利用本溪自流井水溫觀測(cè)資料檢測(cè)地球自由振蕩＊

蔣翠榮,任 佳,陳華靜,王 松,楊耀文,溫 超,王長(zhǎng)江

(1.河北省地震局張家口中心臺(tái),河北張家口 075000;2.中國地震局臺(tái)網(wǎng)中心,北京 100036;3.云南省地震局麗江地震臺(tái),云南麗江 674100;4.河北省地震局,石家莊 050021)

利用本溪自流井水溫觀測(cè)資料檢測(cè)地球自由振蕩＊

蔣翠榮1,任 佳1,陳華靜2,王 松2,楊耀文3,溫 超4,王長(zhǎng)江1

(1.河北省地震局張家口中心臺(tái),河北張家口 075000;2.中國地震局臺(tái)網(wǎng)中心,北京 100036;3.云南省地震局麗江地震臺(tái),云南麗江 674100;4.河北省地震局,石家莊 050021)

用本溪自流井?dāng)?shù)字化水溫觀測(cè)資料,采用直接計(jì)算功率譜密度的方式對(duì)印尼蘇門答臘 9.0級(jí)大地震激發(fā)的球型自由振蕩進(jìn)行了提取,準(zhǔn)確檢測(cè)到了0S2～0S9低頻基型球型振蕩,并且還檢測(cè)到了 2個(gè)諧頻球型振蕩:1S2、1S3。用該井?dāng)?shù)字化水溫觀測(cè)資料提取了0S2、0S3、0S4共 3個(gè)振型的分裂,雖然 3個(gè)振型均只得到 2個(gè)單峰,但地球自由振蕩譜線分裂現(xiàn)象的檢測(cè)為研究地球的深內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了新的、不同類型的觀測(cè)資料。研究表明,用本溪自流井?dāng)?shù)字化水溫觀測(cè)資料可以提取到蘇門答臘大地震激發(fā)的地球球型振蕩,這就為地球自由振蕩的研究提供了一種新的觀測(cè)手段。

水溫;蘇門答臘 9.0級(jí)大地震;地球自由振蕩;球型振蕩

0 引言

大地震的震動(dòng)產(chǎn)生地震波,其中體波直接通過地球傳播,而其他波則沿地球表面?zhèn)鞑?。面波從震源向各個(gè)方向射出,由于地球是球體,這些不同方向的波最終產(chǎn)生相互干涉,這種干涉方式叫 “自由振蕩”。

地球自由振蕩的理論研究至少可追溯到 18世紀(jì)。Lamb(1882)詳細(xì)討論了均勻球體的較簡(jiǎn)單的振型,對(duì)應(yīng)于現(xiàn)在通常稱為球型振蕩和環(huán)型振蕩的兩種振型。最早對(duì)地球自由振蕩的準(zhǔn)確觀測(cè)是在 1960年智利MS8.3(MW9.5)地震后,分別用 Isabella應(yīng)變儀(Benioffet al,1961)和 La-Coste-Romberg重力儀(Nesset al,1961)實(shí)現(xiàn)的,兩套儀器的觀測(cè)結(jié)果非常吻合并與理論值相當(dāng)一致,由此確認(rèn)了長(zhǎng)周期自由振蕩的存在。至今,用于觀測(cè)地球自由振蕩的儀器主要包括:寬頻帶地震儀、基線應(yīng)變儀、重力儀、水管傾斜儀、垂直擺傾斜儀和水位儀(Benioffet al,1961;Alsop et al,1961;Bogert,1961;Dziewonski,Gillbert,1972; Bolt,Currie,1975; Zadro,Braitenberg,1999;萬永革等,2004、2005;任佳等,2009a,b)。2004年12月 26日蘇門答臘大地震,給人類造成了重大傷亡和損失,但也為研究地球自由振蕩提供了難得的機(jī)會(huì)。Stein和 Okal(2005a,b)、萬永革等(2007)、雷湘鄂等(2007)、邱澤華等(2007)、任佳等(2009a,b)分別對(duì)這次地震激發(fā)的地球自由振蕩進(jìn)行了研究,但利用水溫觀測(cè)資料檢測(cè)地球自由振蕩的研究,國內(nèi)外還未見報(bào)道。本文利用數(shù)字化水溫觀測(cè)資料提取了這次地震激發(fā)的低頻球型自由振蕩。

