利用SG-C053超导重力仪检测智利8.8级地震激发的地球自由震荡*

刘子维 郝洪涛 韦 进 李 辉

(1)中国地震局地震研究所，武汉 430071 2)武汉大学计算机学院，武汉430079)

利用SG-C053超导重力仪检测智利8.8级地震激发的地球自由震荡*

刘子维1，2)郝洪涛1)韦 进1)李 辉1)

(1)中国地震局地震研究所，武汉 430071 2)武汉大学计算机学院，武汉430079)

利用SG-C053超导重力仪的观测资料，研究了2010年2月27日智利Ms8.8地震引发的球形自由振荡0S0～0S48的所有基频振型，检测结果与PREM模型的理论值相比，二者基本相符。

超导重力仪;地球自由振荡;功率谱密度;智利Ms8.8地震;PREM模型

1 引言

研究表明，地球自由振荡存在环型振荡和球型振荡两种基本振型［1-5］，状态良好的重力仪适合观测球型自由振荡［6］。1960年，Benioff［7］和Ness等［8］分别利用应变仪和弹簧重力仪最早观测到了地球自由振荡现象。20世纪80年代中期以来，超导重力仪以其极宽的动态线性测量范围、极低的噪声水平和漂移率，成为观测重力场微小变化最可靠的仪器，也为地球自由振荡研究提供了更加可靠的观测资料。Van Camp［9］使用比利时Menbach天文台的超导重力仪资料观测到少数几个基频和一些谐频。雷湘鄂等［10］利用武汉基准台的超导重力资料检测到许多谐频和0S0～0S32的全部基频振型，进而通过对国际上5个超导重力仪台站所观测到的6组资料进行综合分析，准确获得了0S0～0S48的所有振型［11］。

2010年2月27日，智利中部康普西翁地区发生8.8级强震，为地球自由振荡的研究又一次提供了重要机会。本文将利用国家引力与固体潮野外观测站SG-C053超导重力仪的观测资料，研究智利8.8级强震引发的地球自由震荡。

2 超导重力观测及资料预处理

中国地震局地震研究所于2008年8月引进的美国GWR公司生产的最新型超导重力仪(编号为SG-C053)，相比早期型号，该型超导重力仪数据采集系统除记录秒采样的重力信号和外部气压外，还包括30个仪器状态信息［12］。该超导重力仪安装于国家引力与固体潮野外观测站，2008年9月26日开始正式观测，对O1波、M2波等的主要潮汐因子的测量精度达到了0.01%［12，13］。

研究资料取至SG-C053超导重力仪2010-02-27—03-04日的观测数据，采样间隔为秒。在对自由振荡信号进行研究之前，必须首先尽量消除非自由振荡信号的影响。本文主要采取以下措施消除非自由震荡信号的影响：

1)利用文献［14］给出的潮汐分析结果计算重力合成潮汐，将观测数据与计算的合成潮相初步去除重力潮汐;

2)根据大气重力导纳常数与秒采样气压数据的乘积进行大气重力效应改正［15］;

3)根据地球自由振荡的频率分布特征，分别以1×10-4Hz和1×10-3Hz为截断频率，进行最小二乘高通滤波和低通滤波，去除残余潮汐信号和部分地震波信号。

预处理后的观测数据如图1所示。在该时间范围内，仪器无数据间断和掉格，显示出SG-C053超导重力仪良好的连续运行能力。

3 地球自由振荡检测结果

采用功率谱密度估计方法提取地球自由振荡信号。公式为：

式中Rn为观测数据的自相关函数，

式中，N为观测数据长度，x为观测数据。

图1 超导重力仪观测数据预处理结果Fig.1 Dreprocessing results of the observations with the super conducting gravimeter

图2 (0～1.5)×10-3Hz自由振荡功率谱Fig.2 Free oscilation power spectrum of(0～1.5)×10-3 Hz

选取地震波信号到达时刻(3月4日)的观测数据进行功率谱密度估计，并根据地球自由振荡频率分布和功率谱振幅特点，将其分为(0～1.5)× 10-3、(1.5～3.9)×10-3、(3.9～5.5)×10-3Hz 3个频段。图2～4为3个频段内的功率谱分布，虚线表示PREM模型中的相应基频振型的频率位置。从图2～4可以看出，在(0～3.9)×10-3Hz频段内，球形自由振荡0S0～0S31基频振型的频率位置形成的谱峰十分清楚，在0S2、0S3、0S4频率位置存在明显的谱峰分裂现象;在(3.9～5.5)×10-3Hz频段内，0S32～0S35振型的频率位置也形成的较为明显的谱峰，而在高于4.3×10-3Hz的频段内，基频振型的频率位置形成的谱峰则并不突出。考虑到高频自由振荡信号的衰减较快［8］，长时间观测数据的频谱分析对高频自由振荡信号造成了一定的压制作用。因此，本文将预处理后的观测资料中3月1日至4日的数据进行截断，再次对其进行功率谱密度估计(图5)。从图5可以看出，0S36～0S48振型的频率位置也形成了明显的谱峰。这也表明对0S0～0S48基频自由振荡的检测是成功的。

