重力觀測(cè)檢測(cè)地震激發(fā)振蕩

1、重力觀測(cè)檢測(cè)地震激發(fā)振蕩     本文作者：姚家駿 萬(wàn)永革 王培玲 屠泓為 馬 震  單位：青海省地震局 中國(guó)地震局地球物理研究所引言特大地震發(fā)生后，通常會(huì)產(chǎn)生延續(xù)幾天甚至幾個(gè)星期的全球自由振蕩，只有長(zhǎng)周期重力儀、地震儀等才能記錄到這種振蕩。最早對(duì)地球自由振蕩作出準(zhǔn)確觀測(cè)是1960年5月22日智利8.9級(jí)地震后，Benioff等(1961)與Ness等(1961)分別用Isabella應(yīng)變儀和Lacoste-Romberg重力儀實(shí)現(xiàn)的，兩個(gè)觀測(cè)結(jié)果非常吻合并與理論值一致，使人們知道了長(zhǎng)周期自由振蕩的存在。目前人們認(rèn)識(shí)到的自由振蕩有兩種:第一種是

2、球型振蕩，地球作球型振蕩時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)位移既有徑向分量，也有水平分量;第二種是環(huán)型振蕩，地球作環(huán)型振蕩時(shí)，各質(zhì)點(diǎn)只在以地心為球心的同心球面上振動(dòng)，位移無(wú)徑向分量，地球介質(zhì)只產(chǎn)生剪切形變，無(wú)體積變化，地球的重力場(chǎng)不受擾動(dòng)，因此重力儀記錄不到這種振蕩。近年來(lái)全球大地震頻繁發(fā)生:2001年昆侖山口8.1級(jí)地震、2004年印尼蘇門(mén)答臘9.0級(jí)地震、2008年汶川8.0級(jí)地震、2011年日本9.0級(jí)地震等，這些罕見(jiàn)的大地震為人們研究地球自由振蕩提供了良好的機(jī)會(huì)。不少研究者利用數(shù)字觀測(cè)資料研究了一些大地震激發(fā)的地球自由振蕩，如萬(wàn)永革等(2004，2005，2007)利用中國(guó)數(shù)字地臺(tái)網(wǎng)的資料研究了2001年昆侖

3、山口西8.1級(jí)地震和2004年印尼蘇門(mén)答臘大地震激發(fā)的地球自由振蕩;雷湘鄂等(2002，2004，2007)利用超導(dǎo)重力儀來(lái)觀測(cè)地球球型自由振蕩;于海英等(2006)、邱澤華等(2007)、唐磊等(2007)、任佳等(2009)、徐曉楓等(2010)、楊躍文等(2010)也分別利用鉆孔差應(yīng)變儀觀測(cè)資料、中國(guó)鉆孔應(yīng)變臺(tái)網(wǎng)體應(yīng)變觀測(cè)資料、水位前兆資料、中國(guó)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)資料、云南水管儀觀測(cè)資料等研究了蘇門(mén)答臘地震、汶川地震所激發(fā)的地球自由振蕩，取得了不少成果，讓人們對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了進(jìn)一步的了解。格爾木地震臺(tái)是國(guó)家基準(zhǔn)臺(tái)之一，觀測(cè)手段豐富多樣，觀測(cè)質(zhì)量在國(guó)家數(shù)字臺(tái)網(wǎng)中排名前列。北京時(shí)間2011年3月

4、11日13時(shí)46分日本東海岸發(fā)生了9.0級(jí)特大地震，地震后不久，作者立即利用格爾木基準(zhǔn)臺(tái)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)此次地震激發(fā)的0S00S40基頻振型自由振蕩，并觀測(cè)到0S2、0S3振型譜峰分裂現(xiàn)象，觀測(cè)效果明顯。1格爾木重力儀對(duì)日本大地震的記錄格爾木地震臺(tái)位于青藏高原腹地，屬于國(guó)家基準(zhǔn)臺(tái)，海拔3118m。臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境良好，置放儀器的山洞進(jìn)深28m，總長(zhǎng)30m，洞頂覆蓋大于40m，側(cè)向覆蓋大于30m，洞內(nèi)巖石為花崗巖，巖石比較堅(jiān)硬完整，主體山脈基本無(wú)植被，且方圓3km內(nèi)沒(méi)有大的活動(dòng)斷裂通過(guò)。臺(tái)站使用PET型固體潮重力儀，該儀器漂移率小、精度高、測(cè)量范圍寬，2008年開(kāi)始投入使用，目前運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)出數(shù)據(jù)

