利用SG-C053超導重力儀檢測智利8.8級地震激發的地球自由震蕩*

劉子維 郝洪濤 韋 進 李 輝

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)武漢大學計算機學院，武漢430079)

利用SG-C053超導重力儀檢測智利8.8級地震激發的地球自由震蕩*

劉子維1，2)郝洪濤1)韋 進1)李 輝1)

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)武漢大學計算機學院，武漢430079)

利用SG-C053超導重力儀的觀測資料，研究了2010年2月27日智利Ms8.8地震引發的球形自由振蕩0S0～0S48的所有基頻振型，檢測結果與PREM模型的理論值相比，二者基本相符。

超導重力儀;地球自由振蕩;功率譜密度;智利Ms8.8地震;PREM模型

1 引言

研究表明，地球自由振蕩存在環型振蕩和球型振蕩兩種基本振型［1-5］，狀態良好的重力儀適合觀測球型自由振蕩［6］。1960年，Benioff［7］和Ness等［8］分別利用應變儀和彈簧重力儀最早觀測到了地球自由振蕩現象。20世紀80年代中期以來，超導重力儀以其極寬的動態線性測量范圍、極低的噪聲水平和漂移率，成為觀測重力場微小變化最可靠的儀器，也為地球自由振蕩研究提供了更加可靠的觀測資料。Van Camp［9］使用比利時Menbach天文臺的超導重力儀資料觀測到少數幾個基頻和一些諧頻。雷湘鄂等［10］利用武漢基準臺的超導重力資料檢測到許多諧頻和0S0～0S32的全部基頻振型，進而通過對國際上5個超導重力儀臺站所觀測到的6組資料進行綜合分析，準確獲得了0S0～0S48的所有振型［11］。

2010年2月27日，智利中部康普西翁地區發生8.8級強震，為地球自由振蕩的研究又一次提供了重要機會。本文將利用國家引力與固體潮野外觀測站SG-C053超導重力儀的觀測資料，研究智利8.8級強震引發的地球自由震蕩。

2 超導重力觀測及資料預處理

中國地震局地震研究所于2008年8月引進的美國GWR公司生產的最新型超導重力儀(編號為SG-C053)，相比早期型號，該型超導重力儀數據采集系統除記錄秒采樣的重力信號和外部氣壓外，還包括30個儀器狀態信息［12］。該超導重力儀安裝于國家引力與固體潮野外觀測站，2008年9月26日開始正式觀測，對O1波、M2波等的主要潮汐因子的測量精度達到了0.01%［12，13］。

研究資料取至SG-C053超導重力儀2010-02-27—03-04日的觀測數據，采樣間隔為秒。在對自由振蕩信號進行研究之前，必須首先盡量消除非自由振蕩信號的影響。本文主要采取以下措施消除非自由震蕩信號的影響：

1)利用文獻［14］給出的潮汐分析結果計算重力合成潮汐，將觀測數據與計算的合成潮相初步去除重力潮汐;

2)根據大氣重力導納常數與秒采樣氣壓數據的乘積進行大氣重力效應改正［15］;

3)根據地球自由振蕩的頻率分布特征，分別以1×10-4Hz和1×10-3Hz為截斷頻率，進行最小二乘高通濾波和低通濾波，去除殘余潮汐信號和部分地震波信號。

預處理后的觀測數據如圖1所示。在該時間范圍內，儀器無數據間斷和掉格，顯示出SG-C053超導重力儀良好的連續運行能力。

3 地球自由振蕩檢測結果

采用功率譜密度估計方法提取地球自由振蕩信號。公式為：

式中Rn為觀測數據的自相關函數，

式中，N為觀測數據長度，x為觀測數據。

圖1 超導重力儀觀測數據預處理結果Fig.1 Dreprocessing results of the observations with the super conducting gravimeter

圖2 (0～1.5)×10-3Hz自由振蕩功率譜Fig.2 Free oscilation power spectrum of(0～1.5)×10-3 Hz

選取地震波信號到達時刻(3月4日)的觀測數據進行功率譜密度估計，并根據地球自由振蕩頻率分布和功率譜振幅特點，將其分為(0～1.5)× 10-3、(1.5～3.9)×10-3、(3.9～5.5)×10-3Hz 3個頻段。圖2～4為3個頻段內的功率譜分布，虛線表示PREM模型中的相應基頻振型的頻率位置。從圖2～4可以看出，在(0～3.9)×10-3Hz頻段內，球形自由振蕩0S0～0S31基頻振型的頻率位置形成的譜峰十分清楚，在0S2、0S3、0S4頻率位置存在明顯的譜峰分裂現象;在(3.9～5.5)×10-3Hz頻段內，0S32～0S35振型的頻率位置也形成的較為明顯的譜峰，而在高于4.3×10-3Hz的頻段內，基頻振型的頻率位置形成的譜峰則并不突出?？紤]到高頻自由振蕩信號的衰減較快［8］，長時間觀測數據的頻譜分析對高頻自由振蕩信號造成了一定的壓制作用。因此，本文將預處理后的觀測資料中3月1日至4日的數據進行截斷，再次對其進行功率譜密度估計(圖5)。從圖5可以看出，0S36～0S48振型的頻率位置也形成了明顯的譜峰。這也表明對0S0～0S48基頻自由振蕩的檢測是成功的。

