赤城台水位检测基频球型自由振荡的再认识

符泽宇，任 佳，赵建明，李 金，王 妍

（河北省地震局唐山中心台，河北 唐山 063000）

赤城台水位检测基频球型自由振荡的再认识

符泽宇，任 佳，赵建明，李 金，王 妍

（河北省地震局唐山中心台，河北 唐山 063000）

针对印尼9.0级大地震，我们在既保证低频自由振荡信号的分辨率，又不对高频自由振荡信号产生抑制效应的前提下，采取逐步增减样本数据的方法进行试验，首次用赤城台的水位观测资料较好地检测到了0S2～0S76的基型球型振荡，并与地球初步参考模型（PREM）的理论自由振荡频率进行了对比，发现实测振荡频率与PREM预测的振荡频率基本符合。

赤城台；水位资料；地球自由振荡；印尼9.0级地震

0 引言

近年来，地球自由振荡研究在我国已越来越受到关注，有很多学者进行了相关研究［1-8］，其中一个重要的领域是对地球自由振荡谱峰之频率的研究与检测。笔者检索了相关文献，发现对于基频球型振荡，利用数字化前兆观测资料最多仅能检测到0S48，对于采样率是分钟值的数据，理论上它能检测到的基频球型自由振荡频段应是0S2～0S76。如何能检测到尽可能多的振型参数，一直是笔者关注的问题。由于利用地球自由振荡波形资料，不仅可以约束地球内部结构［11］，还可以反推地震的震源参数［12］，研究慢地震和静地震等［10］，因此尽可能多的提取地球自由振荡振型资料就有相当重要的意义。针对这次地震，笔者采取逐步增减样本数据的方法试验，较好地检测到0S3～0S76的基型球型振荡，并与地球初步参考模型（PREM）的理论自由振荡频率进行了对比，发现实测振荡频率与PREM预测的振荡频率基本符合。

1 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，针对这次地震，笔者对赤城台水位观测资料进行重新处理，拟尽可能多的提取基频球型振荡。图1是赤城台水位仪记录的印尼9.0级大地震分钟值曲线，从图中可清晰看到固体潮和地震波。

图1 赤城台水位仪记录的苏门答腊大地震的分钟值曲线Fig.1 Minute-value curve of Sumatra earthquake recorded by Chicheng Station water level meter

2 水位观测资料预处理

赤城台水位观测资料来源于中国地震台网中心，参与计算的是采样率。在处理数据之前，对原始数据作了预处理，剔除了混合在观测值中的错误数据（如尖蜂、突跳等），对短时间的缺数进行了内插。

地球自由振荡信号属于非稳态信号（瞬态信号），我们通常采用功率谱密度估计的方法来分析。由于功率谱密度的谱分辨率正比于数据长度，数据样本应有足够的长度，频谱图才具有较高的质量，如果采样数据过少，就不能分辨出其中的频率成分。地震产生的地球自由振荡在地震发生后随着时间的流逝振幅快速衰减，这就产生了一个矛盾，由于高频自由振荡信号的衰减较快，样本数据多，就会对其产生抑制效应，样本数据少，对低频自由振荡信号就不能进行有效识别。笔者在既保证低频自由振荡信号的分辨率，又不对高频自由振荡信号产生抑制效应的前提下，采取逐步增减样本数据的方法进行试验，较好地解决了这一矛盾。试验结果表明，针对这次地震，采用震后1100～2000个数据是比较合适的。

3 地球自由振荡谱分析结果

本文采用功率谱密度估计的方法来分析地球自由振荡信号，其定义为观测数据自相关函数的傅立叶变换［4］，参与计算的数据个数为1800个，振幅谱的绝对值代表功率谱。分析结果见图2-3。图中垂直虚线表示PREM模型给出的基型球型振荡理论频率值。

图2为0.276～4.8mHz频段，赤城台水位在该频段内除0S32、0S33、0S37和0S41偏离PREM理论值外，其余均被清楚地检测到，自由振荡的相对幅度是10-5m量级。

图3为4.8mHz～8.1mHz频段，赤城台水位在该频段内除0S42、0S45、0S48、0S54、0S60、0S63、0S64、0S68、0S71、0S75、0S76偏离PREM理论值外，其余振型仍可以较清楚地分辨出，自由振荡的相对幅度是10-7m量级。

4 结论和讨论

（1）对于赤城台水位，任佳等针对2004年12月26日印尼M9.0地震，利用震后近5天的数据仅检测到0S30。我们用赤城台水位仪的观测数据对这次地震较好地检测到了0S2～0S76的基型球型振荡，本文检测到的振型明显多于任佳等［7］的结果。

（2）本研究采取逐步增减样本数据的方法，在既保证低频自由振荡信号的分辨率，又不对高频自由振荡信号产生抑制效应的前提下，采用功率谱密度估计的方法提取地球自由振荡的信息，结果表明这种方法是可行的。

（3）从图2-3我们发现，0.276～4.8mHz部分的自由振荡相对幅度远高于4.8mHz～8.1mHz部分，前者比后者大约高出近两个数量级，这也可能是高频部分不易准确检测的原因。在图3的某些频段附近存在另外一些峰值，这是由于信号截断时采用的窗函数不可避免地使功率谱在窗口主瓣内的功率向边瓣部分泄漏，降低了分辨率，较大的边瓣还有可能掩盖谱中较弱的成分，或是产生假的峰值造成的，尤其在分析的数据越短时，这些影响更为突出。

图2 赤城台水位数据分析结果（0.276～4.8mHz）Fig.2 Analysis results of Chicheng Station water level data（0.276 mHz to 4.8 mHz）

图3 赤城台水位数据分析结果（4.8～8.1mHz）Fig.3 Analysis results of Chicheng Station water level data （4.8 mHz to 8.1 mHz）

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［6］任佳，陈华静，王松，等.2009.汶川大地震激发的地球球型自由振荡［J］.中国地震，25（1）：73-80.

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RECOGNITION OF THE FOUNDATIONAL-FREQUENCY SPHEROIDAL FREE OSCILLATIONS DETECTED BY CHICHENG SEISMIC STATION WATER LEVEL

FU Ze-yu， REN Jia， ZHAO Jian-ming， LI Jin， WANG Yan

（Tangshan Central Seismic Station，Earthquake Administration of Hebei Province，Hebei Tangshan 063021， China）

In view of the 9.0 magnitude earthquake in Indonesia， this study conducted an experiment by adopting the method of gradually increasing or decreasing sample data under the premise of ensuring the resolution ratio of low frequency free oscillation signals and no inhibiting effect on high frequency free oscillation signals. For the first time， it fairly detected the foundational frequency spheroidal free oscillations of 0S2～0S76 with the water level observation data of Chicheng Seismic Station and the comparison with the free oscillation frequency of Preliminary Reference Earth Model（PREM）theory found that the measured oscillation frequency basically corresponds with the predicted oscillation frequency of PREM.

Chicheng Seismic Station；water level date； free oscillations of the Earth； the 9.0 magnitude earthquake in Indonesia

P315.72

A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.020

1674-8565（2016）03-0105-04

2016-06-29

2016-07-26

符泽宇（1983-），男，河北省唐山市人，2007年毕业于宁夏大学，助理工程师，现主要从事地震监测工作。E-mail：17123670@qq.com