利用伸縮儀觀測資料檢測地球自由振蕩＊

楊躍文 任 佳 楊 星 楊玲英 和玉權 李麗紅

(1)云南省地震局麗江地震臺,麗江 674100

2)河北省地震局張家口中心臺,張家口 075000 3)云南省地震局,昆明 650224)

利用伸縮儀觀測資料檢測地球自由振蕩＊

楊躍文1)任 佳2)楊 星3)楊玲英3)和玉權1)李麗紅1)

(1)云南省地震局麗江地震臺,麗江 674100

2)河北省地震局張家口中心臺,張家口 075000 3)云南省地震局,昆明 650224)

運用云南省云龍地震臺和山東省泰安地震臺伸縮儀的數(shù)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固體潮處理的情況下,準確地獲得了 2004年 12月 26日蘇門答臘 9.0級地震激發(fā)的0S3～0S26基頻球形自由振蕩,并與地球初步參考模型 PREM的理論自由振蕩周期進行了對比,發(fā)現(xiàn)實測振蕩周期與 PRE M預測的振蕩周期基本相一致。

伸縮儀;蘇門答臘 9.0級地震;PREM模型;自由振蕩;球形振蕩

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?zhèn)鞑ァＣ娌◤恼鹪聪蚋鞣较蛏涑?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”。

地球自由振蕩的理論研究至少可追溯到 18世紀。1882年,Lamb[1]詳細討論了均勻球體的振型,得到通常稱為球型振蕩和環(huán)型振蕩的兩種振型。最早對地球自由振蕩的準確觀測是在 1960年智利Ms8.3地震后,Benioff[2]和 Ness等[3]分別用 Isabella應變儀和 LaCoste-Romberg重力儀實現(xiàn)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[2,4-15]。2004年 12月 26日的蘇門答臘大地震,給人類造成了重大傷亡和損失,同時也為研究地球自由振蕩提供了難得的機會。本文將利用云南省云龍地震臺(后面簡稱云龍臺)3個方向和山東省泰安基準地震臺(后面簡稱泰安臺)2個方向伸縮儀的數(shù)字化觀測資料提取蘇門答臘地震激發(fā)的地球球型自由振蕩。

2 資料

2004年 12月 26日印尼蘇門答臘島西部附近海域印度洋發(fā)生M9.0地震,震中位置為 3.9°N、95.9°E,并在印度洋多個周邊國家引起大規(guī)模海嘯,造成了約 1 300 km長的余震區(qū)[16]。

云南省云龍臺和山東省泰安臺使用的伸縮儀是中國地震局武漢地震科學儀器研究院研制的 SS-Y型數(shù)字化伸縮儀,是目前我國地震傾斜潮汐觀測臺網中使用的主要觀測儀器。針對這次地震,筆者研究了該伸縮儀的觀測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)云龍臺三分量和泰安臺二分量均可以較好地識別出球型振蕩。圖 1是云龍臺三分量和泰安臺二分量伸縮儀記錄的蘇門答臘 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中可清晰地看到固體潮、地震波和同震階躍。分析采用的數(shù)據(jù)云龍臺從地震發(fā)生后開始,提取了有明顯地震影響的 6天的資料,共8 640分鐘;泰安臺因為第六天部分缺數(shù),采用 5天的數(shù)據(jù),共 7 200分鐘。

圖 1 云龍臺和泰安臺伸縮儀記錄的印尼蘇門答臘大地震分鐘值曲線Fig 1 Minute-value curves recorded by the digital extensometer at Yunlong,Taian seis mostations excited by theM9.0 Sumatra-Andaman great earthquake on 26 December,2004

3 處理方法

研究采用通常功率譜密度估計方法提取地球自由振蕩[14-19],即

其中,自相關函數(shù) Rn為:

式中,N =8 640為所用數(shù)據(jù)的數(shù)目,x為臺站記錄的伸縮儀數(shù)據(jù)。Sk離散值為功率譜密度值。為了消除數(shù)據(jù)不能無限長而必須加窗造成的對功率譜密度估計的影響,本文采用 Hanning窗抑制旁瓣,突出主瓣。

4 計算結果

云龍臺三分量和泰安臺二分量伸縮儀的功率譜密度 (PSD)估計如圖 2～4所示 (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)。圖 2為 0.28～1.30 MHz頻段的功率譜密度估計,在這一頻段可以看到,云龍臺三分量和泰安臺二分量伸縮儀的觀測數(shù)據(jù)可以清楚地檢測到球型振蕩的基型振蕩0S3、0S4、0S5、0S6、0S7,同時,還檢測到諧頻球型振蕩2S1和環(huán)型振蕩0T5。“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,我們只用 PREM模型給出的自由振蕩的頻率值與云龍臺三分量和泰安臺二分量的功率譜密度進行對比。

