利用體應變觀測資料檢測地球自由振蕩

胡瀾繽 李繼業 張彥吉 王海濤 岳 力 賈秀玲

1）中國黑龍江 150900 哈爾濱市應急救援保障中心

2）中國哈爾濱 150090 黑龍江省地震局

0 引言

大地震能激發產生涉及地球局部運動的體波和面波，也能激發全球規模的地球自由振蕩。巨大遠震的震時、震后變化在形變觀測資料中反映為應變階或振蕩型波動現象的疊加。將觀測到的振蕩周期和振幅與地球模型給出的地球自由振蕩周期和振幅相比較，可以對地球內部結構進行獨立于體波和面波的另外一種約束（Derr，1969；Haddon et al，1969；Dziewonski et al，1981；Resovsky et al，2003）。利用記錄的地球自由振蕩波形資料，可以反推地震的震源破裂參數（馬淑田等，1997；高原等，2001），還可以對地球液體層和固體層之間的相互作用提供約束，以及搜索慢地震和靜地震發震位置和時間（Beroza et al，1990）等地球物理問題研究。因此，提取地球自由振蕩振型在地球物理問題的研究中具有重要意義。近年來，一些學者根據傾斜或應變觀測資料深入研究地球自由振蕩，如：邱澤華等（2007）利用泰安地震臺鉆孔差應變儀觀測資料、唐磊等（2007）利用中國鉆孔體應變臺網觀測資料，研究了2004 年12 月26 日蘇門答臘巨大地震激發的地球自由振蕩；任佳等（2009）利用寬城地震臺垂直擺傾斜儀和涉縣地震臺水管傾斜儀觀測資料，提取了汶川地震激發的地球球型振蕩信息。

本文采用通河地震臺（下文簡稱通河臺）體應變觀測資料，提取2015 年5 月30 日日本小笠原群島8.0 級地震和2017 年9 月8 日墨西哥沿岸近海8.2 級地震激發的地球球型自由振蕩，對2 次地球自由振蕩的檢測與分析，不僅有助于確定特大地震的震級，也可為研究地球深部結構提供機遇。

1 臺站概況

通河臺位于哈爾濱市通河縣岔林村（圖1），觀測場地周邊主要構造形跡有NE 向依蘭—舒蘭斷裂（簡稱依舒斷裂，郯廬斷裂帶北段分支之一）、NW 向尚志斷裂和岔林河斷裂（圖1）。深部構造莫霍面嘉蔭—舒蘭深度陡變帶與雞西—塔溪深度陡變帶在通河附近相交，呈“X”型交叉分布，將黑龍江省大興安嶺以東廣大地區分割成互為對頂分布的2 個上地幔隆起區和2個上地幔坳陷區，構成莫霍面起伏變化的基本輪廓（黑龍江省地質礦產局，1993）。該臺站形變觀測井位于林場子臺院內，地處松嫩平原與東部山地間丘陵區（張廣才嶺余脈），地質構造屬興安嶺—內蒙古地槽褶皺系、小興安嶺—張廣才嶺地槽褶帶，瀕臨依舒斷裂。形變觀測井周圍地形地貌特征屬花崗巖類構造低山，臺基巖性為堅硬完整的燕山期花崗巖。觀測井井深85 m，體應變儀探頭埋深85 m，井管采用Φ155 焊管，巖性為完整的燕山期花崗巖（圖2）。

圖1 通河地震臺構造位置Fig.1 Structural location map of Tonghe Seismic Station

圖2 通河臺形變觀測井孔柱狀圖Fig.2 Histogram of deformation observation log at Tonghe Seismic Station

通河臺主要地震監測手段涉及測震學科、流體學科、電磁學科和形變學科，共9 個單項，其中形變測項采用TJ-2 型體積式鉆孔應變儀（下文簡稱體應變儀，中國地震局地殼應力研究所研制）進行觀測。該體應變儀于2005 年10 月安裝，2006 年6 月投入運行，分辨率為5×10-10，動態范圍大于2×104，采樣率為分鐘值，運行較為穩定，觀測數據相對完整，固體潮清晰，大小潮汐明顯，具有明顯的同震效應，記錄了大量蘊含地殼活動信息的數據資料，可信度較高。

