利用琼中台重力观测资料检测智利地震所激发的地球自由振荡

郭明瑞，郭昱琴，胡久常，刘 伟，郑 华，吴 密

(海南省地震局，海南 海口 570203)

利用琼中台重力观测资料检测智利地震所激发的地球自由振荡

郭明瑞，郭昱琴，胡久常，刘 伟，郑 华，吴 密

(海南省地震局，海南 海口 570203)

基于琼中PET重力仪的数字化观测资料，利用功率谱密度估计方法，在没有对重力资料进行任何 （固体潮、气压）改正的情况下，准确获取了2010年2月27日智利发生巨大地震激发的0S8～0S29基频球型自由振荡。并与PREM模型理论自由振荡的周期进行对比分析，实测周期与PREM预测振荡周期是相吻合的，除0S10周期的相对误差为0.28%，其余周期误差均小于0.1%。结论对进一步研究地球的内部结构和震源机制具有一定的意义。

地震；地球自由振荡；功率谱密度；PREM模型

0 引言

巨大地震不仅产生通过地球介质传播的体波、沿地球表面传播的面波。同时，也会激发地球的自由振荡。面波是体波在自由表面和内部界面反射后干涉的大振幅的振动。地球的自由振荡不同于体波和面波，体波和面波是行波，而振荡是驻波，即在任意给定时刻内发生运动的不是地球的一部分，而是地球的整体[1]。

因地球自由振荡的频率很低，振动也很微弱，振动周期一般为数十秒至数十分钟。只有用灵敏的、可探测长周期振动的重力仪、应变仪和长周期地震仪等才能记录到[2]。

自由振荡只能取一些特定的频率，称为地球的本征频率。与本征频率相应的振动叫做本征振荡。每一种本征振荡都对应一种驻波，是地球的一种谐振形式。本征振荡分为两类：①球型振荡：地球作球形振荡时，其质点位移既有径向分量，也有水平分量。这是一种无旋转振动。② 环型振荡：地球作环型振荡时[3]，各质点只在以地心为球心的同心球面上振动，位移无径向分量，地球介质只产生剪切形变，无体积变化，地球的重力场不受扰动 ，重力仪记录不到这种振荡。本文则运用琼中重力仪记录并检测到球型振荡[1]。

1 琼中地震台的重力观测

海南岛位于大地构造的华南块体西南部，站址地处海南隆起的中部，受区域性的两大东西向深大断裂与北东向主体构造断裂以及次一级的北西向构造断裂所控制。重力仪于2008年购置并安装在琼中地震台，该台位于海南岛中部琼中黎族苗族自治县营根镇，周围10 km内无大断裂通过，台址岩基为海西-印支期花岗岩，岩性致密坚硬。观测资料稳定，可靠，完整性好。从观测数据来看，重力仪具有较宽的动态线形测量范围，较低的噪声水平和漂移率。

2 资料处理

2010年2月27日在智利发生的8.8级的地震，琼中重力仪观测到明显的地球自由振荡，图1是琼中重力仪记录到的8.8级大地震分钟值曲线，此曲线没有进行任何处理，取有明显地震影响的6 d的资料，共8 640 min的数据分析。分析方法用功率谱密度估算提取地球的自由振荡[4]，即

（1）式中，k=0，1，2，..，N－1，自相关函数Rn为

（2）式中，n=-(N-2)，-(N-1)，..，-1，0，1，..，N-2，N-1，N=8 640为所用数据的数目，x为琼中重力仪记录的重力的数据，SK离散值为功率谱密度值。本文利用琼中地震台PET数字化重力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对功率谱密度估计造成的影响，本文采用Hanning窗来抑制旁瓣，突出主瓣[3]。

图1 重力仪记录到的智利地震的分钟值曲线Fig.1 Minute-value curve of Chile earthquake recorded by gravimeter

图2 重力仪记录到的智利地震前6 d的分钟值曲线Fig.2 Minute-value curve of 6 days before Chile earthquake recorded by gravimeter

图3 1.4～2.8mHz频段重力数据功率谱密度估计曲线Fig.3 Curve of power spectral density estimation of gravity data in the frequency band of 1.4 to 2.8 mHz

图4 2.8～3.9mHz频段重力数据功率谱密度估计曲线Fig.4 Curve of power spectral density estimation of gravity data in the frequency band of 2.8 to 3.9 mHz

