DZW型重力儀觀測的2011日本大地震激發的地球自由振蕩

錢建秀 任佳

摘要：本文利用5個臺站（姑咱臺、黃梅臺、馬陵山臺、西昌小廟臺和宜昌臺）的DZW型重力儀的觀測資料首次對2011年3月11日的日本大地震激發的基頻球型自由振蕩進行了全頻段提取，明確檢測到了0S3～0S76的基型球型振蕩頻率，同時把檢測到的振蕩頻率與PREM模型理論值進行對比，結果表明實測頻率與理論振蕩頻率基本保持一致。

關鍵詞：重力資料;2011年日本大地震;地球自由振蕩;品質因子

近年來，在我國越來越多的人關注地球自由振蕩研究，目前對于基頻球型振蕩，利用數字化前兆觀測資料最多僅能檢測到0S48。對于采樣率是分鐘值的數據，它能檢測到的基頻球型自由振蕩頻段應是0S2～0S76。對于2011年3月11日的日本大地震，本文利用DZW型微伽重力儀的觀測資料，嘗試對其地球基頻球型自由震蕩信號進行了全頻段提取，并利用重力資料進一步計算自由振蕩的品質因子Q值。

一、數據處理

DZW重力儀的監測數據來源于中國地震臺網中心，計算精度為分鐘值。通過對原始數據進行預處理，主要包括：剔除觀測值中的一些錯誤數據（如尖蜂、突跳、掉格等），對于有些數據可能由于監測中途突然出現斷電、地震等外在因素導致的數據出現不連續等情況，對于此情況，主要對缺失數據進行了插值計算，以保證能夠獲得更高精度的重力場。

二、結果分析

（一）地球自由振蕩譜分析

本文主要采用功率譜密度估計法來分析地球的自由振蕩信號。通過監測5個臺站（姑咱臺、黃梅臺、馬陵山臺、西昌小廟臺和宜昌臺）的DZW型重力儀的觀測數據來檢測球型振蕩的振型，經發現，在0.2～1.3mHz頻段內，可檢測到的振型為0S3～0S7;在1.3～4.5頻段范圍內，可檢測到的振型為0S8～0S37;在4.5～8.02mHz頻段范圍內，可清晰的檢測到0S38～0S76的振型。通過5個臺站（姑咱臺、黃梅臺、馬陵山臺、西昌小廟臺和宜昌臺）DZW型重力儀的功率譜，我們計算得到了球型振蕩0S3～0S67等振型的觀測周期平均值。

通過對比振型為0S3～0S67的觀測均值和PREM模型理論值，計算得到0S3～0S67的偏差值和相對誤差值，發現除0S4、0S5、0S55振型的觀測周期和PREM模型理論值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基本都在0.1%附近波動，由于數據太長，本文只選取了其中部分（0S3～0S14、0S55～0S66）典型的振型列出（見表1），由此說明，觀測值和PREM模型的理論值是比較吻合的。

（二）球型振蕩的品質因子分析

地球是一個非彈性介質的球體，發生地震時，由于地震波的作用，使地球產生的自由振蕩產生的振幅會隨著地震波的傳播時間的增大會逐漸減小，這種介質的非彈性屬性我們可以用品質因子Q來描述。可根據公式Q=-2πf/k

即可求得該振型的品質因子Q值。表2給出了5個臺站0S9～0S20的Q值。從表2中可知，0S10的PREM模型值空缺，因此無法計算0S10的偏差和相對誤差值。從計算結果來看，除0S16和0S20振型的偏差較大以外，分別為17.2和15.8，其余振型的平均Q值與PREM模型的理論Q值都比較接近，偏差值均小于10.5%。同理，除0S16和0S20振型的相對誤差較大以外，分別為6.19%和6.84%，其余振型的平均Q值與PREM模型的理論Q值都比較接近，相對誤差誤差的數值均小于3.5%。總之，5個臺站0S9～0S20振型的觀測平均Q值和PREM模型理論Q值的數值均在230～370之間，而相對誤差在0～6.2%之間，誤差非常小。因此，使用該方法計算得到的Q值是比較可靠的。

三、結論

1.本文主要采取5個臺站（姑咱臺、黃梅臺、馬陵山臺、西昌小廟臺和宜昌臺）的DZW型重力儀的監測資料首次對2011年3月11日日本大地震激發的基頻球型自由振蕩信號進行了全頻段提取，并把提取結果與PREM模型理論值進行對比，發現振蕩頻率基本一致，表明本文采取的方法是切實可行的。

2.通過計算觀測平均Q值與PREM模型的理論Q值對比發現：除0S16和0S20振型的偏差較大以外，分別為17.2和15.8，其余振型的平均Q值與PREM模型的理論Q值都比較接近，偏差值均小于10.5%。同理，除0S16和0S20振型的相對誤差較大以外，分別為6.19%和6.84%，其余振型的平均Q值與PREM模型的理論Q值都比較接近，相對誤差誤差的數值均小于3.5%。總之，5個臺站0S9～0S20振型的觀測平均Q值和PREM模型理論Q值的數值均在230～370之間，而相對誤差在0～6.2%之間，誤差非常小。因此，使用該方法計算得到的Q值是比較可靠的。

3.雖然平均Q值與PREM模型的Q值比較接近，但5個臺站觀測到的每個振型的Q值各不相近，有的差別較大，具體原因仍有待進一步研究。

致謝：感謝中國地震臺網中心給提供的重力數據和萬永革老師提供的PREM模型數據，在Q值計算方面，唐磊老師給予了大力支持，在此一并感謝。

參考文獻：

[1]楊躍文，秦嘉政，任佳，等.利用云南水管儀觀測資料檢測地球自由振蕩[J].地震研究，2020，33（2）：189-194.