5、質(zhì)量良好，觀測(cè)數(shù)值單位為Gal(1Gal=108ms2)。2011年3月11日日本東海岸附近(38.1°N，142.6°E)發(fā)生9.0級(jí)特大地震，格爾木基準(zhǔn)地震臺(tái)重力儀清晰地記錄到這次大地震。圖1為格爾木基準(zhǔn)臺(tái)重力儀記錄的日本9.0級(jí)特大地震的分鐘值曲線(xiàn)，圖中信號(hào)清晰，可清楚地看到重力潮汐和地震波。2數(shù)據(jù)選取及計(jì)算方法我們選取數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2011年3月11日13時(shí)00分至3月18日12時(shí)59分，共168小時(shí)，功率譜中頻率分辨率為1.67×106Hz，適當(dāng)?shù)念l率分辨率是辨認(rèn)振型譜峰的前提。通常用功率譜來(lái)描述隨機(jī)信號(hào)的頻域特征，這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均的頻譜特征。功率譜的目的是

6、根據(jù)有限數(shù)據(jù)給出信號(hào)及隨機(jī)過(guò)程的頻率成分布的描述，提取淹沒(méi)在噪聲中的有用信息。采用改進(jìn)的平均周期圖法來(lái)求取隨機(jī)信號(hào)的功率譜密度估計(jì)，并運(yùn)用信號(hào)重疊分段、加窗函數(shù)與FFT算法等提高運(yùn)算效率與效果。設(shè)信號(hào)x的自相關(guān)函數(shù)為Rn，則定義其Fou-rier變換為該信號(hào)的功率譜密度估計(jì)(萬(wàn)永革，式中，N為計(jì)算所用數(shù)據(jù)的數(shù)目，由于我們計(jì)算重力資料地球自由振蕩信息時(shí)采用的記錄是分鐘值，故N取10080，x為重力數(shù)據(jù)，Sk離散值為功率譜密度值。另外，為了消除數(shù)據(jù)不能無(wú)限長(zhǎng)而必須加窗對(duì)功率譜密度估計(jì)造成的影響，根據(jù)窗函數(shù)的不同特性，筆者采用Hanning窗來(lái)抑制功率譜旁瓣，突出主瓣，以獲取較準(zhǔn)確的頻譜信息。為了時(shí)

7、間截取上的便利，計(jì)算的數(shù)據(jù)包含了地震波傳到儀器之前的54個(gè)數(shù)據(jù)，但其相對(duì)于整個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是微不足道的，不會(huì)影響分析結(jié)果。筆者參考雷湘鄂等(2007)的甄別方法，即每個(gè)檢測(cè)振型的譜峰值與該振型附近的觀測(cè)背景噪聲譜的比值，即該振型的信噪比，若被檢測(cè)振型的信噪比大于3就是有效檢測(cè)。為了觀察是否存在著能貢獻(xiàn)出類(lèi)似于自由振蕩信息的非地震因素，我們對(duì)地震之前的重力資料進(jìn)行分析，從而確定檢測(cè)到的自由振蕩信息為日本地震所激發(fā)的。3計(jì)算結(jié)果3.1震后功率譜密度估計(jì)譜采用上述的數(shù)據(jù)與方法，我們得到的格爾木地震臺(tái)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)日本大地震后的功率譜密度估計(jì)譜，如圖2所示，觀測(cè)頻段依次分別為0.281.80，1.802.9

