利用本溪自流井水溫觀測資料檢測地球自由振蕩＊

蔣翠榮,任 佳,陳華靜,王 松,楊耀文,溫 超,王長江

(1.河北省地震局張家口中心臺,河北張家口 075000;2.中國地震局臺網中心,北京 100036;3.云南省地震局麗江地震臺,云南麗江 674100;4.河北省地震局,石家莊 050021)

利用本溪自流井水溫觀測資料檢測地球自由振蕩＊

蔣翠榮1,任 佳1,陳華靜2,王 松2,楊耀文3,溫 超4,王長江1

(1.河北省地震局張家口中心臺,河北張家口 075000;2.中國地震局臺網中心,北京 100036;3.云南省地震局麗江地震臺,云南麗江 674100;4.河北省地震局,石家莊 050021)

用本溪自流井數字化水溫觀測資料,采用直接計算功率譜密度的方式對印尼蘇門答臘 9.0級大地震激發的球型自由振蕩進行了提取,準確檢測到了0S2～0S9低頻基型球型振蕩,并且還檢測到了 2個諧頻球型振蕩:1S2、1S3。用該井數字化水溫觀測資料提取了0S2、0S3、0S4共 3個振型的分裂,雖然 3個振型均只得到 2個單峰,但地球自由振蕩譜線分裂現象的檢測為研究地球的深內部結構提供了新的、不同類型的觀測資料。研究表明,用本溪自流井數字化水溫觀測資料可以提取到蘇門答臘大地震激發的地球球型振蕩,這就為地球自由振蕩的研究提供了一種新的觀測手段。

水溫;蘇門答臘 9.0級大地震;地球自由振蕩;球型振蕩

0 引言

大地震的震動產生地震波,其中體波直接通過地球傳播,而其他波則沿地球表面傳播。面波從震源向各個方向射出,由于地球是球體,這些不同方向的波最終產生相互干涉,這種干涉方式叫 “自由振蕩”。

地球自由振蕩的理論研究至少可追溯到 18世紀。Lamb(1882)詳細討論了均勻球體的較簡單的振型,對應于現在通常稱為球型振蕩和環型振蕩的兩種振型。最早對地球自由振蕩的準確觀測是在 1960年智利MS8.3(MW9.5)地震后,分別用 Isabella應變儀(Benioffet al,1961)和 La-Coste-Romberg重力儀(Nesset al,1961)實現的,兩套儀器的觀測結果非常吻合并與理論值相當一致,由此確認了長周期自由振蕩的存在。至今,用于觀測地球自由振蕩的儀器主要包括:寬頻帶地震儀、基線應變儀、重力儀、水管傾斜儀、垂直擺傾斜儀和水位儀(Benioffet al,1961;Alsop et al,1961;Bogert,1961;Dziewonski,Gillbert,1972; Bolt,Currie,1975; Zadro,Braitenberg,1999;萬永革等,2004、2005;任佳等,2009a,b)。2004年12月 26日蘇門答臘大地震,給人類造成了重大傷亡和損失,但也為研究地球自由振蕩提供了難得的機會。Stein和 Okal(2005a,b)、萬永革等(2007)、雷湘鄂等(2007)、邱澤華等(2007)、任佳等(2009a,b)分別對這次地震激發的地球自由振蕩進行了研究,但利用水溫觀測資料檢測地球自由振蕩的研究,國內外還未見報道。本文利用數字化水溫觀測資料提取了這次地震激發的低頻球型自由振蕩。

1 觀測井地質背景

本溪自流井井區處于陰山東西向構造帶的東延與新華夏系第二巨型隆起帶的交接部位,屬太子河凹陷帶。北東向太子河斷裂橫貫全區,該斷裂帶東南側為古老地塊組成的山地,西北側多為開闊的山間沖積平原或較開闊的河谷地區。自流井井口標高 173.34 m,井深 1 213.46 m,觀測含水層地下水屬裂隙承壓水,水質類型為硫酸鈉型。井孔在 600 m處穿過第一個熱水層,在 952～957 m處穿過第二個含水層,兩個含水層中不同溫度的水混合后流出地表時水溫在 20℃左右(孫小龍,劉耀偉,2007)。

2 資料處理

本溪自流井水溫觀測使用 SZ W—1A型數字式溫度計,該儀器是為地熱前兆觀測設計的專用石英溫度計,分辨率為 0.000 1℃,短期穩定性為0.000 1℃/日,長期穩定性為 0.01℃/年,絕對精度為 ±0.05℃。該井長期的觀測表明,水溫測量值在無震時能反映出明顯的固體潮效應,對遠場大震也有同震響應(孫小龍,劉耀偉,2007)。本文采用快速傅立葉變換(FFT)(萬永革等,2007)對 2006年該井水溫的小時觀測值進行了頻譜分析,分析結果清楚地顯示了日波動和半日波動,并得到了 5個主要的日潮汐波 Q1、O1、K1、J1、OO1和 3個主要的半日潮汐波 N2、M2、S2(圖 1)。這就表明本溪自流井水溫能夠對微小的應變(如地球的潮汐變化)產生響應,也表明該臺的觀測條件和觀測質量都比較好。筆者認為,一般情況下,能清晰記錄到固體潮的儀器,才有可能檢測出地球自由振蕩信息。