同井安裝豎直擺鉆孔傾斜儀探頭時刮到體應變電纜，導致體應變備用探頭無法正常工作，井下設備不能移動，輔助水位探頭也無法維修。

2 資料選取

據中國地震臺網中心資料，2015 年5 月30 日19 時23 分在日本小笠原群島發生8.0級地震（27.9°N，140.5°E），震源深度690 km，震中位于歐亞板塊與環太平洋板塊交界處，太平洋板塊向日本俯沖，每年移動速度達73 mm，是造成此次地震的主因。據中國地震臺網中心資料，2017 年9 月8 日12 時49 分在墨西哥沿岸近海發生8.2 級地震（15.05°N，93.87°W），震源深度20 km，震中位于美洲板塊與太平洋板塊交界處。這些罕見的遠大地震為研究地球自由振蕩提供了良好的數據資料。

通河臺記錄到2 次遠大地震的同震效應，受儀器零飄和氣壓影響，體應變原始觀測曲線呈上升趨勢，為了保證數據的可靠性，利用直線擬合去除體應變儀零漂影響，得到2 次地震后5 天的分鐘值曲線，記錄未做其他濾波處理，未剔除固體潮，結果見圖3。由圖3 可見，2次強震后5天原始觀測數據記錄長度7 200 min，固體潮清晰可辨，連續性好，內在質量高，受環境和人為影響小，信噪比高。

圖3 通河臺記錄的2 次地震數據曲線(a) 日本MS 8.0 地震5 天體應變數據；(b)日本MS 8.0 地震曲線；(c) 墨西哥MS 8.2 地震5 天體應變數據；(d) 墨西哥MS 8.2 地震曲線Fig.3 Two earthquakes recorded by Tonghe station

3 處理方法

采用功率譜密度估計方法，提取2 次強震激發的地球球型自由振蕩。

功率譜密度定義為記錄的波形資料自相關函數Rn的Fourier 變換（萬永革，2007），即

其中，自相關函數Rn為

式（1）和（2）中，N=7200，為所用數據的數目；x為臺站記錄的體應變觀測數據，Sk為功率譜密度值，其所對應的頻率值運用觀測數據的采樣率60/s 乘以序列號k確定，由此得到功率譜密度估計。為了消除數據不能無限長而必須加窗造成的對功率譜密度估計的影響，采用Hanning 窗來抑制旁瓣，突出主瓣。

4 分析結果

利用功率譜密度估計方法，提取通河臺鉆孔應變儀記錄的2 次遠大地震激發的地球自由振蕩信息，將實際觀測與理論分析結果進行對比，檢測這兩次地震的地球自由震蕩。

按照前述計算方法，選取（0.28—4.3）×10-3Hz 頻段，計算得到2 次地震的功率譜密度（PSD），選用地球初步參考模型（簡稱PREM 模型）各向異性的理論本征周期（圖中虛線標注部分）作為參照，檢測0S2—0S35基頻球型自由振蕩信號，對比分析實測與理論信號的差別。

通常，地球自由振蕩振型與噪聲在低頻段不易被區分開來（雷湘鄂等，2002）。2 次地震體應變數據在（0.28—0.8）×10-3Hz 頻段的功率譜密度估計見圖4，可見日本小笠原群島地震記錄檢測到0S3、0S4信號，而墨西哥沿岸近海地震記錄僅檢測到0S4信號，表明PREM 模型給出的基型球型振蕩頻率及其鄰域內確有譜峰存在，但與噪聲水平相當，不能準確判定基型球型振蕩振型。

圖4 (0.28—0.8)×10-3 Hz 頻段體應變數據功率譜密度估計曲線Fig.4 Power spectrum density estimation curves of volume strain data in (0.28-0.8)×10-3Hz frequency band