8、0，2.903.85和3.854.75mHz。計(jì)算結(jié)果清晰地檢測(cè)到了0S00S40之間除0S32、0S37振型之外基頻振型自由振蕩系列。為了對(duì)觀測(cè)到的自由振蕩和PREM模型的理論自由振蕩周期進(jìn)行對(duì)比，圖中用虛線(xiàn)指示PREM模型的理論自由振蕩頻率值。圖2a所示為在0.281.80mHz頻段內(nèi)檢測(cè)到的基型振蕩0S00S10。由圖可以看出，整個(gè)頻段無(wú)較大干擾，各個(gè)振型附近噪音很小，信噪比均大于3，能將0S00S10振型有效檢測(cè)出來(lái)。雖然0S2和0S3振型相對(duì)于其它振型觀測(cè)效果不明顯，但是由于其周?chē)肼暫芪⑷?，依然能將其檢測(cè)出來(lái)。由目前的工作可知(萬(wàn)永革等，2007;雷湘鄂等，2007)，0S2和0S

9、3振型存在著譜線(xiàn)分解的情況。一般情況下，觀測(cè)人員觀測(cè)到0S2和0S3并不像其它振型那么明顯，這可能有兩個(gè)原因:一是因?yàn)?S2和0S3振型是低頻率的低階振型，一般地震難以激發(fā)，只有大地震發(fā)生時(shí)才能被觀察到;另一方面可能是由于其能量的分散，譜線(xiàn)的分裂意味著能量的分散，0S2和0S3振型的能量分散于理論頻率值附近的幾個(gè)譜峰，不易觀察。圖2b所示為在1.802.90mHz頻段內(nèi)檢測(cè)到的0S110S20振型，該頻段噪聲較低，信噪比較高，觀測(cè)的振型附近無(wú)較大干擾，觀測(cè)效果清晰，且觀測(cè)頻率值與理論值相差甚微。圖2c所示為在2.903.85mHz頻段內(nèi)檢測(cè)到的0S210S30振型，據(jù)圖可知，除0S28振型觀測(cè)

10、頻率值與理論數(shù)值偏差稍微大外，其余振型檢測(cè)效果良好。圖2d所示為在3.854.75mHz頻段內(nèi)檢測(cè)到的0S310S40振型，該頻段的噪聲較大，其中0S32和0S37振型未形成突出的譜峰，導(dǎo)致觀測(cè)效果不明顯，盡管如此，依然較清晰地檢測(cè)到了這些振型，不過(guò)觀測(cè)頻率值與理論值偏差相對(duì)于其他頻段較大。將球型振蕩0S00S40振型觀測(cè)頻率值與PREM模型理論值進(jìn)行比較(表1)可見(jiàn)，0S2、0S3振型觀測(cè)頻率值與理論值偏差較大，分別為1.62%與0.85%，這并不是觀測(cè)的失誤，而可能是0S2、0S3振型譜線(xiàn)分裂所致;而頻率較高的0S32、0S37振型由于未能與周?chē)脑胍魠^(qū)分出來(lái)，沒(méi)有很好的觀測(cè)效果。同時(shí)，可

11、以看出0S0、0S13、0S22、0S26和0S30共5個(gè)振型的觀測(cè)頻率與理論值偏差近似為0，這是很少觀測(cè)到的現(xiàn)象。除去0S2、0S3、0S32、0S37振型，偏差絕對(duì)值大于0.20%以上的僅有5個(gè)振型:0S5、0S6、0S16、0S33和0S38;而小于0.10%的振型有20個(gè)，總體平均偏差為0.10%。在計(jì)算總體平均偏差的過(guò)程中，0S2、0S3振型存在譜線(xiàn)分裂，0S32、0S37振型未能分辨出，故這4個(gè)振型不在計(jì)算之列。3.2震前重力數(shù)據(jù)功率譜檢測(cè)為了檢驗(yàn)其他因素是否對(duì)此次檢測(cè)到的自由振蕩信息有影響，我們對(duì)地震之前的重力資料進(jìn)行分析，觀察是否有類(lèi)似于自由振蕩信息存在。截取2011年3月2日