圖 2 0.28～1.3 MHz頻段地傾斜數(shù)據(jù)功率譜密度估計曲線Fig 2 Curves of power spectrum density esti mation of ground tilt data in the 0.28～1.33 MHz frequency band of the digital extensometer

圖 3為 1.3～2.4頻段范圍內云龍臺三分量和泰安臺二分量的功率譜密度(相對值)與 PREM模型給出的球型振蕩頻率值的對應情況。可以看出0S8～0S15在三分量中均被清楚地檢測出來。

圖 4為 2.4～3.5 MHz頻段范圍內云龍臺三分量和泰安臺二分量的功率譜密度(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,但云龍臺三分量和泰安臺二分量的觀測數(shù)據(jù)仍然清楚地檢測到球型基頻振蕩0S16～0S26。

圖 3 1.3～2.4 MHz頻段地傾斜數(shù)據(jù)功率譜密度估計曲線Fig 3 Curves of power spectrum density estimation of ground tilt data in the 1.33～2.4 MHz frequency band of the digital extensometer

圖 4 2.4～3.5 MHz頻段地傾斜數(shù)據(jù)功率譜密度估計曲線Fig 4 Curves of power spectrum density estimation of ground tilt data in the 2.4～3.5 MHz frequency band of the digital extensometer

通過圖 2～4得出：SS-Y型數(shù)字化伸縮儀的觀測資料可以提取到印尼蘇門答臘大地震激發(fā)的地球球型振蕩。

5 結論

1)云龍臺和泰安臺 SS-Y型數(shù)字化伸縮儀的觀測資料可以提取出印尼蘇門答臘 9.0級大地震激發(fā)的球型自由振蕩,并能準確地檢測到0S3～0S26的基型球型振蕩,同時還能檢測到諧頻球型振蕩2S1和環(huán)型振蕩0T5,并與地球初步參考模型 (PREM)的理論自由振蕩頻率的對比說明,實測振蕩頻率與 PREM預測的振蕩頻率基本符合。

2)需要說明的是,除了地震可以激發(fā)地球自由振蕩外,還有許多其他因素,如大氣擾動[18,19]、隨季節(jié)變化的大氣壓力變化[20,21]也可引起地球自由振蕩。因此本文所檢測到的印尼蘇門答臘大地震激發(fā)的地球自由振蕩資料還可能有其他源的貢獻。

3)如何用觀測資料檢驗伸縮儀觀測的頻響特性,還需要進一步研究。

致謝 衷心感謝云南省地震監(jiān)測中心前兆臺網和山東省地震局泰安基準臺提供數(shù)據(jù),以及盧雙玲、孟建國、萬永革教授提供的幫助!

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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.

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10 呂永清,蔡亞先,周云耀.用 JCZ-1超寬頻帶數(shù)字地震儀觀測地球自由振蕩[J].地殼形變與地震,1997,(3)：103-105.

11 唐磊,邱澤華,闞寶祥.中國鉆孔體應變臺網觀測到的地球自由振蕩[J].大地測量與地球動力學,2007,(6)：37 -44.

12 任佳,等.數(shù)字化水位儀觀測的蘇門答臘大地震激發(fā)的地球球型自由振蕩[J].地震研究,2009,32(4)：333-338.

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14 鄧娜,等.利用雙陽臺水管觀測資料檢測地球自由振蕩[J].大地測量與地球動力學,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 萬永革,盛書中,周公威.中國數(shù)字地震臺網記錄的蘇門答臘—安達曼地震激發(fā)的地球球型自由振蕩的檢測[J].地震學報,2007,29(4)：369-381.

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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 FREE OSC ILLATION OF EARTH BY USE OF OBSERVATIONS OF EXTENSOM ETER

Yang Yuewen1),Ren Jia2),Yang Xing3),YangLingying3),He Yuquan1)and LiLihong1)

(1)L ijiang Seism ostation,Earthquake Adm inistration of Yunnan Province,Lijiang 674100 2)Zhangjiakou Central Seism ostation,Earthquake Adm inistration of Hebei Province,Zhangjiakou 075000 3)Earthquake Adm inistration of Yunnan Province,Kunm ing 650224)

W ith power spectrum density esti mation method,we extract the spheroidal free oscillation of fundamental-frequency(0S3～0S26)of the earth excited by theM9.0 Sumatra-Andaman great earthquake on 26 December 2004 from the data of digital extensometer at Yunlong seis mostation in Yunnan province and at Taian seis mostation in Shandong province without eliminating the earth’s tide.Comparing the period of the extracted oscillation with that of the theoreticaloscillation by using the Preliminary Reference EarthModel(PREM),it is found that they are accordantwith each other.

extensometer;M9.0 Sumatra earthquake;PREM model;free oscillation;spheroidal oscillation

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0078-04

2010-07-21

云南省自然科學基金(2008CD220)

楊躍文,男,1969年生,工程師,主要從事地震監(jiān)測及研究.E-mail：72310@163.com

P315.5

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