圖5 給出（0.8—4.3）×10-3Hz 頻段內不同頻段的功率譜密度估計，可見雖然噪聲較大，但這些數據的功率譜密度與PREM 模型有較好的對應關系。

圖5 (0.8—4.3)×10-3Hz頻段體應變數據功率譜密度估計曲線(a)0.8—2.3×10-3Hz頻段；(b)2.3—3.5×10-3Hz頻段；(c)3.5—4.3×10-3Hz頻段Fig.5 Power spectrum density estimation curves of volume strain data in (0.8-4.3)×10-3Hz frequency band

由圖5 可見：①在日本小笠原群島地震記錄中，檢測到0S5、0S15、0S17、0S18、0S19、0S25、0S31、0S34、0S35共9 個基頻信號，其中7 個信號與與PREM 模型本征周期存在偏差，分別為0S4、0S15、0S17、0S18、0S19、0S31、0S34；②在墨西哥沿岸近海地震記錄中，檢測到0S5、0S8、0S10、0S11、0S12、0S15、0S16、0S17、0S20、0S24、0S25、0S28、0S30、0S32、0S33、0S35共16 個基頻信號，其中9 個與PREM 模型本征周期存在偏差，分別為0S4、0S8、0S10、0S12、0S20、0S24、0S28、0S30、0S32。

受地球扁率和自轉的影響，地球某些本征振蕩不是簡并的，而是存在譜線分裂現象。例如：在通河臺2 次遠大地震體應變功率譜密度估計中，日本小笠原群島地震的0S3（頻段2.3×10-3Hz—3.5×10-3Hz）和墨西哥沿岸近海地震的0S8（0.8×10-3Hz—2.3×10-3Hz頻段）均存在頻譜分裂現象，且日本小笠原群島地震中0S17（頻段2.3×10-3Hz—3.5×10-3Hz）、0S35（頻段3.5×10-3Hz—4.3×10-3Hz）和墨西哥沿岸近海地震監測的0S4（頻段0.28×10-3Hz—0.8×10-3Hz）、0S11（頻段0.8×10-3Hz—2.3×10-3Hz）等基頻信號也存在頻譜分裂的可能。

5 結論

利用功率譜密度估計方法，提取通河臺鉆孔應變儀記錄的2015 年5 月30 日19 時23分日本小笠原群島8.0 級地震和2017 年9 月8 日12 時49 分墨西哥沿岸近海8.2 級地震激發的地球自由振蕩信息，得到以下認識。

（1）利用通河臺體應變數據，準確檢測到日本小笠原群島8.0 級地震和墨西哥沿岸近海8.2 級地震激發的地球自由振蕩信號，其中前者共被檢測到11 個基頻信號，有7 個信號與理論值存在偏差，后者共被檢測到17 個基頻信號，有9 個信號與理論值存在偏差，其他信號與PREM 模型基本一致。造成該偏差的原因是，不同震源機制激發的地球自由振蕩具有不同的波譜結構和振蕩特征，PREM 模型僅考慮地球非均勻性是隨半徑變化的，而對橫向不均勻性對振蕩的影響研究較少。

（2）日本小笠原群島地震激發的0S3信號和墨西哥沿岸近海地震激發的0S8等信號存在頻譜分裂現象。究其原因，地球內部諸多因素均對地球自由振蕩譜形態產生影響，如地球結構橫向不均勻性及徑向不均勻性、地球旋轉、地球橢率、地球內部各向異性、物質衰減（與品質因子倒數有關）以及震源機制性質等。受地球自轉和扁率影響，地球某些本征振蕩不是簡并的，會出現地球自由振蕩譜線（或譜峰）分裂現象。諸多因素導致地球自由振蕩譜分裂、耦合及譜峰變化等效應（李繼業等，2017），而振型譜值分裂為進一步研究地球內核結構提供了較為可靠的信息。

地球自由振蕩是探查地球內部結構的重要手段之一，利用通河臺體應變觀測手段提取2 次強震激發的地球自由震蕩，可為研究地球內部的各向異性、非彈性以及震源機制性質等提供可靠依據。