利用日本9.0級強(qiáng)震檢定gPhone重力儀探測地球自由振蕩的有效性*

劉正華 李 輝 郝洪濤 韋進(jìn) 劉子維

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)地殼運動與地球觀測實驗室，武漢 430071 3)武漢大學(xué)測繪學(xué)院，武漢 430079 4)武漢大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，武漢430072)

利用日本9.0級強(qiáng)震檢定gPhone重力儀探測地球自由振蕩的有效性*

劉正華1)李 輝1，2)郝洪濤1，2)韋進(jìn)1，2，3)劉子維1，2，4)

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)地殼運動與地球觀測實驗室，武漢 430071 3)武漢大學(xué)測繪學(xué)院，武漢 430079 4)武漢大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，武漢430072)

利用北京、沈陽、格爾木、烏什等4個臺站型gPhone重力儀的觀測資料，檢測日本9.0級大地震的地球自由振蕩，將檢測結(jié)果與SG以及HB1模型進(jìn)行對比，結(jié)果表明0S0-0S48基頻自由振蕩的實測周期值與SG以及HB1模型的理論值基本一致，從而證實gPhone重力儀能有效地檢測出地球自由振蕩信號，同時也從相應(yīng)高頻范圍內(nèi)表明了gPhone重力儀秒采樣觀測資料的可靠性。檢測還發(fā)現(xiàn)了0S2、0S3的譜線分裂現(xiàn)象。

gPhone重力儀;地球自由振蕩;功率譜密度;日本9.0級地震;HB1模型

1 引言

中國地震局在“十五”期間，建成了數(shù)字化地震前兆觀測臺網(wǎng)。重力臺網(wǎng)建設(shè)包括引進(jìn)了17臺國外最先進(jìn)的gPhone臺站型重力儀，與傳統(tǒng)GS、DZW型重力儀相比，其采樣周期由以前的小時、分鐘提升至秒，顯然秒值觀測資料包涵更豐富的信息，尤其在高頻部分［1］。

2011年3月11日，日本本州東海岸附近海域發(fā)生9.0級特大地震，我國重力臺網(wǎng)運行的17臺gPhone臺站型重力儀雖都記錄到此次大地震期間的重力資料，但由于大地震信號的能量太大，有些gPhone重力儀出現(xiàn)了記錄中斷、甚至錯誤等現(xiàn)象。我們將利用連續(xù)率和完整率很好的4個臺站(北京國家地球觀象臺(PET031)、沈陽(PET037)、格爾木(PET038)、烏什(PET042))的觀測資料，對其地球自由震蕩信號進(jìn)行提取，并探討gPhone重力儀對高頻信號的頻響特征。

2 gPhone重力儀

gPhone重力儀是由美國Micro-g公司生產(chǎn)的金屬彈簧相對重力儀［1］，觀測數(shù)據(jù)為按天存儲的秒采樣數(shù)據(jù)，時間系統(tǒng)為UTC時。采集數(shù)據(jù)包括18個通道，其主要通道為重力和氣壓。“十五”期間的17臺gPhone儀器其分辨率可達(dá)0.01×10-8ms-2，已經(jīng)過測試和格值標(biāo)定等相關(guān)工作，從2007年連續(xù)工作至今。

圖1是2007年1月13日日本千島群島地震期間，gPhone和SG觀測資料時間序列圖。

圖1 gPhone重力儀和超導(dǎo)重力儀秒采樣的地震記錄時間序列(引自www.microglacoste.com)Fig.1 Earthquake records by second with gPhone and SG (citing from www.microglacoste.com)

由圖1可知，gPhone重力儀的觀測精度不及超導(dǎo)重力儀，且超導(dǎo)重力儀的數(shù)據(jù)采集使用了物理低通濾波器，地震期間振幅明顯小于gPhone。故本文利用gPhone重力儀的觀測資料來探測地球自由振蕩，也是對gPhone重力儀秒采樣數(shù)據(jù)有效性的一種檢驗。

3 gPhone重力儀觀測資料預(yù)處理

原始觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理使用的是國際地球潮汐研究中心推薦的Tsoft預(yù)處理程序［2］，利用較強(qiáng)的人機(jī)對話方式，將原始資料中包括由于儀器突跳和電脈沖等導(dǎo)致的尖峰、地震擾動等導(dǎo)致的錯誤信號刪除。原始觀測數(shù)據(jù)的間斷通過內(nèi)插［3-5］的方法來恢復(fù)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。因為大地震激發(fā)的地球自由振蕩通常能夠持續(xù)數(shù)天的時間，所以本文選取2011-03-11—15日的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在自由振蕩發(fā)生的幾天內(nèi)，不考慮地球重力場長期變化的影響，只是盡量消除了非自由振蕩信號的影響。

