利用本溪自流井水温观测资料检测地球自由振荡＊

蒋翠荣,任 佳,陈华静,王 松,杨耀文,温 超,王长江

(1.河北省地震局张家口中心台,河北张家口 075000;2.中国地震局台网中心,北京 100036;3.云南省地震局丽江地震台,云南丽江 674100;4.河北省地震局,石家庄 050021)

利用本溪自流井水温观测资料检测地球自由振荡＊

蒋翠荣1,任 佳1,陈华静2,王 松2,杨耀文3,温 超4,王长江1

(1.河北省地震局张家口中心台,河北张家口 075000;2.中国地震局台网中心,北京 100036;3.云南省地震局丽江地震台,云南丽江 674100;4.河北省地震局,石家庄 050021)

用本溪自流井数字化水温观测资料,采用直接计算功率谱密度的方式对印尼苏门答腊 9.0级大地震激发的球型自由振荡进行了提取,准确检测到了0S2～0S9低频基型球型振荡,并且还检测到了 2个谐频球型振荡:1S2、1S3。用该井数字化水温观测资料提取了0S2、0S3、0S4共 3个振型的分裂,虽然 3个振型均只得到 2个单峰,但地球自由振荡谱线分裂现象的检测为研究地球的深内部结构提供了新的、不同类型的观测资料。研究表明,用本溪自流井数字化水温观测资料可以提取到苏门答腊大地震激发的地球球型振荡,这就为地球自由振荡的研究提供了一种新的观测手段。

水温;苏门答腊 9.0级大地震;地球自由振荡;球型振荡

0 引言

大地震的震动产生地震波,其中体波直接通过地球传播,而其他波则沿地球表面传播。面波从震源向各个方向射出,由于地球是球体,这些不同方向的波最终产生相互干涉,这种干涉方式叫 “自由振荡”。

地球自由振荡的理论研究至少可追溯到 18世纪。Lamb(1882)详细讨论了均匀球体的较简单的振型,对应于现在通常称为球型振荡和环型振荡的两种振型。最早对地球自由振荡的准确观测是在 1960年智利MS8.3(MW9.5)地震后,分别用 Isabella应变仪(Benioffet al,1961)和 La-Coste-Romberg重力仪(Nesset al,1961)实现的,两套仪器的观测结果非常吻合并与理论值相当一致,由此确认了长周期自由振荡的存在。至今,用于观测地球自由振荡的仪器主要包括:宽频带地震仪、基线应变仪、重力仪、水管倾斜仪、垂直摆倾斜仪和水位仪(Benioffet al,1961;Alsop et al,1961;Bogert,1961;Dziewonski,Gillbert,1972; Bolt,Currie,1975; Zadro,Braitenberg,1999;万永革等,2004、2005;任佳等,2009a,b)。2004年12月 26日苏门答腊大地震,给人类造成了重大伤亡和损失,但也为研究地球自由振荡提供了难得的机会。Stein和 Okal(2005a,b)、万永革等(2007)、雷湘鄂等(2007)、邱泽华等(2007)、任佳等(2009a,b)分别对这次地震激发的地球自由振荡进行了研究,但利用水温观测资料检测地球自由振荡的研究,国内外还未见报道。本文利用数字化水温观测资料提取了这次地震激发的低频球型自由振荡。

1 观测井地质背景

本溪自流井井区处于阴山东西向构造带的东延与新华夏系第二巨型隆起带的交接部位,属太子河凹陷带。北东向太子河断裂横贯全区,该断裂带东南侧为古老地块组成的山地,西北侧多为开阔的山间冲积平原或较开阔的河谷地区。自流井井口标高 173.34 m,井深 1 213.46 m,观测含水层地下水属裂隙承压水,水质类型为硫酸钠型。井孔在 600 m处穿过第一个热水层,在 952～957 m处穿过第二个含水层,两个含水层中不同温度的水混合后流出地表时水温在 20℃左右(孙小龙,刘耀伟,2007)。