图3 (1.5～3.9)×10-3Hz自由振荡功率谱Fig.3 Free oscilation power spectrum of(1.5～3.9)× 10-3Hz

图4 (3.9～5.5)×10-3Hz自由振荡功率谱Fig.4 Free oscilation power spectrum of(3.9～5.5)× 10-3Hz

图5 (4.3～5.5)×10-3Hz自由振荡功率谱Fig.5 Free oscilation power spectrum of(4.3～5.5)×10-3Hz

根据功率谱估计结果，我们计算了0S0～0S48基频自由振荡的观测周期，并与PREM模型的理论周期进行了比较(表1)。比较结果表明，只有0S37振型的观测周期与理论周期的差异超过0.2%，其他大部分差异都在0.1%以内，这说明本文对0S0～0S48基频自由振荡的检测结果与PREM模型的理论值是比较吻合的。

表1 0S0～0S48基频自由振荡周期的观测值和PREM理论值比较Tab.1 Comperison between the observations of free oscilation period and the theoretical values of PREM

4 结论与讨论

1)利用SG-C053超导重力仪在2010年2月27日智利8.8级地震期间的观测资料，我们准确地检测到了球形自由振荡0S0～0S48的所有基频振型，与PREM模型的对比结果表明，二者吻合得比较好。

2)由于高频自由振荡信号衰减较快，适当减少谱分析所用的观测数据，对于提高高频自由振荡信号的分辨能力是有益的。

3)本文准确地检测到了0S2、0S3、0S4基频自由振荡的谱峰分裂现象。

1 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.

2 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.

3 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.

4 袁曲，等.利用宜昌台重力观测资料检测地球自由振荡［J］.大地测量与地球动力学，2010，(增Ⅰ)：74-77.

5 杨跃文，等.利用伸缩仪观测资料检测地球自由振荡［J］.大地测量与地球动力学，2010，(增Ⅰ)：78-81.

6 Garland G D.Introduction to Geophysics(Mantle，Core and Crust)［M］.Toronto：W B Saunders Company，1979.

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

8 Ness N R，Harrison C T and Slichter L B.Observation of the free oscillation of the earth［J］.J Geophys Res.，1961，66(2)：621-629.

9 Van Camp M.Measuring seismic normal modes with the GWR C021 superconducting ravimeter［J］.Phys Earth and Plan Int，1999，116：81-92.

10 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.

11 雷湘鄂，许厚泽，孙和平.由5个国际超导重力仪台站观测资料检测到的秘鲁8.2级大地震所激发的球型自由振荡现象［J］.中国科学D辑：地球科学，2004，34(5)：483-491

12 刘子维，等.SG-C053超导重力仪的观测结果分析［J］.大地测量与地球动力学，2010，(2)：257-160.

13 邢乐林，等.利用绝对重力测量精密测定超导重力仪的格值因子［J］.大地测量与地球动力学，2010，(1)：48-50.

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

15 陈运泰，等.数字地震学［M］.北京：地震出版社，2000.

DETECTION OF EARTH’S FREE OSCILATION EXCITED BY CHILE Ms8.8 EARTHQUAKE BY USING SG-C053 SUPER CONDUCTING GRAVIMETER

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

(1)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)School of Computer Science，Wuhan University，Wuhan430079)

Using the gravity data recorded by the SG-C053 super conducting gravimete g the Ms8.8 Chile earthquake break out in 2010，1，27，we succeed in detecting the Earth’s free oscilation from0S0to0S48.In addition，we observed the spectra splitting of the0S2，0S3and0S4.Compared with the PREM model，the observed period of0S0-0S48coincides with PREM model.

super conducting gravimeter;Earth’s free oscilation;spectra power density;Chile Ms8.8 earthquake; PREM model

1671-5942(2011)Supp.-0043-04

2011-03-02

全国重力台网学科中心运行经费(201101008)

刘子维，男，1971年生，助理研究员，博士在读，主要从事重力数据、数字信号处理及并行算法研究.E-mail：lzw@eqhb.gov.cn

P315.5

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