1 觀測(cè)井地質(zhì)背景

本溪自流井井區(qū)處于陰山東西向構(gòu)造帶的東延與新華夏系第二巨型隆起帶的交接部位,屬太子河凹陷帶。北東向太子河斷裂橫貫全區(qū),該斷裂帶東南側(cè)為古老地塊組成的山地,西北側(cè)多為開闊的山間沖積平原或較開闊的河谷地區(qū)。自流井井口標(biāo)高 173.34 m,井深 1 213.46 m,觀測(cè)含水層地下水屬裂隙承壓水,水質(zhì)類型為硫酸鈉型。井孔在 600 m處穿過第一個(gè)熱水層,在 952～957 m處穿過第二個(gè)含水層,兩個(gè)含水層中不同溫度的水混合后流出地表時(shí)水溫在 20℃左右(孫小龍,劉耀偉,2007)。

2 資料處理

本溪自流井水溫觀測(cè)使用 SZ W—1A型數(shù)字式溫度計(jì),該儀器是為地?zé)崆罢子^測(cè)設(shè)計(jì)的專用石英溫度計(jì),分辨率為 0.000 1℃,短期穩(wěn)定性為0.000 1℃/日,長(zhǎng)期穩(wěn)定性為 0.01℃/年,絕對(duì)精度為 ±0.05℃。該井長(zhǎng)期的觀測(cè)表明,水溫測(cè)量值在無震時(shí)能反映出明顯的固體潮效應(yīng),對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震也有同震響應(yīng)(孫小龍,劉耀偉,2007)。本文采用快速傅立葉變換(FFT)(萬永革等,2007)對(duì) 2006年該井水溫的小時(shí)觀測(cè)值進(jìn)行了頻譜分析,分析結(jié)果清楚地顯示了日波動(dòng)和半日波動(dòng),并得到了 5個(gè)主要的日潮汐波 Q1、O1、K1、J1、OO1和 3個(gè)主要的半日潮汐波 N2、M2、S2(圖 1)。這就表明本溪自流井水溫能夠?qū)ξ⑿〉膽?yīng)變(如地球的潮汐變化)產(chǎn)生響應(yīng),也表明該臺(tái)的觀測(cè)條件和觀測(cè)質(zhì)量都比較好。筆者認(rèn)為,一般情況下,能清晰記錄到固體潮的儀器,才有可能檢測(cè)出地球自由振蕩信息。

圖1 本溪自流井水溫頻譜分析Fig.1 Analysis ofBenxi artesian water temperature spectrum

圖2是本溪自流井水溫儀記錄到的蘇門答臘9.0級(jí)大地震的分鐘值曲線,此曲線沒有經(jīng)過任何消除干擾的處理。從圖中可以明顯地看到記錄到的水溫固體潮、水震波和震后效應(yīng)。震后效應(yīng)表現(xiàn)為水溫階升,這主要是地震波作用下含水層滲透率增大造成的(孫小龍,劉耀偉,2007)。我們提取了受地震影響明顯的 5天的資料,分析采用的數(shù)據(jù)從地震發(fā)生后開始,共 7 200 min。

圖2 本溪自流井水溫記錄的蘇門答臘大地震分鐘值曲線Fig.2 Benxi artesian water temperature in the record of the minutes curve of Sumatra earthquake

本研究采用通常的功率譜密度估計(jì)方法來提取地球球型自由振蕩,其定義為記錄到的波形資料的自相關(guān)函數(shù) Rn的傅立葉變換(萬永革等,2005),即

其中,自相關(guān)函數(shù)

式中,N=7 200,為所用數(shù)據(jù)的數(shù)目,x為本溪自流井記錄的水溫?cái)?shù)據(jù)。Sk離散值為功率譜密度值。本文利用本溪自流井?dāng)?shù)字化水溫觀測(cè)資料,采用直接計(jì)算功率譜密度的方式來提取球型振蕩振型。為了消除數(shù)據(jù)不能無限長(zhǎng)而必須加窗造成的對(duì)功率譜密度估計(jì)的影響,本文采用 Hanning窗來抑制旁瓣,突出主瓣。