圖1 本溪自流井水溫頻譜分析Fig.1 Analysis ofBenxi artesian water temperature spectrum

圖2是本溪自流井水溫儀記錄到的蘇門答臘9.0級大地震的分鐘值曲線,此曲線沒有經過任何消除干擾的處理。從圖中可以明顯地看到記錄到的水溫固體潮、水震波和震后效應。震后效應表現為水溫階升,這主要是地震波作用下含水層滲透率增大造成的(孫小龍,劉耀偉,2007)。我們提取了受地震影響明顯的 5天的資料,分析采用的數據從地震發生后開始,共 7 200 min。

圖2 本溪自流井水溫記錄的蘇門答臘大地震分鐘值曲線Fig.2 Benxi artesian water temperature in the record of the minutes curve of Sumatra earthquake

本研究采用通常的功率譜密度估計方法來提取地球球型自由振蕩,其定義為記錄到的波形資料的自相關函數 Rn的傅立葉變換(萬永革等,2005),即

其中,自相關函數

式中,N=7 200,為所用數據的數目,x為本溪自流井記錄的水溫數據。Sk離散值為功率譜密度值。本文利用本溪自流井數字化水溫觀測資料,采用直接計算功率譜密度的方式來提取球型振蕩振型。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,本文采用 Hanning窗來抑制旁瓣,突出主瓣。

3 球型自由振蕩的識別

按照上述的計算方法,我們得到了本溪自流井水溫數據的功率譜密度估計值(PSD)(圖 3),圖中垂直虛線表示地球初步參考模型 PREM給出的在其頂點標出振型的自由振蕩頻率值。在 0.28～1.6 MHz頻段內可以清楚地檢測到球型振蕩的基型振蕩0S2、0S3、0S4、0S5、0S6、0S7、0S8、0S9。同時,我們還檢測到了 2個諧頻球型振蕩:1S2、1S3。本研究只檢測到低頻段(0.28～1.6 MHz)的地球自由振蕩信息,中頻和高頻均未檢測到。

圖3 本溪自流井水溫數據功率譜密度估計曲線Fig.3 The est imated power spectral density curve of Benxi artesian water temperature data

通過圖 3繪制的功率譜,我們得到了球型振蕩0S5～0S95個振型的周期平均值(表 1)。將觀測值和 PREM模型理論值相比較,發現 5個振型的觀測周期和 PREM模型理論周期的相對誤差均集中在 0.2%左右,這說明觀測值和 PREM模型的理論值是比較吻合的。

表1 本溪自流井水溫觀測的地球球型振蕩平均觀測值、PREM模型理論值及觀測值與 PREM模型理論值之差Tab.1 An average of observed ball oscillations values of Benxi artesian water temperature,PREM model theoretic value and the difference be tween the observed value and the theoretic value

另外,我們還得到了0S2、0S3、0S4振型的分裂譜(圖 4)。根據 Dahlen和 Sailor(1979)的研究結果,地球自由振蕩振型分裂的頻率可表示為:

其中,ω0為地球自由振蕩的簡并本征頻率,本研究采用 PREM模型給出的特定振型的理論計算值(Dziewonski,Anderson,1981);ωm為受地球自轉和橢率擾動的自由振蕩分裂譜線頻率;m為分裂振型序號。自由振蕩譜線分裂參數包括 a,b,c,其中 a為中心譜線漂移參數,b為自轉引起的譜線分裂參數,c為譜線分裂的不對稱因子,主要由地球橢率引起。本研究采用Dahlen和 Sailor(1979)總結給出各種振型的分裂參數。

圖4為振型分裂觀測值與運用 PREM模型得到的分裂譜峰位置的比較,圖中垂直虛線表示根據PREM模型計算振型分裂的自由振蕩頻率值。對于0S2有 2個峰值分別對應于 m-2和 m1,對于0S3有 2個峰值分別對應于 m-2和 m2,對于0S4有 2個峰值分別對應于 m-3和 m3。

圖4 0S2、0S3、0S4振型的分裂譜Fig.4 0S2、0S3、0S4mode split spectrum

通過圖 4繪制的分裂譜,我們得到了0S2、0S3、0S43個振型的分裂譜線周期平均值(表 2)。將觀測值和 PREM模型理論值相比較,發現 3個振型的分裂譜線周期和 PREM模型理論周期的相對誤差均小于 0.3%,這說明觀測值和 PREM模型的理論值是比較吻合的。

