利用伸缩仪观测资料检测地球自由振荡＊

杨跃文 任 佳 杨 星 杨玲英 和玉权 李丽红

(1)云南省地震局丽江地震台,丽江 674100

2)河北省地震局张家口中心台,张家口 075000 3)云南省地震局,昆明 650224)

利用伸缩仪观测资料检测地球自由振荡＊

杨跃文1)任 佳2)杨 星3)杨玲英3)和玉权1)李丽红1)

(1)云南省地震局丽江地震台,丽江 674100

2)河北省地震局张家口中心台,张家口 075000 3)云南省地震局,昆明 650224)

运用云南省云龙地震台和山东省泰安地震台伸缩仪的数字化观测资料,利用功率谱密度估计方法,在没有对资料进行去固体潮处理的情况下,准确地获得了 2004年 12月 26日苏门答腊 9.0级地震激发的0S3～0S26基频球形自由振荡,并与地球初步参考模型 PREM的理论自由振荡周期进行了对比,发现实测振荡周期与 PRE M预测的振荡周期基本相一致。

伸缩仪;苏门答腊 9.0级地震;PREM模型;自由振荡;球形振荡

1 引言

地震振动产生的地震波,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。1882年,Lamb[1]详细讨论了均匀球体的振型,得到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地震后,Benioff[2]和 Ness等[3]分别用 Isabella应变仪和 LaCoste-Romberg重力仪实现的。两套观测结果非常吻合并与理论值相当一致,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[2,4-15]。2004年 12月 26日的苏门答腊大地震,给人类造成了重大伤亡和损失,同时也为研究地球自由振荡提供了难得的机会。本文将利用云南省云龙地震台(后面简称云龙台)3个方向和山东省泰安基准地震台(后面简称泰安台)2个方向伸缩仪的数字化观测资料提取苏门答腊地震激发的地球球型自由振荡。

2 资料

2004年 12月 26日印尼苏门答腊岛西部附近海域印度洋发生M9.0地震,震中位置为 3.9°N、95.9°E,并在印度洋多个周边国家引起大规模海啸,造成了约 1 300 km长的余震区[16]。

云南省云龙台和山东省泰安台使用的伸缩仪是中国地震局武汉地震科学仪器研究院研制的 SS-Y型数字化伸缩仪,是目前我国地震倾斜潮汐观测台网中使用的主要观测仪器。针对这次地震,笔者研究了该伸缩仪的观测数据,发现云龙台三分量和泰安台二分量均可以较好地识别出球型振荡。图 1是云龙台三分量和泰安台二分量伸缩仪记录的苏门答腊 9.0级大地震分钟值曲线,此曲线没有经过任何消除干扰的处理,从图 1中可清晰地看到固体潮、地震波和同震阶跃。分析采用的数据云龙台从地震发生后开始,提取了有明显地震影响的 6天的资料,共8 640分钟;泰安台因为第六天部分缺数,采用 5天的数据,共 7 200分钟。

图 1 云龙台和泰安台伸缩仪记录的印尼苏门答腊大地震分钟值曲线Fig 1 Minute-value curves recorded by the digital extensometer at Yunlong,Taian seis mostations excited by theM9.0 Sumatra-Andaman great earthquake on 26 December,2004

3 处理方法

研究采用通常功率谱密度估计方法提取地球自由振荡[14-19],即

其中,自相关函数 Rn为:

式中,N =8 640为所用数据的数目,x为台站记录的伸缩仪数据。Sk离散值为功率谱密度值。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窗抑制旁瓣,突出主瓣。

4 计算结果

云龙台三分量和泰安台二分量伸缩仪的功率谱密度 (PSD)估计如图 2～4所示 (垂直虚线表示PREM模型给出在其顶点标出振型的自由振荡频率值)。图 2为 0.28～1.30 MHz频段的功率谱密度估计,在这一频段可以看到,云龙台三分量和泰安台二分量伸缩仪的观测数据可以清楚地检测到球型振荡的基型振荡0S3、0S4、0S5、0S6、0S7,同时,还检测到谐频球型振荡2S1和环型振荡0T5。“足球”式振荡0S2振型虽然附近功率谱密度有一个峰值,但相对于周围的噪声水平并没有明显分开。作为初步研究结果,在后面的分析中,我们只用 PREM模型给出的自由振荡的频率值与云龙台三分量和泰安台二分量的功率谱密度进行对比。

图 2 0.28～1.3 MHz频段地倾斜数据功率谱密度估计曲线Fig 2 Curves of power spectrum density esti mation of ground tilt data in the 0.28～1.33 MHz frequency band of the digital extensometer

图 3为 1.3～2.4频段范围内云龙台三分量和泰安台二分量的功率谱密度(相对值)与 PREM模型给出的球型振荡频率值的对应情况。可以看出0S8～0S15在三分量中均被清楚地检测出来。

图 4为 2.4～3.5 MHz频段范围内云龙台三分量和泰安台二分量的功率谱密度(相对值)与 PREM模型给出的球型振荡频率值的对应情况。可以看到,虽然在这个频段噪声比较大,但云龙台三分量和泰安台二分量的观测数据仍然清楚地检测到球型基频振荡0S16～0S26。

图 3 1.3～2.4 MHz频段地倾斜数据功率谱密度估计曲线Fig 3 Curves of power spectrum density estimation of ground tilt data in the 1.33～2.4 MHz frequency band of the digital extensometer

图 4 2.4～3.5 MHz频段地倾斜数据功率谱密度估计曲线Fig 4 Curves of power spectrum density estimation of ground tilt data in the 2.4～3.5 MHz frequency band of the digital extensometer