氣壓變化對重力觀測的影響雖然比較復(fù)雜，但人們發(fā)現(xiàn)對于臺站重力觀測而言，可以簡單地用氣壓變化值ΔP乘上一個大氣導(dǎo)納常數(shù)A作為觀測重力的氣壓改正［6，7］。大氣導(dǎo)納常數(shù)A一般在-0.3 ×10-8ms-2/hPa左右［8，9］，而由氣壓引起的重力變化幅度一般在(2～3)×10-8ms-2范圍內(nèi)，故氣壓改正的效果僅有較小的變化，所以本文采用-0.32× 10-8ms-2/hPa即可。

gPhone重力儀采用零長彈簧系統(tǒng)，不如超導(dǎo)重力儀擁有極低的漂移率［10］，其零漂每月達(dá)1×10-8ms-2以上。采用多項式擬合的方法去漂移，經(jīng)多次試驗，先進(jìn)行一階多項式擬合初步去掉漂移，再進(jìn)行五階多項式擬合精去漂移，殘差結(jié)果相對最佳。

在地震波序列中，除長周期面波的周期與高頻自由振蕩接近，體波的周期均小于自由振蕩至少1個數(shù)量級［11］，因此通過低通數(shù)字濾波的方法可以去除體波和部分面波的影響。根據(jù)地球自由振蕩的頻率分布特征，分別以1×10-4Hz和1×10-2Hz為截斷頻率，進(jìn)行最小二乘高通濾波和低通濾波，去除殘余的潮汐信號和部分地震波信號以及其他噪聲信號。以北京國家地球觀象臺為例，圖2是其預(yù)處理各階段的時間序列。

可見由于大地震的影響，以10-8ms-2為單位的重力幅值變化達(dá)到10-4量級，固體潮曲線在圖2原始觀測資料中幾乎分辨不出來，而產(chǎn)生的面波由于振幅大，周期性強(qiáng)，在圖2重力殘差值中清晰可見。殘差經(jīng)過最小二乘帶通(10-4～10-2Hz)濾波后，主要剩下地球自由振蕩信號(圖2)。

圖2 北京臺數(shù)據(jù)預(yù)處理主要階段時間序列Fig.2 Time series of main stages of data preprocessing at Beijing station

4 地球自由振蕩譜分析結(jié)果

采用功率譜密度估計的方法來分析地球自由振蕩信號。功率譜密度定義為觀測數(shù)據(jù)自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換，并利用Tsoft軟件對濾波后的殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜密度估計，將從北京、沈陽、格爾木、烏什等4個gPhone臺站觀測資料中所提出的地球自由振蕩信號如圖3所示。

從圖3可以了解到gPhone重力儀檢測到的自由振蕩在頻域的分布情況和不同的基頻振型相應(yīng)的功率譜密度大小，還可以看出4個臺站中北京國家地球觀象臺和沈陽地震臺的功率譜密度譜線最為清晰，且北京國家地球觀象臺的譜峰幅值更為平滑均勻，這與臺站背景噪聲的大小和相對震源的位置有很大的關(guān)系。

為了將所檢測到的地球自由振蕩信號清楚地分辨并標(biāo)識出來，我們依據(jù)地球自由振蕩信號在頻域的分布特點，把功率譜密度估計結(jié)果分成0～1.0 mHz、0.9～3.0 mHz、2.9～4.0 mHz和3.9～5.5 mHz 4個頻段來分析。為了避免因分段而可能造成的譜峰丟失或重復(fù)計算，并讓相鄰頻段保持0.1 mHz頻域的重疊。

以北京國家地球觀象臺為例，參照HB1模型理論計算值和超導(dǎo)重力儀(C032)的檢測結(jié)果，將各個譜峰對應(yīng)的頻率上標(biāo)識出相應(yīng)的基頻振型，圖4～7為劃分的4個頻段內(nèi)的基頻振型及其功率譜密度細(xì)節(jié)。

從圖4～7可以看出，在0～4.5 mHZ頻段內(nèi)，球形自由振蕩0S0～0S37基頻振型的功率譜譜線十分清晰，同時也觀測到0S2和0S3的譜線分裂現(xiàn)象，這與超導(dǎo)重力儀檢測的結(jié)果［12］以及HB1模型都符合得很好;而在4.5～5.5 mHz頻段內(nèi)，0S40～0S48基頻振型的譜峰雖能分辨出來，但并不突出，可能是因為高頻自由振蕩信號的衰減較快，長時間序列的觀測數(shù)據(jù)對高頻自由振蕩信號的抑制效應(yīng)造成的。

圖3 gPhone檢測到的地球自由振蕩信號頻域分布圖(0～5 mHz)Fig.3 Distribution of the signals in frequency domain of Earth’s free oscillations detected by gPhone(0-5 mHz)

圖4 0～1.0 mHz間的自由振蕩信號Fig.4 Free oscillation signals between 0 to 1.0 mHz

圖5 0.9～3.0 mHz間的自由振蕩信號Fig.5 Free oscillation signals between 0.9 and 3.0 mHz

圖6 2.9～4.0 mHz間的自由振蕩信號Fig.6 Free oscillation signals between 2.9 and 4.0 mHz

圖7 3.9～5.5 mHz間的自由振蕩信號Fig.7 Free oscillation signals between 3.9 and 5.5 mHz

根據(jù)功率譜密度估計結(jié)果，還統(tǒng)計了北京國家地球觀象臺gPhone(PET031)檢測到的0S0～0S48全部球形基頻自由振蕩周期，并將結(jié)果與超導(dǎo)重力儀和HB1理論值進(jìn)行對比(表1)。