表2 本溪自流井水溫檢測到的 3個振型譜線分裂觀測值與 PREM理論值Tab.2 The three modal split observational values detected byBenxi artesian water temperature and PREM theoretical value

4 結論和討論

(1)我們用數字化水溫觀測資料對印尼蘇門答臘 9.0級大地震激發的球型自由振蕩進行了提取,準確檢測到了0S2～0S9低頻基型球型振蕩,還檢測到了 2個諧頻球型振蕩:1S2、1S3。這既反映了本溪自流井數字化水溫儀器運行狀態良好,也表明本文的研究是成功的。這種研究不僅能有效地發揮觀測儀器的潛能,也提高了觀測資料的利用率。本研究為地球自由振蕩的研究提供了一種新的觀測手段。

(2)對于封閉良好的承壓含水層來說,井—含水層系統相當于高靈敏度的體應變儀(張昭棟等,1988,2000)。本溪自流井水溫觀測資料能記錄到水溫固體潮、水震波、震后水溫階升和自由振蕩現象。筆者認為,這種水溫微動態的形成機制,不是深部熱物質的直接上涌或熱的傳導引起的,而很可能是引起井水溫度變化的水動力學機制起主導作用,即由于地殼的應力應變狀態的變化,首先引起含水層巖體變形及相應的孔隙壓力的變化并導致井—含水層系統水動力條件(水力梯度)的改變和水流狀況(流速、流量等)的改變,然后由于水流量所攜帶著的井孔內熱量變化引發井水溫度改變造成的(魚金子等,1997)。

(3)Rosat等(2005)針對蘇門答臘地震分析了 11個臺站的超導重力儀資料,發現0S2和0S3清楚地分裂為 5個和 7個單峰,并首次在沒有數據疊加的情況下觀測到2S1振型及其由于地球自轉導致的頻譜分裂。我們用本溪自流井數字化水溫觀測資料提取了0S2、0S3、0S4等 3個振型的分裂,雖然3個振型均只得到 2個單峰,但地球自由振蕩譜線分裂現象的檢測為研究地球的深內部結構提供了新資料(He,Tromp,1996;Masters,1981)。通常認為0S2和0S3振型的穿透深度達到內核,其中0S2的穿透深度接近地心,0S3則剛剛進入內核(雷湘鄂等,2004)。因此對這些振型的分裂進行研究有望揭示地球內核的結構信息。

(4)本文作為初步研究,只得到了低頻段的地球自由振蕩振型,中頻段和高頻段自由振蕩振型被淹沒在背景噪聲中,不易分辨。如何利用數字化水溫觀測資料檢測更多的自由振蕩振型是我們下一步研究的目標。另外,如何用這種觀測資料來檢驗水溫觀測的頻響特性,也需要進一步研究。

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Detecting the free oscillations of the earth in the use of the observed data of Benxiartesian water temperature

JIANG Cui-rong1,Ren Jia1,CHENG Hua-jing2,WANG Song2,YANG Yao-w en3,W EN Chao4,W ang Chang-jiang1
(1.Zhangjiakou Central Seism ic Station,Earthquake Adm inistration of Hebei Province,Zhangjiakou075000,Heibei,China)
(2.China SeismologicalBureau Center,Beijing100036,China)
(3.L ijiang Seism ic Station,Earthquake Adm inistration of Yunnan Province,L ijiang674100,Yunnan,China)
(4.Earthquake Adm inistration of Heibei Province,Shijiazhuang050021,Heibei,China)

In the first tim e of using digital observation data of B enxi artesian w ater temperature,as w ell as using direct calculation of pow er spectral density to extract the ball free oscillations prompted by the9.0Sum atra earthquake,and accurately detected0S2～0S9low-frequency base-type oscillations and tw o-frequency spherical harm onic oscillator:1S2、1S3.B y using the temperature observations,for the first tim e w e successfully extracted3m ode split:0S2、0S3、0S4.A lthough only tw o single peaks w ere

by the three m ode shapes,but the phenom enon of the Earth's free oscillations spectrum of split testing provides a new and different types of observational data to the study of internal structure of the Earth.Studies have show n that digital observation data of Benxi artesian w ater temperature is indeed to extract the the ball free oscillations prompted by the9.0Sum atra earthquake w hich prompted a new observational tool for the Earth's free oscillations study.

w ater temperature,Sum atra M9.0earthquake,the Earth's free oscillations,the ball-type oscillation

P315.72+3

A

1000-0666(2010)04-0313-05

2010-02-20.

致謝:本文 PREM模型數據由萬永革老師提供,所用水溫數據由中國地震局臺網中心周克昌老師提供,在此一并致謝。