重力觀測檢測地震激發(fā)振蕩

1、重力觀測檢測地震激發(fā)振蕩     本文作者：姚家駿 萬永革 王培玲 屠泓為 馬 震  單位：青海省地震局 中國地震局地球物理研究所引言特大地震發(fā)生后，通常會產(chǎn)生延續(xù)幾天甚至幾個星期的全球自由振蕩，只有長周期重力儀、地震儀等才能記錄到這種振蕩。最早對地球自由振蕩作出準確觀測是1960年5月22日智利8.9級地震后，Benioff等(1961)與Ness等(1961)分別用Isabella應(yīng)變儀和Lacoste-Romberg重力儀實現(xiàn)的，兩個觀測結(jié)果非常吻合并與理論值一致，使人們知道了長周期自由振蕩的存在。目前人們認識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，其質(zhì)點位移既有徑向分量，也有水平分量;第二種是環(huán)型振蕩，地球作環(huán)型振蕩時，各質(zhì)點只在以地心為球心的同心球面上振動，位移無徑向分量，地球介質(zhì)只產(chǎn)生剪切形變，無體積變化，地球的重力場不受擾動，因此重力儀記錄不到這種振蕩。近年來全球大地震頻繁發(fā)生:2001年昆侖山口8.1級地震、2004年印尼蘇門答臘9.0級地震、2008年汶川8.0級地震、2011年日本9.0級地震等，這些罕見的大地震為人們研究地球自由振蕩提供了良好的機會。不少研究者利用數(shù)字觀測資料研究了一些大地震激發(fā)的地球自由振蕩，如萬永革等(2004，2005，2007)利用中國數(shù)字地臺網(wǎng)的資料研究了2001年昆侖

3、山口西8.1級地震和2004年印尼蘇門答臘大地震激發(fā)的地球自由振蕩;雷湘鄂等(2002，2004，2007)利用超導(dǎo)重力儀來觀測地球球型自由振蕩;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)變儀觀測資料、中國鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)體應(yīng)變觀測資料、水位前兆資料、中國數(shù)字地震臺網(wǎng)資料、云南水管儀觀測資料等研究了蘇門答臘地震、汶川地震所激發(fā)的地球自由振蕩，取得了不少成果，讓人們對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了進一步的了解。格爾木地震臺是國家基準臺之一，觀測手段豐富多樣，觀測質(zhì)量在國家數(shù)字臺網(wǎng)中排名前列。北京時間2011年3月

4、11日13時46分日本東海岸發(fā)生了9.0級特大地震，地震后不久，作者立即利用格爾木基準臺重力觀測數(shù)據(jù)，檢測此次地震激發(fā)的0S00S40基頻振型自由振蕩，并觀測到0S2、0S3振型譜峰分裂現(xiàn)象，觀測效果明顯。1格爾木重力儀對日本大地震的記錄格爾木地震臺位于青藏高原腹地，屬于國家基準臺，海拔3118m。臺站觀測環(huán)境良好，置放儀器的山洞進深28m，總長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，巖石比較堅硬完整，主體山脈基本無植被，且方圓3km內(nèi)沒有大的活動斷裂通過。臺站使用PET型固體潮重力儀，該儀器漂移率小、精度高、測量范圍寬，2008年開始投入使用，目前運行穩(wěn)定，產(chǎn)出數(shù)據(jù)

5、質(zhì)量良好，觀測數(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級特大地震，格爾木基準地震臺重力儀清晰地記錄到這次大地震。圖1為格爾木基準臺重力儀記錄的日本9.0級特大地震的分鐘值曲線，圖中信號清晰，可清楚地看到重力潮汐和地震波。2數(shù)據(jù)選取及計算方法我們選取數(shù)據(jù)長度為2011年3月11日13時00分至3月18日12時59分，共168小時，功率譜中頻率分辨率為1.67×106Hz，適當?shù)念l率分辨率是辨認振型譜峰的前提。通常用功率譜來描述隨機信號的頻域特征，這是一個統(tǒng)計平均的頻譜特征。功率譜的目的是

6、根據(jù)有限數(shù)據(jù)給出信號及隨機過程的頻率成分布的描述，提取淹沒在噪聲中的有用信息。采用改進的平均周期圖法來求取隨機信號的功率譜密度估計，并運用信號重疊分段、加窗函數(shù)與FFT算法等提高運算效率與效果。設(shè)信號x的自相關(guān)函數(shù)為Rn，則定義其Fou-rier變換為該信號的功率譜密度估計(萬永革，式中，N為計算所用數(shù)據(jù)的數(shù)目，由于我們計算重力資料地球自由振蕩信息時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)不能無限長而必須加窗對功率譜密度估計造成的影響，根據(jù)窗函數(shù)的不同特性，筆者采用Hanning窗來抑制功率譜旁瓣，突出主瓣，以獲取較準確的頻譜信息。為了時

