利用日本9.0级强震检定gPhone重力仪探测地球自由振荡的有效性*

刘正华 李 辉 郝洪涛 韦进 刘子维

(1)中国地震局地震研究所，武汉 430071 2)地壳运动与地球观测实验室，武汉 430071 3)武汉大学测绘学院，武汉 430079 4)武汉大学计算机学院，武汉430072)

利用日本9.0级强震检定gPhone重力仪探测地球自由振荡的有效性*

刘正华1)李 辉1，2)郝洪涛1，2)韦进1，2，3)刘子维1，2，4)

(1)中国地震局地震研究所，武汉 430071 2)地壳运动与地球观测实验室，武汉 430071 3)武汉大学测绘学院，武汉 430079 4)武汉大学计算机学院，武汉430072)

利用北京、沈阳、格尔木、乌什等4个台站型gPhone重力仪的观测资料，检测日本9.0级大地震的地球自由振荡，将检测结果与SG以及HB1模型进行对比，结果表明0S0-0S48基频自由振荡的实测周期值与SG以及HB1模型的理论值基本一致，从而证实gPhone重力仪能有效地检测出地球自由振荡信号，同时也从相应高频范围内表明了gPhone重力仪秒采样观测资料的可靠性。检测还发现了0S2、0S3的谱线分裂现象。

gPhone重力仪;地球自由振荡;功率谱密度;日本9.0级地震;HB1模型

1 引言

中国地震局在“十五”期间，建成了数字化地震前兆观测台网。重力台网建设包括引进了17台国外最先进的gPhone台站型重力仪，与传统GS、DZW型重力仪相比，其采样周期由以前的小时、分钟提升至秒，显然秒值观测资料包涵更丰富的信息，尤其在高频部分［1］。

2011年3月11日，日本本州东海岸附近海域发生9.0级特大地震，我国重力台网运行的17台gPhone台站型重力仪虽都记录到此次大地震期间的重力资料，但由于大地震信号的能量太大，有些gPhone重力仪出现了记录中断、甚至错误等现象。我们将利用连续率和完整率很好的4个台站(北京国家地球观象台(PET031)、沈阳(PET037)、格尔木(PET038)、乌什(PET042))的观测资料，对其地球自由震荡信号进行提取，并探讨gPhone重力仪对高频信号的频响特征。

2 gPhone重力仪

gPhone重力仪是由美国Micro-g公司生产的金属弹簧相对重力仪［1］，观测数据为按天存储的秒采样数据，时间系统为UTC时。采集数据包括18个通道，其主要通道为重力和气压。“十五”期间的17台gPhone仪器其分辨率可达0.01×10-8ms-2，已经过测试和格值标定等相关工作，从2007年连续工作至今。

图1是2007年1月13日日本千岛群岛地震期间，gPhone和SG观测资料时间序列图。

图1 gPhone重力仪和超导重力仪秒采样的地震记录时间序列(引自www.microglacoste.com)Fig.1 Earthquake records by second with gPhone and SG (citing from www.microglacoste.com)

由图1可知，gPhone重力仪的观测精度不及超导重力仪，且超导重力仪的数据采集使用了物理低通滤波器，地震期间振幅明显小于gPhone。故本文利用gPhone重力仪的观测资料来探测地球自由振荡，也是对gPhone重力仪秒采样数据有效性的一种检验。

3 gPhone重力仪观测资料预处理

原始观测数据预处理使用的是国际地球潮汐研究中心推荐的Tsoft预处理程序［2］，利用较强的人机对话方式，将原始资料中包括由于仪器突跳和电脉冲等导致的尖峰、地震扰动等导致的错误信号删除。原始观测数据的间断通过内插［3-5］的方法来恢复数据的连续性。因为大地震激发的地球自由振荡通常能够持续数天的时间，所以本文选取2011-03-11—15日的观测数据进行分析。在自由振荡发生的几天内，不考虑地球重力场长期变化的影响，只是尽量消除了非自由振荡信号的影响。