表1 0S0～0S48基頻自由振蕩的周期 (單位：分鐘)Tab.1 Free oscillation period of fundamental frequency from0S0to0S48(unit：minute)

由表1可以看出，只有0S21振型的觀測周期與理論周期的差異超過0.5%，其他大部分差異都在0.25%以內(nèi)，這說明本文對0S0～0S48基頻自由振蕩的檢測結(jié)果與HB1模型的理論值基本一致，且與超導(dǎo)重力儀的觀測結(jié)果相差不大，所以gPhone重力儀對地球自由振蕩的檢測是比較成功的。

5 結(jié)論與討論

利用4個臺站的gPhone重力儀觀測資料，都檢測到了地球自由振蕩，并以檢測效果最好的北京國家地球觀象臺 gPhone(PET031)為例，進(jìn)行了0S0～0S48的所有基頻振型的一一對應(yīng)，并將檢測精度與HB1模型進(jìn)行對比，表明gPhone對0S0～0S48基頻自由振蕩周期的實測結(jié)果與HB1模型的理論值吻合得比較好，且與超導(dǎo)重力儀檢測結(jié)果整體一致。gPhone重力儀同時也初步檢測到了0S2、0S3基頻自由振蕩的譜峰分裂現(xiàn)象。

1 劉子維，等.gPhone重力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的改進(jìn)［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2010，(2)：102-104.

2 Vauterin P.Tsoft：Graphical and interactive software for the analysis of Earth tide data［A］.In：Paquet P，Ducarme B，eds.Proc.13th Int.Sympos.Earth tides［C］.Brussels：Royal Observatory of Belgium，1998.481-486.

3 Tamura Y.A harmonic development of the tide-generating potential［J］.Bulletin D’Information Marées Terrestres，1987，99：6 813-6 855.

4 Wenzel H G.Earth tide data processing package ETERNA 3.30：the nGal software［A］.In：Paquet P，Ducarme B，eds.Proc.13th Int.Sympos.Earth tides［C］.Brussels：Royal Observatory of Belgium，1998.487-494.

5 Sun H P and Luo S C.Theoretical computation and detection of the atmospheric gravity signals［J］.Chinese Journal of Geophysics，1999，41(3)：405-413.

6 Niebauer T M.Correcting gravity measurements for the effects of local air pressure［J］.J Geophys Res，1988，93 (B7)：7 989-7 991.

7 Merriam J B.Atmospheric pressure and gravity［J］.Geophys J Ints.，1992(109)：488-500.

8 徐建橋，郝興華，孫和平.武漢基準(zhǔn)臺氣壓對重力潮汐觀測的影響［J］.測繪學(xué)報，1999，28(1)：21-27.

9 孫和平.大氣重力格林函數(shù)［J］.科學(xué)通報，1997，42(5)：1 640-1 646.

10 Crossley D J and Hinderer J.Global geodynamics project—GGP：Status Report 1994［A］.In：Poitevin C，ed.Proceeding of the wordshop on non-tidal gravity changes［C］.1995(11)：244-269.

11 陳運泰，等.數(shù)字地震學(xué)［M］.北京：地震出版社，2000.

12 雷湘鄂，許厚澤，孫和平.利用超導(dǎo)重力觀測資料檢測地球自由振蕩［J］.科學(xué)通報，2002，47(18)： 1 432-1 436.

EFFECTIVENESS BY USING GPHONE GRAVIMETER FOR DETECTIING THE EARTH’S FREE OSCILATION EXCITED BY JAPAN Ms9.0 EARTHQUAKE

Liu Zhenghua1)，Li Hui1，2)，Hao Hongtao1，2)，Wei Jin1，2，3)and Liu Ziwei1，2，4)

(1)Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Wuhan 430071 2)Crustal Movement Laboratory，Wuhan 430071 3)School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079 4)School of Computer Science，Wuhan University，Wuhan430079)

Utilizing the gravity data of the gPhone gravimeters(at Beijing，Shenyang，Golamd，Wushi stations)during the Ms9.0 Japan earthquake that broke out in 2011-03-11，we succeed in detecting the Earth’s free oscillations from0S0to0S48，in addition，we observed the spectra splitting of the0S2，0S3.Compared with the HB1 model，the observed period of0S0-0S48coincide with the results from super conducting gravimeter and the HB1 model.Thus it is confirmed that the gPhone gravimeter can effectively detect the Earth’s free oscillations，and to a certain extent，that the sample data by second are reliable.

gPhone gravimeter;Earth’s free oscillations;power spectral density;Ms9.0 Japan earthquake;HB1 model

1671-5942(2011)Supp.-0046-05

2011-04-06

國家自然科學(xué)基金(41004030)

劉正華，碩士，主要研究方向為連續(xù)觀測相對重力儀頻響特征的數(shù)字分析.E-mail：zhenghua08@163.com

P315.5

A