2 资料处理

本溪自流井水温观测使用 SZ W—1A型数字式温度计,该仪器是为地热前兆观测设计的专用石英温度计,分辨率为 0.000 1℃,短期稳定性为0.000 1℃/日,长期稳定性为 0.01℃/年,绝对精度为 ±0.05℃。该井长期的观测表明,水温测量值在无震时能反映出明显的固体潮效应,对远场大震也有同震响应(孙小龙,刘耀伟,2007)。本文采用快速傅立叶变换(FFT)(万永革等,2007)对 2006年该井水温的小时观测值进行了频谱分析,分析结果清楚地显示了日波动和半日波动,并得到了 5个主要的日潮汐波 Q1、O1、K1、J1、OO1和 3个主要的半日潮汐波 N2、M2、S2(图 1)。这就表明本溪自流井水温能够对微小的应变(如地球的潮汐变化)产生响应,也表明该台的观测条件和观测质量都比较好。笔者认为,一般情况下,能清晰记录到固体潮的仪器,才有可能检测出地球自由振荡信息。

图1 本溪自流井水温频谱分析Fig.1 Analysis ofBenxi artesian water temperature spectrum

图2是本溪自流井水温仪记录到的苏门答腊9.0级大地震的分钟值曲线,此曲线没有经过任何消除干扰的处理。从图中可以明显地看到记录到的水温固体潮、水震波和震后效应。震后效应表现为水温阶升,这主要是地震波作用下含水层渗透率增大造成的(孙小龙,刘耀伟,2007)。我们提取了受地震影响明显的 5天的资料,分析采用的数据从地震发生后开始,共 7 200 min。

图2 本溪自流井水温记录的苏门答腊大地震分钟值曲线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谱密度估计方法来提取地球球型自由振荡,其定义为记录到的波形资料的自相关函数 Rn的傅立叶变换(万永革等,2005),即

其中,自相关函数

式中,N=7 200,为所用数据的数目,x为本溪自流井记录的水温数据。Sk离散值为功率谱密度值。本文利用本溪自流井数字化水温观测资料,采用直接计算功率谱密度的方式来提取球型振荡振型。为了消除数据不能无限长而必须加窗造成的对功率谱密度估计的影响,本文采用 Hanning窗来抑制旁瓣,突出主瓣。

3 球型自由振荡的识别

按照上述的计算方法,我们得到了本溪自流井水温数据的功率谱密度估计值(PSD)(图 3),图中垂直虚线表示地球初步参考模型 PREM给出的在其顶点标出振型的自由振荡频率值。在 0.28～1.6 MHz频段内可以清楚地检测到球型振荡的基型振荡0S2、0S3、0S4、0S5、0S6、0S7、0S8、0S9。同时,我们还检测到了 2个谐频球型振荡:1S2、1S3。本研究只检测到低频段(0.28～1.6 MHz)的地球自由振荡信息,中频和高频均未检测到。

图3 本溪自流井水温数据功率谱密度估计曲线Fig.3 The est imated power spectral density curve of Benxi artesian water temperature data

通过图 3绘制的功率谱,我们得到了球型振荡0S5～0S95个振型的周期平均值(表 1)。将观测值和 PREM模型理论值相比较,发现 5个振型的观测周期和 PREM模型理论周期的相对误差均集中在 0.2%左右,这说明观测值和 PREM模型的理论值是比较吻合的。

表1 本溪自流井水温观测的地球球型振荡平均观测值、PREM模型理论值及观测值与 PREM模型理论值之差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,我们还得到了0S2、0S3、0S4振型的分裂谱(图 4)。根据 Dahlen和 Sailor(1979)的研究结果,地球自由振荡振型分裂的频率可表示为:

其中,ω0为地球自由振荡的简并本征频率,本研究采用 PREM模型给出的特定振型的理论计算值(Dziewonski,Anderson,1981);ωm为受地球自转和椭率扰动的自由振荡分裂谱线频率;m为分裂振型序号。自由振荡谱线分裂参数包括 a,b,c,其中 a为中心谱线漂移参数,b为自转引起的谱线分裂参数,c为谱线分裂的不对称因子,主要由地球椭率引起。本研究采用Dahlen和 Sailor(1979)总结给出各种振型的分裂参数。

图4为振型分裂观测值与运用 PREM模型得到的分裂谱峰位置的比较,图中垂直虚线表示根据PREM模型计算振型分裂的自由振荡频率值。对于0S2有 2个峰值分别对应于 m-2和 m1,对于0S3有 2个峰值分别对应于 m-2和 m2,对于0S4有 2个峰值分别对应于 m-3和 m3。

图4 0S2、0S3、0S4振型的分裂谱Fig.4 0S2、0S3、0S4mode split spectrum

通过图 4绘制的分裂谱,我们得到了0S2、0S3、0S43个振型的分裂谱线周期平均值(表 2)。将观测值和 PREM模型理论值相比较,发现 3个振型的分裂谱线周期和 PREM模型理论周期的相对误差均小于 0.3%,这说明观测值和 PREM模型的理论值是比较吻合的。

表2 本溪自流井水温检测到的 3个振型谱线分裂观测值与 PREM理论值Tab.2 The three modal split observational values detected byBenxi artesian water temperature and PREM theoretical value

4 结论和讨论

(1)我们用数字化水温观测资料对印尼苏门答腊 9.0级大地震激发的球型自由振荡进行了提取,准确检测到了0S2～0S9低频基型球型振荡,还检测到了 2个谐频球型振荡:1S2、1S3。这既反映了本溪自流井数字化水温仪器运行状态良好,也表明本文的研究是成功的。这种研究不仅能有效地发挥观测仪器的潜能,也提高了观测资料的利用率。本研究为地球自由振荡的研究提供了一种新的观测手段。

(2)对于封闭良好的承压含水层来说,井—含水层系统相当于高灵敏度的体应变仪(张昭栋等,1988,2000)。本溪自流井水温观测资料能记录到水温固体潮、水震波、震后水温阶升和自由振荡现象。笔者认为,这种水温微动态的形成机制,不是深部热物质的直接上涌或热的传导引起的,而很可能是引起井水温度变化的水动力学机制起主导作用,即由于地壳的应力应变状态的变化,首先引起含水层岩体变形及相应的孔隙压力的变化并导致井—含水层系统水动力条件(水力梯度)的改变和水流状况(流速、流量等)的改变,然后由于水流量所携带着的井孔内热量变化引发井水温度改变造成的(鱼金子等,1997)。

(3)Rosat等(2005)针对苏门答腊地震分析了 11个台站的超导重力仪资料,发现0S2和0S3清楚地分裂为 5个和 7个单峰,并首次在没有数据叠加的情况下观测到2S1振型及其由于地球自转导致的频谱分裂。我们用本溪自流井数字化水温观测资料提取了0S2、0S3、0S4等 3个振型的分裂,虽然3个振型均只得到 2个单峰,但地球自由振荡谱线分裂现象的检测为研究地球的深内部结构提供了新资料(He,Tromp,1996;Masters,1981)。通常认为0S2和0S3振型的穿透深度达到内核,其中0S2的穿透深度接近地心,0S3则刚刚进入内核(雷湘鄂等,2004)。因此对这些振型的分裂进行研究有望揭示地球内核的结构信息。

(4)本文作为初步研究,只得到了低频段的地球自由振荡振型,中频段和高频段自由振荡振型被淹没在背景噪声中,不易分辨。如何利用数字化水温观测资料检测更多的自由振荡振型是我们下一步研究的目标。另外,如何用这种观测资料来检验水温观测的频响特性,也需要进一步研究。

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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.

致谢:本文 PREM模型数据由万永革老师提供,所用水温数据由中国地震局台网中心周克昌老师提供,在此一并致谢。