图5 2～4mHz频段重力数据功率谱密度估计曲线Fig.5 Curve of power spectral density estimation of gravity data in the frequency band of 2 to 4 mHz

3 球型自由振荡的识别

根据以上方法，我们得到琼中重力数据的功率谱密度估计。图3表示在1.38～2.8mHz频段内清楚地检测到球型振荡，包括0S8～0S19的基型振荡。图4表示在2.8～3.8mHz频段内清楚地检测到球型振荡，包括0S20～0S29基型振荡。图5表示2～4mHz频段内功率谱密度的值（运用地震前6 d的数据分析），从图中可得并无检测到大气的自由振荡。

通过分析琼中重力仪观测到的智利地震功率谱，我们得球型振荡0S8～0S29等振型的周期平均值[4]（表1），用观测值和 PREM模型理论值[5]比较，知除0S10周期的相对误差为0.28%，其余周期相对误差均小于0.1%，这说明观测值和PREM模型的理论值是相吻合的。

表1 重力仪观测到的地球球型振荡平均观测值、PREM模型理论值与两者之差Table 1 Average observation values of spheroidal oscillation recorded by gravimeter,theory values of PREM model and their differences

4 结论

（1）用琼中地震台PET重力仪的数字化观测资料成功对智利8.8级巨大地震激发的球型自由振荡进行了提取，准确检测到了0S8～0S29的基型球型振荡，并与地球参考模型的理论自由振荡频率进行对比，其观测值的振荡频率与PREM预测的振荡频率基本吻合，这在一定程度上说明了重力仪器的运行是良好的，也说明本文的研究是成功的。

（2）因地球作环型振荡时，各质点只在以地心为球心的同心球面上振动，位移无径向分量，地球介质只产生剪切形变，无体积变化，地球的重力场不受扰动，重力仪记录不到这种振荡，故本文只检测到球型振荡。

（3）地球自由振荡的频率很低，振动周期为数十秒至数十分钟，可以根据自由振荡观测资料研究震源过程[7]，鉴别慢地震[8]。另外，如何运用资料来检验重力仪器的频响特征，也是可取的方法。

（4）利用地震前数据提取大气自由震荡，但未提取到，所以用功率谱密度的方法提取并检测的球型振荡数据是正确的，用所得的结果对进一步研究地球的内部结构与震源机制提供可靠的数据。

致谢：感谢万永革老师提供PREM模型数据。

[1]张少泉.地球物理概论[M].北京：地震出版社，2009.

[2]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.

[3]万永革.昆仑山口西地震激发的地球环型振荡[J].防灾减灾工程学报，2004，24(1)：1-7.

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

[5]邓娜，刘冰冰，杨耀文，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，2009，29(S1)：41-44，58.

[6]杨跃文，秦嘉政，任佳，等.利用云南水管仪观测资料检测地球自由振荡[J].地震研究，2010，33（2）：189-194.

[7] Park J,el a.l Earth's free oscillation excited by the 26 December 2004 Sum a tra And an earthquake[J]. Science，2005，308:1139-1146

[8]Beroza G C and Jordan T H.Searching for slow and silent earthquake using free oscillation[J].G eophys Res, 1990，95(B3)：2485-2510.

Detection of Free Oscillations Following Chile Earthquake By using Gravity Observations at Qiongzhong Station

GUOMingrui,GUOYuqin,HUJiuchang，LIUWei，ZHENGHua，WUMi

(Earthquake Administration of Hainan Province，Haikou 570203，china)

This paper accurately obtains0S8～0S29-pitch spheroidal free oscillation produced by huge earthquake in Chile on February 27,2010.Digital observation data of Qiongzhong PET gravimeter and method of power spectral density estimation are used,without any gravity data (Earth tide,atmospheric pressure) correction.Compared with the period of free oscillations of PREM model,their periods are consistent,and relative errors of periods are less than 0.1%except0S10Which is 0.28%.Conclusions are significant for further studies on the internal structure of the earth and focal mechanisms.

Earthquake；The Earth's Free Oscillation；Power Spectral Density；PREM Model

P315.726

A

1001-8662（2012）03-0097-05

2011-12-25

郭明瑞，女，1983年生，助理工程师，主要从事地震监测和分析预报工作. E-mail：545113937@qq.com.

引言