3 球型自由振蕩的識(shí)別

按照上述的計(jì)算方法,我們得到了本溪自流井水溫?cái)?shù)據(jù)的功率譜密度估計(jì)值(PSD)(圖 3),圖中垂直虛線表示地球初步參考模型 PREM給出的在其頂點(diǎn)標(biāo)出振型的自由振蕩頻率值。在 0.28～1.6 MHz頻段內(nèi)可以清楚地檢測(cè)到球型振蕩的基型振蕩0S2、0S3、0S4、0S5、0S6、0S7、0S8、0S9。同時(shí),我們還檢測(cè)到了 2個(gè)諧頻球型振蕩:1S2、1S3。本研究只檢測(cè)到低頻段(0.28～1.6 MHz)的地球自由振蕩信息,中頻和高頻均未檢測(cè)到。

圖3 本溪自流井水溫?cái)?shù)據(jù)功率譜密度估計(jì)曲線Fig.3 The est imated power spectral density curve of Benxi artesian water temperature data

通過圖 3繪制的功率譜,我們得到了球型振蕩0S5～0S95個(gè)振型的周期平均值(表 1)。將觀測(cè)值和 PREM模型理論值相比較,發(fā)現(xiàn) 5個(gè)振型的觀測(cè)周期和 PREM模型理論周期的相對(duì)誤差均集中在 0.2%左右,這說明觀測(cè)值和 PREM模型的理論值是比較吻合的。

表1 本溪自流井水溫觀測(cè)的地球球型振蕩平均觀測(cè)值、PREM模型理論值及觀測(cè)值與 PREM模型理論值之差Tab.1 An average of observed ball oscillations values of Benxi artesian water temperature,PREM model theoretic value and the difference be tween the observed value and the theoretic value

另外,我們還得到了0S2、0S3、0S4振型的分裂譜(圖 4)。根據(jù) Dahlen和 Sailor(1979)的研究結(jié)果,地球自由振蕩振型分裂的頻率可表示為:

其中,ω0為地球自由振蕩的簡(jiǎn)并本征頻率,本研究采用 PREM模型給出的特定振型的理論計(jì)算值(Dziewonski,Anderson,1981);ωm為受地球自轉(zhuǎn)和橢率擾動(dòng)的自由振蕩分裂譜線頻率;m為分裂振型序號(hào)。自由振蕩譜線分裂參數(shù)包括 a,b,c,其中 a為中心譜線漂移參數(shù),b為自轉(zhuǎn)引起的譜線分裂參數(shù),c為譜線分裂的不對(duì)稱因子,主要由地球橢率引起。本研究采用Dahlen和 Sailor(1979)總結(jié)給出各種振型的分裂參數(shù)。

圖4為振型分裂觀測(cè)值與運(yùn)用 PREM模型得到的分裂譜峰位置的比較,圖中垂直虛線表示根據(jù)PREM模型計(jì)算振型分裂的自由振蕩頻率值。對(duì)于0S2有 2個(gè)峰值分別對(duì)應(yīng)于 m-2和 m1,對(duì)于0S3有 2個(gè)峰值分別對(duì)應(yīng)于 m-2和 m2,對(duì)于0S4有 2個(gè)峰值分別對(duì)應(yīng)于 m-3和 m3。

圖4 0S2、0S3、0S4振型的分裂譜Fig.4 0S2、0S3、0S4mode split spectrum

通過圖 4繪制的分裂譜,我們得到了0S2、0S3、0S43個(gè)振型的分裂譜線周期平均值(表 2)。將觀測(cè)值和 PREM模型理論值相比較,發(fā)現(xiàn) 3個(gè)振型的分裂譜線周期和 PREM模型理論周期的相對(duì)誤差均小于 0.3%,這說明觀測(cè)值和 PREM模型的理論值是比較吻合的。

表2 本溪自流井水溫檢測(cè)到的 3個(gè)振型譜線分裂觀測(cè)值與 PREM理論值Tab.2 The three modal split observational values detected byBenxi artesian water temperature and PREM theoretical value

4 結(jié)論和討論

(1)我們用數(shù)字化水溫觀測(cè)資料對(duì)印尼蘇門答臘 9.0級(jí)大地震激發(fā)的球型自由振蕩進(jìn)行了提取,準(zhǔn)確檢測(cè)到了0S2～0S9低頻基型球型振蕩,還檢測(cè)到了 2個(gè)諧頻球型振蕩:1S2、1S3。這既反映了本溪自流井?dāng)?shù)字化水溫儀器運(yùn)行狀態(tài)良好,也表明本文的研究是成功的。這種研究不僅能有效地發(fā)揮觀測(cè)儀器的潛能,也提高了觀測(cè)資料的利用率。本研究為地球自由振蕩的研究提供了一種新的觀測(cè)手段。