通过图 2～4得出：SS-Y型数字化伸缩仪的观测资料可以提取到印尼苏门答腊大地震激发的地球球型振荡。

5 结论

1)云龙台和泰安台 SS-Y型数字化伸缩仪的观测资料可以提取出印尼苏门答腊 9.0级大地震激发的球型自由振荡,并能准确地检测到0S3～0S26的基型球型振荡,同时还能检测到谐频球型振荡2S1和环型振荡0T5,并与地球初步参考模型 (PREM)的理论自由振荡频率的对比说明,实测振荡频率与 PREM预测的振荡频率基本符合。

2)需要说明的是,除了地震可以激发地球自由振荡外,还有许多其他因素,如大气扰动[18,19]、随季节变化的大气压力变化[20,21]也可引起地球自由振荡。因此本文所检测到的印尼苏门答腊大地震激发的地球自由振荡资料还可能有其他源的贡献。

3)如何用观测资料检验伸缩仪观测的频响特性,还需要进一步研究。

致谢 衷心感谢云南省地震监测中心前兆台网和山东省地震局泰安基准台提供数据,以及卢双玲、孟建国、万永革教授提供的帮助!

1 傅承义,陈运泰,祁贵仲.地球物理学基础[M].北京：科学出版社,1985.

2 Garland G D.Introduction to Geophysics(Mantle,Core and Crust).2nd ed[M].Toronto：W B Saunders Company, 2003.

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

4 NessN R,Harrison C T and SliehterL B.Observation of the free oscillation of the earth[J].Geophys Res,1961,66：621 -629.

5 Alsop L E,Sutton G H and Ewing M.Free oscillation of Earth observed on strain and pendulum seismographs[J]. Geophy.Res,1961,66(2)：631-641.

6 Bogert B P.An observation of free oscillations of the Earth [J].Geophys.Res,1961,66(2)：643-646.

7 DziewonskiA M and Gillbert F.Observation of normalmodes from 84 recordings of the Alaskan earthquakes 0f 1964 March 28[J].Geophys.J.R.Astr.Soc,1972,27：393-446.

8 Bolt B A and Currie R G.Maximum entropy estimates of Earth torsional eigenperiods from 1960 trieste data[J].Geophys.J.R.Astr.Soc,1975,40：107-114.

9 Zadro M and Braitenberg C.Measurements and interpretations of tiltstrain gauges in seis mically active areas[J].Earth Science Reviews,1999,47：151-187.

10 吕永清,蔡亚先,周云耀.用 JCZ-1超宽频带数字地震仪观测地球自由振荡[J].地壳形变与地震,1997,(3)：103-105.

11 唐磊,邱泽华,阚宝祥.中国钻孔体应变台网观测到的地球自由振荡[J].大地测量与地球动力学,2007,(6)：37 -44.

12 任佳,等.数字化水位仪观测的苏门答腊大地震激发的地球球型自由振荡[J].地震研究,2009,32(4)：333-338.

13 Stein S and Okal E A.Speed and size of the Sumatra earthquake[J].Nature,2005a,434：581-582.

14 邓娜,等.利用双阳台水管观测资料检测地球自由振荡[J].大地测量与地球动力学,2009,(增刊)：41-44,58.

15 Stein S and Okal E A.The 2004 Sumatra earthquake and India ocean tsunami：What happened and why[J].The Earth’s Scientist,2005b,(2)：6-11.

16 万永革,盛书中,周公威.中国数字地震台网记录的苏门答腊—安达曼地震激发的地球球型自由振荡的检测[J].地震学报,2007,29(4)：369-381.

17 雷湘鄂,等.苏门达腊地震激发的地球自由振荡及其谱线分裂的检测与讨论 [J].中国科学 (D辑),2007,37 (4)：504-511.

18 邱泽华,等.钻孔差应变仪观测的苏门答腊大地震激发的地球环型自由振荡[J].地球物理学报,2007,50(3)：797-805.

19 万永革.数字信号处理的MATLAB实现[M].北京：科学出版社,2007.

20 Park J,et al.Earth’s free oscillations excited by the 26 December 2004 SumatraAndaman earthquake[J].Science, 2005,308：1 139-1 146.

21 Beroza G C and Jordan T H.Searching for slow and silent earthquakes using free oscillations[J].Geophys Res., 1990,95(B3)：2 485-2 510.

DETECTING FREE OSC ILLATION OF EARTH BY USE OF OBSERVATIONS OF EXTENSOM ETER

Yang Yuewen1),Ren Jia2),Yang Xing3),YangLingying3),He Yuquan1)and LiLihong1)

(1)L ijiang Seism ostation,Earthquake Adm inistration of Yunnan Province,Lijiang 674100 2)Zhangjiakou Central Seism ostation,Earthquake Adm inistration of Hebei Province,Zhangjiakou 075000 3)Earthquake Adm inistration of Yunnan Province,Kunm ing 650224)

W ith power spectrum density esti mation method,we extract the spheroidal free oscillation of fundamental-frequency(0S3～0S26)of the earth excited by theM9.0 Sumatra-Andaman great earthquake on 26 December 2004 from the data of digital extensometer at Yunlong seis mostation in Yunnan province and at Taian seis mostation in Shandong province without eliminating the earth’s tide.Comparing the period of the extracted oscillation with that of the theoreticaloscillation by using the Preliminary Reference EarthModel(PREM),it is found that they are accordantwith each other.

extensometer;M9.0 Sumatra earthquake;PREM model;free oscillation;spheroidal oscillation

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0078-04

2010-07-21

云南省自然科学基金(2008CD220)

杨跃文,男,1969年生,工程师,主要从事地震监测及研究.E-mail：72310@163.com

P315.5

A