气压变化对重力观测的影响虽然比较复杂，但人们发现对于台站重力观测而言，可以简单地用气压变化值ΔP乘上一个大气导纳常数A作为观测重力的气压改正［6，7］。大气导纳常数A一般在-0.3 ×10-8ms-2/hPa左右［8，9］，而由气压引起的重力变化幅度一般在(2～3)×10-8ms-2范围内，故气压改正的效果仅有较小的变化，所以本文采用-0.32× 10-8ms-2/hPa即可。

gPhone重力仪采用零长弹簧系统，不如超导重力仪拥有极低的漂移率［10］，其零漂每月达1×10-8ms-2以上。采用多项式拟合的方法去漂移，经多次试验，先进行一阶多项式拟合初步去掉漂移，再进行五阶多项式拟合精去漂移，残差结果相对最佳。

在地震波序列中，除长周期面波的周期与高频自由振荡接近，体波的周期均小于自由振荡至少1个数量级［11］，因此通过低通数字滤波的方法可以去除体波和部分面波的影响。根据地球自由振荡的频率分布特征，分别以1×10-4Hz和1×10-2Hz为截断频率，进行最小二乘高通滤波和低通滤波，去除残余的潮汐信号和部分地震波信号以及其他噪声信号。以北京国家地球观象台为例，图2是其预处理各阶段的时间序列。

可见由于大地震的影响，以10-8ms-2为单位的重力幅值变化达到10-4量级，固体潮曲线在图2原始观测资料中几乎分辨不出来，而产生的面波由于振幅大，周期性强，在图2重力残差值中清晰可见。残差经过最小二乘带通(10-4～10-2Hz)滤波后，主要剩下地球自由振荡信号(图2)。

图2 北京台数据预处理主要阶段时间序列Fig.2 Time series of main stages of data preprocessing at Beijing station

4 地球自由振荡谱分析结果

采用功率谱密度估计的方法来分析地球自由振荡信号。功率谱密度定义为观测数据自相关函数的傅立叶变换，并利用Tsoft软件对滤波后的残差数据进行功率谱密度估计，将从北京、沈阳、格尔木、乌什等4个gPhone台站观测资料中所提出的地球自由振荡信号如图3所示。

从图3可以了解到gPhone重力仪检测到的自由振荡在频域的分布情况和不同的基频振型相应的功率谱密度大小，还可以看出4个台站中北京国家地球观象台和沈阳地震台的功率谱密度谱线最为清晰，且北京国家地球观象台的谱峰幅值更为平滑均匀，这与台站背景噪声的大小和相对震源的位置有很大的关系。

为了将所检测到的地球自由振荡信号清楚地分辨并标识出来，我们依据地球自由振荡信号在频域的分布特点，把功率谱密度估计结果分成0～1.0 mHz、0.9～3.0 mHz、2.9～4.0 mHz和3.9～5.5 mHz 4个频段来分析。为了避免因分段而可能造成的谱峰丢失或重复计算，并让相邻频段保持0.1 mHz频域的重叠。

以北京国家地球观象台为例，参照HB1模型理论计算值和超导重力仪(C032)的检测结果，将各个谱峰对应的频率上标识出相应的基频振型，图4～7为划分的4个频段内的基频振型及其功率谱密度细节。

从图4～7可以看出，在0～4.5 mHZ频段内，球形自由振荡0S0～0S37基频振型的功率谱谱线十分清晰，同时也观测到0S2和0S3的谱线分裂现象，这与超导重力仪检测的结果［12］以及HB1模型都符合得很好;而在4.5～5.5 mHz频段内，0S40～0S48基频振型的谱峰虽能分辨出来，但并不突出，可能是因为高频自由振荡信号的衰减较快，长时间序列的观测数据对高频自由振荡信号的抑制效应造成的。

图3 gPhone检测到的地球自由振荡信号频域分布图(0～5 mHz)Fig.3 Distribution of the signals in frequency domain of Earth’s free oscillations detected by gPhone(0-5 mHz)

图4 0～1.0 mHz间的自由振荡信号Fig.4 Free oscillation signals between 0 to 1.0 mHz

图5 0.9～3.0 mHz间的自由振荡信号Fig.5 Free oscillation signals between 0.9 and 3.0 mHz

图6 2.9～4.0 mHz间的自由振荡信号Fig.6 Free oscillation signals between 2.9 and 4.0 mHz

图7 3.9～5.5 mHz间的自由振荡信号Fig.7 Free oscillation signals between 3.9 and 5.5 mHz

根据功率谱密度估计结果，还统计了北京国家地球观象台gPhone(PET031)检测到的0S0～0S48全部球形基频自由振荡周期，并将结果与超导重力仪和HB1理论值进行对比(表1)。