圖3 (1.5～3.9)×10-3Hz自由振蕩功率譜Fig.3 Free oscilation power spectrum of(1.5～3.9)× 10-3Hz

圖4 (3.9～5.5)×10-3Hz自由振蕩功率譜Fig.4 Free oscilation power spectrum of(3.9～5.5)× 10-3Hz

圖5 (4.3～5.5)×10-3Hz自由振蕩功率譜Fig.5 Free oscilation power spectrum of(4.3～5.5)×10-3Hz

根據功率譜估計結果，我們計算了0S0～0S48基頻自由振蕩的觀測周期，并與PREM模型的理論周期進行了比較(表1)。比較結果表明，只有0S37振型的觀測周期與理論周期的差異超過0.2%，其他大部分差異都在0.1%以內，這說明本文對0S0～0S48基頻自由振蕩的檢測結果與PREM模型的理論值是比較吻合的。

表1 0S0～0S48基頻自由振蕩周期的觀測值和PREM理論值比較Tab.1 Comperison between the observations of free oscilation period and the theoretical values of PREM

4 結論與討論

1)利用SG-C053超導重力儀在2010年2月27日智利8.8級地震期間的觀測資料，我們準確地檢測到了球形自由振蕩0S0～0S48的所有基頻振型，與PREM模型的對比結果表明，二者吻合得比較好。

2)由于高頻自由振蕩信號衰減較快，適當減少譜分析所用的觀測數據，對于提高高頻自由振蕩信號的分辨能力是有益的。

3)本文準確地檢測到了0S2、0S3、0S4基頻自由振蕩的譜峰分裂現象。

1 呂永清，蔡亞先，周云耀.用JCZ-1超寬頻帶數字地震儀觀測地球自由振蕩［J］.地殼形變與地震，1997，(3)：103 -105.

2 唐磊，邱澤華，闞寶祥.中國鉆孔體應變臺網觀測到的地球自由振蕩［J］.大地測量與地球動力學，2007，(6)：37 -44.

3 鄧娜，等.利用雙陽臺水管觀測資料檢測地球自由振蕩［J］.大地測量與地球動力學，2009，(增刊)：41-44，58.

4 袁曲，等.利用宜昌臺重力觀測資料檢測地球自由振蕩［J］.大地測量與地球動力學，2010，(增Ⅰ)：74-77.

5 楊躍文，等.利用伸縮儀觀測資料檢測地球自由振蕩［J］.大地測量與地球動力學，2010，(增Ⅰ)：78-81.

6 Garland G D.Introduction to Geophysics(Mantle，Core and Crust)［M］.Toronto：W B Saunders Company，1979.

7 Benioff H，Press F and Smith S.Excitation of the free oscillations of the Earth by earthquake［J］.J Geophys Res.，1961，66(2)：605-619.

8 Ness N R，Harrison C T and Slichter L B.Observation of the free oscillation of the earth［J］.J Geophys Res.，1961，66(2)：621-629.

9 Van Camp M.Measuring seismic normal modes with the GWR C021 superconducting ravimeter［J］.Phys Earth and Plan Int，1999，116：81-92.

10 雷湘鄂，許厚澤，孫和平.利用超導重力觀測資料檢測地球自由振蕩［J］.科學通報，2002，47(18)：1 432-1 436.

11 雷湘鄂，許厚澤，孫和平.由5個國際超導重力儀臺站觀測資料檢測到的秘魯8.2級大地震所激發的球型自由振蕩現象［J］.中國科學D輯：地球科學，2004，34(5)：483-491

12 劉子維，等.SG-C053超導重力儀的觀測結果分析［J］.大地測量與地球動力學，2010，(2)：257-160.

13 邢樂林，等.利用絕對重力測量精密測定超導重力儀的格值因子［J］.大地測量與地球動力學，2010，(1)：48-50.

14 Niebauer T M.Correcting gravity measurements for the effects of local air pressure［J］.J Geophys Res.，1988，93 (B7)：7 989-7 991.

15 陳運泰，等.數字地震學［M］.北京：地震出版社，2000.

DETECTION OF EARTH’S FREE OSCILATION EXCITED BY CHILE Ms8.8 EARTHQUAKE BY USING SG-C053 SUPER CONDUCTING GRAVIMETER

Liu Ziwei1，2)，Hao Hongtao1)，Wei Jin1)and Li Hui1)

(1)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)School of Computer Science，Wuhan University，Wuhan430079)

Using the gravity data recorded by the SG-C053 super conducting gravimete g the Ms8.8 Chile earthquake break out in 2010，1，27，we succeed in detecting the Earth’s free oscilation from0S0to0S48.In addition，we observed the spectra splitting of the0S2，0S3and0S4.Compared with the PREM model，the observed period of0S0-0S48coincides with PREM model.

super conducting gravimeter;Earth’s free oscilation;spectra power density;Chile Ms8.8 earthquake; PREM model

1671-5942(2011)Supp.-0043-04

2011-03-02

全國重力臺網學科中心運行經費(201101008)

劉子維，男，1971年生，助理研究員，博士在讀，主要從事重力數據、數字信號處理及并行算法研究.E-mail：lzw@eqhb.gov.cn

P315.5

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