(2)對(duì)于封閉良好的承壓含水層來說,井—含水層系統(tǒng)相當(dāng)于高靈敏度的體應(yīng)變儀(張昭棟等,1988,2000)。本溪自流井水溫觀測(cè)資料能記錄到水溫固體潮、水震波、震后水溫階升和自由振蕩現(xiàn)象。筆者認(rèn)為,這種水溫微動(dòng)態(tài)的形成機(jī)制,不是深部熱物質(zhì)的直接上涌或熱的傳導(dǎo)引起的,而很可能是引起井水溫度變化的水動(dòng)力學(xué)機(jī)制起主導(dǎo)作用,即由于地殼的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的變化,首先引起含水層巖體變形及相應(yīng)的孔隙壓力的變化并導(dǎo)致井—含水層系統(tǒng)水動(dòng)力條件(水力梯度)的改變和水流狀況(流速、流量等)的改變,然后由于水流量所攜帶著的井孔內(nèi)熱量變化引發(fā)井水溫度改變?cè)斐傻?魚金子等,1997)。

(3)Rosat等(2005)針對(duì)蘇門答臘地震分析了 11個(gè)臺(tái)站的超導(dǎo)重力儀資料,發(fā)現(xiàn)0S2和0S3清楚地分裂為 5個(gè)和 7個(gè)單峰,并首次在沒有數(shù)據(jù)疊加的情況下觀測(cè)到2S1振型及其由于地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的頻譜分裂。我們用本溪自流井?dāng)?shù)字化水溫觀測(cè)資料提取了0S2、0S3、0S4等 3個(gè)振型的分裂,雖然3個(gè)振型均只得到 2個(gè)單峰,但地球自由振蕩譜線分裂現(xiàn)象的檢測(cè)為研究地球的深內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了新資料(He,Tromp,1996;Masters,1981)。通常認(rèn)為0S2和0S3振型的穿透深度達(dá)到內(nèi)核,其中0S2的穿透深度接近地心,0S3則剛剛進(jìn)入內(nèi)核(雷湘鄂等,2004)。因此對(duì)這些振型的分裂進(jìn)行研究有望揭示地球內(nèi)核的結(jié)構(gòu)信息。

(4)本文作為初步研究,只得到了低頻段的地球自由振蕩振型,中頻段和高頻段自由振蕩振型被淹沒在背景噪聲中,不易分辨。如何利用數(shù)字化水溫觀測(cè)資料檢測(cè)更多的自由振蕩振型是我們下一步研究的目標(biāo)。另外,如何用這種觀測(cè)資料來檢驗(yàn)水溫觀測(cè)的頻響特性,也需要進(jìn)一步研究。

雷湘鄂,孫和平,許厚澤,等 .2007.蘇門答臘地地震激發(fā)的地球自由振蕩及其譜線分裂的檢測(cè)與討論[J].中國科學(xué)(D輯),37(4):504-511.

雷湘鄂,許厚澤,孫和平 .2004.由 5個(gè)國際超導(dǎo)重力儀臺(tái)站資料檢測(cè)到的秘魯 8.2級(jí)大地震所激發(fā)的球型自由振蕩現(xiàn)象[J].中國科學(xué)(D輯),34(5):483-491.

邱澤華,馬瑾,池順良,等 .2007.鉆孔差應(yīng)變儀觀測(cè)的蘇門答臘大地震激發(fā)的地球環(huán)型自由振蕩 [J].地球物理學(xué)報(bào),50(3):797-805.

任佳,陳華靜,蔣翠榮,等 .2009 a.數(shù)字化水位儀觀測(cè)的蘇門答臘大地震激發(fā)的地球球型自由振蕩 [J].地震研究,32(4):333-338.

任佳,陳華靜,王松,等 .2009 b.汶川大地震激發(fā)的地球球型自由振蕩[J].中國地震,25(1):73-80.

孫小龍,劉耀煒 .2007.本溪自流井水位與水溫同震變化關(guān)系研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),27(6):100-104.