表1 0S0～0S48基频自由振荡的周期 (单位：分钟)Tab.1 Free oscillation period of fundamental frequency from0S0to0S48(unit：minute)

由表1可以看出，只有0S21振型的观测周期与理论周期的差异超过0.5%，其他大部分差异都在0.25%以内，这说明本文对0S0～0S48基频自由振荡的检测结果与HB1模型的理论值基本一致，且与超导重力仪的观测结果相差不大，所以gPhone重力仪对地球自由振荡的检测是比较成功的。

5 结论与讨论

利用4个台站的gPhone重力仪观测资料，都检测到了地球自由振荡，并以检测效果最好的北京国家地球观象台 gPhone(PET031)为例，进行了0S0～0S48的所有基频振型的一一对应，并将检测精度与HB1模型进行对比，表明gPhone对0S0～0S48基频自由振荡周期的实测结果与HB1模型的理论值吻合得比较好，且与超导重力仪检测结果整体一致。gPhone重力仪同时也初步检测到了0S2、0S3基频自由振荡的谱峰分裂现象。

1 刘子维，等.gPhone重力仪数据采集系统性能的改进［J］.大地测量与地球动力学，2010，(2)：102-104.

2 Vauterin P.Tsoft：Graphical and interactive software for the analysis of Earth tide data［A］.In：Paquet P，Ducarme B，eds.Proc.13th Int.Sympos.Earth tides［C］.Brussels：Royal Observatory of Belgium，1998.481-486.

3 Tamura Y.A harmonic development of the tide-generating potential［J］.Bulletin D’Information Marées Terrestres，1987，99：6 813-6 855.

4 Wenzel H G.Earth tide data processing package ETERNA 3.30：the nGal software［A］.In：Paquet P，Ducarme B，eds.Proc.13th Int.Sympos.Earth tides［C］.Brussels：Royal Observatory of Belgium，1998.487-494.

5 Sun H P and Luo S C.Theoretical computation and detection of the atmospheric gravity signals［J］.Chinese Journal of Geophysics，1999，41(3)：405-413.

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

7 Merriam J B.Atmospheric pressure and gravity［J］.Geophys J Ints.，1992(109)：488-500.

8 徐建桥，郝兴华，孙和平.武汉基准台气压对重力潮汐观测的影响［J］.测绘学报，1999，28(1)：21-27.

9 孙和平.大气重力格林函数［J］.科学通报，1997，42(5)：1 640-1 646.

10 Crossley D J and Hinderer J.Global geodynamics project—GGP：Status Report 1994［A］.In：Poitevin C，ed.Proceeding of the wordshop on non-tidal gravity changes［C］.1995(11)：244-269.

11 陈运泰，等.数字地震学［M］.北京：地震出版社，2000.

12 雷湘鄂，许厚泽，孙和平.利用超导重力观测资料检测地球自由振荡［J］.科学通报，2002，47(18)： 1 432-1 436.

EFFECTIVENESS BY USING GPHONE GRAVIMETER FOR DETECTIING THE EARTH’S FREE OSCILATION EXCITED BY JAPAN Ms9.0 EARTHQUAKE

Liu Zhenghua1)，Li Hui1，2)，Hao Hongtao1，2)，Wei Jin1，2，3)and Liu Ziwei1，2，4)

(1)Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Wuhan 430071 2)Crustal Movement Laboratory，Wuhan 430071 3)School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079 4)School of Computer Science，Wuhan University，Wuhan430079)

Utilizing the gravity data of the gPhone gravimeters(at Beijing，Shenyang，Golamd，Wushi stations)during the Ms9.0 Japan earthquake that broke out in 2011-03-11，we succeed in detecting the Earth’s free oscillations from0S0to0S48，in addition，we observed the spectra splitting of the0S2，0S3.Compared with the HB1 model，the observed period of0S0-0S48coincide with the results from super conducting gravimeter and the HB1 model.Thus it is confirmed that the gPhone gravimeter can effectively detect the Earth’s free oscillations，and to a certain extent，that the sample data by second are reliable.

gPhone gravimeter;Earth’s free oscillations;power spectral density;Ms9.0 Japan earthquake;HB1 model

1671-5942(2011)Supp.-0046-05

2011-04-06

国家自然科学基金(41004030)

刘正华，硕士，主要研究方向为连续观测相对重力仪频响特征的数字分析.E-mail：zhenghua08@163.com

P315.5

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