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

8、0，2.903.85和3.854.75mHz。計算結(jié)果清晰地檢測到了0S00S40之間除0S32、0S37振型之外基頻振型自由振蕩系列。為了對觀測到的自由振蕩和PREM模型的理論自由振蕩周期進行對比，圖中用虛線指示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)檢測到的基型振蕩0S00S10。由圖可以看出，整個頻段無較大干擾，各個振型附近噪音很小，信噪比均大于3，能將0S00S10振型有效檢測出來。雖然0S2和0S3振型相對于其它振型觀測效果不明顯，但是由于其周圍噪聲很微弱，依然能將其檢測出來。由目前的工作可知(萬永革等，2007;雷湘鄂等，2007)，0S2和0S

9、3振型存在著譜線分解的情況。一般情況下，觀測人員觀測到0S2和0S3并不像其它振型那么明顯，這可能有兩個原因:一是因為0S2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)生時才能被觀察到;另一方面可能是由于其能量的分散，譜線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譜峰，不易觀察。圖2b所示為在1.802.90mHz頻段內(nèi)檢測到的0S110S20振型，該頻段噪聲較低，信噪比較高，觀測的振型附近無較大干擾，觀測效果清晰，且觀測頻率值與理論值相差甚微。圖2c所示為在2.903.85mHz頻段內(nèi)檢測到的0S210S30振型，據(jù)圖可知，除0S28振型觀測

10、頻率值與理論數(shù)值偏差稍微大外，其余振型檢測效果良好。圖2d所示為在3.854.75mHz頻段內(nèi)檢測到的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)致觀測效果不明顯，盡管如此，依然較清晰地檢測到了這些振型，不過觀測頻率值與理論值偏差相對于其他頻段較大。將球型振蕩0S00S40振型觀測頻率值與PREM模型理論值進行比較(表1)可見，0S2、0S3振型觀測頻率值與理論值偏差較大，分別為1.62%與0.85%，這并不是觀測的失誤，而可能是0S2、0S3振型譜線分裂所致;而頻率較高的0S32、0S37振型由于未能與周圍的噪音區(qū)分出來，沒有很好的觀測效果。同時，可

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

12、0時0分至3月8日23時59分的重力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度與前面一致，按照前文介紹的方法進行計算，這樣將3月9日日本7.2級地震可能產(chǎn)生的影響排除掉。從這段數(shù)據(jù)的功率譜上可以看出，在檢測的頻率范圍內(nèi)，并無太大的背景干擾，噪音很小，潮汐因素也并未對所研究的頻段造成太大的影響，因此，我們可以確定檢測到的信號大部分來自日本9.0級大地震引起的自由振蕩信息(圖3)。3.30S2、0S3振型的譜線分裂由于地球自轉(zhuǎn)與扁率的影響，地球的某些本征振蕩不是簡并的，而是存在譜線分裂現(xiàn)象。地球自由振蕩的簡正振型表現(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，從理論上詳細地分析了科里奧利力分裂效應(yīng)?，F(xiàn)在人們對地球自轉(zhuǎn)和扁率引起自由振蕩譜線分裂的研究已比較成熟，可以將實測振型的譜線分裂與模型理論預(yù)測值進行比較。譜線分裂的振型一般都包括兩個或兩個以上的分裂譜峰，頻率最高的譜峰與頻率最低的譜峰之間頻率差為實測譜線分裂寬度W，振型譜線分裂寬度的理論值Wth，定義用譜線分裂率R為實測譜線分裂寬度W與理論譜線分裂寬度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振型各有兩個譜峰，每個譜峰的信噪比都大于3，故能將其分辨出。實測譜線分裂寬度、理論寬度分別為W1=10.60×106Hz，W2=10.20×106Hz，Wth9.48×106Hz，Wth2=13.05×106Hz。譜線分裂率分別為R1=0.544，R2=0.782。這個結(jié)果要小于雷湘鄂等(2007)用武漢超導(dǎo)重力儀研究蘇門答臘地震時得到數(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)值積分計算自由振蕩0Sn的周期時，發(fā)現(xiàn)只有0S2和0S3振型的穿透深度進入內(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入內(nèi)核?？梢娔承┨厥庹裥偷姆至涯芊从车厍騼?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振型存在著譜線分裂的現(xiàn)象，能量被分解，也正說明了0S2、0S3振型難以明顯觀測的原因。4結(jié)論與討論(1)運用格爾木地震臺PET型固體潮重力儀記錄的資料，除0S32、0S37振型之外，準確檢測到了日本9.0級地震激發(fā)的0S00S40振型球型自由振蕩，與PREM理論自由振蕩頻率進行對比，發(fā)現(xiàn)實測的頻率值與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，也反映了臺站重力記錄質(zhì)量良好。(2)計算過程中未對觀測數(shù)據(jù)進行扣除固體潮的數(shù)字處理，但經(jīng)過對震前重力資料的處理，并沒發(fā)現(xiàn)相似的地球自由振蕩信息