測的頻響特性,也是進一步研究的問題。

致謝 衷心感謝萬永革老師提供 PREM模型數據!

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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 ,工程師,長期從事地震監測、地震預報工作.E-mail：yq15430895@sina.com

P315.5

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