12、0時(shí)0分至3月8日23時(shí)59分的重力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與前面一致，按照前文介紹的方法進(jìn)行計(jì)算，這樣將3月9日日本7.2級(jí)地震可能產(chǎn)生的影響排除掉。從這段數(shù)據(jù)的功率譜上可以看出，在檢測(cè)的頻率范圍內(nèi)，并無(wú)太大的背景干擾，噪音很小，潮汐因素也并未對(duì)所研究的頻段造成太大的影響，因此，我們可以確定檢測(cè)到的信號(hào)大部分來(lái)自日本9.0級(jí)大地震引起的自由振蕩信息(圖3)。3.30S2、0S3振型的譜線(xiàn)分裂由于地球自轉(zhuǎn)與扁率的影響，地球的某些本征振蕩不是簡(jiǎn)并的，而是存在譜線(xiàn)分裂現(xiàn)象。地球自由振蕩的簡(jiǎn)正振型表現(xiàn)為一些離散的頻譜峰，頻譜峰的位置可以用來(lái)確定球面上的平均地幔結(jié)構(gòu)，而頻譜峰分裂是大尺度的非球狀和非均勻地球的證

13、據(jù)(Widmer-Schnidrig，1999)。Dahlen等(1968，1969)利用擾動(dòng)理論分析了地球自轉(zhuǎn)及扁率作用導(dǎo)致的地球自由振蕩譜分裂，并把相關(guān)分裂參數(shù)制成表格形式，從理論上詳細(xì)地分析了科里奧利力分裂效應(yīng)。現(xiàn)在人們對(duì)地球自轉(zhuǎn)和扁率引起自由振蕩譜線(xiàn)分裂的研究已比較成熟，可以將實(shí)測(cè)振型的譜線(xiàn)分裂與模型理論預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較。譜線(xiàn)分裂的振型一般都包括兩個(gè)或兩個(gè)以上的分裂譜峰，頻率最高的譜峰與頻率最低的譜峰之間頻率差為實(shí)測(cè)譜線(xiàn)分裂寬度W，振型譜線(xiàn)分裂寬度的理論值Wth，定義用譜線(xiàn)分裂率R為實(shí)測(cè)譜線(xiàn)分裂寬度W與理論譜線(xiàn)分裂寬度Wth之比值(雷湘鄂等，2007)，即R=W/Wth.(3)從圖4中可

14、以看出，0S2、0S3振型各有兩個(gè)譜峰，每個(gè)譜峰的信噪比都大于3，故能將其分辨出。實(shí)測(cè)譜線(xiàn)分裂寬度、理論寬度分別為W1=10.60×106Hz，W2=10.20×106Hz，Wth9.48×106Hz，Wth2=13.05×106Hz。譜線(xiàn)分裂率分別為R1=0.544，R2=0.782。這個(gè)結(jié)果要小于雷湘鄂等(2007)用武漢超導(dǎo)重力儀研究蘇門(mén)答臘地震時(shí)得到數(shù)值(其結(jié)果分別為1.07，1.13)。方明(1991)指出，利用由地表向地心的數(shù)值積分計(jì)算自由振蕩0Sn的周期時(shí)，發(fā)現(xiàn)只有0S2和0S3振型的穿透深度進(jìn)入內(nèi)核，其中0S2的穿透深度接近地心，而0S3

15、的穿透深度則剛剛進(jìn)入內(nèi)核?？梢?jiàn)某些特殊振型的分裂能反映地球內(nèi)核結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，本文結(jié)果與雷湘鄂等(2007)的結(jié)果不同，可能是地球內(nèi)核各向異性的表現(xiàn)。0S2、0S3振型存在著譜線(xiàn)分裂的現(xiàn)象，能量被分解，也正說(shuō)明了0S2、0S3振型難以明顯觀測(cè)的原因。4結(jié)論與討論(1)運(yùn)用格爾木地震臺(tái)PET型固體潮重力儀記錄的資料，除0S32、0S37振型之外，準(zhǔn)確檢測(cè)到了日本9.0級(jí)地震激發(fā)的0S00S40振型球型自由振蕩，與PREM理論自由振蕩頻率進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)的頻率值與PREM理論值有很好相符，兩者互相吻合，既證明了PREM理論的正確性，也反映了臺(tái)站重力記錄質(zhì)量良好。(2)計(jì)算過(guò)程中未對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行扣除固體潮的數(shù)字處理，但經(jīng)過(guò)對(duì)震前重力資料的處理，并沒(méi)發(fā)現(xiàn)相似的地球自由振蕩信息