萬永革,盛書中,周公威 .2007.中國數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的蘇門答臘—安達(dá)曼地震激發(fā)的地球球型自由振蕩的檢測(cè)[J].地震學(xué)報(bào),29(4):369-381.

萬永革,周公威,郭燕平 .2004.昆侖山口西地震激發(fā)的地球環(huán)型振蕩[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),24(1):1-7.

萬永革,周公威,郭燕平 .2005.中國數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的昆侖山口西地震的球型自由振蕩[J].地震,25(1):31-40.

萬永革 .2007.數(shù)字信號(hào)處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)[M].北京:科學(xué)出版社.

魚金子,車用太,劉五洲 .1997.井水溫度微動(dòng)態(tài)形成的水動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究[J].地震,17(4):389-396.

張昭棟,遲鎮(zhèn)樂,陳會(huì)民,等 .2000.井水位的振蕩與地震波[J].地震研究,23(4):418-425.

張昭棟,鄭金涵,馮初剛 .1988.一種估算地震引起應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整的新方法[J].地震,8(3):19-27.

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

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

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

BoltB A,Currie R G.1975.Maximum entropy estimatesof Earth torsional eigenperiods from 1960 trieste data[J].Geophys J R astr Soc,40:107-114.

Dahlen FA,SailorR V.1979.Rotational and elliptical splittingof the free oscillations of the earth[J].Geophys J Rastr Soc,58:609-623.

DziewonskiA M,Anderson D L.1981.Preliminary reference Earth model(PREM)[J].Phys Earth Planet Interi,25:297-356.

DziewonskiA M,Gillbert F.1972.Observation of nor mal modes from 84 recordings of the Alaskan earthquakes of 1964 March 28[J].Geophys J R astr Soc,27:393-446.

He X,Tromp J.1996.Normal-mode constraints on the structure of the Earth[J].J Geophys Res,110(B9):20053-20082.

Lamb H.1882.On the variations of an elastic sphere[J].Lond Math Soc Proc,13:233-256.

Masters G.198l.Gilbert F Structure of the inner core infered from observations of its spheroidal shear modes[J].Geophys Res Lett,(8):569-571.

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

Rosat S,Sato T, Imanishi Y,et al.2005.High-resolution analysis of the gravest seis mic normalmodes after the 2004MW=9 Sumatra earthquake using superconducting gravimeter data[J].GeophysResLett,32:L133304,doi:10.1029/2005GL023l28.

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

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

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

Detecting the free oscillations of the earth in the use of the observed data of Benxiartesian water temperature

JIANG Cui-rong1,Ren Jia1,CHENG Hua-jing2,WANG Song2,YANG Yao-w en3,W EN Chao4,W ang Chang-jiang1
(1.Zhangjiakou Central Seism ic Station,Earthquake Adm inistration of Hebei Province,Zhangjiakou075000,Heibei,China)
(2.China SeismologicalBureau Center,Beijing100036,China)
(3.L ijiang Seism ic Station,Earthquake Adm inistration of Yunnan Province,L ijiang674100,Yunnan,China)
(4.Earthquake Adm inistration of Heibei Province,Shijiazhuang050021,Heibei,China)

In the first tim e of using digital observation data of B enxi artesian w ater temperature,as w ell as using direct calculation of pow er spectral density to extract the ball free oscillations prompted by the9.0Sum atra earthquake,and accurately detected0S2～0S9low-frequency base-type oscillations and tw o-frequency spherical harm onic oscillator:1S2、1S3.B y using the temperature observations,for the first tim e w e successfully extracted3m ode split:0S2、0S3、0S4.A lthough only tw o single peaks w ere

by the three m ode shapes,but the phenom enon of the Earth's free oscillations spectrum of split testing provides a new and different types of observational data to the study of internal structure of the Earth.Studies have show n that digital observation data of Benxi artesian w ater temperature is indeed to extract the the ball free oscillations prompted by the9.0Sum atra earthquake w hich prompted a new observational tool for the Earth's free oscillations study.

w ater temperature,Sum atra M9.0earthquake,the Earth's free oscillations,the ball-type oscillation

P315.72+3

A

1000-0666(2010)04-0313-05

2010-02-20.

致謝:本文 PREM模型數(shù)據(jù)由萬永革老師提供,所用水溫?cái)?shù)據(jù)由中國地震局臺(tái)網(wǎng)中心周克昌老師提供,在此一并致謝。